一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置及方法，属于石门揭煤技术领域，其利用气囊内装煤层相似材料以模拟含瓦斯煤层，利用透视性好的亚克力板作为观察板和可透光的岩层材料，结合光源和高速摄像机实现可视化模拟实验，可测量石门揭煤时煤与瓦斯突出过程的各项指标，实现可视化的定量模拟实验，为研究石门揭煤煤与瓦斯的突出机理、过程并针对性提出防突措施提供了试验基础。并针对性提出防突措施提供了试验基础。并针对性提出防突措施提供了试验基础。

【技术实现步骤摘要】
一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置及方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下石门揭煤
，具体涉及一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置及方法。

技术介绍

[0002]石门作为井工煤矿开采重要的巷道，在其开挖过程中将改变煤岩层中的承载结构和瓦斯赋存状态，含瓦斯煤层在地应力、瓦斯压力和掘进活动影响的共同作用下极易发生煤与瓦斯突出现象，造成严重的安全事故，对矿井安全高效生产和作业工人的生命健康造成极大的威胁。据统计，石门揭煤工作面突出平均强度为其他各类巷道平均突出强度的6倍以上，超过80%的千吨级以上特大型突出事故都发生在石门揭煤过程中，如2004年10月20日，河南郑煤集团大平煤矿21轨道下山岩石掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，突出煤岩量约1894t，瓦斯量25
×
104m3，同时诱发特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。
[0003]石门揭煤过程中如何准确掌握煤与瓦斯突出情况并采取有效的防突措施是确保安全生产的关键，煤矿企业在这方面进行的工作主要是尝试多种防突手段，以期获得良好的防突效果，确保石门安全揭露并通过煤层。相关的科研工作者侧重于石门揭煤时煤与瓦斯突出在岩石力学方面的机理研究，而与实际工程联系更为紧密的模拟实验则相对欠缺，现有的大部分实验装备只能从某一方面，如煤层力学特性、瓦斯压力等方面探究石门揭煤煤与瓦斯突出突出的机理，另外有教学性实验装置，虽然能一定程度展示石门揭煤煤与瓦斯突出过程，但其教学意义大于研究意义，缺乏对煤与瓦斯突出定量化研究手段。
[0004]中国专利ZL201110324127.5公开了一种石门揭煤时煤与瓦斯突出模拟试验系统，虽然能够在一定程度上实现石门揭煤时煤与瓦斯突出的实验模拟，但由于其箱体尺寸较大，所需要的实验材料较多，无法直观的展示石门揭露煤层而引发灾害的过程，且由于需要在豁口位置设置隔膜等结构，导致其安装复杂。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的以上问题，本专利技术提供了一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置及方法，目的是为了实现定量、可视化研究石门揭煤煤与瓦斯突出过程，提高煤矿井下煤与瓦斯突出的可研究性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置，该实验装置包括框架结构、掘进装置、监测装置、实验材料和控制器，其中，框架结构包括实验台底座、立梁、横梁、液压加载头、防护梁、观察板、通风装置和充气装置，立梁位于左右两侧，其底端固定安装在实验台底座上，其顶端通过横梁固定连接，立梁的前后两侧的中部或下部分别通过防护梁固定连接，左右两侧的立梁与前后两侧的防护梁合围成一容置空间，用于容置并定位上下敞口的方形观察窗结构，该方形观察窗结构由前后左右四块透明的观察板一体化成型，其底部与实验台底座连接，顶部由方形的板状横梁压盖，横梁底部设置有若干液压加载头，用于对实
验材料施压以模拟地层应力；横梁底部左右两侧靠近立梁的位置还设置有排风扇，实验台底座上部设置有抽气孔，排风扇和抽气孔均分别通过排气管线连接至通风装置，充气装置通过管线连接至容置空间内部，通风装置和充气装置均位于容置空间外部；实验材料设置在方形观察窗结构内部。
[0007]优选的，掘进装置包括掘进钻头和矸石运输装置，其中，掘进钻头安装在小型螺旋钻进机器人上，通过所述小型螺旋钻进机器人带动掘进钻头进行钻进，所述小型螺旋钻进机器人通过控制信号线连接至控制器，由控制器对其进行掘进控制。
[0008]优选的，矸石运输装置包括输送带、输送带滑轮和紧带弹簧，所述输送带绕接在所述小型螺旋钻进机器人上且由所述小型螺旋钻进机器人为输送带提供输送动力，所述输送带滑轮至少设置有两个，紧带弹簧设置在两个输送带滑轮之间且紧带弹簧与输送带的连接点与其两侧的两个输送带滑轮构成三角关系。
[0009]优选的，监测装置包括位移测点、应力传感器、气压传感器、位移测量装置和高速摄像机，位移测点均匀布置在实验材料前后面上，应力传感器布置在模拟煤层的顶板、底板和煤层中，气压传感器设置在充气装置的出口处，高速摄像机设置在框架结构的前后侧方向上以用于透过观察板进行录像。
[0010]优选的，实验材料包括岩层模拟材料和煤层模拟材料，岩层模拟材料至少采用沙子、石膏、碳酸钙等材料按一定比例混配制成；煤层模拟材料至少采用沙子、石膏、碳酸钙、染色墨水等材料按一定比例混配制成，煤层模拟材料外套气囊形成封闭的条状煤层，气囊中的瓦斯压力通过外部的充气装置进行加压控制。
[0011]优选的，岩层模拟材料和煤层模拟材料按照煤层倾斜铺设的方式进行设置。
[0012]作为进一步优选的实施方案，岩层模拟材料中还添加有光纤材料，使得制成的岩层模拟材料为透光材料；进一步优选的，在框架结构的前后侧方向上与高速摄像机相对的一侧还设置有光源。
[0013]优选的，控制器包括显示屏、瓦斯压力信号、掘进控制信号线、应力传感器信号线、高速摄影机控制线和位移信号线；控制器的作用在于控制框架上的液压加载头的压力和位移，控制掘进装置的掘进，控制通风装置，控制气囊中瓦斯压力，接收应力位移、瓦斯压力变化和影像等监测数据。
[0014]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果： 1）本专利技术的含瓦斯煤层是内部为煤层相似材料的含瓦斯气囊，通过气囊被掘进机械破坏来模拟煤与瓦斯突出过程，更能真实反映瓦斯在煤层中的赋存情况，所反映的煤与瓦斯突出情况也更为真实；通过气囊的方式，瓦斯不易泄露，且实验结束后能够通过输入空气进行瓦斯替换，降低实验风险；通过设置排风扇、抽气孔和通风装置进一步确保了实验安全； 2）本专利技术采用透明观察板、透光的岩层模拟材料结合光源，能够使得实验更为直观，所采集的数据更为准确，结合应力传感器、位移测量，能够提高实验的准确性，实现石门揭煤时煤与瓦斯突出的定量化、可视化研究。
附图说明
[0015]图1是本专利技术石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置的整体结构示意图；
图2是本专利技术实验装置的框架结构示意图；图3是本专利技术实验装置的掘进装置结构示意图；图4是本专利技术实验装置的检测装置结构示意图；图5是本专利技术实验装置的煤层模拟材料结构示意图；图6为本专利技术实验装置的控制器结构示意图；图中，1
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框架结构，2
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掘进装置，3
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监测装置，4
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实验材料，5
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控制器，11
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实验台底座，12
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立梁，13
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横梁，14
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液压加载头，15
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防护梁，16
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观察板，17
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通风装置，18
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充气装置，21
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掘进钻头，22
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输送带，23
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输送带滑轮，24
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紧带弹簧，25
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控制信号线，31
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位移测点，32
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于，该实验装置包括框架结构、掘进装置、监测装置、实验材料和控制器，其中，框架结构包括实验台底座、立梁、横梁、液压加载头、防护梁、观察板、通风装置和充气装置，立梁位于左右两侧，其底端固定安装在实验台底座上，其顶端通过横梁固定连接，立梁的前后两侧的中部或下部分别通过防护梁固定连接，左右两侧的立梁与前后两侧的防护梁合围成一容置空间，用于容置并定位上下敞口的方形观察窗结构，该方形观察窗结构由前后左右四块透明的观察板一体化成型，其底部与实验台底座连接，顶部由方形且板状的所述横梁压盖，横梁底部设置有若干液压加载头，用于对所述实验材料施压以模拟地层应力；横梁底部左右两侧靠近立梁的位置还设置有排风扇，实验台底座上部设置有抽气孔，排风扇和抽气孔均分别通过排气管线连接至通风装置，充气装置通过管线连接至容置空间内部，通风装置和充气装置均位于容置空间外部；所述实验材料设置在方形观察窗结构内部。2.根据权利要求1所述的一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于，掘进装置包括掘进钻头和矸石运输装置，其中，掘进钻头安装在小型螺旋钻进机器人上，通过所述小型螺旋钻进机器人带动掘进钻头进行钻进，所述小型螺旋钻进机器人通过控制信号线连接至控制器，由控制器对其进行掘进控制。3.根据权利要求2所述的一种可视化石门揭煤煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于，矸石运输装置包括输送带、输送带滑轮和紧带弹簧，所述输送带绕接在所述小型螺旋钻进机器人上且由所述小型螺旋钻进机器人为输送带提供输送动力，所述输送带滑轮至少设置有两个，紧带弹簧设置在两个输送带滑轮之间且紧带弹簧与输送带的连接点与其两侧的两个输送带滑轮构成三角关系。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学龙，陈绍杰，张立波，刘淑敏，尹大伟，神文龙，邹全乐，翟明华，孔彪，付建华，刘江伟，孙中光，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
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