CN106483267B - 一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置及方法，通过应力、瓦斯压力作用下伴随顶板活动、能量转移和瓦斯持续供给，煤体存在力学三带、受顶板作用和瓦斯分区分布特征，进而比较真实模拟工作面前方煤与瓦斯突出演化过程。装置由支架、腔体、盖板、应力加载***、充瓦斯***、参数记录***和封口组成。通过油缸分区加载模拟三带应力，不同厚度与刚度的盖板模拟顶板，通过盖板与腔体间的密封条密封瓦斯，使瓦斯可保持分区分布，通过筛网封口模拟暴露煤壁延期突出，密闭封口突然打开模拟石门揭煤突出，石蜡熔化或钻孔模拟掘进突出。能够更真实地模拟煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化发生过程，也可模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤与瓦斯突出模拟试验装置及方法，特别是一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置及方法。
背景技术
煤(岩)与瓦斯(甲烷或二氧化碳)突出、煤与瓦斯压出、冲击地压等煤岩动力灾害是高瓦斯和深部煤矿开采的主要灾害。随着矿山采掘深度及开采强度的加大，矿井瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害日趋严重且复杂，灾害危险性明显增大，同时原来一些没有动力灾害或征兆不明显的矿井现在也逐渐显现，严重威胁着井下工人的生命安全和矿井的正常生产。
国内外对突出机理、影响因素、发生规律、突出预测和防治方面进行了大量的研究，取得了较大的进展及预防效果。但不断发生的煤与瓦斯事故表明，煤与瓦斯突出机理非常复杂，影响因素众多，目前其主要影响因素基本研究清楚，但突出多因素耦合过程、演化过程等仍然不清。
近年来，国内对突出模拟试验越来越重视。实验装置由小型向中型和大型发展，由均衡加载向分区加载发展。如何能更加真实地模拟实际煤矿工作面前方或巷旁应力与瓦斯耦合作用、演化过程及工作面环境、突出过程，有几个问题需要解决：(1)能够模拟不同顶板承载作用及应力、能量释放与转移过程；(2)能够模拟突出演化与发展过程的“三带”(原始应力带、应力集中带和卸压带)演化过程及作用；(3)能够模拟工作面前方瓦斯的分区分布特性，卸压带内瓦斯压力和含量低，应力集中带内瓦斯压力高；(4)能够模拟延期突出灾害及过程；(5)能够模拟应力和瓦斯的分区耦合作用及其演化过程；(5)能够全面监测并揭示各种响应信号及分布变化规律，进而进一步揭示含瓦斯煤体变形破裂及突出演化过程。
发明内容
技术问题：本发明是针对需求及现有技术中存在的问题，提供一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置及方法，解决更加真实地模拟实际煤矿工作面前方或巷旁应力与瓦斯耦合作用、演化过程、突出过程及响应信号全面监测的问题。
技术方案：实现本发明目的的逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置包括：支架、腔体、盖板、应力加载***、充瓦斯***、参数记录***和封口；在支架内底部固定有腔体，在腔体内上侧有盖板，在盖板上连接有应力加载***；在腔体的一端有封口，在腔体的侧壁上有充瓦斯接口和监测传感器安装口，监测传感器与参数记录***连接。
所述的盖板为一周边带有密封条的传力板，通过选择盖板的材料、厚度及刚度模拟不同厚度及强度的煤层顶板，顶板越厚、越坚硬，顶板对煤体的作用越强，煤体应力集中程度越高，动力灾害发生强度越大。
所述的腔体为一内壁光滑的U型槽，U型槽长度方向前侧立面有一开口，模拟巷道断面，在开口外安装封口和封口密封圈；U型槽内上部有盖板，U型槽后侧和另两侧立面布置有多个充瓦斯接口和传感器安装口；在U型槽内装置煤体试样和充瓦斯；通过盖板边缘的盖板密封条、封口密封圈与腔体之间密封瓦斯，使瓦斯除煤体渗流外不能通过煤体周边自由空间互通，保持不同位置瓦斯分区分布；突出过程中保持U型槽后侧瓦斯口持续供给，模拟煤矿煤层瓦斯持续供给。
所述的充瓦斯***包括瓦斯气源、减压阀、压力及流量分配阀和瓦斯管，瓦斯管连接在U型槽上的充瓦斯接口上；瓦斯从瓦斯气源供出，通过减压阀减压、压力及流量分配阀调节，由瓦斯管和不同位置的瓦斯接口向腔体内煤体充不同压力的瓦斯。
所述的封口还包括开口型和筛网型封口，开口型模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出，筛网封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出。
所述的参数记录***，至少包括安装于U型槽不同位置的多个煤体应力、变形、温度、瓦斯压力、流速、声发射、电磁辐射和电位信号传感器，各传感器与采集记录仪连接。通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系。
所述的应力加载***包括加力板、液压油缸，横向滑动装置和承重横梁，所述的液压油缸至少有6个，液压油缸的上端与横向滑动装置连接，横向滑动装置连接在承重横梁上，横向滑动装置连接在支架内，液压油缸的下端通过加力板与盖板连接；应力加载***通过盖板向煤体加载，能够模拟卸压带－应力集中带－原始应力带煤岩体三带曲线应力加载；通过盖板对煤体或含瓦斯煤体耦合加载，当前方开口附近煤体卸压破坏时，通过坚硬盖板将应力和能量向深部转移，应力集中带应力增高，应力梯度增大，对煤壁附近煤体力学作用增强，比较真实地模拟顶板作用。
所述的封口通过铰链连接在U型槽的开口一侧，在U型槽开口上连接有封口密封圈，在U型槽的开口另一侧连接有封口的快开装置；所述的封口有密闭型封口、石蜡管封口、开口型封口和筛网型封口；其中，所述的密闭型封口突然打开模拟石门揭煤突出；所述的石蜡管封口熔化模拟掘进突出；所述的开口型封口模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出；所述的筛网型封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出。
逼真型煤与瓦斯突出模拟试验方法：
(1)试验前，首先选择顶板类型，确定盖板材料、厚度和刚度，选择突出试验类型，确定封口类型；
(2)装样前，先将应力加载***和盖板移开，U型槽前方先用密闭型封口或石蜡管封口，将煤样装入，型煤需多次装煤压实成成型煤样，原煤需作四周密封处理；
(3)加载前，保持加载盖板与试样接触，然后各区域开始加载至给定应力；
(4)加载完成后，在各个充瓦斯口按设定压力和流量充入瓦斯，达到吸附平衡；需要筛网型封口时，应确保应力和瓦斯压力不足以突出，缓慢打开密闭型封口，更换为筛网型封口，再根据需要增大应力和瓦斯压力；
(5)根据煤体、应力、瓦斯参数和相应的封口、揭开方式，模拟相应突出试验过程；当未发生突出时，可继续增加瓦斯压力或应力，直到发生突出；
(6)对试验煤体充瓦斯，平衡后，再分区加载应力，可观测并分析分区瓦斯压力与应力的关系；
(7)通过各种基础参数变化能够更真实地模拟现场煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化及发生过程，模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程，通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系。
有益效果，由于采用了上述技术方案，通过应力、瓦斯压力梯度作用下伴随顶板活动、能量转移和瓦斯持续供给，煤体存在力学三带、受顶板作用和瓦斯分区分布特征，进而比较真实模拟工作面前方煤体受载、破坏、煤与瓦斯突出演化及发展过程。本发明通过油缸分区加载模拟三带应力，不同厚度与刚度的盖板模拟顶板，能够比较真实地模拟工作面前方或巷旁顶板的作用及对应力、能量的传递作用；通过盖板、封口与腔体间的密封圈密封瓦斯及分区充瓦斯，使瓦斯可保持分区分布，能够比较真实地模拟煤壁内瓦斯的分区分布；通过密闭型封口突然打开模拟石门揭煤突出，石蜡管封口熔化模拟掘进突出，开口型封口模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出，筛网型封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出，能够模拟各种突出及复合动力现象；实现了全空间、全过程和多信号高速监测，监测信息量大、全面。用途广，能够更真实地模拟煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化及发生过程，也可模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程。
附图说明
图1为本发明的逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置示意图。
图中：1-支架；2-横向滑动装置；3-承重横梁；4-液压油缸；5-加力板；6-盖板；7-盖板密封条；8-腔体；9-铰链；10-封口；11-封口密封圈；12-钻头；13-快开装置；14-充瓦斯口；15-传感器安装口。
具体实施方式：
本发明的逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置包括：支架1、腔体8、盖板6、应力加载***、充瓦斯***、参数记录***和封口10；在支架1内底部固定有腔体8，在腔体8内上侧有盖板6，在盖板6上连接有应力加载***；在腔体的一端有封口10，在腔体的侧壁上有充瓦斯接口和监测传感器安装口，监测传感器与参数记录***连接。
所述的盖板6为一周边带有密封条7的传力板，通过选择盖板6的材料、厚度及刚度模拟不同厚度及强度的煤层顶板，顶板越厚、越坚硬，顶板对煤体的作用越强，煤体应力集中程度越高，动力灾害发生强度越大。
所述的腔体8为一内壁光滑的U型槽，U型槽长度方向前侧立面有一开口，模拟巷道断面，在开口外安装封口10和封口密封圈11；U型槽内上部有盖板6U型槽后侧和另两侧立面布置有多个充瓦斯接口14和传感器安装口15；在U型槽内装置煤体试样和充瓦斯；通过盖板6边缘的盖板密封条7、封口密封圈11与腔体之间密封瓦斯，使瓦斯除煤体渗流外不能通过煤体周边自由空间互通，保持不同位置瓦斯分区分布；突出过程中保持U型槽后侧瓦斯口持续供给，模拟煤矿煤层瓦斯持续供给。
所述的充瓦斯***包括瓦斯气源、减压阀、压力及流量分配阀和瓦斯管，瓦斯管连接在U型槽上的充瓦斯接口14上；瓦斯从瓦斯气源供出，通过减压阀减压、压力及流量分配阀调节，由瓦斯管和不同位置的瓦斯接口向腔体内煤体充不同压力的瓦斯。
所述的封口还包括开口型和筛网型封口，开口型模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出，筛网封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出；
所述的参数记录***，至少包括安装于U型槽不同位置的多个煤体应力、变形、温度、瓦斯压力、流速、声发射、电磁辐射和电位信号传感器，各传感器与采集记录仪连接。通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系。所述的采集记录仪为市售产品。
所述的应力加载***包括加力板5、液压油缸4，横向滑动装置2和承重横梁3，所述的液压油缸4至少有6个，液压油缸4的上端与横向滑动装置2连接，横向滑动装置2连接在承重横梁3上，横向滑动装置2连接在支架内，液压油缸4的下端通过加力板5与盖板6连接；应力加载***通过盖板6向煤体加载，能够模拟卸压带－应力集中带－原始应力带煤岩体三带曲线应力加载；通过盖板6对煤体或含瓦斯煤体耦合加载，当前方开口附近煤体卸压破坏时，通过坚硬盖板6将应力和能量向深部转移，应力集中带应力增高，应力梯度增大，对煤壁附近煤体力学作用增强，比较真实地模拟顶板作用。
所述的封口10通过铰链9连接在U型槽的开口一侧，在U型槽开口上连接有封口密封圈11，在U型槽的开口另一侧连接有封口10的快开装置13；所述的封口10有密闭型封口、石蜡管封口、开口型封口和筛网型封口；其中，所述的密闭型封口突然打开模拟石门揭煤突出；所述的石蜡管封口熔化模拟掘进突出；所述的开口型封口模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出；所述的筛网型封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出。
本发明的逼真型煤与瓦斯突出模拟试验方法，步骤如下：
(1)试验前，首先选择顶板类型，确定盖板材料、厚度和刚度，选择突出试验类型，确定封口类型；
(2)装样前，先将应力加载***和盖板移开，U型槽前方先用密闭型封口或石蜡管封口，将煤样装入，型煤需多次装煤压实成成型煤样，原煤需作四周密封处理；
(3)加载前，保持加载盖板与试样接触，然后各区域开始加载至给定应力；
(4)加载完成后，在各个充瓦斯口按设定压力和流量充入瓦斯，达到吸附平衡；需要筛网型封口时，应确保应力和瓦斯压力不足以突出，缓慢打开密闭型封口，更换为筛网型封口，再根据需要增大应力和瓦斯压力；
(5)根据煤体、应力、瓦斯参数和相应的封口、揭开方式，模拟相应突出试验过程；当未发生突出时，可继续增加瓦斯压力或应力，直到发生突出；
(6)对试验煤体充瓦斯，平衡后，再分区加载应力，可观测并分析分区瓦斯压力与应力的关系；
(7)通过各种基础参数变化能够更真实地模拟现场煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化及发生过程，模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程，通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系。
Claims (6)
1.一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：该逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置包括：支架、腔体、盖板、应力加载***、充瓦斯***、参数记录***和封口；所述的参数记录***，至少包括安装于U型槽不同位置的多个煤体应力、变形、温度、瓦斯压力、流速、声发射、电磁辐射和电位信号传感器，各传感器与采集记录仪连接；通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系,在支架内底部固定有腔体，在腔体内上侧有盖板，在盖板上连接有应力加载***；在腔体的一端有封口，在腔体的侧壁上有充瓦斯接口和所述的各传感器安装口，所述的腔体为一内壁光滑的U型槽，U型槽长度方向前侧立面有一开口，模拟巷道断面，在开口外安装封口和封口密封圈；U型槽内上部有盖板，U型槽后侧和另两侧立面布置有所述的充瓦斯接口和各传感器安装口；在U型槽内装置煤体试样和充瓦斯；通过盖板边缘的盖板密封条、封口密封圈与腔体密封连接，实现对腔体内瓦斯的密封，使瓦斯除煤体渗流外不能通过煤体周边自由空间互通，保持不同位置瓦斯分区分布；突出过程中保持U型槽后侧瓦斯口持续供给，模拟煤矿煤层瓦斯持续供给,所述的充瓦斯***包括瓦斯气源、减压阀、压力及流量分配阀和瓦斯管，瓦斯管连接在U型槽上的充瓦斯接口上；瓦斯从瓦斯气源供出，通过减压阀减压、压力及流量分配阀调节，由瓦斯管和不同位置的瓦斯接口向腔体内煤体充不同压力的瓦斯。
2.根据权利要求1所述的一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述的盖板为一周边带有密封条的传力板，通过选择盖板的材料、厚度及刚度模拟不同厚度及强度的煤层顶板，顶板越厚、越坚硬，顶板对煤体的作用越强，煤体应力集中程度越高，动力灾害发生强度越大。
3.根据权利要求1所述的一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述的封口还包括开口型和筛网型封口，开口型模拟巷道延期突出和钻孔、掘进诱发突出，筛网封口瞬间开启模拟暴露煤壁掘进突出，也可模拟钻孔喷孔和石门瓦斯抽放后揭煤突出。
4.根据权利要求1所述的一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征是：所述的应力加载***包括加力板、液压油缸，横向滑动装置和承重横梁，所述的液压油缸至少有6个，液压油缸的上端与横向滑动装置连接，横向滑动装置连接在承重横梁上，横向滑动装置连接在支架内，液压油缸的下端通过加力板与盖板连接；应力加载***通过盖板向煤体加载，能够模拟卸压带－应力集中带－原始应力带煤岩体三带曲线应力加载；通过盖板对煤体或含瓦斯煤体耦合加载，当前方开口附近煤体卸压破坏时，通过坚硬盖板将应力和能量向深部转移，应力集中带应力增高，应力梯度增大，对煤壁附近煤体力学作用增强，比较真实地模拟顶板作用。
5.根据权利要求1所述的一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征是：所述的封口通过铰链连接在U型槽的开口一侧，在U型槽开口上连接有封口密封圈，在U型槽的开口另一侧连接有封口的快开装置。
6.一种使用权利要求1所述逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置的试验方法，其特征在于：逼真型煤与瓦斯突出模拟试验方法：
（1）试验前，首先选择顶板类型，确定盖板材料、厚度和刚度，选择突出试验类型，确定封口类型；
（2）装样前，先将应力加载***和盖板移开，U型槽前方先用密闭型封口，将煤样装入，型煤需多次装煤压实成成型煤样，原煤需作四周密封处理；
（3）加载前，保持加载盖板与试样接触，然后各区域开始加载至给定应力；
（4）加载完成后，在各个充瓦斯口按设定压力和流量充入瓦斯，达到吸附平衡；需要筛网型封口时，应确保应力和瓦斯压力不足以突出，缓慢打开密闭型封口，更换为筛网型封口，再根据需要增大应力和瓦斯压力；
（5）根据煤体、应力、瓦斯参数和相应的封口、揭开方式，模拟相应突出试验过程；当未发生突出时，可继续增加瓦斯压力或应力，直到发生突出；
（6）对试验煤体充瓦斯，平衡后，再分区加载应力，可观测并分析分区瓦斯压力与应力的关系；
（7）通过各种基础参数变化能够更真实地模拟现场煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化及发生过程，模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程，通过监测并分析各监测参数的分布及变化，揭示突出演化过程的各种指标响应规律，包括应力演化规律、裂隙演化规律、温度变化规律、瓦斯压力及流场演化规律、电位演化规律及其相关关系。
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