CN201196634Y - 煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置 - Google Patents

Abstract

一种能够进行煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置，主要由气源单元、气体压力测试单元、气体流量测试单元、试验机加载及控制单元、声发射监测单元、煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置单元六部分组成，其功能是在室内利用岩石力学试验机对煤岩试样进行加载破坏过程中，研究瓦斯在煤岩试样中的渗透性试验提供试验条件，寻求煤岩试样在双向加载过程中瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的灾害预防和瓦斯抽采提供依据。

Description

煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置

(一).技术领域

本实用新型涉及一种煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置，利用岩石力学试验机对煤岩试样进行加载破坏过程中，研究瓦斯在煤岩中的渗透性试验提供了试验条件，寻求煤岩试样在双向加载试验条件下瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的防灾减灾和瓦斯抽采提供依据。

(二).背景技术

随着目前煤矿开采深度的逐年增加，煤矿的自然灾害更加突出，尤其是瓦斯的涌出对煤矿井下工作面生产造成严重威胁。煤矿瓦斯作为一种资源，充分利用煤层开采过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率，在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采***，即形成“双能源开采”技术。而工作面的瓦斯涌出与诸多因素有关，其中煤岩体的坚硬程度、裂隙发育程度，裂隙的方向，裂隙的连通程度、所受应力状态、瓦斯压力等因素有关，使得研究煤矿井下采煤工作面瓦斯运移规律的研究变得十分复杂。在煤矿采煤工作面生产过程中，随着工作面的向前推进，工作面煤体的应力状态呈现周期性变化，前方煤体的裂隙也随之发生相应的变化，煤体中瓦斯的运移规律与上述等诸多因素有关，其中煤体裂隙的发育程度关系最为密切。而裂隙形成又与煤体所受应力密切相关，煤岩体的瓦斯的运移规律与煤岩体的应力存在某些关系，需要进行仔细研究。而国内大多数研究者在室内对Φ50mm×100标准煤样进行三向应力状态下进行瓦斯的渗透性规律研究，由于标准煤样尺寸较小，含裂隙少，完整性相对较好，这与煤矿井下采煤工作面煤体的实际情况不完全相符。由于现场生产条件的限制和目前现场测试手段的不完善，对上述诸多因素难以进行仔细的考虑。根据煤矿井下采煤工作面初次来压和周期来压期间，工作面的瓦斯浓度涌出量明显增加。因此，有必要对煤矿井下工作面煤体的应力、瓦斯的运移规律进行深入研究，试图研制一套适合在室内进行煤矿井下采煤工作面煤体的瓦斯运移规律的模拟试验，寻求煤岩试样在双向加载试验条件下瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的防灾减灾和瓦斯抽采提供依据。

(三).发明内容：

利用岩石力学试验机对试样进行加载、声发射***同时进行监测的试验条件下，研制出一套煤岩、气渗透性双向加载试验装置，寻求煤岩试样在双向加载试验条件下瓦斯的运移规律，本发明的目的在于提供一种能够实现在垂直Z方向由试验机主动轴向加载，水平Y方向采用两块侧限板由两根螺栓连接被动约束，水平X方向一边加瓦斯，另一边为自由面。在室内模拟煤矿井下工作面前方煤体瓦斯随工作面推进过程中的运移规律。要求满足在加载过程中试样Z和Y方向4个侧面密封不卸漏，水平X方向加瓦斯，另外一个方向模拟采煤工作面煤体的试验装置，研究煤岩体在不同应力加载过程中瓦斯的渗透性与应力之间的关系。克服了现有气固耦合试验装置与工作面前方煤岩体受力状态不完全相符的不足，该试验装置能够模拟采煤工作面前方煤体、气耦合渗透性试验，研究煤体在不同应力条件下瓦斯的运移规律。要求试样应处于Z、Y两个方向4个约束，X方向加瓦斯的密闭试验环境，其受力状态是轴向Z主动加载，水平Y被动约束，水平X一面加瓦斯，另一面为自由面模拟工作面煤体，研究煤岩体在不同应力加载过程中瓦斯的运移规律。得出试样在加载过程中应力与瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的防灾减灾和瓦斯抽采提供依据。

本实用新型煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置。其特征是：利用岩石力学试验机对试样进行加载、声发射***同时进行监测的试验条件下，同时配备相应的气源，气体压力测试***，气体流量测试***，构成一整套煤岩、气耦合渗透性双向加载试验测试***。整个***主要由气源单元I、气体压力测试单元II、气体流量测试单元III、试验机加载及控制单元IV、声发射监测单元V、煤岩、气、液耦合渗透性双向加载试验装置单元VI六部分组成，其中煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置单元VI是本次发明的主体，发明的关键技术是试验装置的结构特征和试样的密封处理技术。

气源单元与气体压力测试单元和气体流量测试单元连接后，再与煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置和声发射监测单元连接，试验机控制及加载单元与煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置，其中煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置单元本实用新型的主体，主要由试样1、透气板2、密封胶板3、底板4、进气口5、压条6、上压板7、紧固螺栓8、9、左侧限板10、右侧限板11、压紧螺栓12、垫片13及压紧螺母14部件组成。

试样1：尺寸为150mm×150mm×150mm煤岩试样，要求试样表面平整，相邻侧面相互垂直，端面的平行度小于0.1mm。150mm×150mm×150mm立方体。

透气板2：尺寸30mm×150mm×150mm钢件，透气板上布置有进气口(5)、气室，透气孔，进气口(5)用螺纹与气源进气管连接。

密封胶板3：采用弹性和韧性良好的硅胶板，其尺寸为200mm×750mm×2mm。

(四).附图说明：

图1是煤岩、气耦合渗透性双向加载试验测试***原理图。

图2—4是煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置结构主视图、俯视图和侧视示意图。

图5—7是透气板结构主视图、俯视图和侧视示意图。

图8—10是左侧板结构主视图、俯视图和侧视示意图。

图11—13是右侧板结构主视图、俯视图和侧视示意图。

图14—16是底板结构主视图、俯视图和侧视示意图。

图1中，I.气源单元、II.气体压力测试单元，III.气体流量测试单元，IV.试验机加载及控制单元，V.声发射监测单元，VI.煤岩，气耦合渗透性双向加载试验装置单元六部分组成，各单元分别用虚线方框表示。所述气源单元I中，15.瓦斯瓶，16.减压阀；所述压力测试单元II中，17.气体压力传感器，18.自动采集仪，19.计算机；所述气体流量测试单元III中，20.气体质量流量传感器，21.气体流量积算仪，22.计算机；所述试验机加载及控制单元IV中，23.试验机底座，24.试验机上压头，25.加载油缸，26.采集控制计算机；所述声发射监测单元V中，27.声发射传感器，28.信号放大器、29.声发射采集仪；

图2—4中，1.试样，2.透气板、3.密封胶板，4.底板，5.进气口、6.压条，7.上压板，8、9.紧固螺栓，10.左侧限板、11右侧限板、12.压紧螺栓，13.垫片，14.紧螺母。

(五).具体实施方式

采用所述的煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置：其特征是：利用岩石力学试验机对试样进行加载、声发射***同时进行监测的试验条件下，同时配备相应的压力测试***、流量测试***进行试验。按如下步骤进行试验操作：

第一步，试样制作：按照试验要求加工150mm×150mm×150mm立方体试样1。

第二步，试样(1)的密封处理；该装置经过多次试验总结出密封效果的工艺流程如下：①将试件边角加工达到平整度要求，对于缺角部位采用水泥砂浆填平后再进行磨床加工，然后将试样进行干燥；②涂胶前将试样表面净化处理，将试样和透气板放在硅胶板上，密封胶直接涂于试样和透气板的四个侧面，利用密封胶的流动性和批刀使涂胶表面形成厚薄均匀的平整胶面，胶体固化后的厚度应大于1mm为宜。密封胶的固化时间和温度关系较大，一般温度越高固化时间越快；③将试样(1)、透气板(2)连同密封胶板(3)一起放入渗透性试验装置内，穿上螺杆(8)、(9)，垫片(13)和螺母(13)，调整好胶板的位置盖上压条(6)，上好压紧螺杆(12)，放上上压板(7)，各螺栓螺母压紧，尽量排出胶板和密封胶之间空气。透气板(2)上布置有进气口(5)、气室，透气孔，其尺寸与试样(1)的边长相等，进气口(5)用螺纹与进气管连接，密封胶板(3)采用弹性和韧性良好的硅胶板，其尺寸为200mm×750mm×2mm，密封材料采用聚氨酯密封胶。左侧限板(10)和右侧限板(11)与透气板(2)搭接处设置一个台阶，台阶高度3mm，防止加气过程透气板向左移动，侧限板左侧上方也设置台阶，台阶高度3mm.，小于试样高度，保证压条(6)压紧保持试样密封良好。

第三步，安装试验装置：首先将准备好的渗透性试验装置单元(VI)放置在试验机加载及控制单元(IV)中试验机上承压板(23)与压头(24)之间，要求试样(1)中心与试验机压头(24)完全对中。

第四步，安装调试压力测试单元(II)：连接气源、气体压力传感器(17)、自动数据采集仪(18)和计算机(19)，并调试处于正常工作状态。

第五步，安装调试流量监测单元(III)，连接气体流量传感器(20)、流量积算仪(21)和计算机(22)，并调试处于正常工作状态。

第六步，安装调试声发射监测单元(V)：将声发射传感器(27)涂凡士林贴试样表面，并用胶带固定，连接信号放大器(28)、声发射监测仪(29)，并调试处于正常工作状态。

第七步，启动调试试验机加载及控制单元(IV)：启动试验机加载，设置控制加载控制参数，建立试验文件编号。再次检查个测试***单元工作情况是否正常，确保各个测试行***单元运行良好。

第八步，试验：在试验机加载及控制单元(IV)的计算机控制下进行加载，气体压力测试单元(II)、气体流量测试单元(III)和声发射监测单元(V)，同时进行采集并记录试验数据，大约轴向载荷大约加载到预计试样极限载荷的10％左右，开启减压阀调整压力到预定压力，各个***正常进行采集数据，直到试样完全破坏为止。

第九步，试验结束：关闭气源，各个***推出监测***。

第十步，试验结果数据：进入各测试分析***，分析试验结果。

Claims (5)

1.一种煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置，其特征是：由气源单元、气体压力测试单元、气体流量测试单元、试验机加载及控制单元、声发射监测单元、煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置单元六部分组成，气源单元、气体压力测试单元、气体流量测试单元、煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置、声发射监测单元和试验机控制及加载单元顺序连接，其中煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置单元本实用新型的主体，主要由试样(1)、透气板(2)、密封胶板(3)、底板(4)、进气口(5)、压条(6)、上压板(7)、紧固螺栓(8)、(9)、侧限板(10)、(11)、压紧螺栓(12)、垫片(13)及压紧螺母(14)部件组成。

2.如权利要求1所述煤岩、气耦合渗透性双向加载装置，其特征是：所述试样(1)尺寸为150mm×150mm×150mm煤岩试样，要求试样表面平整，相邻侧面相互垂直，端面的平行度小于0.1mm。

3.如权利要求1所述煤岩、气耦合渗透性双向加载装置，其特征是：所述透气板(2)上布置有进气口(5)、气室，透气孔，其尺寸与试样(1)的边长相等，进气口(5)用螺纹与进气管连接。

4.如权利要求1所述煤岩、气耦合渗透性双向加载装置，其特征是：所述密封胶板(3)采用硅胶板，其尺寸为200mm×750mm×2mm。

5.如权利要求1所述煤岩、气耦合渗透性双向加载装置，其特征是：所述左侧限板(10)和右侧限板(11)与透气板(2)搭接处设置一个台阶，台阶高度3mm，左侧限板(10)和右侧限板(11)左侧上方也设置台阶，台阶高度3mm。

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