[發明專利]卸壓構造煤固-流轉化參數實驗測定裝置及方法

有效

• 申請號: 201110097059.3
• 申請日: 2011-04-19
• 公開（公告）號: CN102252957A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 王利;廖明成;陳亞娟;常旭;王云飛;王正一;毛元春
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00;G01N15/08;G01N9/02;G01N1/28
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技術領域

本發明涉及煤礦地下開采煤與瓦斯突出預測領域，特別是涉及煤與瓦斯突出模擬試驗參數的測定。

背景技術

構造煤是一種在壓性、壓扭性、剪切構造應力作用下形成的塑性剪切流變體，在未受到采動或地震等外界擾動的條件下，作為一種含能材料被圍巖和構造應力封存。在卸壓時，即轉化為氣-固兩相流體，透過煤層向工作面溢出或滲出，壓力較高時沖破前方阻擋的煤體，形成煤與瓦斯突出，給礦山生產和礦工生命帶來重大危害。就卸壓機制而言，基本可分為兩種，一種是開挖引起的側向卸壓，另一種是開采擾動如采動應力、爆破振動引起的深部卸壓。

近些年來，針對側向卸壓引起的煤與瓦斯突出，陸續開展了一些物理模擬試驗和數值試驗。物理模擬試驗分為一維的激波管試驗和三維試驗臺模擬試驗。前者是在激波管內壓制含瓦斯煤，并用鋁箔密封，然后迅速啟膜使構造煤與外界大氣相通，從而形成瓦斯卸壓，瓦斯在卸壓面解析并向空氣逸散，同時卸壓面沿激波管向深部煤層傳播，形成持續煤與瓦斯突出。三維試驗臺模擬是在一個槽形容器內壓制含瓦斯構造煤，將容器密封并沖入高壓瓦斯，在容器上部向構造煤施加壓力，然后打開設置在容器一側的預留開口裝置，這樣在上部壓力驅動下，煤與瓦斯從預留開口處突出。可以說兩種試驗裝置都在某種程度上反映了煤與瓦斯突出的物理過程，對提高煤與瓦斯的預測水平起到很好的作用。基于以上物理模型，現在煤與瓦斯突出的數值模擬實際上是一個流-固耦合模型，即煤體損傷、斷裂的演化過程中耦合了瓦斯的壓力作用——從全場滲流平均場的角度，研究煤與瓦斯的相互作用：煤體從均勻分布的微損傷，經過損傷局部化，最后串級長大形成宏觀大斷裂，導致瓦斯滲流向斷裂帶的局部集中，形成高壓區，推動煤體突出。上述模型屬于側向卸壓，可以解釋采掘工作面附近的小規模煤體破壞、瓦斯溢出，其動力現象的劇烈程度較弱，還不能稱為突出。

所謂深部卸壓是指卸壓非直接開挖引起，而是由于煤層頂板斷裂引起的應力擾動、爆破震動在遠離開挖自由面引起的卸壓機制。這種卸壓機制常發生在距離采掘工作面一定距離的煤層深部和石門揭煤工程。煤層突然卸壓導致卸壓空腔產生，構造煤將由高壓固態向兩相流體(煤顆粒+瓦斯氣體)轉化，空腔內流體積聚、壓力增大、對外膨脹做功，推動煤體向工作面拋出，從而形成煤與瓦斯突出。這種突出的形成過程比較隱蔽，突出強度往往很大，因此它所造成的危害比第一種卸壓機制(工作面側向卸壓)引起的煤與瓦斯溢出(傾出)大得多。

發明內容

本發明是專門針對深部卸壓引起的煤與瓦斯突出提出的，專門用于測定深部卸壓空腔內構造煤由固體向兩相流體轉化過程的各種狀態參數，如流體壓力、溫度、轉化陣面傳播速度等，從而為認識深部卸壓引起的煤與瓦斯突出的形成過程、突出強度評價和數值模擬提供基礎性數據和物理模型。

本發明的卸壓構造煤固-流轉化參數實驗測定裝置，包括煤樣室、加卸壓裝置、氣壓加載設備、數據采集系統、固定支撐系統。所述煤樣室由鋼筒制成，鋼筒兩端分別設置有底封蓋和頂封蓋通過螺栓與鋼筒連接。底封蓋設置有中心孔道與所述氣壓加載設備連接。頂封蓋設置有三個行星孔道，繞中心呈120°間隔排列，供壓力傳遞桿穿過。所述加卸壓裝置由壓力封堵蓋、壓力傳遞桿、壓力承臺、壓力墊板、活塞和壓力缸組成。所述數據采集系統由鑲嵌在鋼筒壁和壓力封堵蓋上的傳感器、電纜、數據采集器和計算機組成。所述固定支撐系統由反力架和支撐架組成。

進一步，壓力傳遞桿一端與壓力封堵蓋固定連接，另一端與壓力承臺固定連接。活塞驅動壓力承臺的作用力通過壓力傳遞桿驅使壓力封堵蓋在鋼筒內運動。

進一步，壓力封堵蓋上設置至少兩個螺栓孔道，用于鑲嵌溫度傳感器和壓力傳感器。壓力封堵蓋側沿設置凹槽，用于安裝密封圈。

進一步，所述鋼筒壁上的傳感器設置至少為兩行，沿鋼筒軸線方向線性排列，一排為溫度傳感器，另一排為壓力傳感器。

進一步，底封蓋在煤樣室側設置底槽用于安裝泡沫金屬網，底封蓋中心設置進氣管，與氣體加載設備相連。

進一步，頂封蓋還設置有中心孔道，用于封堵蓋上傳感器的電纜線輸出。

進一步，所述固定支撐系統的支架至少為三個，鋼筒安裝在兩個支撐架上，壓力缸安放在另一個支架上。

進一步，靠近底封蓋的反力架立柱上設置有進氣管通道。