一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具的製作方法

2023-12-09 00:55:46 1

專利名稱：一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種含瓦斯煤巖的突出試驗裝置，尤其涉及煤與瓦斯突出 試驗的模具。
背景技術：
雖然綜合作用假說在煤與瓦斯突出機理研究領域被普遍認可，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，但三因 素各自在突出過程中的作用機理尚不明晰。為進一步解釋綜合作用假說中三因 素的作用機制，國內外學者先後研製了一系列煤與瓦斯突出模擬試驗裝置。
在國外，前蘇聯在20世紀50年代就進行了一維突出模擬實驗並研製了相 應的試驗裝置，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。隨後20世紀60年代初，日本學者氏平增之 在實驗室也進行瓦斯拋射煤粒試驗，利用C02的結晶冰、松香、水泥、煤粒制 作了多孔介質模型用於模擬突出，試驗在多孔介質孔隙瓦斯壓力下引起材料的 破碎和拋出，最後發展為類似前蘇聯的綜合考慮地層應力和瓦斯壓力的突出模 擬試驗。
在國內，20世紀80年代初，煤炭科學研究院撫順分院王佑安通過現場採集 煤樣，實驗室成型，模擬IV、 V類突出危險煤，開展了煤與瓦斯突出一維模擬試 驗研究，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 過開發的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。隨後 在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。
以上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，但或 多或少的存在以下缺點
1、 所採用的突出煤樣尺寸均較小，進氣源也均為"點充氣"，均不能模擬 工作面前方的局部應力集中，而應力集中往往又是造成突出的重要因素；
2、 突出箱體的突出口固定不變， 一個突出箱體不能進行不同突出口徑的突 出模擬試驗；
3、 突出口打開方式均為手動，打開速度較慢，在一定程度上影響了煤與瓦 斯突出的時間和強度，與真實井下煤與瓦斯突出存在差別；
2007年，重慶大學尹光志、許江、鮮學福等在前人研究成果的基礎上自主 研發了大型煤與瓦斯突出模擬試驗臺，該裝置中試驗時突出煤樣的尺寸較大， 實現了瓦斯氣源的面充氣功能，用於探索綜合作用假說的作用機制，可進行不同瓦斯壓力、不同地應力下的煤與瓦斯突出模擬試驗，藉助於高速攝像機實現 了煤與瓦斯突出過程全程回放功能，在瓦斯災害防治領域取得了一定科研成果。 但是，該模擬試驗臺也存在以下不足
1、 該試驗臺雖有施加階梯形荷載的多組液壓千斤頂裝置，但多組液壓千斤 頂的荷載均施加在一塊鋼板(上壓板)上，鋼板不易變形，導致施加在突出煤 樣上的力梯度不夠明顯；
2、 對試驗所用突出煤樣施加的應力只有垂直應力，無法模擬現場實際情況 存在的水平地應力，試驗所得的結果不準確；
3、 對整個突出箱體利用一個上蓋板採用大"O"形圈密封，成型時無法保 證千斤頂施加的成型壓力完全加載到煤體上，煤體壓縮變形較大時，部分荷載 被突出箱體四周的鋼板所承擔。

實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種施加在突出煤樣上的力，梯 度明顯、並且能夠真實模擬現場實際情況的煤與瓦斯突出模具。
本實用新型的技術方案如下 一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，包括模 盒，其關鍵在於所述模盒由前端板，後端板，左、右端板和底板合圍而成， 為上端敞口的長方體盒狀結構，且上埠由上封板密封；在所述底板的中央開 設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴；所述前端板的中部開設定位孔，該定位 孔中安裝突出口，突出口的中心孔為前小後大的錐孔，並由前端板前端面固定 的封蓋封口；在所述模盒內設置有一塊後壓板和三塊上壓板，其中後壓板與後 端板平行，並固定在後壓頭的前端，該後壓頭垂直於後端板，後壓頭的後端穿 過後端板，並與墊板固定連接；所述三塊上壓板從前往後依次排列，三塊上壓板均與上封板平行，並各自固定於一個上壓頭的下端，所述三個上壓頭均垂直 於上封板，三個上壓頭的軸心連線在一條直線上，且上壓頭的上端穿過上封板， 向上伸出模盒外。
本實用新型中，先將試驗所用突出煤樣裝入模盒內，壓緊成型後裝上上封板 密封，再整體運送至試驗臺上。其中模盒的前端由快速釋放機構頂緊，模盒的 後端由對應的定位千斤頂頂緊，與後壓頭連接的墊板對應水平施力板，該水平 施力板由兩組測量千斤頂控制可前後水平移動，水平施力板通過後壓頭推動後 壓板將力傳遞給突出煤體，能模擬現場水平地應力；模盒的上端由對應的定位 千斤頂頂緊，三個上壓頭對應三塊垂直施力板，各垂直施力板由一組測量千斤 頂控制可上下垂直移動，三組測量千斤頂施加的荷載分別通過相對應的三個上 壓頭和三塊上壓板施加於突出煤體上，三塊上壓板相互獨立，在千斤頂力量範 圍之內則可對突出煤體施加任意階梯型荷載，能模擬造成突出的工作面前方應 力集中現象。本實用新型中進氣嘴通過氣管與氣源連接，通過氣管及進氣嘴向 煤樣內充入高純甲垸氣體，使煤樣瓦斯充分吸附平衡，突然通過快速釋放機構 打開突出口，此時由於瓦斯壓力和圍壓模擬地應力的作用，使存儲於模盒內的 能量從突出口突然釋放而完成煤與瓦斯的突出，同時可利用高速攝像機進行突 出全過程拍攝，並測量所需的相關實驗參數。
在上述底板的上表面開設有矩形沉槽，該沉槽上嵌設過濾網，且沉槽的底 面開設有網狀分布的刻槽，所述充氣孔的內埠位於刻槽的底面。過濾網選用 泡沫金屬， 一方面利用其透氣性使得充氣孔不與煤樣直接接觸，實現了 "面充 氣"而不是以往的"點充氣"，更加逼真地模擬了煤層瓦斯源；另一方面，過濾 網可以防止煤粉進入氣管中。為了保障上壓頭的安裝、使用強度，提高上壓頭在垂直方向向下移動的可 靠性，在上述上封板的頂面上通過螺栓固定有三個上壓頭座，各上壓頭座的頂 部通過螺栓安裝壓蓋，所述三個上壓頭分別從對應的上壓頭座及壓蓋中穿過。
在上述上壓頭與上壓頭座之間設置有Yx型密封圈，在所述上壓頭座的底面 開設環槽，該環槽環繞在上壓頭的外圍，且環槽中嵌設O型密封圈。上壓頭與 上壓頭座之間通過Yx型密封圈進行密封，上壓頭座與上封板之間通過O型密 封圈密封，Yx型密封圈與O型密封圈結合，能夠保證上壓頭運動時不漏氣。
為了簡化結構、便於安裝，並進一步提高壓蓋與上壓頭座之間連接的牢固 性，上述壓蓋為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓頭座的頂 面貼合，且壓蓋的小直徑段向下嵌入上壓頭座的中心孔中。
為了保障後壓頭的安裝、使用強度，提高後壓頭在水平方向向前移動的可 靠性，在上述後端板的後端面通過螺栓固定後壓頭座，該後壓頭座的後端通過 螺釘安裝壓蓋，所述後壓頭從後壓頭座及壓蓋中穿過。
在上述後壓頭與後壓頭座之間設置有Yx型密封圈，在所述後壓頭座的前端 面開設環槽，該環槽環繞在後壓頭的外圍，且環槽中嵌設O型密封圈。後壓頭 與後壓頭座之間通過Yx型密封圈密封，後壓頭座與後端板之間通過O型密封 圈密封，Yx型密封圈與O型密封圈結合，能夠保證後壓頭運動時不漏氣。
為了簡化結構、便於安裝，並進一步提高壓蓋與後壓頭座之間連接的牢固 性，上述壓蓋為前小後大的臺階形空心結構，所形成的臺階面與後壓頭座的後 端面貼合，且壓蓋的小直徑段向前嵌入後壓頭座的中心孔中。
為了方便對模盒的後端定位，在上述後壓頭座的外圍設有後座，該後座通 過螺栓與後端板的後端面固定。在上述左端板上安裝空心螺杆，該螺杆的內端伸入模盒內，所述溫度傳感 器的導線由螺杆的中心孔引出模盒外。溫度傳感器的導線引出與計算機軟體相 接，以實時監測突出試驗過程中的煤體溫度變化，以期通過溫度變化來預測現 場的煤與瓦斯突出災害。
本實用新型的有益效果是-
1、 試驗所用的煤樣成型並進行密封和裝入溫度傳感器後，可直接進行突出 試驗，這樣可避免在試驗臺上利用多組千斤頂成型時裝煤困難的繁瑣工序，還 解決了在成型時將溫度傳感器埋於煤樣中不易準確定位的難題。
2、 三個上壓頭對應三組測量千斤頂，三塊上壓板相互獨立，在千斤頂力量 範圍之內可對突出煤體施加任意階梯型荷載，施加在突出煤樣上的力梯度明顯， 能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象。
3、 後壓頭由兩組測量千斤頂控制可前後水平移動，將水平壓力傳遞給突出 煤體，能模擬現場水平地應力；水平方向的壓力和垂直方向的壓力結合，能夠 真實模擬現場的實際情況，試驗所得的結果更準確。
4、 密封良好，能夠保證水平及垂直方向施加壓力時不漏氣，進一步提高了 試驗的真實性。
5、 採用空心螺杆安裝溫度傳感器，溫度傳感器的導線引出模盒外與計算機 軟體相接，能實時監測突出試驗過程中的煤體溫度變化，以期通過溫度變化來 預測現場的煤與瓦斯突出災害。
6、 可以設置不同規格及錐孔大小的突出口，這樣在不更改突出模具的情況 下，可實現不同大小突出口的煤與瓦斯突出模擬試驗。

圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為圖1的左視圖。 圖3為本實用新型中模盒的結構示意圖。 圖4為圖3的俯視圖。 圖5為本實用新型中上壓頭的密封示意圖。 圖6為溫度傳感器的安裝示意圖。 圖7為本實用新型的使用狀態參考圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明
如圖l、圖2、圖3和圖4所示， 一種一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具， 具有模盒，該模盒為上端敞口的長方體盒狀結構，由前端板l，後端板2，左、 右端板3和底板4合圍而成，各板均為鋼製結構，兩相鄰板之間通過焊接固定。 在底板4的上表面開設有矩形沉槽，該沉槽中嵌設與之形狀大小相適應的過濾 網14，過濾網14選用金屬泡沫。在所述沉槽的底面開設有網狀分布的刻槽15， 位於中部的兩條刻槽15相交處的底面開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴6， 進氣嘴6可通過氣管與氣源連接，以便將高純甲烷氣體充入模盒中。
如圖l、圖3、圖4、圖5和圖6所示，在前端板l的中部開設定位孔，該 定位孔為前小後大的錐孔，且錐孔中安裝與之相適應的突出口 7，突出口 7的中 心孔也為前小後大的錐孔。在前端板1的前端面通過多顆螺栓固定圓盤形封蓋8， 封蓋8將前端板1上的定位孔蓋住，並對突出口 7封口。本實用新型可以配備 多個不同規格及錐孔大小的突出口 7,以便在不更改突出模具的情況下，實現不 同大小突出口的煤與瓦斯突出模擬試驗。在所述左端板3上開有螺孔， 一顆空心螺杆23旋入該螺孔中，兩者螺紋配合，並且螺杆23的內端伸入模盒內，伸 入部分與溫度傳感器24連接，所述溫度傳感器24的導線25由螺杆23的中心 孔引出模盒外，該導線25可與計算機軟體相接，以實時監測突出試驗過程中的 煤體溫度變化。
如圖l、圖2、圖4和圖5所示，在前端板l，後端板2和左、右端板3這 四塊板的頂面上開設有若干個螺孔(見圖4)， 一塊與模盒形狀大小相適應的上 封板5蓋在模盒的頂端，並通過螺栓與前端板l，後端板2及左、右端板3固定 連接，且上封板5與前、後端板l、 2及左、右端板3之間塗抹有矽膠，同時設 置有密封膠墊，以防止從上封板5的邊緣漏氣。在所述上封板5上從前往後依 次開設三個通孔，各通孔的中心在一條直線上。上封板5的頂面上通過螺栓固 定有三個上壓頭座16，三個上壓頭座16與三個通孔相對應，各上壓頭座16的 中心過孔正對一個通孔，並且各上壓頭座16的頂部通過螺栓安裝壓蓋17，壓蓋 17為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓頭座16的頂面貼合， 壓蓋17的小直徑段向下嵌入上壓頭座16的中心孔中。位於模盒內的三塊水平 布置的上壓板10從前往後依次排列，三塊上壓板10均與上封板5平行，並各 自固定於一個上壓頭13的下端，三個上壓頭13對應上封板5的三個通孔，各 上壓頭13均垂直於上封板5，且上壓頭13的上端依次穿過上封板5、上壓頭座 16和壓蓋17，向上伸出模盒外。
如圖1所示，在後端板2的中部開設有一個過孔，後端板2的後端面通過 螺栓固定後壓頭座20，該後壓頭座20的中心孔正對後端板2的過孔，且後壓頭 座20的後端通過螺釘安裝壓蓋21，該壓蓋21為前小後大的臺階形空心結構， 所形成的臺階面與後壓頭座20的後端面貼合，且壓蓋21的小直徑段向前嵌入後壓頭座20的中心孔中。位於模盒內呈豎直布置的一塊後壓板9與後端板2平 行，後壓板9固定在後壓頭11的前端，後壓頭11垂直於後端板2，後壓頭11 的後端依次穿過後端板2、後壓頭座20和壓蓋21，向後伸出模盒外，伸出部分 與墊板12固定連接。在所述後壓頭座20的外圍設有後座22，該後座22通過螺 栓與後端板2的後端面固定。
從圖1和圖5中可知，在上壓頭13與上壓頭座16之間設置有Yx型密封圈 18，在上壓頭座16的底面開設環槽，該環槽環繞在上壓頭13的外圍，且環槽 中嵌設O型密封圈19。在所述後壓頭11與後壓頭座20之間也設置有Yx型密 封圈，在後壓頭座20的前端面也開設環槽，該環槽環繞在後壓頭11的外圍， 且環槽中嵌設0型密封圈。Yx型密封圈和O型密封圈結合，可防止從上壓頭 13及後壓頭11處漏氣。
如圖7所示，本實用新型是這樣工作的-
先將試驗所用突出煤樣裝入模盒內，壓緊成型後裝上上封板密封，再整體運 送至實驗臺上。其中模盒的前端由快速釋放機構26頂緊，模盒後端的後座22 由對應的定位千斤頂頂緊，與後壓頭11連接的墊板12對應水平施力板27，該 水平施力板27由一組測量千斤頂控制可前後水平移動，水平施力板27通過後 壓頭11推動後壓板9將力傳遞給突出煤體，能模擬現場水平地應力；模盒的上 端由對應的定位千斤頂頂緊，三個上壓頭13對應三塊垂直施力板28，各垂直施 力板28由一組測量千斤頂控制可上下垂直移動，三組測量千斤頂施加的荷載分 別通過相對應的三個上壓頭13和三塊上壓板10施加於突出煤體上，三塊上壓 板10相互獨立，在千斤頂力量範圍之內則可對突出煤體施加任意階梯型荷載， 能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象。本實用新型中通過進氣嘴6向煤樣內充入高純甲烷氣體，使煤樣瓦斯充分吸附平衡，在泡沫金屬的作用下實現
了 "面充氣"，更加逼真地模擬了煤層瓦斯源。突然通過快速釋放機構26打開 突出口7，此時由於瓦斯壓力和圍壓模擬地應力的作用，使存儲於模盒內的能量 從突出口 7突然釋放而完成煤與瓦斯的突出，可利用高速攝像機進行突出全過 程拍攝，並測量相關的實驗參數。
權利要求1、一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，包括模盒，其特徵在於所述模盒由前端板(1)，後端板(2)，左、右端板(3)和底板(4)合圍而成，為上端敞口的長方體盒狀結構，且上埠由上封板(5)密封；在所述底板(4)的中央開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴(6)；所述前端板(1)的中部開設定位孔，該定位孔中安裝突出口(7)，突出口(7)的中心孔為前小後大的錐孔，並由前端板(1)前端面固定的封蓋(8)封口；在所述模盒內設置有一塊後壓板(9)和三塊上壓板(10)，其中後壓板(9)與後端板(2)平行，並固定在後壓頭(11)的前端，該後壓頭(11)垂直於後端板(2)，後壓頭(11)的後端穿過後端板(2)，並與墊板(12)固定連接；所述三塊上壓板(10)從前往後依次排列，三塊上壓板(10)均與上封板(5)平行，並各自固定於一個上壓頭(13)的下端，所述三個上壓頭(13)均垂直於上封板(5)，三個上壓頭(13)的軸心連線在一條直線上，且上壓頭(13)的上端穿過上封板(5)，向上伸出模盒外。
2、 根據權利要求1所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於 在所述底板(4)的上表面開設有矩形沉槽，該沉槽中嵌設過濾網(14)，且沉 槽的底面開設有網狀分布的刻槽(15)，所述充氣孔的內埠位於刻槽(15)的 底面。
3、 根據權利要求1所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於在所述上封板(5)的頂面上通過螺栓固定有三個上壓頭座(16)，各上壓頭座 (16)的頂部通過螺栓安裝壓蓋(17)，所述三個上壓頭(13)分別從對應的上壓頭座(16)及壓蓋(17)中穿過。
4、 根據權利要求3所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於-在所述上壓頭(13)與上壓頭座(16)之間設置有Yx型密封圈(18)，在所述 上壓頭座(16)的底面開設環槽，該環槽環繞在上壓頭(13)的外圍，且環槽 中嵌設O型密封圈(19)。
5、 根據權利要求3或4所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵 在於所述壓蓋(17)為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓 頭座(16)的頂面貼合，且壓蓋(17)的小直徑段向下嵌入上壓頭座(16)的 中心孔中。
6、 根據權利要求1所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於在所述後端板(2)的後端面通過螺栓固定後壓頭座(20)，該後壓頭座(20) 的後端通過螺釘安裝壓蓋(21)，所述後壓頭(11)從後壓頭座(20)及壓蓋(21) 中穿過。
7、 根據權利要求6所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於 在所述後壓頭(11)與後壓頭座(20)之間設置有Yx型密封圈，在所述後壓頭 座(20)的前端面開設環槽，該環槽環繞在後壓頭(11)的外圍，且環槽中嵌 設O型密封圈。
8、 根據權利要求6或7所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵 在於所述壓蓋(21)為前小後大的臺階形空心結構，所形成的臺階面與後壓 頭座(20)的後端面貼合，且壓蓋(21)的小直徑段向前嵌入後壓頭座(20) 的中心孔中。
9、 根據權利要求6或7所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在於在所述後壓頭座(20)的外圍設有後座(22)，該後座(22)通過螺栓與 後端板(2)的後端面固定。
10、根據權利要求1所述的一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，其特徵在 於在所述左端板(3)上安裝空心螺杆(23),該螺杆(23)的內端伸入模盒 內，伸入部分與溫度傳感器(24)連接，所述溫度傳感器(24)的導線(25) 由螺杆(23)的中心孔引出模盒外。
專利摘要一種煤與瓦斯突出模擬試驗用模具，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。模盒內設置有一塊後壓板和三塊上壓板，其中後壓板固定在後壓頭的前端，後壓頭的後端穿過後端板，並與墊板固定連接；所述三塊上壓板從前往後依次排列，各自固定於一個上壓頭的下端，所述三個上壓頭的軸心連線在一條直線上，且上壓頭的上端穿過上封板，向上伸出模盒外。本實用新型採用水平方向壓力與垂直方向壓力結合的方式，可對突出煤體施加任意階梯型荷載，施加在突出煤樣上的力梯度明顯，能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象及模擬現場水平地應力，試驗所得的結果準確、可靠。
文檔編號G01N33/00GK201285392SQ20082010054
公開日2009年8月5日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14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