一种大尺寸煤与瓦斯突出模拟实验装置

摘要

本发明公开了一种大尺寸煤与瓦斯突出模拟实验装置，该装置的内腔尺寸为150cm*60cm*100cm，通过在腔体上安装各类传感器，采集突出过程中各类物理参数；通过相似材料配比来模拟煤层的顶底板岩层；研制一系列不同尺寸的弹簧组来组成工作面前方顶板应力分布规律模拟装置；在突出口安装爆破片装置，实现煤与瓦斯突出的诱导；突出腔体后侧板安装三块玻璃视窗；注气系统连接三条注气管线，均匀布置在煤层中。装置能真实模拟工作面前方顶板应力的分布规律，真实呈现顶板岩层在突出过程中及突出前后的应力变化规律及变形，注气管道的合理设计能保证气体在煤体中的均匀吸附，爆破片诱导煤与瓦斯突出的方式真实可靠，非常适合在煤与瓦斯突出模拟实验中推广、使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸煤与瓦斯突出模拟实验装置，属于煤与瓦斯突出实验领域。 

背景技术

作为世界上最大的产煤国，同时我国也面临着最严峻煤矿安全生产形势，在我国煤矿众多的灾害中，瓦斯灾害尤为严重，在瓦斯灾害中，煤与瓦斯突出事故威胁最严峻，一次性造成的伤亡多。据统计2000年～2012年5月，我国发生煤与瓦斯突出死亡事故417起，造成2743人死亡，平均每起事故造成6.57人死亡。其中：一次死亡1～2人的伤亡事故93起，死亡134人；分别占总起数的22.30%，占死亡人数的4.88%；一次死亡3～9人的较大伤亡事故259起，死亡1262人；分别占总起数的62.11%，占死亡人数的46.0%；一次死亡10～29人的重大伤亡事故55起，死亡801人；分别占总起数的13.18%，占死亡人数的29.20%。

随着煤矿开我国现有的多数矿井进入了深部开采阶段，在新建矿井中，大部分也属于深部矿井。随着矿井开采深度的增加，矿井地应力和瓦斯压力增大、瓦斯含量增高，导致煤与瓦斯突出问题日益严重和复杂，一些无煤与瓦斯突出危险性的矿井升级为突出矿井。因此，研究煤与瓦斯突出发生机理，找出遏制灾害的有效手段和技术，对于提高我国煤炭生产企业的安全状况和降低百万吨死亡率具有重要的意义。

迄今为止，对于煤与瓦斯突出机理的认识还停留在假说性阶段。为此，国内外学者先后进行了大量的煤与瓦斯突出模拟实验。前苏联在上世纪50年代率先进行了一维突出模拟实验，实验表明只有在很大的瓦斯压力梯度下煤才有可能被破碎和抛出。上世纪60年代初，日本学者氏平增之用CO₂的结晶冰、松香、水泥、煤粒制作模型，利用激波管进行了模拟抛射煤实验，并模拟“掘进”作业，但模型与煤的吸附性能差别比较大。邓全封采取突出矿井的突出煤作为煤样，在不加任何添加剂条件下压结成型模拟Ⅳ，Ⅴ类煤的揭开石门煤与瓦斯突出。蒋承林用一维实验模拟了理想条件下石门揭煤时煤与瓦斯突出过程。孟祥跃等利用自行设计的煤与瓦斯突出二维模拟实验装置进行了系列实验，提出煤样的破坏存在“开裂”和“突出”两类典型的破坏形式。蔡成功等按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，模拟了不同成型煤强度、不同三向应力、不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程。郭立稳等则利用突出模拟装置在实验室实验验证了煤与瓦斯突出过程中温度的变化趋势。尹光志研制了一套三维煤与瓦斯突出模拟装置，能够模拟不同煤层倾角，不同突出孔径的突出实验，但是该实验装置不能模拟煤层顶板情况。

总结当前的煤与瓦斯突出模拟实验装置，普遍存在尺寸小、突出规模小、未能模拟煤层顶板等缺点，当前的这些模拟实验装置并不能真实模拟现场的突出情况，制约了对突出机理的研究。

发明内容

煤与瓦斯突出模拟实验是研究煤与瓦斯突出机理及致灾效应的有效手段。鉴于上述现有实验领域中的实际情况，本发明旨在提供一种大尺寸的、通用性强的、可重复试验的煤与瓦斯突出模拟实验。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明所述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，通过突出腔体内部安装各类传感器可以实测突出过程及突出前后的各项物理参数，通过应力加载系统及模型成型装置可以在突出腔体内铺设煤层及煤层顶底板岩层模型，实现对突出过程及突出前后煤层顶板岩层的应力变化及变形的研究，通过应力加载系统及工作面前方顶板应力分布规律模拟装置，实现对工作面前方顶板应力分布规律的真实物理模拟，突出口安装爆破片及爆破片夹持装置，该安装通过法兰完成，爆破片夹持法兰与突出口法兰之间安装密封垫，爆破片与爆破片夹持法兰为硬密封，注气系统及抽真空系统通过管路与突出腔体连级。

附图说明

图1为突出模拟实验装置正面实物图；

图2为突出模拟实验装置玻璃视窗实物图；

图3为突出模拟实验装置突出口实物图；

图4为突出模拟实验装置正视图；

图5为突出模拟实验装置侧视图；

图6为突出模拟实验装置俯视图；

附图标号说明：抽真空接口1、注气口2、接线盘3、压板4、液压活塞5、活塞底座6、上盖板7、上盖板密封圈8、弹簧9、弹簧导向机构10、压盘11、前盖板密封圈12、视窗固定机构13、玻璃视窗14、突出口内法兰15、突出口外法兰16、爆破片加持机构17、爆破片18、差压传感器19、底板20、前撑板21、内层前盖板22、外层前盖板23、左侧板24、后侧板25、右侧板26。

具体实施方式

本发明的中心思想是通过研制一个大尺寸的煤与瓦斯突出模拟实验装置，能够在该装置中铺设煤层及顶底板岩层模型，通过装置自带的液压加载系统级工作面前方顶板应力分布模拟装置来实现模型中顶板应力分布的真实模拟，通过爆破片临界压力瞬间爆破来实现对煤与瓦斯突出的诱导，通过在煤层中铺设三条注气管线实现均匀注气及煤体对瓦斯的均匀吸附。

本发明所述的大尺寸的煤与瓦斯突出模拟实验装置，包括：

（1）首先连接各类传感器及采集主机与计算机，并检查信号是否通畅，数据是否正确，如果数据不正确，对传感器进行调校；

（2）安装前盖板最下方的里层小盖板，拧上螺栓并用加力扳手加固，确保螺栓牢固，同时用实心法兰把突出口密封；

（3）按照10cm一层的厚度铺设模型。根据实验室测得的顶底板岩层的抗压强度，按照相似材料配比的原则，称重材料，称重砂子、石灰、石膏和水并混合，同时用铁锹均匀搅拌，在混合均匀后将材料装填到突出腔体内部，同时保证厚度大概均匀。将压架放置在混合材料上，启动液压加载系统，根据地应力大小来适当调整加载压力，达到加载压力后，维持压力30min后卸压。重复以上工作至铺设完成20cm厚底板岩层；

（4）安装前盖板第二块里层小盖板，拧上螺栓并用加力扳手加固，确保螺栓牢固；

（5）煤样制作与铺设。把煤样粉粹至所需粒径大小，混合一定量的煤焦油并搅拌均匀，迅速装填到突出腔体并用小块铁板把煤样整理至厚度大概均匀，将压架放置在混合材料上，启动液压加载系统，根据地应力大小来适当调整加载压力，达到加载压力后，维持压力30min后卸压。在完成第一层煤的铺设后，在煤层上方沿着长度方向铺设压力盒，然后装填第二层煤样完成第二层煤样的成型；

（6）重复步骤（3）直至完成顶板岩层的铺设；

（7）安装前盖板外层大盖板。用压风机及软毛巾清理前面板的密封槽直至密封槽无任何杂质和异物，将密封圈放入密封槽，用行车及拉伸器完成外层大盖板的安装和固定；

（8）拆下突出口实心法兰，安装爆破片及爆破片夹持法兰，安装过程注意密封垫的安装；

（9）检漏。用空气压缩机注入0.5MPa的气体，用肥皂水检查各连接处的密封性，如果肥皂水显示密封性良好，排尽腔体内空气，打开抽真空系统，待真空表显示-0.1MPa时，关停抽真空系统，并放置12小时，如果真空表指针未返回，表明密封性良好，如果指针返回，表明某处存在漏气情况，注入1.0MPa压力气体后，继续用肥皂水检漏，直至真空表指针不再返回；

（10）打开各类传感器的采集软件，开始采集各类传感器的数据；

（11）注气。通过注气口向腔体内注入CO₂，直至气体达到吸附平衡状态，吸附平衡压力P控制为爆破片的临界压力P_临界-0.1MPa；

（12）继续注气直至腔体内气体压力达到爆破片的临界压力致使爆破片瞬间破裂从而诱导煤与瓦斯突出。