CN102507865B - 一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其包括顶部设置有开口的箱体，该开口配置有一加载钢板，密闭腔体内铺设有顶板与底板，顶板与底板之间铺设有煤层，该煤层与水平面形成一倾斜角；突出模拟巷道在底板内延伸直至与煤层交汇，该突出模拟巷道在该交汇处设置有一与煤层相贴合的豁口，该豁口设置有一隔膜，该突出模拟巷道露出箱体的部分设置有一突出口与气体平衡口，该突出口设置有快速开启密封结构，该气体平衡口与一气体压力罐相连通；煤层与顶板、底板接触的面上分别设置有面充气结构，该面充气结构与一瓦斯压力罐相连通。本发明采用了机械释放—隔膜破裂法，实现了石门揭煤时煤与瓦斯突出的全过程模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***。
背景技术
煤与瓦斯突出事故是指煤矿开采过程中，煤体在地应力和瓦斯共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象，表现为几吨至数千吨甚至数万吨以上的破碎煤岩在数秒至几十秒时间内，由煤岩体向采掘空间抛出，同时伴有大量瓦斯涌出，危害较为严重。
在煤与瓦斯突出机理研究方面普遍接受的是综合作用假说，该假说认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力和煤的力学性质综合作用的结果，但到目前为止三因素各自在突出过程中的作用机理尚不明确，需进一步解释该假说中三因素的综合作用机制。因煤与瓦斯突出的灾害性极大，不可能在现场发生煤与瓦斯突出灾害时开展实时跟踪研究，只能依托实验室进行实验模拟，国内外相关科研机构已开展了大量的煤与瓦斯突出相似模拟实验研究工作，研制了一系列煤与瓦斯突出模拟实验装置，这在一定程度上加深了煤与瓦斯突出的研究进展，但仍存在一些不足，主要有：（1）现有的突出模拟实验装置所采用的模型尺寸较小，模拟的实验突出煤样均未考虑煤层顶、底板对突出煤层的影响；（2）现有突出模拟试验装置，都没有突出巷道在突出过程前后瓦斯压力等的变化；（3）现有突出模拟试验装置的突出煤层的厚度较小，这会导致在突出过程中煤层应力与瓦斯压力等变化不能全面地反应出来；（4）现有的突出模拟试验装置不能实现瓦斯压力的突然释放，降低了其模拟试验的真实性。
由此可见，现有技术有待于更进一步的改进和发展。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中的缺陷提供一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，以提高其模拟试验的真实性，实现石门揭煤时煤与瓦斯突出的全过程模拟。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其包括顶部设置有开口的箱体，其中，该开口配置有一加载钢板，该加载钢板上设置有能纵向加载的加载结构，该加载钢板扣压在该开口上与箱体形成一密闭腔体，该密闭腔体内铺设有顶板与底板，顶板与底板之间铺设有煤层，该煤层与水平面形成一倾斜角；箱体一个侧壁在对应底板区域处设置有一定位孔，该定位孔贯穿有一突出模拟巷道，该突出模拟巷道在底板内延伸直至与煤层交汇，该突出模拟巷道在该交汇处设置有一与煤层相贴合的豁口，该豁口设置有一隔膜，该突出模拟巷道露出箱体的部分设置有一突出口与气体平衡口，该突出口设置有快速开启密封结构，该气体平衡口与一压力罐相连通；煤层与顶板、底板接触的面上分别设置有面充气结构，该面充气结构与一瓦斯压力罐相连通；在顶板、底板与煤层内均匀布置有多个数据采集装置。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述箱体的内壁上设置有三层密封内衬，自外向内依次是由聚氯乙烯树脂隔板制成的第一内衬、由聚乙烯薄膜制成的第二内衬与由聚氯乙烯隔板制成的第三内衬。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述面充气结构包括一充气嘴，该充气嘴上设置有铁纱网，煤层与顶板的接触面上设置有一个面充气结构，煤层与底板的接触面上设置有两个面充气结构。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述数据采集装置包括应力传感器、瓦斯压力传感器、温度传感器，数据采集装置与一数据采集箱和电脑通信连接。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述快速开启密封结构包括设置在突出口上的密封圈，该密封圈上卡顶有一密封侧板，该密封侧板一端铰接在该突出口上，另一端通过一设置在突出口上的快速启动阀卡勾住，该密封圈与密封侧板之间涂布有密封胶。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述加载结构包括均匀设置在加载钢板的三个千斤顶，每个千斤顶均与一液压泵相连通，该液压泵配置有一控制台；加载钢板与千斤顶对应位置处均设置有压块。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述箱体由五大部分若干小块可拆卸的辐板围成。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述瓦斯压力罐设置有第一高压铜管，该第一高压铜管沿箱体的一侧壁向下延伸，第一高压铜管自上向下依次设置有第一三通阀、第二三通阀与两通阀，第一三通阀、第二三通阀与两通阀分别与对应的面充气结构相连通；该高压铜管上设置有减压阀，瓦斯压力罐上设置有压力表。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述压力罐为氮气压力罐，该氮气压力罐通过第二高压铜管与充气口相连通，该第二高压铜管在靠近充气口处设置有平衡阀，该第二高压铜管在靠近氮气压力罐处设置有减压阀，该氮气压力罐上设置有压力表，突出模拟巷道的侧壁上设置有卸压阀。
所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其中，上述箱体上方配置有用于装填材料的电动葫芦。
本发明提供的一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，采用了机械释放—隔膜破裂法，将煤层积聚的弹性势能和瓦斯内能瞬间释放，可真实模拟煤层在井下的应力状态，为煤与瓦斯突出的预测和预防提供理论依据，使用时可以通过调整加载结构加载压力的大小、改变千斤顶施加给煤层的压力从而模拟煤层在不同围岩压力状态下的应力状态；同时可以需要设计不同的煤层倾角、不同地应力、不同瓦斯压力，观察上述不同参数下煤与瓦斯实验结果，使用灵活方便，模拟更加真实；并且通过快速释放试验***内的压力实现了快速卸压，避免了打开突出口由于速度慢而对突出能量的影响，真实再现了石门揭煤时的瞬间突出情况。
附图说明
图1是本发明中石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***的结构示意图；
图2是本发明中突出模拟巷道的结构示意图；
图3是本发明中面充气结构布置在煤层的结构示意图；
图4是本发明中加载结构的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，在箱体内铺设顶板、煤层与底板，并在煤层下方设置一突出模拟巷道，并在巷道与煤层接触处设置具有一定的强度、一定的脆性的隔膜，在满足一定条件的前提下，真实的模拟了煤层在地应力与瓦斯共同作用下突然向采掘空间突出的状况，实现了石门揭煤时煤与瓦斯突出的全过程模拟，提高了其模拟试验的真实性。如图1所示的，一其包括顶部设置有开口的箱体1，该箱体1可以采用由五大部分若干小块辐板组成的结构方式，也可以采用现有技术中已知的其他技术形式，其尺寸为3.0m×2.6m×1.8m。
该开口配置有一加载钢板2，该加载钢板2上设置有能纵向加载的加载结构3，该加载钢板3扣压在该开口上与箱体1形成一密闭腔体，该密闭腔体内铺设有顶板5与底板6，顶板5可以采用是黑色粉砂岩，中夹泥岩；底板6可以采用黑色泥岩，更进一步提高其模拟的真实性。顶板5与底板6之间铺设有煤层7，该煤层7与水平面形成一倾斜角，可以假设该倾斜角为a，a的范围一般在0°-180°。箱体1一个侧壁在对应底板区域处设置有一定位孔8，该定位孔8贯穿有一突出模拟巷道9，如图1与图2所示的，突出模拟巷道9可以采用矩形巷道或柱形巷道，其纵截面的面积为0.06m2，该突出模拟巷道9在底板6内延伸直至与煤层7交汇，该突出模拟巷道9在该交汇处设置有一与煤层相贴合的豁口，该豁口设置有一隔膜10，该豁口一般采用矩形豁口，即隔膜10一般采用矩形隔膜，隔膜一般采用由高分子增强铝基复合薄膜，但不仅限于该种方式，也可以采用现有技术中其他已知的技术形式。该突出模拟巷道9露出箱体1的部分设置有一突出口11与气体平衡口12，该突出口11设置有快速开启密封结构，以快速打开突出口11，实现了突然卸压，避免打开突出口11由于速度慢而对突出能量的影响，阻碍突出影响了试验状态。该气体平衡口12与一压力罐13相连通。如图3所示的，煤层7与顶板5、底板6接触的面上分别设置有面充气结构，该面充气结构与一瓦斯压力罐14相连通；在顶板5、底板6与煤层7内均匀布置有多个数据采集装置。
为了更进一步提高本发明的性能，箱体1的内壁上设置有三层密封内衬，自外向内依次是由聚氯乙烯树脂隔板制成的第一内衬、由聚乙烯薄膜制成的第二内衬与由聚氯乙烯隔板制成的第三内衬，对箱体进行整体密封。
更进一步的，如图3所示的，上述面充气结构包括一充气嘴15，该充气嘴15上设置有厚度约为1cm的1m×1m的铁纱网16，充气嘴没有直接与煤层7接触，而是通过铁纱网的作用，实现“面充气”而不是以往的“点充气”，更加真实地模拟了井下煤层瓦斯源。煤层7与顶板5的接触面上设置有一个面充气结构，煤层7与底板7的接触面上设置有两个面充气结构，该两个面充气结构分别位于突出模拟巷道9的两侧。
更进一步的，数据采集装置包括应力传感器、瓦斯压力传感器、温度传感器，数据采集装置与一数据采集箱和电脑通信连接。其中温度传感器可以测定突出前后煤层7内温度的变化，压力传感器可以测定在开挖过程中围岩应力的变化以及在突出前后周围煤层以及岩体应力应变的变化情况，瓦斯压力传感器可以测定突出煤层7前后瓦斯压力的变化情况，并且各个传感器可通过外部采集***将煤与瓦斯突出过程中的实时数据输入到电脑中，实现了全过程中瓦斯压力、煤层温度以及应力数据的自动记录和分析。
更进一步的，如图2所示的，快速开启密封结构包括设置在突出口11上的密封圈17，该密封圈17上卡顶有一密封侧板18，该密封侧板18一端铰接在该突出口11上，另一端通过一设置在突出口11上的快速启动阀19卡勾住，该密封圈17与密封侧板18之间涂布有密封胶，增强了其密封性以及突然打开快速启动阀19时瓦斯与煤层突出时的瞬间性。
更进一步的，如图4所示的，加载结构3包括均匀设置在加载钢板2的三个千斤顶20，每个千斤顶20均与一液压泵21相连通，该液压泵21配置有一控制台22，控制台22可以控制每个千斤顶20单独加压；加载钢板2与千斤顶20对应位置处均设置有压块23。
更进一步的，如图1所示的，瓦斯压力罐14设置有第一高压铜管24，该第一高压铜管24沿箱体1的一侧壁向下延伸，第一高压铜管24自上向下依次设置有第一三通阀25、第二三通阀26与两通阀27，第一三通阀25、第二三通阀26与两通阀27分别与对应的面充气结构相连通；该高压铜管24上设置有减压阀28，瓦斯压力罐14上设置有压力表29。
更进一步的，压力罐13为氮气压力罐，该氮气压力罐13通过第二高压铜管30与气体平衡口12相连通，该第二高压铜管30在靠近气体平衡口12处设置有平衡阀31，该第二高压铜管30在靠近氮气压力罐13处设置有减压阀32，该氮气压力罐13上设置有压力表33，突出模拟巷道9的侧壁上设置有卸压阀34，以保证突出模拟巷道内的压力与箱体1内煤层7的压力相同，防止了隔膜10压力过大而提前破坏，影响了突出效果的真实性。
更进一步的，箱体1上方配置有用于装填材料的电动葫芦35，由于本发明所使用的箱体1尺寸较大，所需要的实验材料较多，煤样等实验材料，轻则几吨，重可达几十吨，所以为了实验材料的封装，节省人力和时间，可以利用单轨电动葫芦35上料，提高了试验效率。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其包括顶部设置有开口的箱体，其特征在于：该开口配置有一加载钢板，该加载钢板上设置有能纵向加载的加载结构，该加载钢板扣压在该开口上与箱体形成一密闭腔体，该密闭腔体内铺设有顶板与底板，顶板与底板之间铺设有煤层，该煤层与水平面形成一倾斜角；箱体一个侧壁在对应底板区域处设置有一定位孔，该定位孔贯穿有一突出模拟巷道，该突出模拟巷道在底板内延伸直至与煤层交汇，该突出模拟巷道在该交汇处设置有一与煤层相贴合的豁口，该豁口设置有一隔膜，该突出模拟巷道露出箱体的部分设置有一突出口与气体平衡口，该突出口设置有快速开启密封结构，该气体平衡口与一气体压力罐相连通；煤层与顶板、底板接触的面上分别设置有面充气结构，该面充气结构与一瓦斯压力罐相连通；在顶板、底板与煤层内均匀布置有多个数据采集装置；
上述箱体的内壁上设置有三层密封内衬，自外向内依次是由聚氯乙烯树脂隔板制成的第一内衬、由聚乙烯薄膜制成的第二内衬与由聚氯乙烯隔板制成的第三内衬；
上述面充气结构包括一充气嘴，该充气嘴上设置有铁纱网，煤层与顶板的接触面上设置有一个面充气结构，煤层与底板的接触面上设置有两个面充气结构；
上述瓦斯压力罐设置有第一高压铜管，该第一高压铜管沿箱体的一侧壁向下延伸，第一高压铜管自上向下依次设置有第一三通阀、第二三通阀与两通阀，第一三通阀、第二三通阀与两通阀分别与对应的面充气结构相连通；该高压铜管上设置有减压阀，瓦斯压力罐上设置有压力表。
2.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述数据采集装置包括应力传感器、瓦斯压力传感器、温度传感器，数据采集装置与一数据采集箱和电脑通信连接。
3.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述快速开启密封结构包括设置在突出口上的密封圈，该密封圈上卡顶有一密封侧板，该密封侧板一端铰接在该突出口上，另一端通过一设置在突出口上的快速启动阀卡勾住，该密封圈与密封侧板之间涂布有密封胶。
4.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述加载结构包括均匀设置在加载钢板的三个千斤顶，每个千斤顶均与一液压泵相连通，该液压泵配置有一控制台；加载钢板与千斤顶对应位置处均设置有压块。
5.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述箱体由五大部分若干小块能拆卸的辐板围成。
6.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述压力罐为氮气压力罐，该氮气压力罐通过第二高压铜管与气体平衡口相连通，该第二高压铜管在靠近气体平衡口处设置有平衡阀，该第二高压铜管在靠近氮气压力罐处设置有减压阀，该氮气压力罐上设置有压力表，突出模拟巷道的侧壁上设置有卸压阀。
7.根据权利要求1所述的石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验***，其特征在于：上述箱体上方配置有用于装填材料的电动葫芦。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20140326 Termination date: 20161021 |
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