一种高压矿井水-岩（煤）耦合作用的试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种高压矿井水‑岩（煤）耦合作用的试验装置及方法，属于矿井安全和压力监测技术领域。本发明包括水压监测系统、水压加载装置和压力罐体。实验时，首先将试样岩（煤）样放置在压力罐体内，打开出水口处球阀与进水口处球阀，控制加压泵将不同水质的矿井水溶液注入到罐体中，等出水口有水流出时关闭出水口处球阀，继续加压待数值达到试验压力时，关闭进水处球阀。直至岩（煤）样耦合作用时间达到试验要求时，打开出水口球阀泄压后取出试验岩（煤）样，进行后续测试。本发明能够模拟矿井开采后煤岩体受到的高压矿井水环境，结合岩石力学物理力学实验与结构稳定性分析，对评价矿井留设的煤柱煤柱在矿井水长时间浸泡作用下失稳破坏机理具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压矿井水-岩（煤）耦合作用的试验装置及方法，属于矿井安全和压力监测技术领域。

背景技术

目前，煤矿采空区突水水害事故时有发生，采空区突水具有突发性、初始水量大、危害性高防治难度大的特点，而防隔水煤柱作为抑制突水的唯一介质，一旦采空区积水突破防水煤柱就会造成严重的水害事故，其安全稳定性尤为重要。防水煤柱不仅要受到围岩应力、构造以及采动扰动的影响，而且还要受到采空区高压、酸性矿井水对煤柱产生的浸水弱化作用。水岩耦合作用下岩体的强度弱化破坏以及稳定性已成为科研与工程领域共同关注的问题。

但是，现有室内试验在完成水岩（煤）耦合作用下岩样强度力学破坏试验研究时，没有考虑水岩（煤）耦合作用时水质与耦合作用时间对试验的影响，已致不能全面的掌握高压、酸性矿井水与岩（煤）样水长时间耦合作用下岩石强度的软化破坏规律（例如，中国专利106404519 A公开了一种用于岩石冲击-静力-水力耦合劈裂拉伸试验装置及实验方法）。为更好的研究高压力、酸性矿井水水环境对煤岩强度所产生的弱化规律，亟需一种新型的高压矿井水-岩（煤）耦合作用的试验装置和方法来开展相应的基础理论研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种高压矿井水-岩（煤）耦合作用的试验装置及方法，能够模拟矿井开采后煤岩体受到的高压、酸性矿井水环境对岩（煤）的侵蚀、弱化过程，结合岩石力学物理力学实验与结构稳定性分析，对评价矿井留设的煤柱煤柱在矿井水长时间浸泡作用下失稳破坏机理具有指导意义。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种高压矿井水-岩耦合作用的试验装置，包括水压加载装置、压力罐体和压力监测系统；所述的水压加载装置包括加压泵和软管，加压泵包括与加压泵输入端连接的水箱，软管上装有控制水流向压力罐体单向流动的单向阀，所述软管的一端连接所述压泵的输出端，软管的另一端连接压力球阀；所述的压力罐体包括用于放置煤岩试件的罐体主体，罐体主体上端装有法兰盘以及与法兰盘以可拆方式密封连接的法兰盘盲板，法兰盘盲板上设置有出水口、压力表接口和安全阀接口，所述出水口连接有排气球阀，所述罐体主体的侧部设有进水口，进水口上安装所述压力球阀；

所述压力监测系统包括智能压力记录仪、计算机和安全阀，所述智能压力记录仪连接在所述压力表接口上，智能压力记录仪与计算机连接，所述安全阀连接在所述安全阀接口上。

进一步，所述法兰盘与法兰盘盲板之间通过多个固定螺母连接固定，法兰盘与法兰盘盲板之间装有密封胶垫。

进一步，所述加压泵是手动加压泵。

进一步，所述罐体主体下端装有多个万向轮。

进一步，所述罐体主体是直径为320mm、高350mm的圆柱体，罐体主体由厚度为2.5mm的钢板制成，罐体主体底部采用相同厚度的圆形钢板密封焊接，所述法兰盘焊接在罐体主体顶部，法兰盘内径与罐体直径相同。

进一步，所述进水口、出水口、压力表接口和安全阀接口均为直径20mm的圆管接头。

一种利用所述高压矿井水-岩耦合作用的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤1、将煤岩试件摆放在压力罐体的罐体主体内，然后采用固定螺母将法兰盘与法兰盘盲板连接固定，形成密封罐体空间；

步骤2、打开压力罐体出水口处的排气球阀与进水口处的压力球阀，控制加压泵向罐体主体内注水加压，待出水口处有水流出时，关闭出水口处的排气球阀，加压泵继续加压直到智能压力记录仪上显示压力达到试验要求时关闭进水口处的压力球阀；

步骤3、等水岩耦合作用时间达到试验要求时，打开压力罐体出水口处的排气球阀对压力罐体内压力泄压，打开固定螺母取出煤岩试件；

步骤4，将长时间矿井水-岩耦合作用处理后的煤岩试件进行岩石力学测试。

进一步，所述加压泵采用手动加压泵，最大施加压力为6MPa，通过手动按压加压泵的压杆进行加压。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明三个重点部分有如下优点：

（1）加压系统，能实现高压矿井水对煤岩体的强度的软化过程，实现实验罐体内压力的施加以及泄压的功能，通过加压系统对实验罐体内注水从而达到加压的目的，通过打开排气降压装置实现罐体内降压的目的。当罐体内压力达到实验压力后通过关闭各个装置使罐体处于密封状态从而使罐体内压力维持稳定不变。

（2）压力罐体，能够进行试样水岩（煤）耦合作用的模拟，以便后续对试样进行各种测试。压力罐体不仅承受高水压的压力作用，还能保持密封使罐体内压力稳定，处在于可接受范围之内。同时，罐体还能实现试样的方便拿取。

（3）压力监测系统，能够对罐体内压力进行实时监测，进而对罐体内压力值进行调整。采用具有自动存储功能的压力传感器，并用测压管进行校正。

总体来说，本发明能够很好的模拟矿井开采后煤岩体受到的高压、酸性矿井水环境对岩（煤）的侵蚀、弱化过程，结合岩石力学物理力学实验与结构稳定性分析，对评价矿井留设的煤柱在矿井水长时间浸泡作用下失稳破坏机理具有指导意义。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明压力罐体俯视图；

图3为本发明压力罐体结构示意图；

图4为采用本发明试验装置进行的压力稳定性测试的一种实施例的压力-时间曲线图。

图中：1、加压泵 ；1-1、水箱；2、安全阀；3、智能压力记录仪；4、罐体主体；5、压力球阀；6、单向阀；7、万向轮；8、固定螺母；9、煤岩试件；10、排气球阀；11、软管；12、计算机；13、法兰盘；14、进水口；15、出水口；16、压力表接口；17、安全阀接口；18、法兰盘盲板；19、密封胶垫。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于本领域技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

如图1-图3所示的一种高压矿井水-岩煤耦合作用的试验装置，包括水压加载装置、压力罐体和压力监测系统；所述的水压加载装置包括加压泵1和软管11，加压泵1包括与加压泵1输入端连接的水箱1-1，加压泵1主要功能是为罐体提供压力。软管11上装有控制水流向压力罐体单向流动的单向阀6，单向阀6主要功能是实现水流的单向流动，在后续加压过程中防止罐体内压力大于加压泵所施加的压力值时罐体内水回流至加压泵水箱中导致罐体内压力骤降。所述软管11的一端连接所述压泵1的输出端，软管11的另一端连接压力球阀5，压力球阀5主要作用是加压过程结束后密封罐体，保持压力稳定，起密封作用；所述压力罐体主要进行高压矿井水水-岩（煤）耦合作用对煤岩体强度软化规律的实验，所述的压力罐体包括用于放置煤岩试件9的罐体主体4，罐体主体4上端装有法兰盘13以及与法兰盘13以可拆方式密封连接的法兰盘盲板18，法兰盘盲板18上设置有出水口15、压力表接口16和安全阀接口17，所述出水口15连接有排气球阀10，排气球阀10主要功能是加压泵对压力罐体加压是排出罐体内的气体，在实验结束时对罐体进行泄压；所述罐体主体4的侧部设有进水口14，进水口14上安装所述压力球阀5。

所述压力监测系统包括智能压力记录仪3、计算机12和安全阀2，所述智能压力记录仪3连接在所述压力表接口16上，智能压力记录仪3与计算机12连接，实时显示罐体内压力，并记录压力的变化；所述安全阀2连接在所述安全阀接口17上，安全阀2主要功能是当罐体内压力过大主动泄压防止压力过大而对实验人员造成危险。

进一步，所述法兰盘13与法兰盘盲板18之间通过多个固定螺母8连接固定，法兰盘13与法兰盘盲板18之间装有密封胶垫19。

进一步，所述加压泵1是手动加压泵。

进一步，所述罐体主体4下端装有多个万向轮7，便于罐体移动。

进一步，所述罐体主体4是直径为320mm、高350mm的圆柱体，罐体主体4由厚度为2.5mm的钢板制成，罐体主体4底部采用相同厚度的圆形钢板密封焊接，所述法兰盘13焊接在罐体主体4顶部，法兰盘13内径与罐体直径相同。

进一步，所述进水口14、出水口15、压力表接口16和安全阀接口17均为直径20mm的圆管接头。

一种利用所述高压矿井水-岩煤耦合作用的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤1、将煤岩试件9摆放在压力罐体的罐体主体4内，然后采用固定螺母8将法兰盘13与法兰盘盲板18连接固定，形成密封罐体空间；

步骤2、打开压力罐体出水口15处的排气球阀10与进水口14处的压力球阀5，控制加压泵1向罐体主体4内注水加压，待出水口15处有水流出时，关闭出水口15处的排气球阀10，加压泵1继续加压直到智能压力记录仪3上显示压力达到试验要求时关闭进水口14处的压力球阀5；

步骤3、等水岩耦合作用时间达到试验要求时，打开压力罐体出水口15处的排气球阀10对压力罐体内压力泄压，打开固定螺母8取出煤岩试件9；

步骤4，将长时间矿井水-岩煤耦合作用处理后的煤岩试件9进行岩石力学测试。

进一步，所述加压泵1采用手动加压泵，最大施加压力为6MPa，一般在1 MPa左右，通过手动按压加压泵1的压杆进行加压。

一种实施例为：

1.压力监测系统

压力表选用具有自动存储功能的HTS-500型智能压力表，可在电脑上显示压力变化曲线，压力表量程为0-6MPa，仪表显示面板的主显示屏可实时显示实验装置内压力，自动存储，读数可精确到小数点后三位；安全阀采用CE认证的黄铜安全阀，安全阀的量程为0-1.6MPa，即当罐体压力大于安全值1.6MPa时安全阀自动泄压从而降低罐体内压力。

2.压力罐体

压力罐体是直径320mm、高350mm的圆柱体，柱体由厚度为2.5mm厚的钢板制成，底部采用相同厚度的圆形钢板密封焊接，顶部焊接内径与罐体直径相同的法兰盘，通过12个螺母与盲板固定，并加垫橡胶密封垫密封，以便在实验过程中承受较大水压力的同时保持密封状态。罐体左侧设置一个直径为20mm的进水口与压力球阀连接后通过高压软管与加压泵连接；法兰盘盲板上设置有3个直径20mm的开口分别连接安全阀、智能压力记录仪和排气球阀。

3.加压系统

加压装置采用手动加压泵，最大可施加6MPa的压力。通过手动按压加压泵上的压力杆对罐体被注水从而达到加压目的。出水口处的排气球阀在打开状态下不仅可以在加压过程中排出装置中的气体外还能在实验结束后罐体进行排水降压。安装在软管上的单向阀起到压力单行传递的作用防止罐体内压力过大导致水体回流至手动加压泵的水箱中。

利用上述高压矿井水-岩（煤）耦合作用的试验装置进行试验的方法，具体操作步骤：

步骤1，将煤样试件摆放在压力罐体内，放置密封胶垫后用固定螺母将法兰盘盲板与法兰盘连接固定。

步骤2，打开出水口处排气球阀10与进水口处压力球阀5，手动按压加压泵压杆，控制加压泵将水溶液注入到罐体中，待出水口处有水流出时，关闭出水口处排气球阀10，继续加压等智能压力记录仪上仪表盘显示压力达到试验要求是关闭进水口处压力球阀5。

步骤3，等水岩耦合作用时间达到试验要求时间时，打开出水口处球阀对压力罐体内压力泄压，打开固定螺母取出煤岩试件。

步骤4，将长时间矿井水-岩（煤）耦合作用处理后的试验试件进行岩石力学测试。

按照实验装置操作流程进行为期为7天的压力稳定性测试测试，根据图4所示的压力-时间曲线图可以看出，压力由最初的1.0MPa很快降低至0.9MPa左右，降至0.9MPa时压力基本保持稳定但任有小幅度增减，压力降低幅度在0.2MPa左右，可见该装置整体密封性较好，基本可以满足实验要求。从图中还能看出压力除了有减小的趋势还有小幅度增长趋势，分析原因可能是受到环境温度的影响，随着环境温度的增减，罐体内压力也相应的出现微弱的增减。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。