一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置

摘要

本发明公开了一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置，包括密封系统、注水系统、稳压系统以及管线系统；密封系统包括密封圆筒，密封圆筒设置通气口、进水口、卸压口、煤岩试样；注水系统包括手压注水泵；稳压系统包括稳压活塞缸体，稳压活塞缸体上方设置带有稳压秤砣的滑滚秤杆，稳压活塞缸体内部设置稳压活塞，稳压活塞的杆部上端设置托辊，托辊顶住滑滚秤杆，稳压活塞缸体底部设置缸体法兰底座，缸体法兰底座设有进水孔和出水孔。本发明实验装置可用于实验分析煤岩浸润半径对水介质承压大小和浸水时程的响应，为深入研究承压水作用下的煤岩浸润时程特性提供了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置，用于分析煤岩体在承压水作用下的浸润时程特性。

背景技术

煤层坚硬顶板的预裂控制、深部矿井煤岩的高应力卸压转移及动载防治，是我国现代化矿井安全高效开采所要面临的主要技术难题，尤其在厚层坚硬难冒顶板条件下，对煤矿安全生产的影响更为突出。煤岩体作为天然的多孔、裂隙介质，在打钻扰动及成孔后的卸压变形过程中，钻孔壁面围岩孔裂隙发育程度较大，煤岩孔内充水承压水势必浸入孔壁围岩，形成具有一定厚度的孔壁围岩浸水层，导致孔壁围岩传载性能的改变。基于此，提出了改进型的煤岩孔内充水承压爆破控制技术，并取得了显著的现场应用效果。但是，对于该技术的基础理论研究，尤其在煤岩浸水时程特性基础实验准备方面还没有取得长足进展。

目前，承压水作用下的煤岩浸润特性研究尚不多见，现有研究基本围绕静水环境下岩土浸水过程中的裂隙发育、膨胀破坏机理、不同浸水程度下的岩土试样力学特性改变以及煤岩注水降冲原理等问题分别展开研究。因此，针对围岩孔内的充水承压爆破技术机理以及承压水作用下的煤岩浸润时程特性研究，亟需研发一种结构简单、操作便捷、携带方便的煤岩浸润测试装备，为新型爆破试验中的浸水煤岩试样准备以及承压水作用下的煤岩浸润时程特性研究提供条件。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置，为深入研究承压水作用下的煤岩浸润时程特性以及围岩孔内充水承压爆破试验中的试样准备提供条件。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置，包括密封系统、注水系统、稳压系统以及管线系统；

所述密封系统包括密封圆筒，密封圆筒顶部设置通气口，密封圆筒下部设置进水口和卸压口，密封圆筒底部设置圆筒法兰底座，密封圆筒内部设置煤岩试样；

所述注水系统包括手压注水泵；

所述稳压系统包括稳压活塞缸体，稳压活塞缸体上方设置带有稳压秤砣的滑滚秤杆，滑滚秤杆端部与支架通过销轴转动连接，稳压活塞缸体内部设置稳压活塞，稳压活塞的头部向下，稳压活塞的杆部向上穿过稳压活塞缸体的顶端，并且在稳压活塞的杆部上端设置托辊，托辊顶住滑滚秤杆，稳压活塞缸体底部设置缸体法兰底座，缸体法兰底座开设有与稳压活塞缸体内部连通的进水孔和出水孔；

管线系统包括设置在密封圆筒通气口的通气管路、设置在密封圆筒进水口与缸体法兰底座出水孔之间的圆筒进水管路、设置在密封圆筒卸压口的卸压管路以及设置在缸体法兰底座进水孔与手压注水泵之间的注水管路，通气管路设置通气管路截止阀，圆筒进水管路设置单向阀，卸压管路设置卸压管路截止阀，注水管路设置注水管路截止阀。

进一步的，所述密封圆筒上部设置压力表。

进一步的，所述煤岩试样为直径50～100mm、高度100～200mm的圆柱形状，煤岩试样表面沿轴向间隔设置若干条水平的试样分段切缝。

进一步的，所述试样分段切缝为3～7条，试样分段切缝最大深度为10mm。

进一步的，所述支架上端沿竖直方向间隔若干用于安装销轴的高度调节孔。

进一步的，所述滑滚秤杆上刻有压力标尺，稳压秤砣设有可沿滑滚秤杆往复滑动的滑块，滑块与滑滚秤杆通过稳压秤砣固定旋钮固定。

进一步的，所述稳压活塞的头部边缘设置环形槽，环形槽内嵌入环形橡胶圈。

进一步的，所述稳压活塞缸体内壁靠近顶端位置设有限位扣。

进一步的，所述圆筒法兰底座与密封圆筒之间以及缸体法兰底座与稳压活塞缸体之间均设有密封垫片。

进一步的，所述卸压管路连接卸压水槽。

有益效果：本发明实验装置结构简单，可方便用于实验分析煤岩浸润半径对水介质承压大小和浸水时程的响应，为深入研究承压水作用下的煤岩浸润时程特性以及围岩孔内充水承压爆破试验中的试样准备提供了条件。

附图说明

图1是本发明实验装置的整体装配图；

图2是密封圆筒的侧视图；

图3是密封圆筒的俯视图；

图4是圆筒法兰底座的侧视图；

图5是圆筒法兰底座的俯视图；

图6是稳压活塞缸体的侧视图；

图7是稳压活塞缸体的俯视图；

图8是稳压活塞的侧视图；

图9是稳压活塞的俯视图；

图10是缸体法兰底座和支架的侧视图；

图11是缸体法兰底座和支架的俯视图

图12是滑滚秤杆的侧视图；

图13是滑滚秤杆的俯视图。

图中：1-煤岩试样，2-圆筒法兰底座，3-密封垫片，4-密封圆筒，5-螺栓，6-管线系统，7-卸压管路截止阀，8-通气管路截止阀，9-手压注水泵，10-稳压秤砣，11-滑滚秤杆，12-注水管路截止阀，13-稳压活塞缸体，14-稳压活塞，15-单向阀，16-试样分段切缝，17-压力表，18-卸压水槽，19-支架，20-限位扣，21-托辊，22-高度调节孔，23-稳压秤砣固定旋钮，24-压力标尺，25-缸体法兰底座，26-环形橡胶圈。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的一种可调承压水稳压作用下的煤岩体浸润简易实验装置，包括密封系统、注水系统、稳压系统以及管线系统6。

如图2至5所示，所述密封系统包括密封圆筒4，由厚壁钢板无缝焊接而成。密封圆筒4顶部设置通气口。密封圆筒4上部设置压力表17。密封圆筒4下部设置进水口和卸压口。密封圆筒4底部设置圆筒法兰底座2，圆筒法兰底座2与密封圆筒4通过螺栓5连接，并且圆筒法兰底座2与密封圆筒4之间设有密封垫片3，实现密封圆筒4与圆筒法兰底座2之间的密封。密封圆筒4内部设置煤岩试样1，为便于观测不同时程条件下的煤岩浸润半径，所述煤岩试样1为直径50～100mm、高度100～200mm的圆柱形状，煤岩试样1表面沿轴向间隔设置若干条水平的试样分段切缝16，所述试样分段切缝16为3～7条，试样分段切缝16最大深度为10mm。

所述注水系统包括手压注水泵9。

如图6至13所示，所述稳压系统包括稳压活塞缸体13，活塞缸体13是由厚壁钢板无缝焊接而成。稳压活塞缸体13上方设置带有稳压秤砣10的滑滚秤杆11，所述滑滚秤杆11上刻有压力标尺24，稳压秤砣10设有可沿滑滚秤杆11往复滑动的滑块，滑块与滑滚秤杆11通过稳压秤砣固定旋钮23固定。滑滚秤杆11端部与支架19通过销轴转动连接，所述支架19上端沿竖直方向间隔若干用于安装销轴的高度调节孔22，通过选择不同的高度调节孔22，可以方便调整滑滚秤杆11的安装高度。稳压活塞缸体13内部设置稳压活塞14，稳压活塞14的头部向下，稳压活塞14的头部边缘设置环形槽，环形槽内嵌入环形橡胶圈26，用于防止稳压活塞缸体13内承压水的外渗，保持稳压活塞缸体13内水介质处于稳压状态，稳压活塞14的杆部向上穿过稳压活塞缸体13的顶端，并且在稳压活塞14的杆部上端设置托辊21，托辊21顶住滑滚秤杆11，为了限制稳压活塞14上限位移，稳压活塞缸体9内壁靠近顶端位置设有限位扣20。稳压活塞缸体13底部设置缸体法兰底座25，缸体法兰底座25开设有与稳压活塞缸体9内部连通的进水孔和出水孔。

管线系统6包括设置在密封圆筒4通气口的通气管路、设置在密封圆筒4进水口与缸体法兰底座25出水孔之间的圆筒进水管路、设置在密封圆筒4卸压口的卸压管路以及设置在缸体法兰底座25进水孔与手压注水泵9之间的注水管路。

圆筒进水管路设置单向阀15，卸压管路设置卸压管路截止阀7，并且卸压管路连接卸压水槽18，注水管路设置注水管路截止阀12，用于实现密封圆筒4内水介质的注水、增压、稳压和卸压。通气管路设置通气管路截止阀8，用于注水过程中排空密封圆筒4内部空气。

本发明实验装置的操作步骤如下：

1)煤岩试样的准备与安装；调试密封垫片3位置，使密封垫片3螺栓孔与圆筒法兰底座2上的螺栓孔位置对准，将准备好的煤岩试样1置于密封垫片3上并放入密封圆筒4内，旋紧螺栓5固定密封圆筒4、密封垫片3及圆筒法兰底座2，将密封圆筒4封盖；

2)管路连接与空气排放；应先将手压注水泵、稳压活塞缸体以及圆筒之间的管路连通，并检测管路是否存在渗水卸压现象，及时更换老化或不合格的管路。然后，关闭卸压管路上的卸压管路截止阀7，打开通气管路上的通气管路截止阀8，通过手压注水泵9开始手压注水直至通气管路有持续水流溢出，说明密封圆筒4和内的空气已排尽，此时关闭通气管路上通气管路截止阀8；

3)注水加压与截流稳压；需根据实验压力要求预先将稳压秤砣10固定在滑滚秤杆11上的压力标定位置，待密封圆筒4内的空气排尽后，继续注水增压，此时稳压活塞14开始上移，托辊21托起滑滚秤杆11自由滑动，待滑滚秤杆11接近水平位置时，停止注水，并关闭注水管路上的注水管路截止阀12，封闭系统。随后通过调节稳压秤砣10在滑滚秤杆11上的压力标定位置实现系统内承压水的恒压伺服调控，密封圆筒4内承压水微量流失或者压力降低时，在稳压秤砣10的伺服调节作用下，稳压活塞缸体13内的承压水向圆筒4内单向补压，保证煤岩试样浸润实验过程处于稳压状态。

4)煤岩试样浸润满足规定时程后，缓慢开启卸压管路的卸压管截止阀7进行排水卸压，打开密封圆筒4，取出煤岩试样1，沿煤岩试样1第一条试样分段切缝16位置破断块体，得到对应时程下的第一分段煤岩浸润试样，观测记录该分段试样断面上的浸润线分布特征，将其余部分煤岩试样1重新装入密封圆筒4内，再次注水增压至恒定实验压力，继续实验。重复上述煤岩浸润实验步骤，可以得到煤岩试样1浸润半径对水介质承压和浸水时程的响应关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。