一种测定气固耦合态煤岩强度试验装置及方法与流程

1.本发明属于煤与瓦斯突出预测指标煤岩强度测定技术领域，具体地是涉及一种测定气固耦合态煤岩强度试验装置及方法。


背景技术：

2.煤与瓦斯突出问题是煤矿安全生产中的重大灾害事故之一，我国煤矿防突水平近年来取得了长足的进步，但重特大瓦斯事故仍时有发生，其中煤与瓦斯突出事故多发，在瓦斯事故中所占比例逐年上升。煤岩强度是预测煤与瓦斯突出危险性的重要指标，准确测定其指标大小，对于预测及防治煤与瓦斯突出事故具有重要意义。
3.目前测定煤岩强度的方法主要是落锤法，主要原理是测定煤岩在自由落体重锤的冲击下形成特定粒度煤粉的重量或者体积，来反映煤岩体的强度。现有的测试方法及装置，是人工操作，精度和效率低下，测定的是自然暴露状态煤岩体的强度，不能反映深部煤岩体气固耦合态下的实际强度。为了测定气固耦合态煤岩体强度，亟需寻求新的测试装置和方法，能够实现保压状态下的自由落锤测试。


技术实现要素：

4.本发明就是针对现有人工操作的煤岩强度测定方法的精度和效率低下以及暴露条件下测定结果不能反映深部煤岩体气固耦合态下的实际强度的问题，弥补现有技术的不足，提供了一种保压状态下测定气固耦合态煤岩强度试验装置及方法，主要用于测试煤岩体坚固性系数，同时具备自动化测试及保压测试的优点。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
6.本发明提供了一种测定气固耦合态煤岩强度试验装置，包括高压气瓶、增压泵、稳压装置、保压落锤装置、真空泵以及高压胶管；所述高压气瓶的输出端通过高压胶管连接增压泵，增压泵的输出端通过高压胶管连接稳压装置，稳压装置的输出端通过高压胶管连接保压落锤装置的输入端，保压落锤装置的输出端通过高压胶管连接真空泵；所述保压落锤装置包括电控箱、重锤破碎筒，重锤破碎筒固定于电控箱底部，电控箱与重锤破碎筒之间电连接；所述重锤破碎筒包括上筒体、中间筒体、下筒体、磁感应气缸、电磁吸盘装置以及重锤，上筒体与中间筒体连通，中间筒体与下筒体连通，磁感应气缸一端设置于上筒体顶部，磁感应气缸上设置有气缸伸缩杆，气缸伸缩杆穿过上筒体进入中间筒体中，中间筒体中设置电磁吸盘装置，气缸伸缩杆的下部与电磁吸盘装置固定连接，电磁吸盘装置底部吸附连接重锤；电控箱与磁感应气缸之间电连接，稳压装置通过高压胶管与重锤破碎筒的下筒体连接，重锤破碎筒的下筒体通过高压胶管与真空泵连接。
7.作为本发明的一种优选方案，所述高压气瓶与增压泵之间的高压胶管上连接有第一闸阀，增压泵与稳压装置之间的高压胶管上连接有第一压力传感器，稳压装置与保压落锤装置之间的高压胶管上依次连接有第二闸阀、第二压力传感器、流量传感器。
8.作为本发明的另一种优选方案，所述保压落锤装置与真空泵之间的高压胶管上连
接有第三闸阀，第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器均连接有数据采集器，数据采集器连接有计算机。
9.作为本发明的另一种优选方案，所述电控箱上设置有操作面板，操作面板安装于电控箱前侧箱壁上方，电控箱内部设置有控制电路；操作面板上设置有次数调节键、控制开关以及指示灯，次数调节键、控制开关以及指示灯均与控制电路相连，次数调节键通过控制电路与重锤破碎筒内部的磁感应气缸电连接；电控箱通过控制电路还分别与增压泵、真空泵电连接。
10.作为本发明的另一种优选方案，所述上筒体顶部设置有与磁感应气缸固定连接在一起的第一法兰盘，第一法兰盘连接于上筒体的筒口上，磁感应气缸固定于第一法兰盘的中心孔上，磁感应气缸上还设置有气缸端头，气缸端头固定连接于第一法兰盘中心处，气缸端头与气缸伸缩杆之间通过组合垫圈密封连接；上筒体与中间筒体之间设置有第二法兰盘，上筒体与中间筒体通过第二法兰盘连接，磁感应气缸的气缸伸缩杆经过第二法兰盘中心的通孔进入到中间筒体中。
11.作为本发明的另一种优选方案，所述上筒体内设置有用于控制电磁吸盘装置有磁性或无磁性的磁性变换控制件，磁性变换控制件包括导电杆、导电滚轮、导电滑道，位于气缸伸缩杆的两侧且关于气缸伸缩杆的中心对称连接有导电杆，气缸伸缩杆两侧的导电杆端部均连接有导电滚轮，位于上筒体内侧壁上竖直设置有分别与两个导电滚轮配合连接的导电滑道，导电滚轮通过气缸伸缩杆的带动可上、下滑动连接于导电滑道中，导电滑道与电控箱之间电连接。
12.进一步地，所述导电滑道包括导电铜片、有机玻璃板槽，有机玻璃板槽固定于上筒体内侧壁上，导电铜片固定卡接于有机玻璃板槽中。
13.更进一步地，所述电磁吸盘装置上设置有万向节结构，万向节结构的设置可以保证电磁吸盘装置的底部吸附面在与重锤接触时，电磁吸盘装置底部吸附面和重锤顶面始终保持平行。
14.作为本发明的另一种优选方案，所述下筒体为煤样放置筒体，下筒体包括煤样罐与煤样臼，煤样臼配合套接于煤样罐的外侧，煤样臼高于煤样罐，下筒体与中间筒体连接处设置有压环，采用压环卡接于煤样臼上端口与中间筒体之间，实现中间筒体与下筒体的密封，煤样臼内径与煤样罐的外径相对应。
15.本发明还提供了一种测定气固耦合态煤岩强度试验方法，利用上述的测定气固耦合态煤岩强度试验装置实现，包括如下步骤；
16.步骤一，检查所述测定气固耦合态煤岩强度试验装置的气密性，具体步骤包括：先将制备好的煤样放置在下筒体中，再利用压环实现密封；打开第一闸阀，将高压气瓶中的高压气体充入保压落锤装置装有煤样的下筒体中，并利用增压泵及稳压装置达到实验所需最高压力，关闭第一闸阀；保持6小时以上，观测压力是否有变化；若有变化，需对试验装置进行检测；若无变化，利用真空泵对下筒体脱气抽真空，进行下一步实验；
17.步骤二，向保压落锤装置装有煤样的下筒体中充入预定压力的甲烷气体ch4，具体步骤包括：利用真空泵对下筒体脱气抽真空后，打开第一闸阀，进行充气；通过数据采集器将第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器的数据传输至计算机；保持24h以上，使煤样充分吸附气体，记录最终平衡压力，关闭第一闸阀；
18.步骤三，煤岩强度测试，具体步骤包括：煤样吸附平衡后，操控电控箱上的操作面板进行落锤试验，测试在预定压力条件下煤岩强度；重复上述步骤一、步骤二，测试在不同气体压力条件下煤岩强度。
19.本发明有益效果：
20.与现有技术相比，本发明解决了现有人工操作的煤岩强度测定方法的精度和效率低下的问题，还解决了暴露条件下测定结果不能反映深部煤岩体气固耦合态下的实际强度的问题，主要用于测试煤岩体坚固性系数，同时具备自动化测试及保压测试的优点；本发明在充入甲烷气体ch4情况下，实现了煤样在封闭环境中的重锤提升-自由下落-提升的往复运动，实现了一定高度下对煤样的自动破碎，从而实现了封闭充气环境下煤岩体坚固性系数的自动化测试。
附图说明
21.图1是本发明一种测定气固耦合态煤岩强度试验装置的整体结构示意图。
22.图2是本发明操作面板的结构示意图。
23.图3是本发明重锤破碎筒的结构示意图。
24.图4是本发明导电滚轮的结构示意图。
25.图5是本发明导电滑道的结构示意图。
26.附图标记：1为高压气瓶；2为第一闸阀；3为增压泵；4为第一压力传感器；5为稳压装置；6为第二闸阀；7为第二压力传感器；8为流量传感器；9为保压落锤装置；10为电控箱；11为重锤破碎筒；12为第三闸阀；13为真空泵；14为数据采集器；15为计算机；16为操作面板；161为指示灯；162为次数调节键；163为控制开关；17为磁感应气缸；18为气缸端头；19为第一法兰盘；21为上筒体；22为气缸伸缩杆；23为导电杆；24为第二法兰盘；25为电磁吸盘装置；26为中间筒体；27为重锤；28为压环；29为煤样臼；30为煤样罐；31为导电滚轮；32为导电滑道；321为导电铜片；322为有机玻璃板槽。
具体实施方式
27.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.结合图1、图3所示，本发明实施例提供了一种测定气固耦合态煤岩强度试验装置，包括高压气瓶1、增压泵3、稳压装置5、保压落锤装置9、真空泵13以及高压胶管；所述高压气瓶1的输出端通过高压胶管连接增压泵3，增压泵3的输出端通过高压胶管连接稳压装置5，稳压装置5的输出端通过高压胶管连接保压落锤装置9的输入端，保压落锤装置9的输出端通过高压胶管连接真空泵13；所述保压落锤装置9包括电控箱10、重锤破碎筒11，重锤破碎筒11穿过电控箱10顶部固定于电控箱10内底部，电控箱10与重锤破碎筒11之间电连接；所述重锤破碎筒11包括上筒体21、中间筒体26、下筒体、磁感应气缸17、电磁吸盘装置25以及重锤27，上筒体21与中间筒体26连通，中间筒体26与下筒体连通，磁感应气缸17一端设置于上筒体21顶部，磁感应气缸17上设置有气缸伸缩杆22，气缸伸缩杆22穿过上筒体21进入中间筒体26中，中间筒体26中设置电磁吸盘装置25，气缸伸缩杆22的下部与电磁吸盘装置25
固定连接，电磁吸盘装置25底部吸附连接重锤27；电控箱10与磁感应气缸17之间电连接，稳压装置5通过高压胶管与重锤破碎筒11的下筒体连接，重锤破碎筒11的下筒体通过高压胶管与真空泵13连接。
29.所述高压气瓶1与增压泵3之间的高压胶管上连接有第一闸阀2，增压泵3与稳压装置5之间的高压胶管上连接有第一压力传感器4，稳压装置5与保压落锤装置9之间的高压胶管上依次连接有第二闸阀6、第二压力传感器7、流量传感器8；具体地，所述的第一闸阀2用于控制高压气瓶1中的气体流通情况，所述的增压泵3能够对高压气瓶1出来的气体压力进行提升，所述的稳压装置5可对提升压力后的气体进行稳压，以得到稳压气体；所述的第二闸阀6用于控制高压胶管中的气体是否流进保压落锤装置9的重锤破碎筒11下筒体中，所述的第一压力传感器4用于检测高压胶管中流通气体的压力情况，所述的第二压力传感器7用于检测流进保压落锤装置9的重锤破碎筒11下筒体中的气体压力情况，所述的流量传感器8用于检测流进保压落锤装置9的重锤破碎筒11下筒体中的气体流量情况。
30.所述保压落锤装置9与真空泵13之间的高压胶管上连接有第三闸阀12，打开第三闸阀12，可以使真空泵13抽出保压落锤装置9的重锤破碎筒11下筒体中的气体；数据采集器14的信号输入端通过线路与第一压力传感器4、第二压力传感器7、流量传感器8之间连接，数据采集器14的信号输出端通过线路与计算机15连接。
31.结合图1至图3所示，所述电控箱10上设置有操作面板16，操作面板16安装于电控箱10前侧箱壁上方，电控箱10内部设置有控制电路，控制电路为常规电路，在本发明实施例中对其电路连接结构以及原理不做赘述；操作面板16上设置有次数调节键162、控制开关163以及指示灯161，控制开关163包括气泵开关、试验开关、电源开关，指示灯161包括气泵显示灯、上升显示灯、下降显示灯；电源开关用于控制整个试验装置的通电与断电，试验开关用于控制保压落锤装置9的工作，次数调节键162用于设定和调节保压落锤装置9的工作次数，保压落锤装置9工作时，磁感应气缸17的气缸伸缩杆22会上、下运动，上升时对应上升显示灯点亮、下降时对应下降显示灯点亮，以实现重锤27的提升与下落；气泵开关用于控制真空泵13的工作，真空泵13工作时，气泵显示灯点亮；次数调节键162、控制开关163以及指示灯161均与控制电路相连，次数调节键162、试验开关均通过控制电路与重锤破碎筒11内部的磁感应气缸17电连接；电控箱10通过控制电路还分别与增压泵3、真空泵13电连接。
32.所述上筒体21顶部设置有与磁感应气缸17固定连接在一起的第一法兰盘19，第一法兰盘19连接于上筒体21的筒口上，第一法兰盘19与上筒体21连接处采用o型密封圈密封；磁感应气缸17固定于第一法兰盘19的中心孔上，磁感应气缸17上还设置有气缸端头18，气缸端头18固定连接于第一法兰盘19中心处，气缸端头18与气缸伸缩杆22之间通过组合垫圈密封连接；上筒体21与中间筒体26之间设置有第二法兰盘24，上筒体21与中间筒体26通过第二法兰盘24连接，磁感应气缸17的气缸伸缩杆22经过第二法兰盘24中心的通孔进入到中间筒体26中。
33.结合图3至图5所示，所述上筒体21内设置有用于控制电磁吸盘装置25有磁性或无磁性的磁性变换控制件，磁性变换控制件包括导电杆23、导电滚轮31、导电滑道32，位于气缸伸缩杆22的两侧且关于气缸伸缩杆22的中心对称连接有导电杆23，气缸伸缩杆22两侧的导电杆23端部均连接有导电滚轮31，位于上筒体21内侧壁上竖直设置有分别与两个导电滚轮31配合连接的导电滑道32，导电滚轮31通过气缸伸缩杆22的带动可上、下滑动连接于导
电滑道32中，导电滑道32与电控箱10之间电连接。
34.所述导电滑道32包括导电铜片321、有机玻璃板槽322，有机玻璃板槽322固定于上筒体21内侧壁上，导电铜片321固定卡接于有机玻璃板槽322中；导电铜片321的长度小于机玻璃板槽322的长度，导电铜片321下端边缘与机玻璃板槽322下端边缘对齐，导电铜片321上端边缘低于机玻璃板槽322上端边缘，这样在有机玻璃板槽322中的顶部会有一段无导电铜片321区域。
35.所述电磁吸盘装置25上设置有万向节结构，万向节结构的设置可以保证电磁吸盘装置25的底部吸附面在与重锤27接触时，电磁吸盘装置25底部吸附面和重锤27顶面始终保持平行。
36.需说明的是，所述电磁吸盘装置25为现有技术，在本发明实施例中，对电磁吸盘装置25的具体细节结构不做赘述，所述电磁吸盘装置25对重锤27的离、合是通过其内部电磁感应线圈的断电、通电来实现，电磁吸盘装置25通电时存在磁性吸引重锤27，断电时没有磁性，对重锤27不发生作用；所述磁感应气缸17通过气缸伸缩杆22带动对电磁吸盘装置25上、下往复运动，将重锤27提升至一个固定高度后，此时气缸伸缩杆22上连接的导电杆23端部的导电滚轮31位于导电滑道32的顶部无导电铜片321区域，因此电磁吸盘装置25断电，不具有磁性，重锤27下落，重锤27自由落体对煤样罐30中的煤样进行破碎。具体地，所述电磁吸盘装置25的有磁性或无磁性即磁性变换是利用磁性变换控制件来实现的，磁性变换控制件由导电杆23、导电滚轮31、导电滑道32构成，电磁吸盘装置25、气缸伸缩杆22、导电杆23、导电滚轮31与导电滑道32之间电连接在一起，通过电控箱10上的操作面板16来控制导电滑道32是否通电，进而实现控制电磁吸盘装置25的电磁磁性变换。
37.所述下筒体为煤样放置筒体，下筒体包括煤样罐30与煤样臼29，煤样臼29配合套接于煤样罐30的外侧，煤样臼29高于煤样罐30，下筒体与中间筒体26连接处设置有压环28，采用压环28卡接于煤样臼29上端口与中间筒体26之间，实现中间筒体26与下筒体的密封，煤样臼29内径与煤样罐30的外径相对应。
38.本发明还提供了一种测定气固耦合态煤岩强度试验方法，利用上述的测定气固耦合态煤岩强度试验装置实现，包括如下步骤；
39.步骤一，检查所述测定气固耦合态煤岩强度试验装置的气密性，具体步骤包括：先将制备好的煤样放置在下筒体中，再利用压环28实现密封；打开第一闸阀2，将高压气瓶1中的高压气体充入保压落锤装置9装有煤样的下筒体中，并利用增压泵3及稳压装置5达到实验所需最高压力，关闭第一闸阀2；保持6小时以上，观测压力是否有变化；若有变化，需对试验装置进行检测；若无变化，利用真空泵13对下筒体脱气抽真空，进行下一步实验；
40.步骤二，向保压落锤装置9装有煤样的下筒体中充入预定压力的甲烷气体ch4，具体步骤包括：利用真空泵13对下筒体脱气抽真空后，打开第一闸阀2，进行充气；通过数据采集器14将第一压力传感器4、第二压力传感器7、流量传感器8的数据传输至计算机15；保持24h以上，使煤样充分吸附气体，记录最终平衡压力，关闭第一闸阀2；
41.步骤三，煤岩强度测试，具体步骤包括：煤样吸附平衡后，操控电控箱10上的操作面板16进行落锤试验，测试在预定压力条件下煤岩强度；重复上述步骤一、步骤二，测试在不同气体压力条件下煤岩强度。
42.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本
发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。