分體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于煤炭科研技術(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分體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置。
【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)施研宄危險(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)制的研宄和探索。
[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宄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)研宄工作，研制了一系列煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，研宄現(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)，實(shí)用新型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]為了更好地研宄不同條件地應(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。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0018]本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置，其能夠研宄型煤在不同地應(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，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:
[0020]一種分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，煤樣室上設(shè)有若干能夠檢測(cè)型煤溫度和氣體壓力的溫度和壓力傳感器，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)；液壓加載設(shè)備通過萬向節(jié)與活塞桿相連，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；通過液壓加載設(shè)備施加軸向地應(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，通過控制液壓加載設(shè)備壓力，模擬型煤的不同受力條件；
[0021]所述活塞桿中設(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；
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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)。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]所述的煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗(yàn)裝置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)。
[0030]一種利用分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試驗(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)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、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。這樣本實(shí)用新型可以研宄型煤在不同地應(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