真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)，包括由若干節(jié)筒狀單元順次連接組成的筒形煤樣室結(jié)構(gòu)，每個筒狀單元外周上均設有若干壓力及溫度傳感器，筒狀單元外周上對稱設置四個加載裝置，加載裝置沿筒狀單元徑向伸入內(nèi)腔中與加載板相連，通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔中的型煤施加側(cè)向地應力；筒形煤樣室結(jié)構(gòu)兩端分別設置有反力蓋，一端的反力蓋中設置有內(nèi)側(cè)面與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔相通的面式充氣加載盤，用來施加軸壓，另一端設有煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設置有瞬間釋放機構(gòu)；本發(fā)明同時還公開了利用該裝置的試驗方法。本發(fā)明能夠研究型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤對瓦斯的吸附解析特性和煤與瓦斯突出機理。
【專利說明】真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)及試驗方法

【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行不同三向地應力、不同瓦斯壓力條件下的真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)及試驗方法。

【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雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，是煤礦井下生產(chǎn)最嚴重的災害之一，可造成煤巖體擊中或掩埋井下人員、摧毀井下設施等事故，甚至摧毀整個工作面，負面影響極為惡劣。因發(fā)生在煤礦井下的煤與瓦斯突出，具有時間短、危害大等特點，對現(xiàn)場煤與瓦斯突出過程進行全方位實施研究危險性大的緣故，學者們目前主要依靠實驗室模型試驗手段進行煤與瓦斯突出機制的研究和探索。
[0003]煤與瓦斯突出機理中“綜合作用假說”因為全面考慮了地應力、瓦斯壓力和煤的物理力學性質(zhì)等因素而被廣泛認可。但是地應力、瓦斯壓力、和煤的物理力學性質(zhì)等因素各自在突出過程中的真正作用機制并仍未被正確揭示。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，國內(nèi)外相關(guān)科研機構(gòu)已開展了大量的煤與瓦斯突出相似模擬試驗研究工作，研制了一系列煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，研究現(xiàn)狀如下:
[0005](I)申請?zhí)枮?00810069276.X的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗臺，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，裝置突出口通過瞬間釋放機構(gòu)實施機械化自動控制，高速打開突出口。
[0006](2)申請?zhí)枮?00810233048.1的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出模具，在底板的中央開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴；前端板的中部開設定位孔，該定位孔中安裝突出口。
[0007](3)申請?zhí)枮?00910103154.2的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出綜合試驗裝置，該裝置包括煤樣室、地應力模擬加載系統(tǒng)和氣壓加載設備，地應力模擬加載系統(tǒng)的施力膠囊和加載裝置設置在密閉容器內(nèi)，充壓設備的充壓通道與膠囊壁夾層相通，加載裝置包括至少兩個加載塊，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觀測試驗結(jié)果。但該裝置不能進行地應力加載。
[0008](4)申請?zhí)枮?00910103155.7的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出試驗快速泄壓的煤樣室，包括煤樣室本體，煤樣室本體設置煤與瓦斯噴出口和壓力氣體進口，煤與瓦斯噴出口設置控制閥，煤樣室本體內(nèi)在控制閥前設置隔膜，隔膜與控制閥之間的空腔為平衡腔，平衡腔設置壓力平衡氣體進口。泄壓采用隔膜，試驗過程復雜，不方便操作。
[0009](5)申請?zhí)枮?00910103157.6的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出試驗裝置，包括煤樣室、氣壓加載設備，煤樣室設置煤與瓦斯噴出口，煤與瓦斯噴出口設置控制閥，氣壓加載設備的加壓氣體通道與煤樣室內(nèi)部相通，煤樣室內(nèi)在控制閥前設置隔膜，隔膜與控制閥之間的空腔為接有平衡氣壓加載設備的平衡腔，還包括設置在煤樣室內(nèi)的壓力采集裝置和設置在煤樣室外部的攝像機，煤樣室與攝像機相對的位置透明設置。但該裝置不能進行地應力加載。
[0010](6)申請?zhí)枮?01010149061.6的中國專利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。但該裝置不能進行地應力加載。
[0011](7)申請?zhí)枮?01110021828.1的中國專利公開了一種煤與瓦斯實驗模擬裝置，包括煤樣室和氣壓加載設備，所述煤樣室中設置有至少一個用于放置煤樣的煤樣型腔，氣壓加載設備包括瓦斯氣瓶和與瓦斯氣瓶連接的加壓氣體通道，煤樣室上設置有工作時與煤樣型腔連通的煤與瓦斯噴出口，噴出口上設置有用于控制噴出口導通的控制裝置，在煤樣室外設置有用于對煤樣型腔內(nèi)部煤樣拍照的第一照相機，噴出口設置有用于拍攝煤與瓦斯噴出的第二照相機。
[0012](8)申請?zhí)枮?01110324127.5的中國專利公開了一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，其包括頂部設置有開口的箱體，該箱體開口配置有一加載鋼板，密閉腔體內(nèi)鋪設有頂板與底板，頂板與底板之間鋪設有煤層，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，瓦斯采用面充氣結(jié)構(gòu)，突出口設置快速開啟密封結(jié)構(gòu)。
[0013]綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處:
[0014]1.上述模擬試驗裝置無法實現(xiàn)煤與瓦斯吸附特性測試。
[0015]2.上述試驗裝置不論大小，大部分只能進行單向加載，不能真實模擬真三軸高地應力加載；
[0016]3.上述模型試驗裝置試驗過程中操作復雜，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過程中的壓力及溫度等參數(shù)的瞬態(tài)變化規(guī)律，實現(xiàn)定量分析。
[0017]為了更好地研究不同條件地應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理及發(fā)生條件，需要研制一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗裝置，以便解釋煤與瓦斯突出吸附特性和發(fā)生機理。


【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，提供一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)及試驗方法，其能夠研究型煤在不同真三軸地應力、不同瓦斯壓力條件下煤對瓦斯的吸附解析特性和煤與瓦斯突出機理。
[0019]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0020]一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)，包括由若干節(jié)筒狀單元順次連接組成的筒形煤樣室結(jié)構(gòu)，每個筒狀單元外周上均設有若干能夠檢測其內(nèi)部的型煤溫度和氣體壓力的壓力及溫度傳感器，以及筒狀單元外周上對稱設置有四個加載裝置，加載裝置沿筒狀單元徑向伸入筒狀單元內(nèi)腔中與加載板相連，且能通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔中的型煤施加側(cè)向地應力；所述筒形煤樣室結(jié)構(gòu)兩端分別設置有反力蓋，其中一端的反力蓋中設置有內(nèi)側(cè)面與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔相通的面式充氣加載盤，用來施加軸壓，所述側(cè)向地應力和軸壓共同組成三向地應力，另一端設有工作時與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設置有用于控制噴出口導通的瞬間釋放機構(gòu)；
[0021]所述面式充氣加載盤外側(cè)連接有加載活塞桿，加載活塞桿中設有抽真空及瓦斯充填孔道，抽真空及瓦斯充填孔道外端通過三通分別與外部抽真空設備和瓦斯充填設備相連通。
[0022]所述抽真空及瓦斯充填孔道的外部三通的兩出口上各安置控制開關(guān)。
[0023]所述抽真空及瓦斯充填孔道的內(nèi)部出口與面式充氣加載盤表面交叉設置的發(fā)放射狀和環(huán)狀溝槽相通。
[0024]所述筒狀單元的內(nèi)腔為方形，筒狀單元是由沿其內(nèi)腔方形的對角線向外延伸形成對稱的四瓣式反力塊連接組成，筒狀單元的外圓周上設有若干向內(nèi)凹陷的槽，壓力及溫度傳感器和加載裝置均安裝于槽中。
[0025]每一個筒狀單元的內(nèi)腔中均有四塊與方形內(nèi)腔壁相匹配的加載板，四塊加載板組成的空間形成煤樣室，每一塊加載板通過與其相連的加載裝置能夠自由沿直線移動，實現(xiàn)對煤樣室中型煤上、下、左、右方向的擠壓。
[0026]所述加載裝置為液壓缸，液壓缸通過管道與外部液壓加載設備相連。
[0027]所述瞬間釋放機構(gòu)包括上、下支架，上支架上鉸接有卡緊扣，下支架上鉸接有能夠與卡緊扣卡緊及松開的釋放扣，釋放扣上通過螺紋旋有絲杠，絲杠末端連接能夠密封煤與瓦斯噴出口的密封盤。
[0028]通過絲杠可調(diào)節(jié)密封盤的活動，密封時，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，將釋放扣與卡緊扣分離，在壓力作用下密封盤與煤與瓦斯噴出口迅速分離。
[0029]所述筒形煤樣室結(jié)構(gòu)固定安裝于支撐架上。
[0030]所述面式充氣加載盤為方形結(jié)構(gòu)件，其外部邊緣與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔配合，能保證內(nèi)腔的氣密性。
[0031]所述壓力溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接二次儀表，用于測試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化。
[0032]一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)的試驗方法，包括兩個階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸實驗，第二階段為煤與瓦斯突出試驗；
[0033]煤與瓦斯的吸附解吸實驗步驟如下:
[0034]I)將煤樣裝在筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的煤樣室內(nèi)，將抽真空及瓦斯充填孔道外部的三通一端連接瓦斯氣瓶，另一端連接真空抽采設備，并連接好整套所述試驗裝置系統(tǒng)；
[0035]2)用液壓加載設備對要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預先設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，檢查試驗容器氣密性；
[0036]3)用真空泵將煤樣室抽真空，用液壓加載設備對型煤施加壓力并保持壓力穩(wěn)定；
[0037]4)將純度為99.9%的甲烷按預定壓力充入筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的煤樣室，待煤樣室內(nèi)壓力達到平衡，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，根據(jù)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；
[0038]5)重復這樣的測定，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驗；
[0039]煤與瓦斯突出試驗如下:
[0040]待三向地應力(即加載裝置通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔施加的上下和左右兩維側(cè)向壓力和面式充氣加載盤施加的軸壓)和瓦斯壓力達到預定值后突出試驗裝置中的型煤實際上相當于一個含“瓦斯”的煤層，突然打開利用瞬間釋放機構(gòu)進行臨時密封的煤與瓦斯噴出口，此時由于瓦斯壓力和軸壓模擬地應力的作用，使儲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；
[0041]考察試驗現(xiàn)象(突出，壓出或傾出，不突出)，可以根據(jù)試驗條件揭示煤巖力學性質(zhì)和加載條件對煤與瓦斯突出的影響因素和作用機制。
[0042]所要測定的突出參數(shù)有:煤樣成型壓力、突出時的油缸壓力、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯流量、突出強度、突出距離、突出煤粒度、突出時間等。這樣本發(fā)明可以研究型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤對瓦斯的吸附解析特性和型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤與瓦斯突出特性。
[0043]本發(fā)明的有益效果是:
[0044]1、本發(fā)明可通過液壓油缸施加三向地應力(即加載裝置通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔施加的上下和左右兩維側(cè)向壓力和面式充氣加載盤施加的軸壓)，實現(xiàn)真三維應力加載，通過控制液壓油缸壓力，模擬型煤的不同受力條件。
[0045]2、本發(fā)明真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)的加載活塞桿上設計有氣體孔和孔道，氣孔外部連接三通，通過三通與瓦斯氣瓶和真空抽采設備相連接，實現(xiàn)抽真空與瓦斯氣體充填，氣孔其與煤樣接觸的圓盤設計有發(fā)放射狀和環(huán)狀溝槽，上面安裝面式充填裝置。事先將型煤抽真空再充入瓦斯，更加真實的模擬煤與瓦斯的吸附狀態(tài)。
[0046]3、本發(fā)明的煤樣加載與試驗裝置上設有用于檢測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，實現(xiàn)型煤在不同應力和瓦斯壓力條件下的吸附解吸和突出試驗定量研究。
[0047]3、裝置突出口通過瞬間釋放機構(gòu)實施機械控制，高速瞬間打開突出口，使其突然泄壓，更真實的模擬了現(xiàn)場開挖造成煤與瓦斯突出。
[0048]4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便且制作成本低，可實現(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】
[0049]圖1是本發(fā)明一個具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖2是圖1中煤樣加載與試驗裝置剖面圖；
[0051]圖3a是圖1中煤樣加載與試驗裝置三維圖；
[0052]圖3b是四瓣式反力塊和煤樣室三維圖；
[0053]圖4是圖1中快速釋放裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]其中1.型煤加載與突出試驗裝置，1-1煤樣室，1-2面式充氣加載盤，1-3四瓣式反力塊，1-4反力后蓋,2.控制系統(tǒng)與測試系統(tǒng),3.瓦斯氣瓶,4.液壓加載設備,5.加載活塞桿，6.加載油缸，7.結(jié)構(gòu)支撐，8.透明巷道，9.瞬間釋放機構(gòu)，9-1.密封盤，9-2.上支架，9-3.卡緊扣，9-4釋放扣，9-5.下支架，10.壓力及溫度傳感器，11.流速傳感器。

【具體實施方式】
[0055]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0056]如圖1和圖2所示:煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置1，包括由若干節(jié)筒狀單元順次連接組成的筒形煤樣室結(jié)構(gòu)，每個筒狀單元外周上均設有若干能夠檢測其內(nèi)部的型煤溫度和氣體壓力的壓力及溫度傳感器10，以及筒狀單元外周上對稱設置有四個加載油缸6，加載油缸6沿筒狀單元徑向伸入筒狀單元內(nèi)腔中與加載板相連，且能通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔中的型煤施加側(cè)向地應力；所述筒形煤樣室結(jié)構(gòu)兩端分別設置有反力蓋(即前反力蓋和后反力蓋1-4)，前反力蓋中設置有內(nèi)側(cè)面與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔相通的面式充氣加載盤1-2，后反力蓋1-4設有工作時與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設置有用于控制噴出口導通的瞬間釋放機構(gòu)9 ；
[0057]面式充氣加載盤1-2外側(cè)連接有加載活塞桿5，加載活塞桿5中設有抽真空及瓦斯充填孔道，抽真空及瓦斯充填孔道外端通過三通分別與外部抽真空設備和瓦斯充填設備相連通。
[0058]抽真空及瓦斯充填孔道的外部三通的兩出口各安置控制開關(guān)。煤樣室1-1和加載油缸6均固定在結(jié)構(gòu)支撐7上。
[0059]如圖2所示:面式充氣加載盤與型煤接觸面一側(cè)留有利于瓦斯擴散的凹槽。抽真空及瓦斯充填孔道的內(nèi)部出口與面式充氣加載盤表面交叉設置的發(fā)放射狀和環(huán)狀溝槽相通。
[0060]如圖2、圖3b所示，筒狀單元的內(nèi)腔為方形，筒狀單元是由沿其內(nèi)腔方形的對角線向外延伸形成對稱的四瓣式反力塊1-3連接組成，筒狀單元的外圓周上設有若干向內(nèi)凹陷的槽，壓力及溫度傳感器10和加載油缸6均安裝于槽中。
[0061]每一個筒狀單元的內(nèi)腔中均有四塊與方形內(nèi)腔壁相匹配的加載板，四塊加載板組成的空間形成煤樣室1-1，每一塊加載板通過與其相連的加載油缸6能夠自由沿直線移動，實現(xiàn)對煤樣室1-1中型煤上、下、左、右方向的擠壓。加載油缸6通過管道與外部液壓加載設備4相連。
[0062]如圖4所示:瞬間釋放機構(gòu)9包括:下支架9-5、上支架9_2、密封盤9_1、卡緊扣9-3、釋放扣9-4。密封盤9-1能夠密封煤與瓦斯噴出口，能夠與卡緊扣卡緊及松開的釋放扣9-4與下支架9-5鉸接，卡緊扣9-3與上支架9-2鉸接，密封盤9_1與釋放扣9_4通過絲杠連接。
[0063]通過絲杠可調(diào)節(jié)密封盤的活動。密封時將釋放扣9-4與卡緊扣9-3卡住，調(diào)節(jié)絲杠壓縮密封盤密封煤與瓦斯噴出口；
[0064]釋放時將釋放扣9-4與卡緊扣9-3分離，在壓力作用下密封盤9_1與煤與瓦斯噴出口迅速分離。瓦斯噴出口與密封的透明巷道8 —端連通，透明巷道8上設置有用于測定透明巷道8中瓦斯氣體流速的流速傳感器11。
[0065]面式充氣加載盤1-2為方形結(jié)構(gòu)件，其外部邊緣與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔配合，能保證內(nèi)腔的氣密性。
[0066]壓力溫度傳感器10通過數(shù)據(jù)線分別連接二次儀表，用于測試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化。
[0067]利用本發(fā)明進行試驗時分為兩個階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸實驗，接著為煤與瓦斯突出試驗。上述實驗階段均通過該系統(tǒng)與外部相連的控制系統(tǒng)與測試系統(tǒng)2控制。
[0068]首先將煤樣裝在煤樣室1-1內(nèi)，將抽真空及瓦斯充填孔道5 —端連接瓦斯氣瓶3，另一端連接真空抽采設備，并連接好其他儀器。
[0069]用液壓加載設備4對要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預先設定好的成型壓力分次成型。煤樣成型后，封閉突出口，檢查試驗容器氣密性。
[0070]用真空泵將煤樣室抽真空，用液壓加載設備4對型煤施加壓力并保持壓力穩(wěn)定。
[0071]將高壓高純99.9%甲烷充入煤樣室。待煤樣室內(nèi)壓力達到平衡，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。
[0072]重復這樣的測定，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驗。
[0073]待地應力和瓦斯壓力達到預定值后突出模擬裝置中的型煤實際上相當于一個含“瓦斯”的煤層，突然打開利用瞬間釋放機構(gòu)進行臨時密封的突出口，此時由于瓦斯壓力和軸壓模擬地應力的作用，使儲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。
[0074]若突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當時的條件下力量較大，就會形成大型突出；若突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當時的條件下力量較小，就會出現(xiàn)壓出或者傾出現(xiàn)象；若突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當時的條件下無突出危險，成型煤樣穩(wěn)定不動或有極少量煤體垮落。所要測定的突出參數(shù)有:煤樣成型壓力、突出時的油缸壓力、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯流量、突出強度、突出距離、突出煤粒度、突出時間等。這樣本發(fā)明可以研究型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤對瓦斯的吸附解析特性和型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤與瓦斯關(guān)出特性。
[0075]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，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)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)，其特征是，包括由若干節(jié)筒狀單元順次連接組成的筒形煤樣室結(jié)構(gòu)，每個筒狀單元外周上均設有若干能夠檢測其內(nèi)部的型煤溫度和氣體壓力的壓力及溫度傳感器，以及筒狀單元外周上對稱設置有四個加載裝置，加載裝置沿筒狀單元徑向伸入筒狀單元內(nèi)腔中與加載板相連，且能通過加載板對筒狀單元內(nèi)腔中的型煤施加側(cè)向地應力；所述筒形煤樣室結(jié)構(gòu)兩端分別設置有反力蓋，其中一端的反力蓋中設置有內(nèi)側(cè)面與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔相通的面式充氣加載盤，用來施加軸壓，所述側(cè)向地應力和軸壓共同組成三向地應力，另一端設有工作時與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔連通的煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設置有用于控制噴出口導通的瞬間釋放機構(gòu)； 所述面式充氣加載盤外側(cè)連接有加載活塞桿，加載活塞桿中設有抽真空及瓦斯充填孔道，抽真空及瓦斯充填孔道外端通過三通分別與外部抽真空設備和瓦斯充填設備相連通；抽真空及瓦斯充填孔道的內(nèi)部出口與面式充氣加載盤表面交叉設置的發(fā)放射狀和環(huán)狀溝槽相通。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述瞬間釋放機構(gòu)包括上、下支架，上支架上鉸接有卡緊扣，下支架上鉸接有能夠與卡緊扣卡緊及松開的釋放扣，釋放扣上通過螺紋旋有絲杠，絲杠末端連接能夠密封煤與瓦斯噴出口的密封盤； 通過絲杠能調(diào)節(jié)密封盤的活動，密封時，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，將釋放扣與卡緊扣分離，在壓力作用下密封盤與煤與瓦斯噴出口迅速分離。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述圓筒形煤樣室固定安裝于支撐架上。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述抽真空及瓦斯充填孔道的外部三通管的兩出口上各安置控制開關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述筒狀單元的內(nèi)腔為方形，筒狀單元是由沿其內(nèi)腔方形的對角線向外延伸形成對稱的四瓣式反力塊連接組成，筒狀單元的外圓周上設有若干向內(nèi)凹陷的槽，壓力及溫度傳感器和加載裝置均安裝于槽中。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，每一個筒狀單元的內(nèi)腔中均有四塊與方形內(nèi)腔壁相匹配的加載板，四塊加載板組成的空間形成煤樣室，每一塊加載板通過與其相連的加載裝置能夠自由沿直線移動，實現(xiàn)對煤樣室中型煤上、下、左、右方向的擠壓。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述加載裝置為液壓缸，液壓缸通過管道與外部液壓加載設備相連。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述面式充氣加載盤為方形結(jié)構(gòu)件，其外部邊緣與筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔配合，能保證內(nèi)腔的氣密性。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，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，用于測試煤與瓦斯吸附與突出過程中氣體壓力和煤體溫度變化。
10.一種利用真三軸煤與瓦斯吸附解吸和突出試驗裝置系統(tǒng)的試驗方法，其特征是，包括兩個階段，第一階段為煤與瓦斯的吸附解吸實驗，第二階段為煤與瓦斯突出試驗； 1)將煤樣裝在筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的煤樣室內(nèi)，將抽真空及瓦斯充填孔道外部的三通一端連接瓦斯氣瓶，另一端連接真空抽采設備，并連接好整套所述試驗裝置系統(tǒng)； 2)用液壓加載設備對要成型的煤樣施加荷載，根據(jù)預先設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，檢查試驗容器氣密性； 3)用真空泵將煤樣室抽真空，用液壓加載設備對型煤施加壓力并保持壓力穩(wěn)定； 4)將純度為99.9%的甲烷按預定壓力充入筒形煤樣室結(jié)構(gòu)的煤樣室，待煤樣室內(nèi)壓力達到平衡，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，根據(jù)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)重復這樣的測定，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驗； 煤與瓦斯突出試驗如下: 待三向地應力和瓦斯壓力達到預定值后突出試驗裝置中的型煤實際上相當于一個含“瓦斯”的煤層，突然打開利用瞬間釋放機構(gòu)進行臨時密封的煤與瓦斯噴出口，此時由于瓦斯壓力和軸壓模擬地應力的作用，使儲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。
【文檔編號】G01N3/10GK104458490SQ201410748045
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】王漢鵬, 張慶賀, 李清川, 張冰, 李海燕 申請人:山東大學