一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，包括一圓筒形煤樣室，煤樣室外壁上設(shè)有若干壓力和溫度傳感器，煤樣室一端固定安裝有液壓加載及充氣設(shè)備，另一端設(shè)有煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設(shè)置有快速釋放機(jī)構(gòu)；液壓加載及充氣設(shè)備包括一活塞桿，活塞桿上設(shè)置一個(gè)與煤樣室內(nèi)腔相配合的活塞，活塞桿末端與面式充氣加載盤連接，活塞和面式充氣加載盤分別位于煤樣室中兩個(gè)獨(dú)立腔體中，活塞和面式充氣加載盤與縱向隔板之間的空間分別與煤樣室外壁上的兩個(gè)液壓站接口相通；本發(fā)明同時(shí)還公開了利用該裝置的試驗(yàn)方法。本發(fā)明能夠研究型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤對(duì)瓦斯的吸附解吸特性和煤與瓦斯突出機(jī)理。
【專利說明】一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤炭科研【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于進(jìn)行不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下的一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，是煤礦井下生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，可造成煤巖體擊中或掩埋井下人員、摧毀井下設(shè)施等事故，甚至摧毀整個(gè)工作面，負(fù)面影響極為惡劣。因發(fā)生在煤礦井下的煤與瓦斯突出具有時(shí)間短、危害大等特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤與瓦斯突出過程進(jìn)行全方位實(shí)施研究危險(xiǎn)性大的緣故，學(xué)者們目前主要依靠實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)手段進(jìn)行煤與瓦斯突出機(jī)制的研究和探索。
[0003]煤與瓦斯突出機(jī)理中“綜合作用假說”因?yàn)槿婵紤]了地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素而被廣泛認(rèn)可。但是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素各自在突出過程中的真正作用機(jī)制仍未被正確揭示。由于煤與瓦斯突出的高度非線性，采用物理模擬方法研究是目前普遍采用的方法。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已開展了大量的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)研究工作，研制了一系列煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，研究現(xiàn)狀如下:
[0005](I)申請(qǐng)?zhí)枮?00810069276.X的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，發(fā)明通過多組液壓千斤頂向煤樣軸向施壓，通過充氣口向煤樣內(nèi)充瓦斯，裝置突出口通過快速釋放機(jī)構(gòu)實(shí)施機(jī)械化自動(dòng)控制，高速打開突出口。
[0006](2)申請(qǐng)?zhí)枮?00810233048.1的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出模具，在底板的中央開設(shè)有充氣孔，該充氣孔中安裝進(jìn)氣嘴；前端板的中部開設(shè)定位孔，該定位孔中安裝突出口。
[0007](3)申請(qǐng)?zhí)枮?00910103154.2的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出綜合試驗(yàn)裝置，該裝置包括煤樣室、地應(yīng)力模擬加載系統(tǒng)和氣壓加載設(shè)備，地應(yīng)力模擬加載系統(tǒng)的施力膠囊和加載裝置設(shè)置在密閉容器內(nèi)，充壓設(shè)備的充壓通道與膠囊壁夾層相通，加載裝置包括至少兩個(gè)加載塊，煤樣室由加載塊圍成，相鄰加載塊之間存在間隙，通過壓力采集裝置和攝像機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。但該裝置不能進(jìn)行地應(yīng)力加載。
[0008](4)申請(qǐng)?zhí)枮?00910103155.7的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出試驗(yàn)快速泄壓的煤樣室，包括煤樣室本體，煤樣室本體設(shè)置煤與瓦斯噴出口和壓力氣體進(jìn)口，煤與瓦斯噴出口設(shè)置控制閥，煤樣室本體內(nèi)在控制閥前設(shè)置隔膜，隔膜與控制閥之間的空腔為平衡腔，平衡腔設(shè)置壓力平衡氣體進(jìn)口。泄壓采用隔膜，試驗(yàn)過程復(fù)雜，不方便操作。
[0009](5)申請(qǐng)?zhí)枮?00910103157.6的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出試驗(yàn)裝置，包括煤樣室、氣壓加載設(shè)備，煤樣室設(shè)置煤與瓦斯噴出口，煤與瓦斯噴出口設(shè)置控制閥，氣壓加載設(shè)備的加壓氣體通道與煤樣室內(nèi)部相通，煤樣室內(nèi)在控制閥前設(shè)置隔膜，隔膜與控制閥之間的空腔為接有平衡氣壓加載設(shè)備的平衡腔，還包括設(shè)置在煤樣室內(nèi)的壓力采集裝置和設(shè)置在煤樣室外部的攝像機(jī)，煤樣室與攝像機(jī)相對(duì)的位置透明設(shè)置。但該裝置不能進(jìn)行地應(yīng)力加載。
[0010](6)申請(qǐng)?zhí)枮?01010149061.6的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，包括鋼筒，設(shè)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(shè)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(shè)置防爆片。但該裝置不能進(jìn)行地應(yīng)力加載。
[0011](7)申請(qǐng)?zhí)枮?01110021828.1的中國(guó)專利公開了一種煤與瓦斯試驗(yàn)?zāi)M裝置，包括煤樣室和氣壓加載設(shè)備，所述煤樣室中設(shè)置有至少一個(gè)用于放置煤樣的煤樣型腔，氣壓加載設(shè)備包括瓦斯氣瓶和與瓦斯氣瓶連接的加壓氣體通道，煤樣室上設(shè)置有工作時(shí)與煤樣型腔連通的煤與瓦斯噴出口，噴出口上設(shè)置有用于控制噴出口導(dǎo)通的控制裝置，在煤樣室外設(shè)置有用于對(duì)煤樣型腔內(nèi)部煤樣拍照的第一照相機(jī)，噴出口設(shè)置有用于拍攝煤與瓦斯噴出的第二照相機(jī)。
[0012](8)申請(qǐng)?zhí)枮?01110324127.5的中國(guó)專利公開了一種石門揭煤時(shí)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其包括頂部設(shè)置有開口的箱體，該箱體開口配置有一加載鋼板，密閉腔體內(nèi)鋪設(shè)有頂板與底板，頂板與底板之間鋪設(shè)有煤層，該煤層與水平面形成一傾斜角，突出模擬巷道在底板內(nèi)延伸直至與煤層交匯，瓦斯采用面式充氣結(jié)構(gòu)，突出口設(shè)置快速開啟密封結(jié)構(gòu)。
[0013]綜合分析上述單位的模型試驗(yàn)臺(tái)架裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處:
[0014]1.上述模擬試驗(yàn)裝置無法實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯吸附特性測(cè)試；
[0015]2.上述試驗(yàn)裝置不論大小，其內(nèi)部模型多以長(zhǎng)方體為主，加載時(shí)在模型邊角處容易形成應(yīng)力集中；
[0016]3.上述模型試驗(yàn)裝置試驗(yàn)過程中操作復(fù)雜，大部分僅能定性的觀察突出現(xiàn)象，不能一次性完整采集煤與瓦斯突出試驗(yàn)過程中的壓力及溫度等參數(shù)和突出現(xiàn)象的瞬態(tài)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)定量分析。
[0017]為了更好地研究不同條件地應(yīng)力和瓦斯壓力條件下煤與瓦斯吸附特性及煤與瓦斯突出機(jī)理及發(fā)生條件，需要研制一種煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，以便解釋煤與瓦斯突出吸附特性和發(fā)生機(jī)理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，其能夠研究型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤對(duì)瓦斯的吸附解吸特性和煤與瓦斯突出機(jī)理。
[0019]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0020]一種一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，包括一圓筒形煤樣室，煤樣室外壁上設(shè)有若干能夠檢測(cè)型煤溫度和氣體壓力的壓力溫度傳感器，所述煤樣室的一端固定安裝有能夠沿軸向伸入其中且能施加軸向地應(yīng)力的液壓加載及充氣設(shè)備，另一端設(shè)有工作時(shí)與煤樣室連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設(shè)置有用于控制噴出口導(dǎo)通的快速釋放機(jī)構(gòu)；液壓加載及充氣設(shè)備包括一活塞桿，位于煤樣室內(nèi)的活塞桿上設(shè)置一個(gè)與煤樣室內(nèi)腔相配合的活塞，活塞桿末端與試驗(yàn)時(shí)放置于煤樣室中的煤樣接觸的面式充氣加載盤連接，活塞和面式充氣加載盤分別位于煤樣室中通過縱向隔板分開的兩個(gè)獨(dú)立腔體中，活塞和面式充氣加載盤與縱向隔板之間的空間分別與煤樣室外壁上的兩個(gè)液壓站接口相通；
[0021]通過液壓加載及充氣設(shè)備的液壓油缸施加軸向地應(yīng)力，圍壓通過煤樣室的內(nèi)腔壁的反力提供，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維應(yīng)力加載，通過控制液壓油缸壓力，模擬型煤的不同受力條件；
[0022]所述活塞桿中心設(shè)有孔道，孔道一端與活塞桿外部的三通的一個(gè)端口相連，三通的另外兩個(gè)端口上分別與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接，孔道另一端與面式充氣加載盤上的導(dǎo)氣槽相通。
[0023]所述的面式充氣加載盤采用申請(qǐng)?zhí)枮?01210227229.X專利的結(jié)構(gòu)與技術(shù)；即:包括充氣面板，充氣面板一端與充氣管道相連，充氣管道上設(shè)有充氣開關(guān)，所述充氣面板包括面板，面板上設(shè)有縱橫交叉連通的導(dǎo)氣槽，導(dǎo)氣槽通過面板端部的充氣通道與充氣管道連通；所述面板上面依次設(shè)有下層篩板、鋼絲網(wǎng)和上層篩板，所述下層篩板、鋼絲網(wǎng)、上層篩板和面板的邊緣連接處通過橡膠密封條密封，并在最上部的上層篩板邊緣設(shè)置固定壓條，固定壓條通過螺栓將下層篩板、鋼絲網(wǎng)、上層篩板固定在面板上。
[0024]所述快速釋放機(jī)構(gòu)一端中間設(shè)置有Φ60πιπι的噴出口，快速釋放機(jī)構(gòu)包括上、下支架，上支架上鉸接有卡扣，下支架上鉸接有能夠與卡扣卡緊及松開的C型卡扣，C型卡扣中部設(shè)有旋轉(zhuǎn)螺桿，旋轉(zhuǎn)螺桿末端連接能夠密封噴出口的密封盤。
[0025]通過旋轉(zhuǎn)螺桿可調(diào)節(jié)密封盤的活動(dòng)，密封時(shí)，將C型卡扣與卡扣卡住，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)螺桿壓縮密封盤密封煤與瓦斯噴出口 ；釋放時(shí)，將C型卡扣與卡扣分離，在壓力和重力作用下密封盤與煤與瓦斯噴出口迅速分離。
[0026]所述圓筒形煤樣室、液壓加載設(shè)備、面式充氣加載盤和快速釋放機(jī)構(gòu)均固定安裝于支撐架上，前部支撐架為金屬支架，后部鉸接在混凝土樁上，中部鉸接在千斤頂上，可通過千斤頂升降調(diào)節(jié)突出口角度。
[0027]所述與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接的三通上設(shè)有控制開關(guān)。
[0028]所述面式充氣加載盤為圓盤式結(jié)構(gòu)件，其外徑與圓筒形煤樣室的內(nèi)腔過渡配合，且能保證內(nèi)腔的氣密性。
[0029]所述壓力溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接二次儀表，用于測(cè)試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化?；钊麠U外部，三通前端安裝位移傳感器，測(cè)量面式充氣加載盤的位移。
[0030]一種利用一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括兩個(gè)階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸實(shí)驗(yàn)，第二階段為煤與瓦斯突出試驗(yàn)；
[0031]煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)步驟如下:
[0032]I)升起中部千斤頂調(diào)節(jié)煤樣室傾角，將煤樣裝在煤樣室內(nèi)，將三通一端連接瓦斯氣瓶，另一端連接真空抽采設(shè)備，液壓加載設(shè)備連接液壓站，安置高速攝像機(jī)，并連接好整套所述試驗(yàn)裝置；
[0033]2)用液壓加載設(shè)備對(duì)要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的成型壓力分次成型；煤樣成型后，封閉煤與瓦斯噴出口，檢查試驗(yàn)容器氣密性；
[0034]3)用真空泵將煤樣室抽真空，用液壓加載設(shè)備對(duì)型煤施加壓力并保持壓力穩(wěn)定；
[0035]4)將純度為99.9%的甲烷按預(yù)定壓力充入煤樣室，待煤樣室內(nèi)壓力達(dá)到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態(tài)處于剩余體積之中，已知充入或放出的甲烷體積，扣除剩余體積的游離體積，即為吸附體積；
[0036]5)重復(fù)這樣的測(cè)定，得到各壓力段平衡壓力與吸附體積量，連接起來即為吸附等溫線；完成煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)；
[0037]煤與瓦斯突出試驗(yàn)如下:
[0038]待軸向地應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)到預(yù)定值后突出試驗(yàn)裝置中的型煤實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)含“瓦斯”的煤層，突然打開利用快速釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)密封的煤與瓦斯噴出口，此時(shí)由于瓦斯壓力和壓力模擬地應(yīng)力的作用，使儲(chǔ)存在煤樣室中的能量從煤與瓦斯噴出口突然釋放而完成煤與瓦斯的突出試驗(yàn)。
[0039]考察試驗(yàn)現(xiàn)象(突出，壓出或傾出，不突出)，可以根據(jù)試驗(yàn)條件揭示煤巖力學(xué)性質(zhì)和加載條件對(duì)煤與瓦斯突出的影響因素和作用機(jī)制。
[0040]所要測(cè)定的突出參數(shù)有:煤樣成型壓力、突出時(shí)的油缸壓力、瓦斯壓力、推力器前進(jìn)距離即煤體壓縮量、瓦斯含量、瓦斯流量、突出強(qiáng)度、突出距離、突出煤粒度、突出時(shí)間等。這樣本發(fā)明可以研究型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤對(duì)瓦斯的吸附解吸特性和型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤與瓦斯突出特性。
[0041]本發(fā)明的有益效果是:
[0042]1、本發(fā)明可通過液壓油缸施加軸向地應(yīng)力，圍壓通過內(nèi)腔壁的反力提供，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維應(yīng)力加載，通過控制液壓油缸壓力，模擬型煤的不同受力條件。通過位移傳感器測(cè)定煤體壓縮量，并結(jié)合軸向應(yīng)力計(jì)算液壓加載設(shè)備對(duì)媒體所做的機(jī)械功。
[0043]2、本發(fā)明煤樣加載與試驗(yàn)裝置的加載活塞桿上設(shè)計(jì)有氣體孔和孔道，氣孔外部連接三通，通過三通與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)抽真空與瓦斯氣體充填，氣孔與面式充氣加載盤相連。實(shí)現(xiàn)先將型煤抽真空再充入瓦斯，更加真實(shí)的模擬煤與瓦斯的吸附狀態(tài)。
[0044]3、本發(fā)明的煤樣加載與試驗(yàn)裝置上設(shè)有用于檢測(cè)型煤溫度和氣體壓力的壓力溫度傳感器，可控制瓦斯壓力從而模擬不同的瓦斯壓力，實(shí)現(xiàn)型煤在不同應(yīng)力和瓦斯壓力條件下的吸附解吸和突出試驗(yàn)定量研究。
[0045]4、裝置突出口通過快速釋放機(jī)構(gòu)實(shí)施機(jī)械控制，高速瞬間打開突出口，使其突然泄壓，更真實(shí)的模擬了現(xiàn)場(chǎng)開挖造成煤與瓦斯突出。
[0046]5、裝置噴出口前方安置用于記錄煤與瓦斯突出瞬態(tài)現(xiàn)象的高速攝像機(jī)，與煤與瓦斯瞬態(tài)現(xiàn)象高速捕捉，記錄視頻可與壓力傳感器數(shù)據(jù)相互印證。
[0047]6、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便且制作成本低，實(shí)現(xiàn)定量模擬和研究煤與瓦斯突出的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖2是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)例結(jié)構(gòu)部分剖視圖；
[0050]圖3是圖1中快速釋放裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051 ] 圖4是本采用本發(fā)明試驗(yàn)方法示意圖；
[0052]其中1.液壓站接口，2.面式充氣加載盤，3.煤樣室，4.壓力和溫度傳感器，5.快速釋放機(jī)構(gòu)，5-1.密封盤，5-2.上支架，5-3.卡扣，5-4C型卡扣，5-5.下支架，6.三通，7.中部千斤頂，8.支撐架，9.型煤，10.高速攝像機(jī)，11.真空泵，12.—體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，13.高壓瓦斯氣瓶，14.液壓站。

【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0054]如圖1、圖2所示:一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置12，包括一圓筒形煤樣室3，煤樣室3外壁上設(shè)有若干能夠檢測(cè)型煤溫度和氣體壓力的壓力和溫度傳感器4，煤樣室3的一端固定安裝有能夠沿軸向伸入其中且能施加軸向地應(yīng)力的液壓加載及充氣設(shè)備，另一端設(shè)有工作時(shí)與煤樣室3連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設(shè)置有用于控制噴出口導(dǎo)通的快速釋放機(jī)構(gòu)5 ;液壓加載及充氣設(shè)備包括一活塞桿,位于煤樣室內(nèi)的活塞桿上設(shè)置一個(gè)與煤樣室內(nèi)腔相配合的活塞，活塞桿末端與試驗(yàn)時(shí)放置于煤樣室中的煤樣接觸的面式充氣加載盤2連接，活塞和面式充氣加載盤2分別位于煤樣室3中通過縱向隔板分開的兩個(gè)獨(dú)立腔體中，活塞和面式充氣加載盤2與縱向隔板之間的空間分別與煤樣室3外壁上的兩個(gè)液壓站接口 I相通；
[0055]活塞桿中心設(shè)有孔道，孔道一端與活塞桿外部的三通6的一個(gè)端口相連，三通6的另外兩個(gè)端口上分別與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接，孔道另一端與面式充氣加載盤2上的導(dǎo)氣槽相通。與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接的三通6上設(shè)有控制開關(guān)。
[0056]圓筒形煤樣室3、液壓加載及充氣設(shè)備、面式充氣加載盤2和快速釋放機(jī)構(gòu)5均固定安裝于支撐架8上，前部支撐架為金屬支架，后部鉸接在混凝土樁上，中部鉸接在千斤頂7上，可通過千斤頂7升降調(diào)節(jié)突出口角度。
[0057]面式充氣加載盤采用申請(qǐng)?zhí)枮?01210227229.X專利的結(jié)構(gòu)與技術(shù)；即:包括充氣面板，充氣面板一端與充氣管道相連，充氣管道上設(shè)有充氣開關(guān)，所述充氣面板包括面板，面板上設(shè)有縱橫交叉連通的導(dǎo)氣槽，導(dǎo)氣槽通過面板端部的充氣通道與充氣管道連通；所述面板上面依次設(shè)有下層篩板、鋼絲網(wǎng)和上層篩板，所述下層篩板、鋼絲網(wǎng)、上層篩板和面板的邊緣連接處通過橡膠密封條密封，并在最上部的上層篩板邊緣設(shè)置固定壓條，固定壓條通過螺栓將下層篩板、鋼絲網(wǎng)、上層篩板固定在面板上。面式充氣加載盤為圓盤式結(jié)構(gòu)件，其外徑與圓筒形煤樣室的內(nèi)腔過渡配合，且能保證內(nèi)腔的氣密性。
[0058]如圖3所示:快速釋放機(jī)構(gòu)5中間為Φ60πιπι的噴出口，包括:下支架5_5、上支架5-2、密封盤5-1、卡扣5-3、C型卡扣5-4。C型卡扣5_4與下支架5_5鉸接，卡扣5_3與上支架5-2鉸接，密封盤5-1與C型卡扣5-4通過旋轉(zhuǎn)螺桿連接，通過旋轉(zhuǎn)螺桿可調(diào)節(jié)密封盤的活動(dòng)。密封時(shí)將C型卡扣5-4與卡扣5-3卡住，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)螺桿使密封盤5-1密封噴出口 ；釋放時(shí)將C型卡扣5-4與卡扣5-3分離，在壓力與重力作用下密封盤5-1與噴出口迅速分離。
[0059]壓力和溫度傳感器4通過數(shù)據(jù)線分別連接二次儀表，用于測(cè)試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化?；钊麠U外部，三通前端安裝位移傳感器，測(cè)量面式充氣加載盤2的位移。
[0060]如圖4所示，一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置的煤與瓦斯噴出口前方放置用于記錄煤與瓦斯突出瞬態(tài)過程的高速攝像機(jī)10，液壓站14通過液壓站接口 I為液壓加載設(shè)備提供原動(dòng)力，高壓瓦斯氣瓶13和真空泵11通過三通6與活塞桿上的孔道相連接，實(shí)現(xiàn)煤樣室3內(nèi)抽真空與瓦斯氣體充填。。
[0061]利用本發(fā)明進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)分為兩個(gè)階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)，接著為煤與瓦斯突出試驗(yàn)。
[0062]首先升起中部千斤頂調(diào)節(jié)煤樣室傾角，將煤樣裝在煤樣室3內(nèi)，將三通6 —端連接高壓瓦斯氣瓶13，另一端連接真空泵11，液壓加載設(shè)備連接液壓站，安置高速攝像機(jī)10，并連接好其他儀器。用液壓加載設(shè)備對(duì)要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的成型壓力分次成型。煤樣成型后，封閉突出口，檢查試驗(yàn)容器氣密性。用真空泵11將煤樣室抽真空，用液壓加載設(shè)備對(duì)型煤9施加壓力并保持壓力穩(wěn)定。將高壓高純99.9%甲烷充入煤樣室。待煤樣室內(nèi)壓力達(dá)到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態(tài)處于剩余體積之中，已知充入(放出)的甲烷體積，扣除剩余體積的游離體積，即為吸附體積。重復(fù)這樣的測(cè)定，得到各壓力段平衡壓力與吸附體積量，連接起來即為吸附等溫線。完成煤與瓦斯的吸附解吸實(shí)驗(yàn)。
[0063]待地應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)到預(yù)定值后突出模擬裝置中的型煤實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)含“瓦斯”的煤層，突然打開利用快速釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)密封的噴出口，此時(shí)由于瓦斯壓力和壓力模擬地應(yīng)力的作用，使儲(chǔ)存在煤樣室中的能量從突出口突然釋放而完成煤與瓦斯的突出試驗(yàn)。
[0064]考察試驗(yàn)現(xiàn)象(突出，壓出或傾出，不突出)，可以根據(jù)試驗(yàn)條件揭示煤巖力學(xué)性質(zhì)和加載條件對(duì)煤與瓦斯突出的影響因素和作用機(jī)制。所要測(cè)定的突出參數(shù)有:煤樣成型壓力，突出時(shí)的油缸壓力、瓦斯壓力、推力器前進(jìn)距離即煤體壓縮量、瓦斯含量、瓦斯流量、突出強(qiáng)度、突出距離、突出煤粒度、突出時(shí)間等。這樣本發(fā)明可以研究型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤對(duì)瓦斯的吸附解吸特性和型煤在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力條件下煤與瓦斯關(guān)出特性。
[0065]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，其特征是，包括一圓筒形煤樣室，煤樣室外壁上設(shè)有若干能夠檢測(cè)型煤溫度和氣體壓力的壓力和溫度傳感器，所述煤樣室的一端固定安裝有能夠沿軸向伸入其中且能施加軸向地應(yīng)力的液壓加載及充氣設(shè)備，另一端設(shè)有工作時(shí)與煤樣室連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設(shè)置有用于控制噴出口導(dǎo)通的快速釋放機(jī)構(gòu)；液壓加載及充氣設(shè)備包括一活塞桿，位于煤樣室內(nèi)的活塞桿上設(shè)置一個(gè)與煤樣室內(nèi)腔相配合的活塞，活塞桿末端與試驗(yàn)時(shí)放置于煤樣室中的煤樣接觸的面式充氣加載盤連接，活塞和面式充氣加載盤分別位于煤樣室中通過縱向隔板分開的兩個(gè)獨(dú)立腔體中，活塞和面式充氣加載盤與縱向隔板之間的空間分別與煤樣室外壁上的兩個(gè)液壓站接口相通； 所述活塞桿中心設(shè)有孔道，孔道一端與活塞桿外部的三通的一個(gè)端口相連，三通的另外兩個(gè)端口上分別與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接，孔道另一端與面式充氣加載盤上的導(dǎo)氣槽相通； 所述快速釋放機(jī)構(gòu)一端中間設(shè)置有噴出口，快速釋放機(jī)構(gòu)包括上、下支架，上支架上鉸接有卡扣，下支架上鉸接有能夠與卡扣卡緊及松開的型卡扣，釋放扣上通過螺紋設(shè)有旋轉(zhuǎn)螺桿，旋轉(zhuǎn)螺桿末端連接能夠密封煤與瓦斯噴出口的密封盤； 通過旋轉(zhuǎn)螺桿能調(diào)節(jié)密封盤的活動(dòng)，密封時(shí)，將釋放扣與卡緊扣卡住，調(diào)節(jié)絲杠壓縮密封盤密封煤與瓦斯噴出口 ；釋放時(shí)，將型卡扣與卡扣分離，在壓力和重力作用下密封盤與煤與瓦斯噴出口迅速分離。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述圓筒形煤樣室、液壓加載設(shè)備、面式充氣加載盤和快速釋放機(jī)構(gòu)均固定安裝于支撐架上，前部支撐架為金屬支架，后部鉸接在混凝土樁上，中部鉸接在千斤頂上，通過千斤頂升降調(diào)節(jié)突出口角度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述與瓦斯氣瓶和真空抽采設(shè)備相連接的三通上設(shè)有控制開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述面式充氣加載盤為圓盤式結(jié)構(gòu)件，其外徑與圓筒形煤樣室的內(nèi)腔過渡配合，且能保證內(nèi)腔的氣密性。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述壓力溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接二次儀表，用于測(cè)試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化；活塞桿外部，三通前端安裝位移傳感器，測(cè)量面式充氣加載盤的位移。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的煤與瓦斯噴出口前方放置用于記錄煤與瓦斯突出瞬態(tài)過程的高速攝像機(jī)。
7.一種利用一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征是，包括兩個(gè)階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)，第二階段為煤與瓦斯突出試驗(yàn)； 煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)步驟如下: 1)升起中部千斤頂調(diào)節(jié)煤樣室傾角，將煤樣裝在煤樣室內(nèi)，將三通一端連接瓦斯氣瓶，另一端連接真空抽采設(shè)備，液壓加載設(shè)備連接液壓站，安置高速攝像機(jī)，并連接好整套所述試驗(yàn)裝置； 2)用液壓加載設(shè)備對(duì)要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的成型壓力分次成型；煤樣成型后，封閉煤與瓦斯噴出口，檢查試驗(yàn)容器氣密性； 3)用真空泵將煤樣室抽真空，用液壓加載設(shè)備對(duì)型煤施加壓力并保持壓力穩(wěn)定； 4)將純度為99.9%的甲烷按預(yù)定壓力充入煤樣室，待煤樣室內(nèi)壓力達(dá)到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態(tài)處于剩余體積之中，已知充入或放出的甲烷體積，扣除剩余體積的游離體積，即為吸附體積； 5)重復(fù)這樣的測(cè)定，得到各壓力段平衡壓力與吸附體積量，連接起來即為吸附等溫線；完成煤與瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)； 煤與瓦斯突出試驗(yàn)如下: 待軸向地應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)到預(yù)定值后突出試驗(yàn)裝置中的型煤實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)含“瓦斯”的煤層，突然打開利用快速釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)密封的煤與瓦斯噴出口，此時(shí)由于瓦斯壓力和壓力模擬地應(yīng)力的作用，使儲(chǔ)存在煤樣室中的能量從煤與瓦斯噴出口突然釋放而完成煤與瓦斯的突出試驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK104407108SQ201410748044
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】張慶賀, 王漢鵬, 李清川, 張冰, 袁亮, 楊為民 申請(qǐng)人:山東大學(xué)