考虑动力影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置及其试验方法

摘要

本发明公开了一种考虑动力影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置及其试验方法，其特征在于包括密封加载盒、煤样试件、柔性加载系统、冲击加载系统和瓦斯供应系统。深埋巷道围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，因此，取其一部分进行试验即可反映围岩整体的性质；本发明首先使煤样试件处于高应力状态下，然后通过冲击重块对煤样试件施加冲击荷载，以模拟动力效应对巷道的影响，实现了让煤样试件在特定的荷载条件下承受冲击荷载的目标，并可以对煤样试件迅速进行补充加载，在试件破坏过程中，煤体中吸附的瓦斯也大量解吸，对煤岩体做功；最终，煤样试件在瓦斯压力、围岩应力、振动影响等综合因素影响下发生煤与瓦斯突出。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采过程中巷道中发生的煤与瓦斯突出灾害，尤其涉及一种可以考虑岩体振动或冲击等动力现象对巷道煤与瓦斯突出影响的模拟实验装置及其试验方法。

背景技术

由于煤与瓦斯突出的灾害性极大，很难在现场发生煤与瓦斯突出灾害时开展实时跟踪研究，因此通过实验室进行模拟实验是研究煤与瓦斯突出规律的有效方法。尽管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，但仍存在诸多的不足，具体包括如下几个方面：

一、一般仅考虑石门揭煤时发生的煤与瓦斯突出模拟，实际上，76%的煤与瓦斯突出事故发生在煤层巷道中，搞清其发生规律对于煤与瓦斯突出事故的防治具有重要意义。

二、巷道开挖后，开挖空间周围产生明显的应力集中，并导致煤体加剧破碎，这些因素对煤与瓦斯突出的发生有非常显著的影响。常规的煤与瓦斯突出实验装置只能模拟均匀应力场，不能考虑巷道开挖导致的应力集中以及围岩破碎程度的影响。

三、根据统计结果，大多数煤与瓦斯突出发生在放炮和落煤工序，也就是说煤与瓦斯突出多由放炮和顶板垮落导致的振动或冲击诱发。但是，目前的实验装置还不能考虑振动和冲击等动力现象对煤与瓦斯突出发生规律的影响。

四、目前的实验中采用的实验机的刚度太大，不能很好的考虑煤岩体破坏过程中外侧围岩变形对煤岩体的做功充能现象，而瓦斯解吸膨胀对煤岩体做功不足以将其充分破碎并抛出，因此采用的煤岩体试件均不是自然形成的煤块，而是由煤粉压制而成的煤块。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种考虑动力影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置及其试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种考虑动力影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于包括密封加载盒、煤样试件、柔性加载系统、冲击加载系统和瓦斯供应系统；

所述的密封加载盒，包括梯形板、侧挡板、加载垫块和上盖板；上述各装置接触部位设置橡胶垫以保证密封性能；梯形板包括第一梯形板和第二梯形板，其斜面的倾角与煤样试件斜面倾角相匹配；侧挡板包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在梯形板的前后两侧，其内表面分别与煤样试件的前后表面接触；加载垫块上半部分为圆柱体结构，下半部分为圆弧形钢板，钢板下表面设有纵横交叉的导气槽，下表面还设有一层钢丝网，钢丝网与煤样试件上表面接触；加载垫块侧面和梯形板斜面间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上盖板中间留有圆形孔，加载垫块的圆柱体结构由圆形孔通过，圆形孔表面设有橡胶密封垫，与圆柱体结构紧密接触，既允许圆柱体结构和上盖板可以发生相对运动，又防止气体由此溢出，上盖板的一侧还预留瓦斯注入孔；

所述煤样试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，四个侧面均涂有704硅橡胶并与密封加载盒紧密接触以保证其气密性；

所述的柔性加载系统，包括底座、加载油缸、液压泵站、反力板、反力钢绞线和支撑导轨；加载油缸共有两个，用于施加静载荷；反力板左右两侧分别设有多个用于连接反力钢绞线的通孔；反力钢绞线有多条，其中任意一条的一端固定在底座上，另一端固定在反力板上，通过调整钢绞线的数目和/或直径来调整柔性加载系统的刚度；支撑导轨固定在底座上，其作用是在实验前托住密封加载盒，在实验过程中防止其发生偏斜；

所述的冲击加载系统，用于给煤样试件施加竖直向的冲击荷载，包括立柱、横梁、冲击重块、提升装置、导向装置；立柱固定在柔性加载系统的底座上，冲击重块的重量和高度均可调节，提升装置固定在横梁上用于提升和放下冲击重块，导向装置表面标有刻度，用于测量冲击重块的高度，并且可以防止冲击重块下落时发生偏斜；

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、压力表、流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、压力表和流量计；真空泵用于在实验过程中对煤样试件抽真空；

为了更方便的进行实验和数据分析，本发明还可以包括测量控制系统；所述的测量控制系统，主要包括计算机、主控箱、数据采集仪、CCD相机；计算机通过USB接口与主控箱相连，主控箱通过导线与数据采集仪、液压泵站、气体压力泵相连，数据采集仪通过导线压力表、流量计相连；CCD相机用于记录煤与瓦斯突出的过程。

为了防止冲击重块倾倒或煤样试件崩解时可能造成的危险，本发明还可以包括防护装置。

本发明的试验方法是：

1）制作煤样试件，将其装入密封加载盒，将密封加载盒安装就位；通过柔性加载系统对煤样试件加载，保持一定时间后卸载，然后再次加载，经过多个循环之后，加载使煤岩体达到要求的应力状态；在这个过程中，煤岩体发生一定程度的破碎，目的在于模拟采掘活动对煤岩体的影响；

2）将瓦斯供应系统，连接到密封加载盒上侧的瓦斯注入孔，启动气体压力泵，调整瓦斯压力腔内的瓦斯压力至某一恒定值，并保持一定时间，使煤岩体充分吸附瓦斯，期间应加强室内通风，防止瓦斯积聚；

3）调整冲击重块的高度和重量，释放冲击重块，对密封加载盒的加载垫块进行冲击，通过CCD相机记录煤岩体突出过程；

4）提起冲击重块，停止瓦斯供应，卸去柔性加载系统的荷载，打开密封加载盒，取出煤样试件，记录分析其破坏情况。

本发明的原理是：

深埋巷道围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，因此，取其一部分（即本发明所述煤样试件）进行试验即可反映围岩整体的性质，相对于全断面实验装置，可以开展大比例尺的实验研究。

本发明上盖板、梯形板、侧挡板、加载垫块、渗透试样上表面共同围成瓦斯压力腔，可以模拟巷道周围煤体的瓦斯压力边界条件，在突出发生前瓦斯由该腔体向巷道内渗透。

本发明通过加载油缸和反力钢绞线对煤样试件施加压力，使其处于高应力状态下，在这个过程中反力钢绞线有一定弹性伸长；通过冲击重块对煤样试件施加冲击荷载，以模拟爆破或顶板垮落引起的振动对巷道的影响，由于反力钢绞线为柔性材料，不会像常规刚性立柱一样对冲击荷载造成影响（支撑效应），实现了让煤样试件在特定的荷载条件下承受冲击荷载的目标。

煤样试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，其强度降低并发生一定位移，在这个过程中反力钢绞线瞬间收缩，对煤样试件迅速进行补充加载，即补充能量，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功；在这个过程中，煤体中吸附的瓦斯也大量解吸，也会对煤岩体做功。

最终，煤样试件在瓦斯压力、围岩应力、振动影响等综合因素影响下发生煤与瓦斯突出。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图1，本发明采用局部煤样试件的原理是：深埋巷道围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，取其一部分（即本发明所述渗透试件4）进行试验即可反映围岩整体的性质，相对于全断面实验装置，可以开展大比例尺的实验研究。

结合附图2，一种考虑动力影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置及其试验方法，包括密封加载盒、煤样试件、柔性加载系统、冲击加载系统和瓦斯供应系统。

所述的密封加载盒，包括梯形板1、侧挡板、加载垫块2和上盖板3；上述各装置接触部位设置垫橡胶垫以保证密封性能；梯形板1包括第一梯形板和第二梯形板，其斜面的倾角与煤样试件斜面倾角相匹配；侧挡板包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在梯形板的前后两侧，其内表面分别与煤样试件的前后表面接触；加载垫块2上半部分为圆柱体结构，下半部分为圆弧形钢板，钢板下表面设有纵横交叉的导气槽，下表面还设有一层钢丝网，钢丝网与煤样试件上表面接触；加载垫块2侧面和梯形板1斜面间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上盖板3中间留有圆形孔，加载垫块2的圆柱体结构由圆形孔通过，圆形孔表面设有橡胶密封垫，与圆柱体结构紧密接触，既允许圆柱体结构和上盖板可以发生相对运动，又防止气体由此溢出，上盖板的一侧还预留瓦斯注入孔。

所述煤样试件4，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，四个侧面均涂有704硅橡胶并与密封加载盒紧密接触以保证其气密性。

所述的柔性加载系统，包括底座5、加载油缸6、液压泵站、反力板7、反力钢绞线8和支撑导轨9；加载油缸6共有两个，用于施加静载荷；反力板7左右两侧分别设有多个用于连接反力钢绞线8的通孔；反力钢绞线8有多条，其中任意一条的一端固定在底座上，另一端固定在反力板上，通过调整钢绞线的数目和/或直径来调整柔性加载系统的刚度；支撑导轨9固定在底座上，其作用是在实验前托住密封加载盒，在实验过程中防止其发生偏斜。

所述的冲击加载系统，用于给煤样试件施加竖直向的冲击荷载，包括立柱10、横梁11、冲击重块12、提升装置13、导向装置14；立柱10固定在柔性加载系统的底座5上，冲击重块的重量和高度均可调节，提升装置13固定在横梁上用于提升和放下冲击重块，导向装置14表面标有刻度，用于测量冲击重块的高度，并且可以防止冲击重块下落时发生偏斜。

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、压力表、流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、压力表和流量计；真空泵用于在实验过程中对煤样试件抽真空。

所述的测量控制系统，主要包括计算机、主控箱、数据采集仪、CCD相机；计算机通过USB接口与主控箱相连，主控箱通过导线与数据采集仪、液压泵站、气体压力泵相连，数据采集仪通过导线压力表、流量计相连；CCD相机用于记录煤与瓦斯突出的过程。

本发明的试验方法是：

1）制作煤样试件，将其装入密封加载盒，将密封加载盒安装就位；通过柔性加载系统对煤样试件加载，保持一定时间后卸载，然后再次加载，经过多个循环之后，加载使煤岩体达到要求的应力状态；在这个过程中，煤岩体发生一定程度的破碎，目的在于模拟采掘活动对煤岩体的影响；

2）将瓦斯供应系统，连接到密封加载盒上侧的瓦斯注入孔，启动气体压力泵，调整瓦斯压力腔内的瓦斯压力至某一恒定值，并保持一定时间，使煤岩体充分吸附瓦斯，期间应加强室内通风，防止瓦斯积聚；

3）调整冲击重块的高度和重量，释放冲击重块，对密封加载盒的加载垫块进行冲击，通过CCD相机记录煤岩体突出过程；

4）提起冲击重块，停止瓦斯供应，卸去柔性加载系统的荷载，打开密封加载盒，取出煤样试件，记录分析其破坏情况。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。