巖層應力模擬試壓盒的製作方法

2023-06-15 00:30:51

專利名稱：巖層應力模擬試壓盒的製作方法
技術領域：
本實用新型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試壓盒。
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IV、 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。現有的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，但其共同存在的缺點是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，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，現有裝置無法模擬。實用新型內容本實用新型的目的是提供一種巖層應力模擬試壓盒，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。為達到上述目的，本實用新型描述了一種巖層應力模擬試壓盒，主要設置 有盒體，該盒體為六面體，其關鍵在於所述盒體的前、後、左、右立板為直 立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為a ,所述夾角a的範圍為0 45° ;所述盒體的上底板開口，並配合安裝有活動壓板，該活動壓板沿所述上底 板開口上下滑動；所述盒體的右立板上開有突出口，該突出口處設置有滑門，當滑門關閉時，該滑門密封住所述突出口。滑門由汽缸控制，可以實現突出口的快速打開，便於煤與瓦斯突出試驗。 所述盒體的上底板開口與活動壓板的結合面上設置有橡膠密封圈。 在所述盒體下底板的上端面開有凹槽，該凹槽開有進氣孔與外界相通，所述凹槽內安裝金屬泡沫，所述金屬泡沫內網狀分布有毛細通孔，毛細通孔使所述進氣孔與盒體內腔空氣相通；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"的方式向盒體內腔充氣，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盒體內腔空氣相通。出氣孔將盒體內的高壓氣送出，過濾器確保盒體內的其他物質不會被氣流 吹出盒體。所述進氣孔和出氣孔中都安裝有快速氣接頭。所述盒體的前立板開口，並螺栓固定有前端蓋，所述前端蓋密封住該盒體 的前立板開口。本實用新型的顯著效果是提供一種巖層應力模擬試壓盒，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，同時，還能以"面充氣"的方式向盒體內腔充氣，模擬出 實際煤層中瓦斯氣壓。


圖l是盒體的結構示意圖； 圖2是滑門和突出口的結構示意圖； 圖3是進氣孔和出氣孔的結構示意圖， 圖4是本實用新型的使用狀態示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1、 2所示 一種巖層應力模擬試壓盒，主要設置有盒體1，該盒體1 為六面體，所述盒體1的前、後、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板， 該斜面板與水平夾角為a，所述夾角a的範圍為0 45。；夾角a可以取6。 、 15° 、 30° 、 45° ，製成不同傾角的盒體1，以滿足不 同斜度巖石層的模擬需要。所述盒體l的上底板開口，並配合安裝有活動壓板2，該活動壓板2沿所述 上底板開口上下滑動；所述盒體l的右立板上開有突出口 c，該突出口 c處設置有滑門4，當滑門 4關閉時，該滑門4密封住所述突出口 c。滑門4由汽缸控制，可以實現突出口 c的快速打開，便於煤與瓦斯突出試驗。所述盒體1的上底板開口與活動壓板2的結合面上設置有橡膠密封圈7。如圖3所示在所述盒體1下底板的上端面開有凹槽，該凹槽開有進氣孔 la與外界相通，所述凹槽內安裝金屬泡沫5，所述金屬泡沫5內網狀分布有毛 細通孔，毛細通孔使所述進氣孔la與盒體1內腔空氣相通；利用金屬泡沫5內網狀分布的毛細通孔，將進氣孔la送入的高壓氣體以"面 充氣"的方式向盒體1內腔充氣，更能模擬出實際煤層中瓦斯氣壓。所述活動壓板2開有出氣孔2a與外界相通。所述活動壓板2的下端面開有凹槽，所述出氣孔2a位於該凹槽內，該凹槽 內安裝有過濾器5'，該過濾器5'內的毛細通孔使所述出氣孔2a與盒體1內 腔空氣相通。出氣孔2a將盒體l內的高壓氣送出，過濾器5'確保盒體l內的其他物質 不會被氣流吹出盒體l。過濾器5'可以採用金屬泡沬5。金屬泡沫5既能傳遞空氣流，有具有很高的硬度，能承受住高壓且不變形， 保證高壓試驗的準確性。所述進氣孔la和出氣孔2a中都安裝有快速氣接頭6。快速氣接頭6實現氣 體的快速充放。可以設置l、 3或更多進氣孔la和出氣孔2a，以適應盒體1大小的需要。 所述盒體1的前立板開口，並螺栓固定有前端蓋8，所述前端蓋8密封住該 盒體l的前立板開口。打開前端蓋8，可以模擬煤層結構往盒體1填充煤粉。 其工作原理是如圖4所示設置一個矩形反力框架，在該反力框架的四邊內壁都固定有液壓缸，其中上邊內壁固定的液壓缸3連接活動壓板2，該上邊液壓缸3推動活 動壓板2上下運動，下邊和左邊內壁固定的液壓缸抵接在盒體1的外壁，當滑 門4關閉住突出口 c時，右邊內壁固定的液壓缸抵接在滑門4上，幫助滑門4 密封住所述突出口c。所述盒體1上端面開口與活動壓板2的結合面上設置有橡膠密封圈。 將從現場突出煤層所取煤樣用粉碎機粉碎後，將煤粉填充入盒體l，閉合上 滑門4，再啟動反力框架四周內壁安裝的液壓缸，對盒體l內的煤粉加壓，模擬 巖層壓力。還可以上述盒體l內通入"瓦斯"，當盒體1內壓力達到預定值後，穩定住 液壓缸，使盒體1內保持壓力，鬆開右邊的液壓缸，再通過汽缸迅速打開滑門4， 從突出口 c處獲取煤與瓦斯突出試驗的數據。汽缸缸體可以與盒體1固定連接，以保持滑門4與突出口 c的緊密配合， 如果盒體1體積過小，也可以將汽缸缸體與反力框架固定連接，即在缸體的底 座與連接板固定連接板，連接板與反力框架固接在一起，保持滑門4與突出口c 的緊密配合。
權利要求1、一種巖層應力模擬試壓盒，主要設置有盒體(1)，該盒體(1)為六面體，其特徵在於所述盒體(1)的前、後、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為α，所述夾角α的範圍為0～45°；所述盒體(1)的上底板開口，並配合安裝有活動壓板(2)，該活動壓板(2)沿所述上底板開口上下滑動；所述盒體(1)的右立板上開有突出口(c)，該突出口(c)處設置有滑門(4)，當滑門(4)關閉時，該滑門(4)密封住所述突出口(c)。
2、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬試壓盒，其特徵在於所述盒體(1) 的上底板開口與活動壓板(2)的結合面上設置有橡膠密封圈(7)。
3、 根據權利要求1所述的巖層應力模擬試壓盒，其特徵在於在所述盒體 (1)下底板的上端面開有凹槽，該凹槽開有進氣孔(la)與外界相通，所述凹槽內安裝金屬泡沫(5)，所述金屬泡沫(5)內網狀分布有毛細通孔，毛細通孔 使所述進氣孔(la)與盒體(1)內腔空氣相通；所述活動壓板(2)開有出氣孔(2a)與外界相通。
4、 根據權利要求3所述的巖層應力模擬試壓盒，其特徵在於所述活動壓 板(2)的下端面開有凹槽，所述出氣孔(2a)位於該凹槽內，該凹槽內安裝有 過濾器(5')，該過濾器(5')內的毛細通孔使所述出氣孔(2a)與盒體(1) 內腔空氣相通。
5、 根據權利要求3或4所述的巖層應力模擬試壓盒，其特徵在於所述進 氣孔(la)和出氣孔(2a)中都安裝有快速氣接頭(6)。
6、根據權利要求1所述的巖層應力模擬試壓盒，其特徵在於所述盒體(1) 的前立板開口，並螺栓固定有前端蓋(8)，所述前端蓋(8)密封住該盒體(1) 的前立板開口。
專利摘要本實用新型公開了一種巖層應力模擬試壓盒，主要設置有盒體，該盒體為六面體，其特徵在於所述盒體的前、後、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為α；所述盒體的上底板開口，並配合安裝有活動壓板，該活動壓板沿所述上底板開口上下滑動；所述盒體的右立板上開有突出口，該突出口處設置有滑門，當滑門關閉時，該滑門密封住所述突出口。其顯著效果是能模擬出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，同時，還能以「面充氣」的方式向盒體內腔充氣，模擬出實際煤層中瓦斯氣壓。
文檔編號G01N33/00GK201170783SQ200820097519
公開日2008年12月24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