原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；本实用新型专利技术还公开了使用所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的试验方法，依次按以下步骤进行：先对试验系统进行气密性检查，再连接轴向加载缸体和水平方向缸体，再抽真空，然后向煤样中充入瓦斯，再施加冲击载荷。本实用新型专利技术适于以原煤煤样为试验对象，能够模拟冲击载荷引发瓦斯突出的现象，能更真实地模拟矿下瓦斯突出现场的环境，能精确得到煤与瓦斯突出的始突条件，更为真实、可靠地研究煤与瓦斯突出规律和现象。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种研究煤矿瓦斯灾害发生规律及其机理的模拟试验系统，适用于在原煤煤样下模拟冲击载荷进行试验。
技术介绍
煤与瓦斯突出系指煤矿井下这样一种煤体动力现象：在极短时间内，由煤体向巷道（包括采场）中突然喷出大量的瓦斯和粉碎的煤，并在煤体中形成某种特殊形状的空洞。喷出的粉煤被瓦斯流所携带运动，并造成一定的动力效应（推倒矿车、巨石、破坏支架等）。根据煤与瓦斯突出综合作用假说，煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质综合作用影响下发生的一种复杂动力灾害现象，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的最严重的自然灾害，因此对煤与瓦斯突出机理的研究可以解释煤矿井下瓦斯灾害的发生条件和规律，以使突出预防措施更具针对性和实效性。20世纪80年代以来，我国的学者在煤与瓦斯突出机理试验研究方面取得了许多成就，自1989年邓全封研发了一维煤与瓦斯突出模拟试验装置以来，此后各相关高校和研究机构相继研发出了能模拟各种试验条件和适用于不同原煤煤样尺寸的煤与瓦斯突出模拟试验装备，并取得了一系列的研究成果。但就研究现状来看，目前的突出模拟装置还存在以下问题和不足：（1）定性地模拟突出过程。目前的突出模拟装置能提供的往往都是一种定性模拟，无法计算突出能量大小。（2）所用原煤煤样多采用煤粉压制。煤粉压制的型煤无论在物理力学性质上，还是在内部孔隙/裂隙结构上，与原煤煤样均有很大的差别，采用型煤原煤煤样显然降低了模拟试验过程的真实性。（3）现有突出设备无法模拟突出前方煤体厚度对突出的影响。在煤与瓦斯突出过程中，煤柱厚度是一个重要参数，煤柱越厚越不容易发生突出。现场的突出都是在一定厚度煤柱条件下发生的，因此在模拟突出时有必要考虑煤柱厚度的重要影响。（4）突出之前的试验系统为封闭系统。井下煤与瓦斯突出的发生是在煤层瓦斯持续向外涌出的过程中发生的，而目前的试验装置在突出时，发生突出之前瓦斯气体一直都处于一种封闭状态，只有在打开突出口瞬间才让瓦斯涌出，这种处理方法与现场瓦斯涌出的开放系统是相悖的。（5）煤体是否达到吸附解吸平衡不能较好的衡量，煤层赋存在地下，在一定的瓦斯压力下，经过较长时间的吸附，多为吸附平衡状态，如果煤体未达到吸附平衡，在进行冲击试验时，煤体瓦斯吸附情况与现场不符。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，适于以原煤煤样为试验对象，能够模拟冲击载荷引发瓦斯突出的现象，并且能够更真实地模拟矿下瓦斯突出现场的环境。为实现上述目的，本技术的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构连接在一起的上部缸体和下部缸体，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆，加载杆的顶端向上滑动密封伸出上部缸体，加载杆的底端向下伸入下部缸体，加载杆的底端设有下活塞头，下活塞头与下部缸体的内壁滑动密封连接，下活塞头与下部缸体之间围成煤样室；上部缸体中部的加载杆上设有上活塞头，上活塞头与上部缸体的内壁滑动密封连接，上部缸体顶部侧壁设有上油口，上油口位于上活塞头上方；上部缸体底部侧壁设有下油口，下油口位于上活塞头与下活塞头之间；上部缸体通过上油口和下油口连接有液压加载机构；突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆，水平方向活塞杆的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板；水平方向活塞杆的左端设有左活塞头，左活塞头与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；左活塞头左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱，煤柱处的水平方向缸体上设有左气压表和模拟涌出接口，模拟涌出接口连接有放空管，放空管上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀；左活塞头右侧的水平方向缸体上设有右气压表和缸体放空阀；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器，水平方向活塞杆伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器；挡板左侧的水平方向活塞杆上设有第一应力传感器；高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐，高压瓦斯罐通过第一瓦斯管路连接有缓冲罐，缓冲罐通过第二瓦斯管路连接有瓦斯两位三通阀，瓦斯两位三通阀连接有第三瓦斯管路，第三瓦斯管路连接所述煤样室的侧壁；第一瓦斯管路上设有总开关阀，第三瓦斯管路上设有防冲击开关阀；抽真空装置包括抽真空管路，抽真空管路的一端与所述瓦斯两位三通阀相连接，抽真空管路上设有真空计和抽真空开关阀；抽真空管路的另一端连接有真空泵；冲击载荷施加装置包括两根立柱，两根立柱分别位于轴向加载缸体的左侧和右侧，两根立柱的顶部高于轴向加载缸体，且两根立柱的顶端之间固定连接有横梁，横梁向下连接有两根设有导轨的标杆，两根标杆之间滑动连接有砝码组，砝码组的顶端连接有提升装置；所述加载杆向上伸出轴向加载缸体的部分设有第二应力传感器，所述加载杆的顶端连接有承载板，承载板与轴向加载缸体 的顶端之间连接有第二位移传感器；所述砝码组位于承载板的正上方。所述液压加载机构包括第一连接油管、第二连接油管和液压泵，液压泵连接有一根送油管和两根回油管，两根回油管分别为第一回油管和第二回油管；第一连接油管连接所述上油口，第二连接油管连接所述下油口，第一连接油管和第二连接油管之间连接有第三油管，第三油管上设有油路两位三通阀，油路两位三通阀连接送油管并使送油管选择连通第一连接油管或第二连接油管；第一连接油管的末端通过第一开关阀连接第一回油管，第二连接油管的末端通过第二开关阀连接第二回油管；沿送油方向，送油管上依次设有送油开关阀、油压调节阀和送油液压表；第一回油管和第二回油管上分别设有回油液压表。所述放空管上设有放空气压表，放空管的末端连接有瓦斯解析仪；水平方向缸体包括左缸体和右缸体，左缸体左端固定连接在下部缸体上并与煤样室相连通，右缸体的左端通过第二法兰结构与左缸体相连通。所述高压瓦斯供给装置还包括高压氦气罐，高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口分别连接有一出口管路，高压瓦斯罐的出口管路上设有瓦斯出口开关阀和瓦斯减压阀，高压氦气罐的出口管路上设有氦气出口开关阀和氦气减压阀；高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口管路均与所述第一瓦斯管路相连接。本技术不但能够进行定性试验，而且试验条件更为精准，能够较为精确地计算突出能量大小，从而更精确地分析试验结果，更准确地指导采煤作业实践。本技术利用原煤煤样进行试验，消除了使用粉煤压制的煤样带来的内部孔隙/裂隙结构与原煤的不同，与以往相比提高了模拟试验过程的真实程度。在突出模拟试验中，本技术与以往的同类试验装置相比，在试验中能够模拟突出前瓦斯的自然涌出过程并在开放条件下进行试验，能够模拟前方煤柱厚度对突出的影响，并在原煤煤样处于瓦斯吸附平衡状态时进行试验。另外，本技术设置了垂直方向的载荷施加功能，可以模拟煤层中上覆岩层的自重应力，能精确得到煤与瓦斯突出的始突条件，包括应力始突条件和瓦斯压力始突条件。以上特点使本技术的试验条件更接近于现场实际条件，能准确地模拟现场突出过程，更为真实、可靠地研究煤与瓦斯突出规律和现象，为研究煤与瓦斯突出的发生机理提供可靠的试验基础，并指导煤矿生产实践。附图说明图1是原煤煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构连接在一起的上部缸体和下部缸体，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆，加载杆的顶端向上滑动密封伸出上部缸体，加载杆的底端向下伸入下部缸体，加载杆的底端设有下活塞头，下活塞头与下部缸体的内壁滑动密封连接，下活塞头与下部缸体之间围成煤样室；上部缸体中部的加载杆上设有上活塞头，上活塞头与上部缸体的内壁滑动密封连接，上部缸体顶部侧壁设有上油口，上油口位于上活塞头上方；上部缸体底部侧壁设有下油口，下油口位于上活塞头与下活塞头之间；上部缸体通过上油口和下油口连接有液压加载机构；突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆，水平方向活塞杆的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板；水平方向活塞杆的左端设有左活塞头，左活塞头与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；左活塞头左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱，煤柱处的水平方向缸体上设有左气压表和模拟涌出接口，模拟涌出接口连接有放空管，放空管上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀；左活塞头右侧的水平方向缸体上设有右气压表和缸体放空阀；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器，水平方向活塞杆伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器；挡板左侧的水平方向活塞杆上设有第一应力传感器；高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐，高压瓦斯罐通过第一瓦斯管路连接有缓冲罐，缓冲罐通过第二瓦斯管路连接有瓦斯两位三通阀，瓦斯两位三通阀连接有第三瓦斯管路，第三瓦斯管路连接所述煤样室的侧壁；第一瓦斯管路上设有总开关阀，第三瓦斯管路上设有防冲击开关阀；抽真空装置包括抽真空管路，抽真空管路的一端与所述瓦斯两位三通阀相连接，抽真空管路上设有真空计和抽真空开关阀；抽真空管路的另一端连接有真空泵；冲击载荷施加装置包括两根立柱，两根立柱分别位于轴向加载缸体的左侧和右侧，两根立柱的顶部高于轴向加载缸体，且两根立柱的顶端之间固定连接有横梁，横梁向下连接有两根设有导轨的标杆，两根标杆之间滑动连接有砝码组，砝码组的顶端连接有提升装置；所述加载杆向上伸出轴向加载缸体的部分设有第二应力传感器，所述加载杆的顶端连接有承载板，承载板与轴向加载缸体 的顶端之间连接有第二位移传感器；所述砝码组位于承载板的正上方。...

【技术特征摘要】
1.原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构连接在一起的上部缸体和下部缸体，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆，加载杆的顶端向上滑动密封伸出上部缸体，加载杆的底端向下伸入下部缸体，加载杆的底端设有下活塞头，下活塞头与下部缸体的内壁滑动密封连接，下活塞头与下部缸体之间围成煤样室；上部缸体中部的加载杆上设有上活塞头，上活塞头与上部缸体的内壁滑动密封连接，上部缸体顶部侧壁设有上油口，上油口位于上活塞头上方；上部缸体底部侧壁设有下油口，下油口位于上活塞头与下活塞头之间；上部缸体通过上油口和下油口连接有液压加载机构；突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆，水平方向活塞杆的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板；水平方向活塞杆的左端设有左活塞头，左活塞头与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；左活塞头左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱，煤柱处的水平方向缸体上设有左气压表和模拟涌出接口，模拟涌出接口连接有放空管，放空管上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀；左活塞头右侧的水平方向缸体上设有右气压表和缸体放空阀；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器，水平方向活塞杆伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器；挡板左侧的水平方向活塞杆上设有第一应力传感器；高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐，高压瓦斯罐通过第一瓦斯管路连接有缓冲罐，缓冲罐通过第二瓦斯管路连接有瓦斯两位三通阀，瓦斯两位三通阀连接有第三瓦斯管路，第三瓦斯管路连接所述煤样室的侧壁；第一瓦斯管路上设有总开关阀，第三瓦斯管路上设有防冲击开关阀；抽真空装置包括抽真空管路，抽真空管路的一端与所述瓦斯两位三通阀相连接，抽真空管路上设有真空计和抽真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王登科，彭明，刘淑敏，孙刘涛，王洪磊，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：新型
国别省市：河南;41