專利名稱：煤與瓦斯突出模擬試驗裝置及其防護裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種煤與瓦斯突出裝置及其防護試驗裝置，具體地說，涉及用于進行 不同地應力、不同瓦斯壓力下的煤與瓦斯突出模擬試驗研究，同時研究在突出過程中聲發(fā) 射信號的傳播規(guī)律及衰減特征的煤與瓦斯突出模擬試驗裝置。
背景技術(shù)：
在煤與瓦斯突出機理研究方面，仍以1958年蘇聯(lián)霍朵特博士提出的綜合假說最 具代表性，認為瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)三因素綜合作用的結(jié)果。但截 至目前為止，煤與瓦斯突出的機理仍未明確。蘇聯(lián)自50年代開始在實驗室進行突出模擬試 驗。曾進行過單純靠瓦斯壓力來破碎和拋出煤的試驗。試驗表明只有在很大瓦斯壓力梯度 下(每一厘米瓦斯壓力下降幾個兆帕)，煤才有可能被破碎和拋出。日本的研究人員自60 年代初開始在實驗室進行突出時瓦斯拋射煤粉的試驗，后來發(fā)展為利用CO2的結(jié)晶冰、松香 或水泥和煤粉混合等制成多孔介質(zhì)，試驗在介質(zhì)孔隙瓦斯壓力下引起多孔介質(zhì)材料的破碎 和拋出，最后發(fā)展為類似蘇聯(lián)的綜合考慮地層應力和瓦斯壓力的突出模擬試驗。日本模擬 的優(yōu)點在于模型中有一段模擬圍巖的水泥段，能進行“掘進”等作業(yè)；其缺點是用冰、水泥或 松香等這些無瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物理化學性質(zhì)或力學性質(zhì)都與煤相差甚 遠。迄今為止，由于各種條件的限制，所做的突出模擬都不夠完善，還稱不上真正的“模擬”， 只能看作是在一定條件下的“復制”。自20世紀80年代以來，我國在煤與瓦斯突出機理試驗研究方面上取得了顯著的 成就。其中具有代表性試驗平臺簡介如下。國內(nèi)學者中國科學院力學研究所丁曉良(1989)開展煤與瓦斯突出實驗，為考察 突然爆露面處瓦斯壓力卸載速率對煤體破壞的影響，在瓦斯非定常與定常滲流條件下進行 實驗，通過改變成型壓力、鋼筒內(nèi)半徑、氣體種類來考察煤體強度、巷道幾何尺寸、瓦斯吸附 特性對煤體初次破壞的影響。認為在非定常滲流條件下，煤體破壞形式隨初始瓦斯超壓 AP0的增加，擊破密封膜后桶內(nèi)煤體呈現(xiàn)不同的破壞狀態(tài)；在定常滲流條件下，瓦斯超壓達 到某臨界值，煤體發(fā)生初次破壞，破壞煤體呈定型破壞。煤炭科學研究總院撫順分院的鄧全封，欒永祥，王佑安等人(1989)選用突出煤層 的煤樣，不添加任何添加劑條件下壓結(jié)成型模擬石門突然揭開煤層時的煤與瓦斯突出實 驗，考慮了影響突出的三個主要因素(地應力、瓦斯和煤強度)，但由于煤型尺寸較小，并未 在煤型中進行瓦斯壓力、應力分布狀況的實際測定，對煤的破碎和拋出過程未進行詳細的 論證。中國科學院力學研究所孟祥躍等人(1996)開發(fā)了既能改變地應力又能改變瓦斯 壓力的二維煤與瓦斯突出實驗裝置。重慶大學許江(2007)年研制了“大型煤與瓦斯突出模擬試驗臺”，該試驗臺可以 進行大尺寸、不同傾角煤層在不同地應力和不同瓦斯壓力條件下煤與瓦斯突出模擬試驗， 通過對突出煤樣施加均布荷載和階梯形荷載，可模擬工作面前方造成突出的局部應力集中現(xiàn)象，進行了煤與瓦斯突出機制的探索。然而，上述煤與瓦斯突出裝置雖在一定程度上促進了該類裝置的發(fā)展，但均存在一定程度的局限或缺陷(1)未能有效地捕捉突出前、突出過程、突出后容器腔內(nèi)壓力的分布變化規(guī)律，并 實現(xiàn)圖像實時輸出；(2)裝置的突出口打開方式均為手動，這在一定程度上威脅了實驗人員的人身安 全，并且與實際情況不符；(3)煤與瓦斯突出試驗有一定的危險性，未能對突出過程進行有效的防護。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中實驗裝置的缺點，本發(fā)明公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗 裝置，包括鋼筒，設置在鋼筒兩端的法蘭蓋和法蘭盤，充氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設置在 鋼筒一端的法蘭盤為帶有中心孔的法蘭盤，并在該法蘭盤與鋼筒的非安裝側(cè)設置防爆片。進一步，所述防爆片為帶有突破結(jié)構(gòu)的防爆片，所述突破結(jié)構(gòu)為加工在防爆片中 心的槽深為0. 3mm-0. 9mm不等的十字槽。進一步，所述防爆片可為平板或截面帶有一定弧度的彎板。進一步，所述法蘭盤的與鋼筒安裝側(cè)上還設置有卸荷盤，卸荷盤為環(huán)狀板；卸荷盤 通過拉桿與法蘭盤相連；在法蘭盤安裝在鋼筒上后，卸荷盤位于鋼筒內(nèi)，并緊壓在設置在鋼 筒內(nèi)的型煤的表面上，在試驗過程中卸荷盤的主要作用為壓實型煤表面；卸荷盤與法蘭盤 之間形成充氣空腔。卸荷盤的中心孔為試驗中的突出路徑。進一步，所述卸荷盤的中心孔形狀無特殊限制，優(yōu)選的為圓形，中心孔大小可根據(jù) 試驗要求而設定。一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置的防護裝置，所述防護裝置主要包括一個承接法 蘭管件和卸壓腔、以及防過載安全閥門、放氣閥、耐震壓力表；承接法蘭管件一端與煤與瓦 斯突出模擬試驗裝置連接，另一端通過法蘭盤與卸壓腔相連，卸壓腔的末端設置有法蘭蓋； 所述防護裝置可在實驗過程中的實時測量及安全泄壓。進一步，卸壓腔內(nèi)還可設置倒八字鋼板，用以對高速突出煤體進行減速。進一步，卸壓腔的末端還可以設置卸壓沙箱，以保證防護裝置的安全性。進一步，所述卸壓腔由若干個卸壓腔管件通過法蘭盤相互連接構(gòu)成。進一步，承接法蘭管件與卸壓腔管件之間、卸壓腔管件之間為氣密封的可拆卸連 接。本發(fā)明的優(yōu)點為1、避免了在采用手動打開突出口的實驗中，由于速度慢而對突出能量的影響，更 真實地模擬了現(xiàn)場突出。2、充氣口不與煤體直接接觸，而是通過過濾網(wǎng)實現(xiàn)“面充氣”，而不是充氣口直接 對著煤體實行“點充氣”，達到了使瓦斯壓力盡量實現(xiàn)均勻分布，避免了采用“點充氣”產(chǎn)生 對煤體的擾動，保證了煤體的強度穩(wěn)定性3、防護裝置可消除高壓氣體卸載時的爆破噪音，使高速氣流攜帶煤粉在保護裝置 方形筒內(nèi)拋擲，減少粉塵飛揚，保護實驗人員安全和實驗室環(huán)境衛(wèi)生。
上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的一個實施例，只為了對本發(fā)明進行說明。應當理解只要 不背離本發(fā)明的精神和范圍，本領域技術(shù)人員還可對其有許多修正。因此其它實施例也包 含在后面的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)


圖1為瓦斯突出裝置示意圖。圖2為瓦斯突出裝置結(jié)構(gòu)圖。圖3為突出防護裝置結(jié)構(gòu)圖。圖4A為倒八字鋼板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖4B為倒八字鋼板結(jié)構(gòu)端視圖。
具體實施例方式實驗裝置由煤與瓦斯突出模擬試驗裝置及其防護裝置構(gòu)成，并配合以高噸位壓力 機等型煤壓制儀器。采用了高噸位壓力機，將一定含水率的煤粉壓制成具有一定密度和強 度的型煤。如圖1、2中所示，煤與瓦斯突出試驗裝置主要包括底部密封法蘭蓋12、鋼筒11、連 接有環(huán)型板17的法蘭盤18、防爆片(鋁箔)16、防爆片16的壓實密封法蘭19 ；鋼筒11的 側(cè)壁上設置有壓力傳感器13的安裝孔M-N6、進氣孔N7。煤與瓦斯突出模擬試驗裝置中的各組成部分功能如下鋼筒作為將瓦斯突出煤 體在壓力機上壓制成型煤的容器，并通過鋼筒的側(cè)壁上設置的充氣孔向其內(nèi)部充高壓氣 體；法蘭蓋設置在鋼筒的端部，對鋼筒進行密封，防止瓦斯突出煤體和高壓氣體外泄；防 爆片通過在法蘭盤8外側(cè)設置不同直徑的防爆片，實現(xiàn)模擬卸荷孔，瞬間爆破實現(xiàn)煤體內(nèi) 部高壓氣體瞬間卸載；充氣系統(tǒng)提供高壓氣源；減壓閥用以調(diào)節(jié)并穩(wěn)定充氣壓力至充氣 飽和；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過與氣體壓力傳感器連接，實時采集容器腔內(nèi)部氣體壓力變化。鋼筒11的一端設置法蘭蓋12，該法蘭盤與鋼筒11為可拆卸連接，連接方式可為 螺栓連接或其他常用的可拆卸連接方式。在鋼筒11上沿軸向均勻分布6個傳感器13安裝 孔m-N6，其內(nèi)部設置細螺紋以便于傳感器的安裝。鋼筒11上還設置有進氣體孔N7，用于 向鋼筒內(nèi)通試驗氣體，例如氮氣或二氧化碳氣；該進氣孔為貫穿鋼筒11筒壁的通孔，進氣 孔內(nèi)設置連接氣源接管的螺紋。鋼筒11另一端為突出口，該處設置有法蘭盤18，法蘭盤18 上帶有中心孔，法蘭盤18與鋼筒之間通過雙頭螺栓或其他可拆卸連接方式連接，法蘭盤18 與鋼筒11的連接處設置密封件，以實現(xiàn)氣密封。在法蘭盤18的與鋼筒11安裝側(cè)上還設置 有環(huán)形板17，環(huán)形板17通過拉桿14與法蘭盤18相連。在法蘭盤18安裝在鋼筒11上后， 環(huán)形板17位于鋼筒內(nèi)，并緊壓在型煤15的表面上，在試驗過程中環(huán)形鋼板17的主要作用 為壓實型煤表面。環(huán)形板17與法蘭盤18之間形成充氣空腔10。環(huán)形板17的中心孔為試 驗中的突出路徑，中心孔形狀無特殊限制，優(yōu)選的為圓形，中心孔大小可根據(jù)試驗要求而設 定。在法蘭盤18的非安裝側(cè)依次設置有防爆片16和用于壓實防爆片16的頂部法蘭盤19， 頂部法蘭盤19通過螺栓與法蘭盤18連接，防爆片16采用鋁板加工制成，防爆片上設置有 突破結(jié)構(gòu)，突破結(jié)構(gòu)可為加工在防爆片中心的槽深為0.3mm-0. 9mm不等的十字槽。防爆片 可為平板或如圖1中所示的為截面帶有一定弧度的彎板。整個試驗裝置設計壓力9. 4MPa,最高工作壓力9. 3MPa，設計工作溫度35攝氏度，全容積0. 07m3。實驗裝置中各可拆卸連接處使用的螺栓等連接件的數(shù)量及其型號應根據(jù)具體試驗需求設定，以保證試驗裝置的安全 性能。實驗裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6的硬件部分為INV3020A24位高精度數(shù)據(jù)采集儀和 3023A4三向加速度傳感器。軟件部分為DASP-VlO工程版平臺軟件。如圖3、4A、4B中所示，煤與瓦斯突出試驗防護裝置主要包括承接法蘭管件21、卸 壓腔、以及防過載安全閥門27、放氣閥28、耐震壓力表29。承接法蘭管件22 —端與煤與瓦 斯突出模擬試驗裝置連接，另一端通過承接法蘭盤20與卸壓腔相連，卸壓腔的末端設置有 法蘭蓋26。卸壓腔由若干個通過法蘭盤21可拆卸連接在一起的卸壓腔管件24構(gòu)成。卸壓 腔管件24的數(shù)量可由實驗所需的防護裝置的總長度來確定。承接法蘭管件22與卸壓腔之 間，卸壓腔管件24之間均為氣密封連接。卸壓腔管件24還與相關測量儀表相連，可實現(xiàn)在 實驗過程中的實時測量及安全泄壓。卸壓腔管件24內(nèi)還可焊接倒八字鋼板結(jié)構(gòu)30，用以對 高速突出煤體進行減速；卸壓腔的末端還可以設置替代法蘭蓋的卸壓沙箱，以保證防護裝 置的安全性。優(yōu)選的，防護裝置中各法蘭盤均通過螺栓連接來實現(xiàn)可拆卸的相互連接，各個 連接處使用螺栓數(shù)量以及螺栓型號均應根據(jù)實際試驗情況計算得出，以保證在試驗過程中 突出防護裝置的抗壓強度。并且各法蘭盤連接處均設置有材質(zhì)為環(huán)氧樹脂的密封墊片，以 保證防護裝置實現(xiàn)氣密封。本申請優(yōu)選煤與瓦斯突出模擬試驗裝置及其防護裝置的各性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)如下 煤與瓦斯突出試驗裝置的總長度為1162mm，鋼筒11內(nèi)徑為325mm，鋼筒11壁厚為16mm，法 蘭蓋12和法蘭盤18的直徑均為560mm，傳感器安裝孔的孔徑為IOmm ；環(huán)形板中心孔鋼筒 和環(huán)形板的材料為20G、16MnR或16Mn。防爆片(鋁箔)14采用2mm厚鋁板加工制成，中 心刻有槽深0. 3mm-0. 9mm不等的十字槽，鋁箔直徑130mm。傳感器13安裝孔m_N6，直徑為 IOmm ；進氣孔N7的孔徑為Φ 12mm,防護裝置的總長度為4900mm，承接法蘭管件19為Φ 108*4無縫鋼管，長度為 400mm，兩端采用焊接方式與法蘭盤18和壓力腔承接法蘭盤20連接，承接法蘭盤20參數(shù) 為直徑275mm，厚度為35mm，該法蘭盤上有8個螺栓孔，相應的螺栓參數(shù)為M22*3，與卸壓 腔管件連接法蘭盤21參數(shù)為直徑375mm，厚度為33mm，該法蘭盤上有12個螺栓孔，相應 的螺栓參數(shù)為M27*3 ；卸壓腔管件24為Φ 219*6無縫鋼管，分為三節(jié)，每節(jié)長度為1500mm， 每節(jié)兩端均采用對焊方式焊接法蘭盤21，各個承接法蘭盤參數(shù)與卸壓腔管件法蘭盤參數(shù)一 致；相關儀器儀表為耐震壓力表29，壓力表與最后一節(jié)卸壓腔管件連接，連接處為管件壁， 壓力表參數(shù)為量程6MPa，精度為0. IMPa ；最后一節(jié)卸壓腔管件壁上還連接有卸壓腔放氣閥 門28，主要用于實驗結(jié)束時排凈殘余壓力時使用，防護裝置中的一個卸壓腔的側(cè)壁還配有 壓力腔防過載閥門27，過載閥門27的承壓極限為1MPa,主要目的為防止實驗過程中的突發(fā)壓力過大事件發(fā)生，從而造成裝置損壞或 人員傷亡。煤與瓦斯突出模擬試驗裝置的實驗原理為通過高噸位壓力機向瓦斯突出煤體施 加軸向壓力，達到煤體賦存的地應力狀態(tài)，通過充氣系統(tǒng)向鋼筒內(nèi)充高壓氣體并持時24-48 小時，可模擬因采動影響造成的采煤工作面附近應力集中，通過繼續(xù)充氣，高速打開突出 口，突破密封鋁膜，使其突然泄壓，避免了采用手動打開突出口由于速度慢而對突出能量的影響，更真實地模擬了現(xiàn)場突出。該模擬試驗裝置通過沿突出裝置軸向設置的壓力傳感器 捕捉突出前(充氣階段)、突出階段、突出后全程的腔內(nèi)氣壓變化規(guī)律。防護裝置的工作原理為第一，在突出的瞬間將壓力容器腔內(nèi)氣體體積進行空間 轉(zhuǎn)化，從而來降低整個試驗系統(tǒng)的氣體壓力(P1V1 = P2V2)；第二，通過整個防護裝置的長距 離來容納突出的煤體；第三，突出的煤體再與整個防護裝置的端部撞擊時，通過各個法蘭盤 的鉸接螺栓的承力以及頂部沙箱(規(guī)則箱體盛裝沙土)的自重將突出釋放的能量全部吸 收。具體試驗步驟1、制作型煤，通過三軸試驗機測定型煤物理力學基本參數(shù)；2、分次壓制型煤至設定壓力，盡量保證型煤的均勻性，將壓力腔直立，把型煤放置 于圖1所示壓力容器腔內(nèi)，通過數(shù)控壓力機壓制，分5次均勻壓制，每次壓制IOOmm ；3、將環(huán)板7通過拉桿14與法蘭盤8連接，并將其法蘭盤8整體壓蓋于壓力容器腔 上，使用螺栓將其與筒體1連接；4、將防爆片放置于法蘭盤8上部，用雙頭螺柱將法蘭盤9壓固于防爆片上，法蘭盤 8與法蘭盤9連接處用橡膠圈密封；5、把安裝好的裝置平放于地面，將6個壓力傳感器安裝于管接頭6N1-N6處，并將 傳感器數(shù)據(jù)線引出，并與數(shù)據(jù)采集儀相應端口連接；取出絲堵，將氣源管安裝于N7進氣孔 處；6、安裝固定保護裝置，將承接法蘭管件22通過法蘭盤23與法蘭盤19連接，連接 處采用雙頭螺柱以及緊固螺母。依次將其余各個卸壓腔管件相連接，直至管件末端法蘭蓋， 連接時加裝墊片26，以保證防護裝置的氣密封性。7、安裝防過載閥門27，放氣閥28，耐震壓力表29于防護裝置管件上，每個都安裝 么；8、檢查密封性達到良好；9、打開充氣閥門充氣，讓氣源通過N7進氣孔，進入實驗裝置空腔內(nèi)。直至設定壓 力并維持24-48小時，使氣體充分飽和；10、充氣飽和后，將傳感器數(shù)據(jù)線與采集儀器連接，調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到工作狀 態(tài)；11、加大氣源壓力，打破密封膜，模擬煤與瓦斯突出過程；12、通過放氣閥門28將殘存氣體排凈，拆卸防護裝置；13、拆卸法蘭盤19與法蘭盤18將松散煤粉取出，將容器腔直立，清理實驗現(xiàn)場，制 作突出空腔石膏模型；14、制作突出記錄卡片，詳細記錄實驗數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象；15、整理分析實驗數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，包括鋼筒，設置在鋼筒兩端的法蘭蓋和法蘭盤，充氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；其特征為，設置在鋼筒一端的法蘭盤為帶有中心孔的法蘭盤，并在該法蘭盤與鋼筒的非安裝側(cè)設置防爆片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述實驗裝置，其特征為，所述防爆片為帶有突破結(jié)構(gòu)的防爆片，所 述突破結(jié)構(gòu)為加工在防爆片中心的槽深為0. 3mm-0. 9mm不等的十字槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述實驗裝置，其特征為，所述防爆片可為平板或截面帶有一定弧 度的彎板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述實驗裝置，其特征為，所述法蘭盤的與鋼筒安裝側(cè)上還設置有 卸荷盤，卸荷盤為環(huán)狀板；卸荷盤通過拉桿與法蘭盤相連；在法蘭盤安裝在鋼筒上后，卸荷 盤位于鋼筒內(nèi)，并緊壓在設置在鋼筒內(nèi)的型煤的表面上，在試驗過程中卸荷盤的主要作用 為壓實型煤表面；卸荷盤與法蘭盤之間形成充氣空腔；卸荷盤的中心孔為試驗中的突出路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述實驗裝置，其特征為，所述卸荷盤的中心孔形狀無特殊限制，優(yōu) 選的為圓形，中心孔大小可根據(jù)試驗要求而設定。
6.一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置的防護裝置，其特征為所述防護裝置主要包括一 個承接法蘭管件和卸壓腔、以及防過載安全閥門、放氣閥、耐震壓力表；承接法蘭管件一端 與煤與瓦斯突出模擬試驗裝置連接，另一端通過法蘭盤與卸壓腔相連，卸壓腔的末端設置 有法蘭蓋；所述防護裝置可在實驗過程中的實時測量及安全泄壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述防護裝置，其特征為，卸壓腔內(nèi)設置倒八字鋼板，用以對高速突 出煤體進行減速。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述防護裝置，其特征為，卸壓腔的末端設置代替法蘭蓋的卸壓沙 箱，以保證防護裝置的安全性。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述防護裝置，其特征為，所述卸壓腔由若干個卸壓腔管件通過法 蘭盤相互連接構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述防護裝置，其特征為，承接法蘭管件與卸壓腔管件之間、卸壓 腔管件之間為氣密封的可拆卸連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，包括鋼筒，設置在鋼筒兩端的法蘭盤，充氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設置在鋼筒一端的法蘭盤為帶有中心孔的法蘭盤，并在該法蘭盤與鋼筒的非安裝側(cè)設置防爆片。本發(fā)明還涉及一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置的防護裝置，所述防護裝置主要包括一個承接法蘭管件和卸壓腔、以及防過載安全閥門、放氣閥、耐震壓力表；承接法蘭管件一端與煤與瓦斯突出模擬試驗裝置連接，另一端通過法蘭盤與卸壓腔相連，卸壓腔的末端設置有法蘭蓋；所述防護裝置可在實驗過程中的實時測量及安全泄壓。
文檔編號G01N33/00GK101806792SQ20101014906
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者侯岳峰, 孟達, 李世海, 王錦山, 范永波, 谷雨雷 申請人:中國科學院力學研究所