一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统和方法

摘要

本发明公开了一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统，包括实验装置和监测装置；实验装置包括充气装置、应力加卸载装置、渗流解吸装置和瓦斯抽采装置；充气装置包括瓦斯气瓶、手动阀门、减压阀和气动阀；渗流解吸装置包括煤样仓，应力加卸载装置包括加载泵、加载油缸、活塞杆和加载板；瓦斯抽采装置包括气动阀、截止阀和抽采泵；煤样仓呈空腔结构，煤样仓上设置有进气口和出气口，瓦斯气瓶通过气体管道连通煤样仓的进气口，气体管道上依次设置有手动阀门、减压阀和气动阀；煤样仓的出气口通过输气管道连通连接瓦斯抽采装置中的抽采泵。用来模拟煤体在不同应力环境下的应变和受载过程中的破坏特征，煤体在不同条件下的吸附解吸渗流情况。

说明书

技术领域

本发明属于煤层气、煤矿瓦斯开发利用技术领域，具体属于一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统和方法。

背景技术

随着我国煤矿开采深度的逐渐增加，煤层瓦斯压力和瓦斯含量都明显增大，再加上我国大部分地区的煤层透气性较低，煤矿的瓦斯抽采难度会越来越大，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸事故频发。为了提高瓦斯抽采效率，保障煤矿安全高效生产作业，需要更准确掌握受载含瓦斯煤体的解析渗流规律。

目前，大多数学者研发的实验装置对于研究煤体在不同应力环境下的应变和受载过程中的破坏特征以及煤体在不同条件下瓦斯的吸附—解吸—渗流情况时，不能够对煤体所处的原始瓦斯赋存环境，煤体所受到的不同应力环境进行综合考虑，并且对煤体在加卸载过程中的应力应变及瓦斯渗流解吸情况缺乏比较系统的监测和研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统和方法，用来模拟煤体在不同应力环境下的应变和受载过程中的破坏特征，以及煤体以及煤体在不同条件下瓦斯的吸附—解吸—渗流情况。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统，包括实验装置和监测装置；

所述实验装置包括充气装置、应力加卸载装置、渗流解吸装置和瓦斯抽采装置；

所述充气装置包括瓦斯气瓶、手动阀门、减压阀和气动阀；所述渗流解吸装置包括煤样仓，所述应力加卸载装置包括加载泵、加载油缸、活塞杆和加载板；所述瓦斯抽采装置包括气动阀、截止阀和抽采泵；

所述煤样仓呈空腔结构，所述煤样仓上设置有进气口和出气口，所述瓦斯气瓶通过气体管道连通煤样仓的进气口，所述气体管道上依次设置有手动阀门、减压阀和气动阀；所述煤样仓的出气口通过输气管道连通连接瓦斯抽采装置中的抽采泵，所述输气管道上沿气流方向依次设置有气动阀和截止阀；

所述加载油缸设置在煤样仓的外侧壁上进行密封连接，所述加载泵连接加载油缸的内腔，所述加载油缸的内腔设置有活塞杆，所述活塞杆的端部设置有加载板，所述加载板与煤样仓的侧壁进行密封连接；

所述监测系统包括非接触全场应变测量装置、声发射监测装置和多参测控装置；

所述声发射监测装置包括声发射探头和声发射放大器；多参测控装置包括第一压力表、第一流量传感器、数据采集仪、压力表和监控主机；

所述第一流量传感器和第一压力表设置在瓦斯气瓶的气体管道上，第一流量传感器和第一压力表的输出端连接数据采集仪的输入端；所述声发射探头设置在煤样仓的侧壁上，所述声发射探头的输出端连接声发射放大器的输入端，所述声发射放大器的输出端连接数据采集仪的输入端，所述数据采集仪的输出端连接监控主机；

所述非接触全场应变测量装置设置在煤样仓出气口的外侧，非接触全场应变测量装置的输出端连接监控主机。

优选的，所述充气装置还包括减压阀、截止阀和缓冲罐，所述缓冲罐和瓦斯气瓶的出气口通过输气管路进行连接，所述输气管路上依次设置有减压阀、截止阀；缓冲罐的另一端与煤样仓的内腔相连接。

优选的，所述煤样仓采用锻件加工，所述煤样仓的上端设置有可拆卸的上端盖，所述上端盖上设置有加载油缸。

优选的，所述煤样仓的进气口和出气口的侧壁上设置有工放射型槽。

优选的，所述煤样仓的出气口与抽采泵之间的输气管道上设置有第二压力表和第二流量传感器，所述第二压力表和第二流量传感器连接数据采集仪的输入端。

优选的，所述抽采泵为程控可调抽采泵。

优选的，所述煤样仓的内部空腔呈矩形结构，所述矩形空腔的四个侧壁上均设置有声发射探头，所述声发射探头与煤样紧密接触。

优选的，所述煤样仓中的声发射探头呈交叉布置。

一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验方法，基于上述任意一项所述一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统，包括以下步骤，

步骤1，将煤体预制成盛放在煤样仓的煤样，打开煤样仓出气口的侧面板，将预制的煤样放入煤样仓后，将侧面板安装至煤样仓侧面，并进行密封处理；启动加载泵，使加载板紧贴煤样上表面，然后关闭加载泵；

步骤2，打开瓦斯气瓶的阀门，给煤样仓中充入瓦斯气体，使煤样处于符合实验条件的瓦斯赋存状态中，充气结束后，关闭手动阀门；

步骤3，再次启动加载泵，对煤样施加压力，同时抽采泵将煤样仓中的瓦斯气体抽出，模拟对煤层瓦斯的抽采效果；声发射探头记录煤样在压力作用下的内部损伤数据，并经过声发射放大器将内部损伤数据传输至数据采集仪中；应力加载结束后，关闭加载泵；

步骤4，抽采泵继续对煤样仓和连接管路中的瓦斯进行抽吸，瓦斯抽吸结束后，打开煤样仓出气口侧面板，非接触全场应变测量装置对煤样仓中煤体应变进行测量；

步骤5，数据采集仪对第一压力表、第一流量传感器、加载泵、煤样仓的数据进行监测记录，并上传至监控主机；

步骤6，实验结束后，启动加载泵，将加载板恢复至原位，打开煤样仓，取出煤样，并清理煤样仓中的残煤。

优选的，步骤2中，打开瓦斯气瓶的阀门，高压瓦斯气体流经减压阀和截止阀，进入缓冲罐中；待缓冲罐中冲入一定压力的瓦斯气体后，关闭瓦斯气瓶的阀门，打开手动阀门，给煤样仓中充入瓦斯气体，使煤样处于符合实验条件的瓦斯赋存状态中，充气结束后，关闭手动阀门。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统，其加卸载装置可模拟煤体所处的不同应力环境；抽采装置可模拟煤体在不同抽采负压作用下的渗流解吸；非接触全场应变测量系统可对侧面开口实验煤壁的应变场进行测量；声发射监测系统可对煤体受载过程破坏特征进行实时监测；多参测控装置可实时监测和控制实验过程应力应变、抽采负压、声发射信号和气体压力流量等参数；充气装置可模拟煤体不同瓦斯赋存状态；煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置可实现瓦斯由点扩散转为面扩散的过程，保证煤体瓦斯均匀吸附，还原煤体瓦斯的实际渗流状态。

本发明的一种分级加卸载煤体“应力-破坏-渗流”多场耦合动态特性实验系统，由可模拟煤体所处的不同应力环境加卸载装置，可模拟煤体在不同抽采负压作用下的渗流解吸抽采装置以及采集煤体应力应变和瓦斯流量、气体压力等参数的数据采集装置组成，能够实时监测到煤样应力以及形变量，监测瓦斯气体压力、流量等监测数据。本发明通过对煤体施加不同的应力，并且对煤样所处的瓦斯条件进行调节，更加真实地模拟含瓦斯煤体在地下的所处的不同环境，对更准确掌握含瓦斯煤体渗流影响的机理和实验研究有重要的意义。

进一步的，通过设置缓冲罐，待缓冲罐中的瓦斯气体达到一定压力后，再经过减压阀和气动阀的调节进入煤样仓中，使得输出气体压力更稳定，扩大了实验压力范围。

进一步的，通过将煤样仓采用锻件加工，加工方便，且上端盖可拆卸，方便在上端盖上方安装加载油缸，加载油缸下端安装加载板，可以对煤样仓中的煤样施加进行分级加卸载，模拟煤层中煤样受到的不同的应力作用。

进一步的，通过在煤样仓的进气口和出气口的侧壁上加工放射型槽，实现瓦斯气体由点扩散转为面扩散的过程，更加真实地模拟了煤样所处的环境条件。

进一步的，通过在煤样仓的四个侧面各布置一个声发射探头，声发射探头与煤样紧密接触，四个孔呈交叉布置方式，这样可以对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤情况。

进一步的，通过在瓦斯抽采过程中使用程控可调抽采泵，抽采负压可以进行调节，能够更好地模拟煤体内瓦斯的渗流解吸过程，并可使用监控主机对程控可调抽采泵进行远程操控。

附图说明

图1为本发明一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例煤样仓侧板端面上放射型槽示意图；

图3为本发明实施例煤样仓声发射传感器布置孔示意图；

附图中：11-1：瓦斯气瓶；11-2：减压阀；11-3：截止阀；11-4：缓冲罐；11-5：手动阀门；11-6：减压阀；11-7：气动阀；12-1：加载泵；12-2：加载油缸；12-3：活塞杆；12-4：加载板；13-1：煤样仓；13-2：放射型槽；14-1：气动阀；14-2：截止阀；14-3：程控可调抽采泵；21：非接触全场应变测量装置；22-1：声发射探头；22-2：声发射放大器；23-1：第一压力表；23-2：第一流量传感器；23-3：数据采集仪；23-4：第二压力表；23-5：第二流量传感器；23-6：监控主机。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的一种分级加卸载煤体“应力-破坏-渗流”多场耦合动态特性实验系统，其加卸载装置可模拟煤体所处的不同应力环境；抽采装置可模拟煤体在不同抽采负压作用下的渗流解吸；非接触全场应变测量系统可对侧面开口实验煤壁的应变场进行测量；声发射监测系统可对煤体受载过程破坏特征进行实时监测；多参测控装置可实时监测和控制实验过程应力应变、抽采负压、声发射信号和气体压力流量等参数；充气装置可模拟煤体不同瓦斯赋存状态；煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置可实现瓦斯由点扩散转为面扩散的过程，保证煤体瓦斯均匀吸附，还原煤体瓦斯的实际渗流状态。

采用本发明的一种分级加卸载煤体多场耦合动态特性实验系统可以完成以下基础研究实验：1、不同粒度松散破碎煤体瓦斯解吸规律；2、卸压煤壁/顶煤瓦斯涌出规律模拟实验；3、原始煤体抽采条件下瓦斯渗流解吸规律；4、突出煤体受载失稳全过程瓦斯解吸渗流规律；5、煤体层理节理结构和物理力学性质对瓦斯渗流解吸的影响规律；6、应力环境、采掘扰动、抽采作用等对煤体瓦斯渗流解吸的影响规律。

本发明通过对煤体施加不同的应力，并且对煤样所处的瓦斯条件和渗流解吸条件进行调节，更加真实地模拟含瓦斯煤体在地下的所处的不同环境，对更准确掌握含瓦斯煤体渗流影响的机理和实验研究有重要的意义。

实施例

如图1所示，本实施例中一种分级加卸载煤体“应力-破坏-渗流”多场耦合动态特性实验系统，包括实验系统和监测系统，所述实验装置包括充气装置、应力加卸载装置、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采装置，所述监测系统包括非接触全场应变测量装置21、声发射监测装置、多参测控装置；其中：

所述充气装置包括瓦斯气瓶11-1、减压阀11-2、截止阀11-3、缓冲罐11-4、手动阀门11-5、减压阀11-6和气动阀11-7；应力加卸载装置包括加载泵12-1、加载油缸12-2、活塞杆12-3和加载板12-4；煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置包括煤样仓13-1和进气、出气的侧板端面加工的放射型槽13-2；瓦斯抽采装置包括气动阀14-1、截止阀14-2和程控可调抽采泵14-3。

所述声发射监测装置包括声发射探头22-1和声发射放大器22-2；多参测控装置包括压力表23-1、流量传感器23-2、数据采集仪23-3、压力表23-4、流量传感器23-5和监控主机23-6；

使用状态时，瓦斯气瓶11-1中的高压瓦斯气体流经减压阀11-2和截止阀11-3进入缓冲罐11-4，待缓冲罐11-4中的瓦斯气体达到一定压力后，关掉瓦斯气瓶11-1的阀门。

打开手动阀门11-5，缓冲罐11-4中的瓦斯气体流经减压阀11-6、流量传感器23-2和气动阀11-7进入煤样仓13-1，使得煤样仓13-1中的煤体处于符合实验条件的瓦斯赋存状态。

加载泵12-1启动后，加载油缸12-2通过活塞杆12-3和加载板12-4对煤样仓13-1中的煤体施加压力，这时安装在煤样仓13-1四个侧面的声发射探头22-1对煤样的内部损伤情况进行记录，经过声发射放大器22-2上传至数据采集仪23-3；同时在程控可调抽采泵14-3的作用下将煤样仓13-1中的瓦斯气体抽出，模拟对煤层瓦斯的抽采效果。

在实验全程，数据采集仪23-3对安装在缓冲罐11-4上的压力表23-1、流量传感器23-2、加载泵12-1、煤样仓13-1和气动阀14-1之间的压力表23-4、流量传感器23-5上的数据进行采集记录。程控可调抽采泵14-3对煤样仓13-1和连接管路中的瓦斯进行抽吸结束后，打开煤样仓13-1出气口侧面板，非接触全场应变测量系统21对煤样仓13-1中煤体应变进行测量。监控主机23-6对数据采集仪23-3和非接触全场应变测量装置21的数据进行分析和处理。

瓦斯气瓶11-1中的高压瓦斯气体经过减压阀11-2和截止阀11-3后先进入缓冲罐11-4。待缓冲罐11-4中的瓦斯气体达到一定压力后，再经过减压阀11-6和气动阀11-7的调节进入煤样仓13-1中，通过采用上述气体调压装置，使得输出气体压力更稳定，扩大了实验压力范围。

煤样仓13-1采用锻件加工，上端盖可拆卸，在上端盖上方安装加载油缸12-2，加载油缸12-2下端安装加载板12-4，可以对煤样仓13-1中的煤样施加进行分级加卸载，模拟煤层中煤样受到的不同的应力作用。

煤样仓13-1的进气、出气的侧板端面加工放射型槽13-2，实现瓦斯气体由点扩散转为面扩散的过程，更加真实地模拟了煤样所处的环境条件。

煤样仓13-1出气口侧一面为可拆卸开口，用于非接触全场应变测量装置21对受载煤壁表面应变的测量。

在煤样仓13-1四个侧面各布置一个声发射探头22-1，声发射探头22-1与煤样紧密接触，四个孔呈交叉布置方式。可以对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤情况。

煤样仓13-1中的瓦斯气体使用程控可调抽采泵14-3，抽采负压可以进行调节，能够更好地模拟煤体内瓦斯的渗流解吸过程，并可使用监控主机23-6对程控可调抽采泵14-3进行远程操控。

一种分级加卸载煤体“应力-破坏-渗流”多场耦合动态特性实验方法，包括以下步骤：

第一步，组装实验系统，保证各装置的连接处处于密封状态，不漏气，手动阀门11-5处于关闭状态；

第二步，选择符合实验条件的煤体预制成适合盛放在煤样仓13-1的型煤，打开煤样仓13-1出气口的侧面板，将预制的煤样放入煤样仓13-1后，将侧面板安装至煤样仓13-1侧面，并进行密封处理。启动加载泵12-1，使加载板12-4紧贴煤样上表面，然后关闭加载泵12-1；

第三步，打开瓦斯气瓶11-1的阀门，高压瓦斯气体流经减压阀11-2和截止阀11-3，进入缓冲罐11-4中。待缓冲罐11-4中冲入一定压力的瓦斯气体后，关闭瓦斯气瓶11-1的阀门，打开手动阀门11-5，给煤样仓13-1中充入瓦斯气体，使煤样处于符合实验条件的瓦斯赋存状态中，充气结束后，关闭手动阀门11-5；

第四步，再次启动加载泵12-1，对煤样施加一定的压力，同时在程控可调抽采泵14-3的作用下将煤样仓13-1中的瓦斯气体抽出，模拟对煤层瓦斯的抽采效果。在此过程中，声发射探头22-1记录煤样在压力作用下的内部损伤情况，并经过声发射放大器22-2上传数据采集仪23-3中。应力加载结束后，关闭加载泵12-1。

第五步，程控可调抽采泵14-3继续对煤样仓13-1和连接管路中的瓦斯进行抽吸，瓦斯抽吸结束后，打开煤样仓13-1出气口侧面板，非接触全场应变测量装置21对煤样仓13-1中煤体应变进行测量。

第六步，实验全程，数据采集仪23-3对安装在缓冲罐上的压力表23-1、流量传感器23-2、加载泵12-1、煤样仓13-1和气动阀14-1之间压力表23-4、流量传感器23-5的数据进行监测记录，并上传至监控主机23-6。

第七步，实验结束后，启动加载泵12-1，将加载板12-4恢复至原位，打开煤样仓13-1，取出煤样，并清理煤样仓13-1中的残煤；打开手动阀门11-5，将缓冲罐11-4中的瓦斯气体放出。

如图2所示，图2为煤样仓13-1侧板端面上放射型槽13-2示意图，煤样仓13-1的侧面板尺寸为200mm×200mm×200mm，耐压20Mp，由不锈钢材质锻件加工而成。在煤样仓13-1左右进出气口的侧面板都加工了放射型槽13-2，槽线为同心圆，间距为15mm，槽深0.5mm。瓦斯气体由左侧面板进入煤样仓13-1和由右侧面板流出煤样仓13-1时，首先在槽线中扩散，实现了瓦斯气体由点扩散转为面扩散的过程，更加真实地模拟了煤样所处的环境条件，煤样仓13-1的侧面板是在平面板上以同心圆的方式刻制凹槽，还有两条斜对称的凹槽是用来沟通同心圆凹槽的，所有的凹槽槽深相同，都在同一个平面上边。

如图3所示，图3为煤样仓13-1中声发射传感器布置孔示意图，为了实现在煤样加载过程中对煤样在各个方向上不同位置的破坏进行精准监测，在煤样仓13-1四个侧面各布置一个声发射传感器布置孔，每个面的布置孔位置呈交叉布置，实现了传感器与煤样的紧密接触。可以对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤情况。