巖層應力模擬夾持裝置的製作方法

2023-06-15 00:24:11 1

專利名稱：巖層應力模擬夾持裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬巖層應力的試驗裝置，具體地說，是一種在煤與瓦斯 突出試驗中多角度模擬巖層應力的巖層應力模擬夾持裝置。
技術背景在煤與瓦斯突出機理研究方面被廣大學者普遍接受的是綜合作用假說，它 認為煤與瓦斯突出是由應力、瓦斯壓力和煤的力學性質綜合作用的結果，但到 目前為止，地應力、瓦斯壓力和煤的力學性質在突出過程中的作用機理也尚未明確。前蘇聯在20世紀50年代就進行了一維突出模擬實驗，試驗表明只有在 很大瓦斯壓力梯度下(每一釐米瓦斯壓力下降幾個兆帕)煤才有可能被破碎和拋 出。20世紀60年代初，日本學者氏平增之在實驗室進行瓦斯拋射煤粒試驗，利 用C02的結晶冰、松香、水泥、煤粒製作了多孔介質模型模擬突出，試驗在多孔 介質孔隙瓦斯壓力下引起材料的破碎和拋出，最後發展為類似蘇聯的綜合考慮 地層應力和瓦斯壓力的突出模擬試驗。與蘇聯的突出模擬試驗相比，日本模擬 裝置的優點在於模型中有一段模擬圍巖的水泥段，能進行"掘進"等作業；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，不論其物化性 質或力學性質都與煤相差甚遠。不能算是真正的模擬，只能算作是"複製"。在國內，20世紀80年代初，我國煤炭科學研究院撫順分院王佑安教授首先 開展了煤與瓦斯突出一維模擬試驗研究，現場採集煤樣，實驗室成型，模擬W、 V類突出危險煤，得出了一維條件下突出強度同垂直應力、瓦斯壓力之間的定量關係。1996年，中科院力學所孟祥躍等人開發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。2000年中國礦業大學郭立穩、俞啟香、蔣 承林通過煤與瓦斯突出裝置研究了突出過程中的溫度變化，認為在煤與瓦斯突 出過程中，煤體溫度的升高是由地應力破碎煤體使彈性能釋放造成的，而溫度降 低則是由於瓦斯氣體解吸和膨脹造成的，其變化是先升高後降低並連續變化的。 2002年焦作工學院牛國慶、顏愛華、劉明舉等也設計了煤與瓦斯突出裝置，用 來考察煤與瓦斯突出過程中的溫度變化，研究結果認為在煤與瓦斯突出過程中， 瓦斯的膨脹做功過程並非絕熱過程，而是一個接近於等溫過程的多變過程。2004 年焦作工學院蔡成功等又按照相似理論設計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝 置，實驗模擬了不同煤型強度、三向應力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過 程，得出了突出強度同瓦斯壓力、煤型強度、三向應力、瓦斯壓力關係數學模型， 分析認為，應力和煤的力學性質是決定突出強度的主要因素。蔡成功等在原有實 驗裝置上進行改進，又按相似理論設計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置。該 實驗裝置用來進行模擬突出的煤樣模型尺寸的長、寬、高為225mmX 225mm X 137 mm。應力施加系統為TYS-500型巖石應力試驗機。垂直軸壓直接由試驗機 軸向系統施加。側向應力為圍壓，用專用的側向液壓油缸施加，液壓油由試驗 機側壓系統供液。在突出模擬時用標準精密壓力表和試驗機計量系統共同計量 施加的壓力。煤樣成型後，連續脫氣48h，然後充氣吸附48h以上。當應力、瓦 斯壓力無變化，即裝置無漏氣、卸載時，採用機械方式突然打開突出口，使其 發生突出完成實驗。為安全起見，充氣介質採用C02。原有煤與瓦斯突出實驗裝置，雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機理的 研究進展，但都存在以下缺點1、 以上幾個實驗裝置的模型均是水平的，而現實情況，井下為水平傾角的 煤層相對較少，與不能完全模擬現場實際含瓦斯煤層，尤其是頂底板石門揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜的，現有裝置都無法模擬；2、 除此之外，以上所有的實驗裝置所施加的應力也都是均勻的，只能整體 模擬巖面壓力，不能模擬採面由於採礦活動造成的局部應力集中，而應力集中 往往又是造成突出的重要因素。發明內容本發明的目的是提供一種巖層應力模擬夾持裝置，既能整體模擬巖面壓力， 也能模擬出採面由於採礦活動造成的局部應力集中。為達到上述目的，本發明描述了一種巖層應力模擬夾持裝置，其關鍵在於 包括矩形反力框架，在該反力框架的兩個橫邊內壁都固定有至少一排液壓缸， 其中上、下橫邊上的上、下液壓缸推桿上分別固定有上、下壓塊，所述上、下 液壓缸分別推動上、下壓塊指向所述反力框架的中部，所述上、下壓塊之間連 接有試壓盒，該試壓盒上端面開口，並緊密配合安裝有活動壓板，所述上壓塊 與該活動壓板固定連接，所述試壓盒的前立面為端蓋密封，右立面上開有突出 口，該突出口處設置有滑門，當滑門關閉時，該滑門由門支撐機構抵接並密封 住所述突出口。下液壓缸抵接並支撐住試壓盒的下端面，上液壓缸向下擠壓活動壓板，當 活動壓板上連接的所有上液壓缸聯動時，活動壓板向試壓盒內施加均勻的應力， 能整體模擬巖面壓力；當活動壓板上連接的部分上液壓缸做功推壓活動壓板時，就能模擬出採面由於採礦活動造成的局部應力集中，從而實現了通過試驗手段 模擬出造成突出的這一重要因素。所述試壓盒上端面開口與活動壓板的結合面上設置有橡膠密封圈。所述門支撐機構包括一排固定在所述反力框架右立邊內壁上的右液壓缸， 該右液壓缸的活塞推桿固定在同一支撐塊上，該支撐塊與所述滑門相接觸。所述反力框架的右立邊內壁上固定有一排左液壓缸，該左液壓缸的活塞推 杆抵接所述試壓盒的左立面。所述反力框架上還螺栓固定有壓板，所述壓板分別為所述試壓盒的前立面 端蓋和後立面限位。左液壓缸、門支撐機構和壓板抵接住試壓盒的四個側立面，防止試壓盒變 形，保證模擬試驗的可靠性和穩定性。所述試壓盒為平行四邊形盒結構，該試壓盒的前、後、左、右面為直立面，上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓塊的端面與水平夾角 為a 。所述夾角a的範圍為0 45° 。針對現有技術的實驗裝置模型都是水平，無法模擬現場實際瓦斯煤層水平 傾斜的情況，設計多個傾角a的平行四邊形試壓盒，相應調整上、下壓塊的端 面水平夾角a，就可以滿足現場實際煤層傾角的模擬試驗，尤其是頂底板石門 揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜模擬試驗。在所述試壓盒的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進氣孔與外界相通，所述 凹槽內安裝金屬泡沫，所述金屬泡沬內網狀分布有毛細通孔，毛細通孔使所述 進氣孔與試壓盒內腔空氣相通；利用金屬泡沫內網狀分布的毛細通孔，將進氣孔送入的高壓氣體以"面充 氣"的方式向試壓盒內腔充氣，更能模擬出實際煤層中瓦斯氣壓。所述活動壓板開有出氣孔與外界相通。所述活動壓板的下端面開有凹槽，所述出氣孔位於該凹槽內，該凹槽內安 裝有過濾器，該過濾器內的毛細通孔使所述出氣孔與試壓盒內腔空氣相通。出氣孔將試壓盒內的高壓氣送出，過濾器確保試壓盒內的其他物質不會被 氣流吹出試壓盒。所述進氣孔和出氣孔中都安裝有快速氣接頭。本發明的顯著效果是提供一種巖層應力模擬夾持裝置，既能整體模擬巖 面壓力，又能模擬採面由於採礦活動造成的局部應力集中；還能模擬出現場實 際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂底板石門揭煤突出情況所遇到的傾 斜煤層模擬試驗。


圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是滑門和突出口的結構示意圖；圖3是試壓盒的結構示意圖；圖4是進氣孔和出氣孔的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。如圖l、 2所示 一種巖層應力模擬夾持裝置，設置有矩形反力框架l，在 該反力框架1的兩個橫邊內壁都固定有至少一排液壓缸，其中上、下橫邊上的 上、下液壓缸2、 2'推桿上分別固定有上、下壓塊3、 3，，所述上、下液壓缸2、 2，分別推動上、下壓塊3、 3，指向所述反力框架l的中部，所述上、下壓塊3、 3'之間連接有試壓盒4，該試壓盒4上端面開口，並緊密配合安裝有活動壓板 5，所述上壓塊3與該活動壓板5固定連接，所述試壓盒4的前立面為端蓋6密 封，右立面上開有突出口a，該突出口 a處設置有滑門7，當滑門7關閉時，該 滑門7由門支撐機構抵接並密封住所述突出口 a。所述試壓盒4上端面開口與活動壓板5的結合面上設置有橡膠密封圈。下液壓缸2'抵接並支撐住試壓盒4的下端面，上液壓缸2向下擠壓活動壓 板5，當活動壓板5上連接的所有上液壓缸2聯動時，活動壓板5向試壓盒4內 施加均勻的應力，能整體模擬巖面壓力；當活動壓板5上連接的部分上液壓缸2 做功推壓活動壓板5時，就能模擬出採面由於採礦活動造成的局部應力集中， 從而實現了通過試驗手段模擬出造成突出的這一重要因素。所述門支撐機構包括一排固定在所述反力框架1右立邊內壁上的右液壓缸 8，該右液壓缸8的活塞推桿固定在同一支撐塊9上，該支撐塊9與所述滑門7 相接觸。滑門7由汽缸驅動，汽缸驅動能保證滑門7能貼合在突出口 a上迅速開合， 汽缸可以與反力框架1固定連接，也可以與試壓盒4固定連接。所述反力框架1的右立邊內壁上固定有一排左液壓缸8'，該左液壓缸8， 的活塞推桿抵接所述試壓盒4的左立面。所述反力框架1上還螺栓固定有壓板10，所述壓板10分別為所述試壓盒4 的前立面端蓋6和後立面限位。左液壓缸8'、門支撐機構和壓板10抵接住試壓盒4的四個側立面，防止 試壓盒4變形，保證模擬試驗的可靠性和穩定性。如圖3所示所述試壓盒4為平行四邊形盒結構，該試壓盒4的前、後、 左、右面為直立面，上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓 塊3、 3'的端面與水平夾角為a。所述夾角a的範圍為0 45° 。夾角a可以取6。 、 15° 、 30° 、 45° ，制 成不同傾角的試壓盒4，以滿足不同斜度巖石層的模擬需要。針對現有技術的實驗裝置模型都是水平，無法模擬現場實際瓦斯煤層水平傾斜的情況，設計多個傾角a的平行四邊形試壓盒4，相應調整上、下壓塊3、 3'的端面水平夾角a，就可以滿足現場實際煤層傾角的模擬試驗，尤其是頂底 板石門揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜模擬試驗。如圖4所示在所述試壓盒4的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進氣孔4a 與外界相通，所述凹槽內安裝金屬泡沫12,所述金屬泡沫12內網狀分布有毛細 通孔，毛細通孔使所述進氣孔4a與試壓盒4內腔空氣相通；利用金屬泡沫12內網狀分布的毛細通孔，將進氣孔4a送入的高壓氣體以 "面充氣"的方式向試壓盒4內腔充氣，更能模擬出實際煤層中瓦斯氣壓。所述活動壓板5開有出氣孔5a與外界相通。所述活動壓板5的下端面開有凹槽，所述出氣孔5a位於該凹槽內，該凹槽 內安裝有過濾器12'，該過濾器12'內的毛細通孔使所述出氣孔5a與試壓盒4 內腔空氣相通。出氣孔5a將試壓盒4內的高壓氣送出，過濾器12'可以採用金屬泡沬製作， 有具有很高的硬度，金屬泡沫5既能傳遞空氣流，又能承受住高壓且不變形， 保證高壓試驗的準確性，確保試壓盒4內的其他物質不會被氣流吹出試壓盒4。所述進氣孔4a和出氣孔5a中都安裝有快速氣接頭13。其工作原理是將從現場突出煤層所取煤樣用粉碎機粉碎後，將煤粉填充入試壓盒4，閉合 上滑門7和端蓋6，再啟動反力框架l四周內壁安裝的液壓缸，對試壓盒4內的 煤粉加壓，模擬巖層壓力。還可以通過進氣孔4a和出氣孔5a向試壓盒4內通入"瓦斯"，當試壓盒4 內壓力達到預定值後，穩定住液壓缸，使試壓盒4內保持壓力，鬆開門支撐機 構，再迅速打開滑門7，從突出口 a處獲取煤與瓦斯突出試驗的數據。
權利要求
1、一種巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於包括矩形反力框架(1)，在該反力框架(1)的兩個橫邊內壁都固定有至少一排液壓缸，其中上、下橫邊上的上、下液壓缸(2、2』)推桿上分別固定有上、下壓塊(3、3』)，所述上、下液壓缸(2、2』)分別推動上、下壓塊(3、3』)指向所述反力框架(1)的中部，所述上、下壓塊(3、3』)之間連接有試壓盒(4)，該試壓盒(4)上端面開口，並緊密配合安裝有活動壓板(5)，所述上壓塊(3)與該活動壓板(5)固定連接，所述試壓盒(4)的前立面為端蓋(6)密封，右立面上開有突出口(a)，該突出口(a)處設置有滑門(7)，當滑門(7)關閉時，該滑門(7)由門支撐機構抵接並密封住所述突出口(a)。
2、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述門支 撐機構包括一排固定在所述反力框架(1)右立邊內壁上的右液壓缸(8)，該右 液壓缸(8)的活塞推桿固定在同一支撐塊(9)上，該支撐塊(9)伸向所述反 力框架(1)的中部，並與所述滑門(7)相接觸。
3、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述反力 框架(1)的右立邊內壁上固定有一排左液壓缸(8')，該左液壓缸(8，)的活 塞推桿抵接所述試壓盒(4)的左立面。
4、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述反力 框架(1)上還螺栓固定有壓板(10)，所述壓板(10)分別為所述試壓盒(4) 的前立面端蓋(6)和後立面限位。
5、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述試壓 盒(4)為平行四邊形盒結構，該試壓盒(4)的前、後、左、右面為直立面， 上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓塊(3、 3')的端面與 水平夾角為a ;所述夾角a的範圍為0 45° 。
6、 根據權利要求l所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於 在所述試壓盒(4)的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進氣孔(4a)與外界相通，所述凹槽內安裝金屬泡沫(12)，所述金屬泡沫(12)內網狀分布有毛細 通孔，毛細通孔使所述進氣孔(4a)與試壓盒(4)內腔空氣相通； 所述活動壓板(5)開有出氣孔(5a)與外界相通。
7、 根據權利要求1或6所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述 活動壓板(5)的下端面開有凹槽，所述出氣孔(5a)位於該凹槽內，該凹槽內 安裝有過濾器(12')，該過濾器(12')內的毛細通孔使所述出氣孔(5a)與試 壓盒(4)內腔空氣相通。
8、 根據權利要求1或6所述的巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於所述 進氣孔(4a)和出氣孔(5a)中都安裝有快速氣接頭(13)。
全文摘要
本發明公開了一種巖層應力模擬夾持裝置，其特徵在於包括矩形反力框架，在該反力框架的兩個橫邊內壁都固定有至少一排液壓缸，在上、下液壓缸推桿上分別固定有上、下壓塊，上、下壓塊之間抵接有試壓盒，該試壓盒上端面開口，並緊密配合安裝有活動壓板，所述上壓塊與該活動壓板相抵接，所述試壓盒的前立面為端蓋密封，右立面上開有突出口，該突出口處設置有滑門，當滑門關閉時，該滑門由門支撐機構抵接並密封住所述突出口。其顯著效果是既能整體模擬巖面壓力，又能模擬採面由於採礦活動造成的局部應力集中；還能模擬出現場實際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂底板石門揭煤突出情況所遇到的傾斜煤層模擬試驗。
文檔編號G01N33/00GK101226184SQ20081006927
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者尹光志, 李樹春, 王登科, 王維忠, 江 許, 趙洪寶, 陶雲奇, 魏作安, 鮮學福 申請人:重慶大學