CN112946204B - 模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，包括抽真空回路、注气回路、排气回路、抽注气总阀和试验模型腔室；所述抽真空回路包括抽真空主回路；所述注气回路包括注气主干路、注二氧化碳回路和注压缩空气回路，所述注二氧化碳回路和注压缩空气回路分别与注气主干路连接；所述试验模型腔室通过抽注气总阀分别与抽真空主回路、注气主干路和排气回路连接。本发明在解决大尺度煤与瓦斯突出实验大容量、高压力用气难题的基础上，集注压缩空气、注二氧化碳、抽真空于一体，能够安全、高效地实现大尺度煤与瓦斯突出实验注气、抽真空功能，达到减轻大型实验劳动强度，提升大型实验效率的目的。

Description

模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***

技术领域

本发明属于煤与瓦斯突出实验技术领域，具体涉及一种模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***。

背景技术

随着煤矿开采逐渐向深部延伸，大部分矿井开采深度超过1000m，深部煤层开采过程的煤与瓦斯突出灾害的发生也更加频繁，突出强度更大。对深部煤与瓦斯突出灾害治理，可实现矿井安全高效的生产，还能对预抽煤层的瓦斯加以利用，以满足能源战略要求和节能减排。

随着煤炭资源开采逐渐向深地转移，开采过程涉及的地应力、瓦斯压力、瓦斯含量等随之增大，危险程度加剧，现有浅层开采理论难以指导实际深部开采作业，亟待开展深部煤与瓦斯突出致灾机理与灾害防治研究。为模拟深部高应力实验条件，解决试件尺寸边界效应影响，更加真实的模拟现场煤与瓦斯突出，当前，大尺度的煤与瓦斯突出模拟实验装备及其配套装置的研制是开展深部煤与瓦斯突出理论研究的基础，其中配套设备抽、注气***是实验成功开展的关键装置。

如专利文献CN 104792961A 公开了一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，内腔尺寸（长x宽x高）：1500*600*1000mm。配套的注气***，通过铺设三条注气管线，均布在煤层中，实现煤与瓦斯的吸附，实验过程中，通过注气至腔体内气体压力达到***片的临界压力，致使***片瞬间破裂从而诱导煤与瓦斯突出。然而，配套的抽注气***，抽、注气容量仍然偏小；未能实现注气压力、功能切换的自动调节与控制，注气压力调节精度偏低；也未能实现注气、抽空功能的***集成，管路分散，操作复杂。

又如专利文献CN 104820084A 公开了一种基于地质力学模型试验的煤与瓦斯突出相似模拟试验方法，反力架总体尺寸（长x宽x高）：5660x2800mmx3430mm，试验箱体内尺寸（长x宽x高）：2800x2800x2000mm。配套的瓦斯面充气装置由底面不透气面板、面充气交叉管路网等组成，能实现对煤样的均匀面充气。然而，配套的充气装置未设计抽真空功能，无法快速、高效地解决大断面密封性检测的问题；同时，配套的充气装置未设计卸压排空功能，无法安全、快捷的实现腔体内高压、大容量气体的排放问题，存在一定的安全隐患。

大型煤与瓦斯突出实验装备的成功研制，为突出灾害的科学研究提供了平台。然而，现有与之配套的抽注气***还面临如下问题：

1） 部分注气***仍采用钢瓶直充的模式，注气流量小，压力不稳定，无法满足大容量、高压、连续性注气要求；

2） ***功能集成度偏低，无法同时满足大容积的注压缩空气、注二氧化碳、抽真空功能，实验效率偏低；

3） 针对高压、大容量用气需求，卸压排空考虑不充分，存在一定的安全隐患。

为此，亟待针对模拟煤与瓦斯突出的大型实验装置，设计一套大容量、安全、高效的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***。

发明内容

本发明的目的是提供一种大容量、安全、高效的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***。

本发明所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，包括抽真空回路、注气回路、排气回路、抽注气总阀和试验模型腔室；

所述抽真空回路包括抽真空主回路；

所述注气回路包括注气主干路、注二氧化碳回路和注压缩空气回路，所述注二氧化碳回路和注压缩空气回路分别与注气主干路连接；

所述试验模型腔室通过抽注气总阀分别与抽真空主回路、注气主干路和排气回路连接。

可选地，所述抽真空主回路包括依次连接的真空机组、真空压力变送器、气动真空阀和真空回路总阀，该真空回路总阀与抽注气总阀连接。

可选地，所述注气主干路包括依次连接的注气回路总阀、压力变送器、气动注气阀和第一除水过滤器，并在连接压力变送器和气动注气阀的管道上设有第一压力表；所述注气回路总阀与抽注气总阀连接；所述第一除水过滤器分别与注二氧化碳回路和注压缩空气回路连接。

可选地，所述注二氧化碳回路包括液态二氧化碳气源、二氧化碳低温泵、二氧化碳蒸发器、第一安全阀、注二氧化碳气源选择阀、二氧化碳排气阀和汇流排；所述液态二氧化碳气源、汇流排、二氧化碳低温泵、二氧化碳蒸发器、第一安全阀和注二氧化碳气源选择阀依次连接在一起；

所述注二氧化碳气源选择阀与所述注气主干路的第一除水过滤器连接；

所述二氧化碳低温泵还与二氧化碳排气阀连接。

可选地，所述注压缩空气回路包括依次连接的隔膜压缩机、储气罐、第二安全阀、第二除水过滤器、压缩空气干燥器、除尘过滤器和注压缩空气气源选择阀；

所述注压缩空气气源选择阀与所述注气主干路的第一除水过滤器连接。

可选地，所述排气回路包括超压排气回路、手动排气回路和自动排气回路；

所述超压排气回路包括与抽注气总阀连接的单向阀，以及与单向阀连接的第三安全阀；

所述手动排气回路包括与抽注气总阀连接的手动排气阀；

所述自动排气回路包括与抽注气总阀连接的气动排气阀。

可选地，所述抽真空回路还包括辅助抽真空回路，该辅助抽真空回路包括相连接的小型真空泵和第三截止阀，所述第三截止阀与试验模型腔室连接。

可选地，所述排气回路还包括自动排气回路，该手动排气回路包括依次连接的第六截止阀、气动排气阀和第七截止阀，所述第六截止阀与抽注气总阀连接。

可选地，所述抽真空主回路还包括第二截止阀和第一真空压力表；

所述气动真空阀通过第二截止阀与真空压力变送器连接；

所述第一真空压力表设置在连接气动真空阀和第二截止阀的管道上。

可选地，所述注二氧化碳回路还包括设置在连接注二氧化碳气源选择阀和第一安全阀的管道上的第二压力表；

所述注压缩空气回路还包括第四截止阀、第三压力表和第五截止阀，所述第二除水过滤器通过第五截止阀与压缩空气干燥器连接，所述第三压力表设置在连接所述第二除水过滤器和第二安全阀的管道上；

所述隔膜压缩机通过第四截止阀与储气罐连接。

可选地，还包括先导控制用气回路，该先导控制用气回路包括依次连接的先导气泵、第一截止阀和调压阀，所述调压阀分别与气动注气阀、气动排气阀和气动真空阀连接。

可选地，所述辅助抽真空回路还包括第二真空压力表，第二真空压力表设置在连接第三截止阀与试验模型腔室的管道上。

本发明的有益效果：

（1） 采用液态二氧化碳为气源，来模拟煤与瓦斯突出试验，注气压力可达5MPa。采用液态二氧化碳经低温泵增压再经蒸发器气化的方案，提高了高压、大容积二氧化碳的注气效率；同时通过压力传感器与二氧化碳低温泵实现了压力闭环自动调节，提高了注气压力精度。

（2） 采用隔膜压缩机实现压缩空气注入，压力范围：0-4.0Mpa，实现了高压、大容量压缩空气的安全、高效灌注。

（3） 加载CO2气之前，先给试验模型腔室抽真空，提高试验模型腔室的真空度，能够保证CO2的纯净度，使状态模拟更趋真。***先采用由旋片式真空泵、罗茨风机组合而成的真空泵组，实现了大容积实验腔的高效抽真空；再配合辅助真空泵，提高了大容积实验腔抽真空的精度。

（4） 针对高压、大容积用气，设计了专门的卸压排气回路，以应对实验过程中的卸压与排气需求。具备超压自动排气、自动排气、手动排气三种功能，同时各级回路配备了安全阀，提升了***安全性。

（5） 集注二氧化碳、注压缩空气、抽真空功能于一体，管路有序，操作简单，同时通过自动化控制，降低了操作难度，提高了操作效率。

综上所述，本发明在解决大尺度煤与瓦斯突出实验大容量、高压力用气难题的基础上，集注压缩空气、注二氧化碳、抽真空于一体，能够安全、高效地实现大尺度煤与瓦斯突出实验注气、抽真空功能，达到减轻大型实验劳动强度，提升大型实验效率的目的。

附图说明

图1 为本实施例的结构示意图；

图中：

1、先导控制用气回路，10、先导气泵，11、第一截止阀，12、调压阀；

2、抽真空主回路，20、真空机组，21、真空压力变送器，22、第二截止阀，23、第一真空压力表，24、气动真空阀，25、真空回路总阀；

3、辅助抽真空回路，30、小型真空泵，31、第三截止阀，32、第二真空压力表；

4、注气主干路，40、注气回路总阀，41、压力变送器，42、第一压力表，43、气动注气阀，44、第一除水过滤器；

5、注二氧化碳回路，50、液态二氧化碳气源，51、二氧化碳低温泵，52、二氧化碳蒸发器，53、第一安全阀，54、第二压力表，55、注二氧化碳气源选择阀,56、二氧化碳排气阀，57、二氧化碳排气口，58、汇流排；

6、注压缩空气回路，60、隔膜压缩机，61、第四截止阀，62、储气罐，63、第二安全阀，64、第三压力表，65、第二除水过滤器，66、第五截止阀，67、压缩空气干燥器，68、除尘过滤器，69、注压缩空气气源选择阀；

7、排气回路，70、单向阀，71、第三安全阀，72、第六截止阀，73、气动排气阀，74、第七截止阀，75、手动排气阀，76、卸压排气口；

8、抽注气总阀；

9、试验模型腔室。

具体实施方式

以下结合附图对本实施例进行清楚描述。

如图1所示，本实施例中，一种模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，包括抽真空回路、注气回路、排气回路7、抽注气总阀8和试验模型腔室9。所述抽真空回路包括抽真空主回路2。所述注气回路包括注气主干路4、注二氧化碳回路5和注压缩空气回路6，所述注二氧化碳回路5和注压缩空气回路6分别与注气主干路4连接。所述试验模型腔室9通过抽注气总阀8分别与抽真空主回路2、注气主干路4和排气回路7连接。

如图1所示，本实施例中，所述抽真空主回路2包括通过管道依次连接的真空机组20、真空压力变送器21、第二截止阀22、气动真空阀24和真空回路总阀25，以及设置在连接气动真空阀24和第二截止阀22的管道上的第一真空压力表23。其中，真空回路总阀25与抽注气总阀8连接。

如图1所示，本实施例中，所述注气主干路4包括通过管道依次连接的注气回路总阀40、压力变送器41、气动注气阀43和第一除水过滤器44，以及设置在连接压力变送器41和气动注气阀43的管道上的第一压力表42。其中，注气回路总阀40与抽注气总阀8连接；第一除水过滤器44分别与注二氧化碳回路5和注压缩空气回路6连接。

如图1所示，本实施例中，所述注二氧化碳回路5包括液态二氧化碳气源50、二氧化碳低温泵51、二氧化碳蒸发器52、第一安全阀53、第二压力表54、注二氧化碳气源选择阀55、二氧化碳排气阀56、二氧化碳排气口57和汇流排58。所述液态二氧化碳气源50、汇流排58、二氧化碳低温泵51、二氧化碳蒸发器52、第一安全阀53和注二氧化碳气源选择阀55依次连接在一起。第二压力表54设置在连接第一安全阀53和注二氧化碳气源选择阀55的管道上。所述二氧化碳低温泵51还与二氧化碳排气阀56连接，二氧化碳排气阀56的排气端接入到二氧化碳排气口57。其中，注二氧化碳气源选择阀55与所述注气主干路4的第一除水过滤器44连接。

如图1所示，本实施例中，所述注压缩空气回路6包括依次连接的隔膜压缩机60、第四截止阀61、储气罐62、第二安全阀63、第二除水过滤器65、第五截止阀66、压缩空气干燥器67、除尘过滤器68和注压缩空气气源选择阀69，以及设置在连接第二安全阀63和第二除水过滤器65的管道上的第三压力表64。其中，注压缩空气气源选择阀69与注气主干路4的第一除水过滤器44连接。

如图1所示，本实施例中，所述排气回路7包括超压排气回路、手动排气回路和自动排气回路。所述超压排气回路包括与抽注气总阀8连接的单向阀70，以及与单向阀70连接的第三安全阀71，第三安全阀71的排气端接入到卸压排气口76。所述手动排气回路包括与抽注气总阀8连接的手动排气阀75，手动排气阀75的排气端接入到卸压排气口76。所述自动排气回路包括依次连接的第六截止阀72、气动排气阀73和第七截止阀74，所述第六截止阀72与抽注气总阀8连接，第七截止阀74的排气端接入到卸压排气口76。

如图1所示，本实施例中，所述抽真空回路还包括辅助抽真空回路3，该辅助抽真空回路3包括相连接的小型真空泵30和第三截止阀31，所述第三截止阀31与试验模型腔室9连接。在连接第三截止阀31与试验模型腔室9的管道上设置有第二真空压力表32。

如图1所示，本实施例中，一种模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，还包括先导控制用气回路1，该先导控制用气回路1包括依次连接的先导气泵10、第一截止阀11和调压阀12，所述调压阀12分别与气动注气阀43、气动排气阀73和气动真空阀24连接。导控制用气回路1用于给气动注气阀43、气动排气阀73和气动真空阀24提动气动力。

本实施例中，抽真空主回路2用于试验模型腔室9抽真空，在加载CO2气之前，先给试验模型腔室9抽真空，提高试验模型腔室9的真空度，能够保证CO2的纯净度，使状态模拟更趋真。

本实施例中，辅助抽真空回路3用于抽真空过程的后期，使试验模型腔室9内的真空度更高。

本实施例中，注气主干回路4是注二氧化碳与注压缩空气的共用回路，实现注气压力的监测与控制。

本实施例中，注二氧化碳回路5提供CO2气体，用以模拟瓦斯试验，压力范围：0—5.0Mpa。

本实施例中，注压缩空气回路6用于提供洁净干燥的压缩空气，用于高压空气环境下的模型测试，压力范围：0—4.0Mpa。

本实施例中，排气回路7用于腔内气体排放，以应对实验过程中的卸压与排气需求。

本实施例中，真空机组20采用罗茨-旋片真空机组，以罗茨-旋片真空机组为动力源的抽真空主回路2，搭配以小型真空泵30为动力源的辅助抽真空回路3，能够解决大型实验腔体抽真空的难题，以保证CO2的纯净度，使状态模拟更趋真。

本实施例中，液态二氧化碳气源50由液态灌装二氧化碳组成，并通过汇流排58实现汇流接入，可根据实验用气量合理配置，以满足高压、大流量注气需求。

本实施例中，二氧化碳注气压力控制：压力变送器41实现试验模型腔室9内注气压力的实时监测，配合控制二氧化碳低温泵51的转速，即可实现二氧化碳压力的控制。气动注气阀43自动开启/切断注气回路。

本实施例中，采用隔膜压缩机60以提供最高4.0Mpa的高压空气；储气罐62能保障大容量用气，以提高注气效率；同时设计有第二除水过滤器65、压缩空气干燥器67和除尘过滤器68，以提供洁净、干燥的气源；

本实施例中，针对高压、大容量实验用气过程中的安全问题，设计了专门的卸压排气回路，具备超压自动排气、自动排气、手动排气三种功能，以保障用气安全。

本实施例中，所述模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***的使用方法如下：

1.操作准备

1） 打开先导气泵10和第一截止阀11；

2） 通过调压阀12调节气动注气阀43、气动排气阀73和气动真空阀24的控制气压。

2.抽真空

先通过抽真空主回路2实现试验模型腔室9抽真空，然后通过辅助抽真空回路3提高试验模型腔室9内的真空度。

（1）启动和关闭抽真空主回路

1） 关闭第三截止阀31、注气回路总阀40、第六截止阀72和手动排气阀75；

2） 打开抽注气总阀8、真空回路总阀25和第二截止阀22；

3） 按顺序启动真空机组20；

4） 真空压力变送器21实时监测试验模型腔室9内的真空度，配合气动真空阀24实现抽真空控制；

5） 待真空度逐步趋于目标后，关闭抽注气总阀8，停止真空机组20。

（2）启动和关闭辅助抽真空回路

1） 打开第三截止阀31，启动小型真空泵30；

2） 待真空度稳定后，关闭第三截止阀31；

3） 停止小型真空泵30，完成抽真空。

3.注压缩空气

1） 关闭真空回路总阀25、第三截止阀31、注二氧化碳气源选择阀55、第六截止阀72、手动排气阀75；

2） 打开抽注气总阀8、注气回路总阀40、注压缩空气气源选择阀69、第五截止阀66和第四截止阀61；

3） 启动隔膜压缩机60；

4） 压力变送器41配合气动注气阀43实现预定压力的控制。

4.注二氧化碳

1） 关闭真空回路总阀25、第三截止阀31、注压缩空气气源选择阀69、二氧化碳排空阀56、第六截止阀72和手动排气阀75；

2） 打开抽注气总阀8、注气回路总阀40和注二氧化碳气源选择阀55；

3） 启动二氧化碳低温泵51；

4） 压力变送器41配合气动注气阀43实现预定压力的控制。

5.卸压排气

具备超压自动排气、自动排气、手动排气三种卸压排气方式。

1） 超压自动排气：当试验模型腔室9压力超过第三安全阀71的额定压力后，通过单向阀70自动卸压；

2） 自动排气：实验过程中人为通过控制***远程打开气动排气阀73，实现自动排气；

3） 手动排气：实验过程中打开手动排气阀75，实现自动排气。

Claims (6)

1.一种模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：包括抽真空回路、注气回路、排气回路（7）、抽注气总阀（8）和试验模型腔室（9）；

所述抽真空回路包括抽真空主回路（2）；

所述注气回路包括注气主干路（4）、注二氧化碳回路（5）和注压缩空气回路（6），所述注二氧化碳回路（5）和注压缩空气回路（6）分别与注气主干路（4）连接；

所述试验模型腔室（9）通过抽注气总阀（8）分别与抽真空主回路（2）、注气主干路（4）和排气回路（7）连接；

所述注气主干路（4）包括依次连接的注气回路总阀（40）、压力变送器（41）、气动注气阀（43）和第一除水过滤器（44），并在连接压力变送器（41）和气动注气阀（43）的管道上设有第一压力表（42）；所述注气回路总阀（40）与抽注气总阀（8）连接；所述第一除水过滤器（44）分别与注二氧化碳回路（5）和注压缩空气回路（6）连接；

所述注二氧化碳回路（5）包括液态二氧化碳气源（50）、二氧化碳低温泵（51）、二氧化碳蒸发器（52）、第一安全阀（53）、注二氧化碳气源选择阀（55）、二氧化碳排气阀（56）和汇流排（58）；所述液态二氧化碳气源（50）、汇流排（58）、二氧化碳低温泵（51）、二氧化碳蒸发器（52）、第一安全阀（53）和注二氧化碳气源选择阀（55）依次连接在一起；

所述注二氧化碳气源选择阀（55）与所述注气主干路（4）的第一除水过滤器（44）连接；

所述二氧化碳低温泵（51）还与二氧化碳排气阀（56）连接；

所述注压缩空气回路（6）包括依次连接的隔膜压缩机（60）、储气罐（62）、第二安全阀（63）、第二除水过滤器（65）、压缩空气干燥器（67）、除尘过滤器（68）和注压缩空气气源选择阀（69）；

所述注压缩空气气源选择阀（69）与所述注气主干路（4）的第一除水过滤器（44）连接；所述排气回路（7）包括超压排气回路、手动排气回路和自动排气回路；

所述超压排气回路包括与抽注气总阀（8）连接的单向阀（70），以及与单向阀（70）连接的第三安全阀（71）；

所述手动排气回路包括与抽注气总阀（8）连接的手动排气阀（75）；

所述自动排气回路包括与抽注气总阀（8）连接的气动排气阀（73）。

2.根据权利要求1所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：所述抽真空主回路（2）包括依次连接的真空机组（20）、真空压力变送器（21）、气动真空阀（24）和真空回路总阀（25），该真空回路总阀（25）与抽注气总阀（8）连接。

3.根据权利要求2所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：所述抽真空回路还包括辅助抽真空回路（3），该辅助抽真空回路（3）包括相连接的小型真空泵（30）和第三截止阀（31），所述第三截止阀（31）与试验模型腔室（9）连接。

4.根据权利要求2或3所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：所述抽真空主回路（2）还包括第二截止阀（22）和第一真空压力表（23）；

所述气动真空阀（24）通过第二截止阀（22）与真空压力变送器（21）连接；

所述第一真空压力表（23）设置在连接气动真空阀（24）和第二截止阀（22）的管道上。

5.根据权利要求4所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：

所述注二氧化碳回路（5）还包括设置在连接注二氧化碳气源选择阀（55）和第一安全阀（53）的管道上的第二压力表（54）；

所述注压缩空气回路（6）还包括第四截止阀（61）、第三压力表（64）和第五截止阀（66），所述第二除水过滤器（65）通过第五截止阀（66）与压缩空气干燥器（67）连接，所述第三压力表（64）设置在连接所述第二除水过滤器（65）和第二安全阀（63）的管道上；

所述隔膜压缩机（60）通过第四截止阀（61）与储气罐（62）连接。

6.根据权利要求5所述的模拟煤与瓦斯突出实验用的集成式抽注气***，其特征在于：还包括先导控制用气回路（1），该先导控制用气回路（1）包括依次连接的先导气泵（10）、第一截止阀（11）和调压阀（12），所述调压阀（12）分别与气动注气阀（43）、气动排气阀（73）和气动真空阀（24）连接。

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