一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統的製作方法
2023-04-24 17:21:41 1
專利名稱：一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統。
背景技術：
煤與瓦斯突出事故是指煤礦開採過程中，煤體在地應力和瓦斯共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤體或巖體內突然向採掘空間拋出的異常動力現象，表現為幾噸至數千噸甚至數萬噸以上的破碎煤巖在數秒至幾十秒時間內，由煤巖體向採掘空間拋出，同時伴有大量瓦斯湧出，危害較為嚴重。在煤與瓦斯突出機理研究方面普遍接受的是綜合作用假說，該假說認為煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯壓力和煤的力學性質綜合作用的結果，但到目前為止三因素各自在突出過程中的作用機理尚不明確，需進一步解釋該假說中三因素的綜合作用機制。因煤與瓦斯突出的災害性極大，不可能在現場發生煤與瓦斯突出災害時開展實時跟蹤研究，只能依託實驗室進行實驗模擬，國內外相關科研機構已開展了大量的煤與瓦斯突出相似模擬實驗研究工作，研製了一系列煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，這在一定程度上加深了煤與瓦斯突出的研究進展，但仍存在一些不足，主要有(1)現有的突出模擬實驗裝置所採用的模型尺寸較小，模擬的實驗突出煤樣均未考慮煤層頂、底板對突出煤層的影響；( 現有突出模擬試驗裝置，都沒有突出巷道在突出過程前後瓦斯壓力等的變化；C3)現有突出模擬試驗裝置的突出煤層的厚度較小，這會導致在突出過程中煤層應力與瓦斯壓力等變化不能全面地反應出來；(4)現有的突出模擬試驗裝置不能實現瓦斯壓力的突然釋放，降低了其模擬試驗的真實性。由此可見，現有技術有待於更進一步的改進和發展。
發明內容
本發明為解決上述現有技術中的缺陷提供一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，以提高其模擬試驗的真實性，實現石門揭煤時煤與瓦斯突出的全過程模擬。為解決上述技術問題，本發明方案包括—種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其包括頂部設置有開口的箱體，其中，該開口配置有一加載鋼板，該加載鋼板上設置有能縱向加載的加載結構，該加載鋼板扣壓在該開口上與箱體形成一密閉腔體，該密閉腔體內鋪設有頂板與底板，頂部與底板之間鋪設有煤層，該煤層與水平面形成一傾斜角；箱體一個側壁在對應底板區域處設置有一定位孔，該定位孔貫穿有一突出模擬巷道，該突出模擬巷道在底板內延伸直至與煤層交匯，該突出模擬巷道在該交匯處設置有一與煤層相貼合的豁口，該豁口設置有一隔膜，該突出模擬巷道露出箱體的部分設置有一突出口與氣體平衡口，該突出口設置有快速開啟密封結構，該氣體平衡口與一壓力罐相連通；煤層與頂板、底板接觸的面上分別設置有面充氣結構，該面充氣結構與一瓦斯壓力罐相連通；在頂板、底板與煤層內均勻布置有多個數據採集裝置。
所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述箱體的內壁上設置有三層密封內襯，自外向內依次是由聚氯乙烯樹脂隔板製成的第一內襯、由聚乙烯薄膜製成的第二內襯與由聚氯乙烯隔板製成的第三內襯。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述面充氣結構包括一充氣嘴，該充氣嘴上設置有鐵紗網，煤層與頂板的接觸面上設置有一個面充氣結構，煤層與底板的接觸面上設置有兩個面充氣結構。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述數據採集裝置包括應力傳感器、瓦斯壓力傳感器、溫度傳感器，數據採集裝置與一數據採集箱和電腦通信連接。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述快速開啟密封結構包括設置在突出口上的密封圈，該密封圈上卡頂有一密封側板，該密封側板一端鉸接在該突出口上，另一端通過一設置在突出口上的快速啟動閥卡勾住，該密封圈與密封側板之間塗布有密封膠。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述加載結構包括均勻設置在加載鋼板的三個千斤頂，每個千斤頂均與一液壓泵相連通，該液壓泵配置有一控制臺； 加載鋼板與千斤頂對應位置處均設置有壓塊。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述箱體由五大部分若干小塊可拆卸的輻板圍成。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述瓦斯壓力罐設置有第一高壓銅管，該第一高壓銅管沿箱體的一側壁向下延伸，第一高壓銅管自上向下依次設置有第一三通閥、第二三通閥與兩通閥，第一三通閥、第二三通閥與兩通閥分別與對應的面充氣結構相連通；該高壓銅管上設置有減壓閥，瓦斯壓力罐上設置有壓力表。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述壓力罐為氮氣壓力罐， 該氮氣壓力罐通過第二高壓銅管與充氣口相連通，該第二高壓銅管在靠近充氣口處設置有平衡閥，該第二高壓銅管在靠近氮氣壓力罐處設置有減壓閥，該氮氣壓力罐上設置有壓力表，突出模擬巷道的側壁上設置有卸壓閥。所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其中，上述箱體上方配置有用於裝填材料的電動葫蘆。本發明提供的一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，採用了機械釋放-隔膜破裂法，將煤層積聚的彈性勢能和瓦斯內能瞬間釋放，可真實模擬煤層在井下的應力狀態，為煤與瓦斯突出的預測和預防提供理論依據，使用時可以通過調整加載結構加載壓力的大小、改變千斤頂施加給煤層的壓力從而模擬煤層在不同圍巖壓力狀態下的應力狀態； 同時可以需要設計不同的煤層傾角、不同地應力、不同瓦斯壓力，觀察上述不同參數下煤與瓦斯實驗結果，使用靈活方便，模擬更加真實；並且通過快速釋放試驗系統內的壓力實現了快速卸壓，避免了打開突出口由於速度慢而對突出能量的影響，真實再現了石門揭煤時的瞬間突出情況。
圖1是本發明中石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統的結構示意圖；圖2是本發明中突出模擬巷道的結構示意圖3是本發明中面充氣結構布置在煤層的結構示意圖；圖4是本發明中加載結構的結構示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，為了使本發明的目的、技術方案以及優點更清楚、明確，以下將結合附圖與實施例，對本發明進一步詳細說明。本發明提供了一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，在箱體內鋪設頂板、 煤層與底板，並在煤層下方設置一突出模擬巷道，並在巷道與煤層接觸處設置具有一定的強度、一定的脆性的隔膜，在滿足一定條件的前提下，真實的模擬了煤層在地應力與瓦斯共同作用下突然向採掘空間突出的狀況，實現了石門揭煤時煤與瓦斯突出的全過程模擬，提高了其模擬試驗的真實性。如圖1所示的，一其包括頂部設置有開口的箱體1，該箱體1可以採用由五大部分若干小塊輻板組成的結構方式，也可以採用現有技術中已知的其他技術形式，其尺寸為3. OmX2. 6mXl. 8m。該開口配置有一加載鋼板2，該加載鋼板2上設置有能縱向加載的加載結構3，該加載鋼板3扣壓在該開口上與箱體1形成一密閉腔體，該密閉腔體內鋪設有頂板5與底板 6，頂板5可以採用是黑色粉砂巖，中夾泥巖；底板6可以採用黑色泥巖，更進一步提高其模擬的真實性。頂部5與底板6之間鋪設有煤層7，該煤層7與水平面形成一傾斜角，可以假設該傾斜角為a，a的範圍一般在0° -180°。箱體1 一個側壁在對應底板區域處設置有一定位孔8，該定位孔8貫穿有一突出模擬巷道9，如圖1與圖2所示的，突出模擬巷道9可以採用矩形巷道或柱形巷道，其縱截面的面積為0. 06m2,該突出模擬巷道9在底板6內延伸直至與煤層7交匯，該突出模擬巷道9在該交匯處設置有一與煤層相貼合的豁口，該豁口設置有一隔膜10，該豁口一般採用矩形豁口，即隔膜10 —般採用矩形隔膜，隔膜一般採用由高分子增強鋁基複合薄膜，但不僅限於該種方式，也可以採用現有技術中其他已知的技術形式。該突出模擬巷道9露出箱體1的部分設置有一突出口 11與氣體平衡口 12，該突出口 11設置有快速開啟密封結構，以快速打開突出口 11，實現了突然卸壓，避免打開突出口 11 由於速度慢而對突出能量的影響，阻礙突出影響了試驗狀態。該氣體平衡口 12與一壓力罐 13相連通。如圖3所示的，煤層7與頂板5、底板6接觸的面上分別設置有面充氣結構，該面充氣結構與一瓦斯壓力罐14相連通；在頂板5、底板6與煤層7內均勻布置有多個數據採集裝置。為了更進一步提高本發明的性能，箱體1的內壁上設置有三層密封內襯，自外向內依次是由聚氯乙烯樹脂隔板製成的第一內襯、由聚乙烯薄膜製成的第二內襯與由聚氯乙烯隔板製成的第三內襯，對箱體進行整體密封。更進一步的，如圖3所示的，上述面充氣結構包括一充氣嘴15，該充氣嘴15上設置有厚度約為Icm的ImXlm的鐵紗網16，充氣嘴沒有直接與煤層7接觸，而是通過鐵紗網的作用，實現「面充氣」而不是以往的「點充氣」，更加真實地模擬了井下煤層瓦斯源。煤層7 與頂板5的接觸面上設置有一個面充氣結構，煤層7與底板7的接觸面上設置有兩個面充氣結構，該兩個面充氣結構分別位於突出模擬巷道9的兩側。更進一步的，數據採集裝置包括應力傳感器、瓦斯壓力傳感器、溫度傳感器，數據採集裝置與一數據採集箱和電腦通信連接。其中溫度傳感器可以測定突出前後煤層7內溫度的變化，壓力傳感器可以測定在開挖過程中圍巖應力的變化以及在突出前後周圍煤層以及巖體應力應變的變化情況，瓦斯壓力傳感器可以測定突出煤層7前後瓦斯壓力的變化情況，並且各個傳感器可通過外部採集系統將煤與瓦斯突出過程中的實時數據輸入到電腦中，實現了全過程中瓦斯壓力、煤層溫度以及應力數據的自動記錄和分析。更進一步的，如圖2所示的，快速開啟密封結構包括設置在突出口 11上的密封圈 17，該密封圈17上卡頂有一密封側板18，該密封側板18 —端鉸接在該突出口 11上，另一端通過一設置在突出口 11上的快速啟動閥19卡勾住，該密封圈17與密封側板18之間塗布有密封膠，增強了其密封性以及突然打開快速啟動閥19時瓦斯與煤層突出時的瞬間性。更進一步的，如圖4所示的，加載結構3包括均勻設置在加載鋼板2的三個千斤頂 20，每個千斤頂20均與一液壓泵21相連通，該液壓泵21配置有一控制臺22，控制臺22可以控制每個千斤頂20單獨加壓；加載鋼板2與千斤頂20對應位置處均設置有壓塊23。更進一步的，如圖1所示的，瓦斯壓力罐14設置有第一高壓銅管對，該第一高壓銅管對沿箱體1的一側壁向下延伸，第一高壓銅管M自上向下依次設置有第一三通閥25、第二三通閥沈與兩通閥27，第一三通閥25、第二三通閥26與兩通閥27分別與對應的面充氣結構相連通；該高壓銅管M上設置有減壓閥28，瓦斯壓力罐14上設置有壓力表四。更進一步的，壓力罐13為氮氣壓力罐，該氮氣壓力罐13通過第二高壓銅管30與氣體平衡口 12相連通，該第二高壓銅管30在靠近氣體平衡口 12處設置有平衡閥31，該第二高壓銅管30在靠近氮氣壓力罐13處設置有減壓閥32，該氮氣壓力罐13上設置有壓力表 33，突出模擬巷道9的側壁上設置有卸壓閥34，以保證突出模擬巷道內的壓力與箱體1內煤層7的壓力相同，防止了隔膜10壓力過大而提前破壞，影響了突出效果的真實性。更進一步的，箱體1上方配置有用於裝填材料的電動葫蘆35，由於本發明所使用的箱體1尺寸較大，所需要的實驗材料較多，煤樣等實驗材料，輕則幾噸，重可達幾十噸，所以為了實驗材料的封裝，節省人力和時間，可以利用單軌電動葫蘆35上料，提高了試驗效率。當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其包括頂部設置有開口的箱體，其特徵在於該開口配置有一加載鋼板，該加載鋼板上設置有能縱向加載的加載結構，該加載鋼板扣壓在該開口上與箱體形成一密閉腔體，該密閉腔體內鋪設有頂板與底板，頂部與底板之間鋪設有煤層，該煤層與水平面形成一傾斜角；箱體一個側壁在對應底板區域處設置有一定位孔，該定位孔貫穿有一突出模擬巷道，該突出模擬巷道在底板內延伸直至與煤層交匯，該突出模擬巷道在該交匯處設置有一與煤層相貼合的豁口，該豁口設置有一隔膜，該突出模擬巷道露出箱體的部分設置有一突出口與氣體平衡口，該突出口設置有快速開啟密封結構，該氣體平衡口與一氣體壓力罐相連通；煤層與頂板、底板接觸的面上分別設置有面充氣結構，該面充氣結構與一瓦斯壓力罐相連通；在頂板、底板與煤層內均勻布置有多個數據採集裝置。
2.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述箱體的內壁上設置有三層密封內襯，自外向內依次是由聚氯乙烯樹脂隔板製成的第一內襯、由聚乙烯薄膜製成的第二內襯與由聚氯乙烯隔板製成的第三內襯。
3.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述面充氣結構包括一充氣嘴，該充氣嘴上設置有鐵紗網，煤層與頂板的接觸面上設置有一個面充氣結構，煤層與底板的接觸面上設置有兩個面充氣結構。
4.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述數據採集裝置包括應力傳感器、瓦斯壓力傳感器、溫度傳感器，數據採集裝置與一數據採集箱和電腦通信連接。
5.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述快速開啟密封結構包括設置在突出口上的密封圈，該密封圈上卡頂有一密封側板，該密封側板一端鉸接在該突出口上，另一端通過一設置在突出口上的快速啟動閥卡勾住，該密封圈與密封側板之間塗布有密封膠。
6.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述加載結構包括均勻設置在加載鋼板的三個千斤頂，每個千斤頂均與一液壓泵相連通，該液壓泵配置有一控制臺；加載鋼板與千斤頂對應位置處均設置有壓塊。
7.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述箱體由五大部分若干小塊能拆卸的輻板圍成。
8.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述瓦斯壓力罐設置有第一高壓銅管，該第一高壓銅管沿箱體的一側壁向下延伸，第一高壓銅管自上向下依次設置有第一三通閥、第二三通閥與兩通閥，第一三通閥、第二三通閥與兩通閥分別與對應的面充氣結構相連通；該高壓銅管上設置有減壓閥，瓦斯壓力罐上設置有壓力表。
9.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述壓力罐為氮氣壓力罐，該氮氣壓力罐通過第二高壓銅管與氣體平衡口相連通，該第二高壓銅管在靠近氣體平衡口處設置有平衡閥，該第二高壓銅管在靠近氮氣壓力罐處設置有減壓閥，該氮氣壓力罐上設置有壓力表，突出模擬巷道的側壁上設置有卸壓閥。
10.根據權利要求1所述的石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其特徵在於上述箱體上方配置有用於裝填材料的電動葫蘆。
全文摘要
本發明公開了一種石門揭煤時煤與瓦斯突出模擬試驗系統，其包括頂部設置有開口的箱體，該開口配置有一加載鋼板，密閉腔體內鋪設有頂板與底板，頂部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延伸直至與煤層交匯，該突出模擬巷道在該交匯處設置有一與煤層相貼合的豁口，該豁口設置有一隔膜，該突出模擬巷道露出箱體的部分設置有一突出口與氣體平衡口，該突出口設置有快速開啟密封結構，該氣體平衡口與一氣體壓力罐相連通；煤層與頂板、底板接觸的面上分別設置有面充氣結構，該面充氣結構與一瓦斯壓力罐相連通。本發明採用了機械釋放-隔膜破裂法，實現了石門揭煤時煤與瓦斯突出的全過程模擬。
文檔編號G01N33/00GK102507865SQ20111032412
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年10月21日
發明者周剛, 孫路路, 張清濤, 王剛, 程衛民, 陳連軍 申請人:山東科技大學