一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法，包括剪切组合盒、固定钢支架、瓦斯进气瓶、千斤顶及千斤顶驱动控制器，下剪切盒外侧壁设有下剪切盒顶推点，千斤顶驱动控制器控制千斤顶进行顶推剪切作业，上剪切盒的上剪切腔顶部设有多孔型垫层及橡胶膜，上剪切盒顶部连接有与多孔型垫层相连通的瓦斯进气导管，瓦斯进气瓶出口与瓦斯进气导管通过柔性橡胶输气管D密闭连通。本发明专利技术通过瓦斯进气瓶实现对煤样瓦斯压力试验模拟，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体输入氮气并模拟煤样的法向压力，通过千斤顶作用下剪切盒并实现煤样的剪切作业，然后就能分别实现不同情况下煤样的抗剪强度参数测试研究。下煤样的抗剪强度参数测试研究。下煤样的抗剪强度参数测试研究。

【技术实现步骤摘要】
一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及含瓦斯煤层力学特性研究领域，尤其涉及一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法。

技术介绍

[0002]随着高速公路建设的发展，穿越煤系地层的公路隧道越来越多，煤系地层通常富含瓦斯，当隧道穿越煤系地层时，此时地层中存在瓦斯气体会向隧道开挖空间涌出，导致隧道作业空间内含有瓦斯气体，形成瓦斯隧道。由于煤质岩层作为围岩的条件太差，煤系地层软弱围岩工程地质条件十分复杂，在隧道开挖时，随时可能出现围岩大变形以及隧道塌方的情况。同时，瓦斯隧道的施工具有较大的施工风险，存在因瓦斯引起的瓦斯爆炸、人员中毒窒息、煤与瓦斯突出等特异性灾害，造成大量的人员伤亡和财产损失，增加隧道建设费用，延误隧道的建设工期，同时还可能形成恶劣的社会影响，事故发生后果严重。国内外曾多次发生过因隧道施工管理不善而导致的重大安全事故。为保证瓦斯隧道的施工安全，穿越煤层隧道施工过程中，常需通过大量的数值模拟方法或理论计算手段，开展穿越煤系地层隧道围岩稳定性分析和揭煤防突技术研究，优化隧道支护设计与开挖方案，判断瓦斯抽放钻孔的稳定性。此时，需要知道含瓦斯煤层的剪切力学特性及抗剪强度参数指标(粘聚力和内摩擦角)。
[0003]富含瓦斯的煤层力学特性十分复杂，瓦斯在煤层中流动受吸附解吸、瓦斯压力、地层应力、地下水和温度等多因素影响，一方面煤层因瓦斯解吸引起煤基质收缩变形渗透能力提高，另一方面因瓦斯压力降低而有效应力增加，煤体压缩变形又致使渗透能力降低，煤岩体和瓦斯之间表现为强烈的动态气固耦合关系。因此，地应力、瓦斯压力、煤层渗透性对含瓦斯煤层剪切力学特性的影响十分关键。土工直剪切试验是确定岩土类材料剪切力学特性及抗剪切强度指标的最直接常用方法，但是目前的土工试验直剪试验仪无法对煤层中瓦斯压力及瓦斯渗流对其剪切力学特性影响研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服
技术介绍
所指出的技术问题，提供一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法，通过多孔型垫层接收来自瓦斯进气瓶中的瓦斯气体，并实现对煤样瓦斯压力试验模拟，通过真空泵对煤样进行抽气处理以模拟瓦斯渗流，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体输入氮气并模拟煤样的法向压力，通过千斤顶作用下剪切盒并实现煤样的剪切作业，然后就能分别实现不同情况下煤样的抗剪强度参数测试研究。
[0005]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0006]一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，包括由上剪切盒与下剪切盒构成的剪切组合盒，上剪切盒顶部与底部均开口，上剪切盒的上剪切腔与下剪切盒的下剪切腔组成煤样组合腔。本专利技术还包括固定钢支架、瓦斯进气瓶、千斤顶及千斤顶驱动控制器，所述上剪切盒与固定钢支架连接固定，所述千斤顶具有千斤顶伸缩臂，下剪切盒外侧壁设
有与千斤顶伸缩臂端部对应接触的下剪切盒顶推点，所述千斤顶驱动控制器控制千斤顶进行顶推剪切作业；所述上剪切盒的上剪切腔顶部设有多孔型垫层及密封覆盖多孔型垫层顶部的橡胶膜，上剪切盒顶部连接有与多孔型垫层相连通的瓦斯进气导管，瓦斯进气瓶出口与瓦斯进气导管通过柔性橡胶输气管D密闭连通，瓦斯进气瓶出口处设置有气体控制球阀A，柔性橡胶输气管D上还安装有气体压力表A。
[0007]为了更好地实现本专利技术，本专利技术还包括剪切盒钢支座，剪切盒钢支座顶部固定有钢底板，所述剪切组合盒放置于钢底板上，钢底板顶部固定有千斤顶钢支座，所述千斤顶可拆卸式固定于千斤顶钢支座顶部；所述下剪切盒底部与钢底板之间设有钢珠辅助移动层，钢珠辅助移动层由若干个钢珠组成。
[0008]优选地，本专利技术还包括真空泵，所述下剪切盒底部连通设有下排气钢导管，所述真空泵进口与下排气钢导管之间通过柔性橡胶输气管组密闭连通。
[0009]优选地，本专利技术还包括轴向压力腔体，轴向压力腔体具有轴向压力腔室，轴向压力腔体与上剪切盒上下重叠，且轴向压力腔体底部完全包裹密封住橡胶膜、多孔型垫层。
[0010]优选地，本专利技术还包括氮气供气瓶，所述轴向压力腔体顶部连通设有进气钢导管，氮气供气瓶出口与进气钢导管之间通过柔性橡胶输气管A密闭连通。
[0011]优选地，所述柔性橡胶输气管A靠近氮气供气瓶出口位置处安装有气体控制球阀B，所述柔性橡胶输气管A靠近进气钢导管位置处安装有气体压力表B。
[0012]优选地，所述轴向压力腔体顶部连接有钢顶盖，所述钢顶盖与钢底板之间可拆卸式连接有左钢化玻璃挡板和右钢化玻璃挡板，所述左钢化玻璃挡板和右钢化玻璃挡板共同组合成玻璃挡板组合件，玻璃挡板组合件形成一个密闭容纳腔体。
[0013]优选地，所述柔性橡胶输气管组包括柔性橡胶输气管B、左排气导管和柔性橡胶输气管C，左排气导管贯穿安装于左钢化玻璃挡板上，所述柔性橡胶输气管B连接于真空泵与左排气导管之间，所述柔性橡胶输气管C连接于真空泵、下排气钢导管之间；所述柔性橡胶输气管B上安装有气体控制球阀C和气体压力表C。
[0014]优选地，所述千斤顶驱动控制器与千斤顶通过导线连接，所述导线穿过右钢化玻璃挡板，右钢化玻璃挡板上设有保护导线的橡胶导管和钢导管。
[0015]一种利用权利要求8所述的测量装置的测量方法，其方法包括：
[0016]A、煤层瓦斯压力作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀A，通过瓦斯进气瓶向多孔型垫层输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层均衡对煤样压力；观察柔性橡胶输气管D上的气体压力表A，直到气体压力表A显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值F1且稳定保持时间H1；启动千斤顶驱动控制器，向千斤顶驱动控制器控制千斤顶逐步提升顶推力并推动下剪切盒剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据；
[0017]B、煤层瓦斯压力、瓦斯渗流作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀A，通过瓦斯进气瓶向多孔型垫层输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层均衡对煤样压力，同时启动真空泵并对煤样组合腔进行抽气处理，煤样中产生上下瓦斯渗流；观察柔性橡胶输气管D上的气体压力表A，直到气体压力表A显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值F2且
稳定保持时间H2；启动千斤顶驱动控制器，向千斤顶驱动控制器控制千斤顶逐步提升顶推力并推动下剪切盒剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据；
[0018]C、煤层法向压力下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀B，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体的轴向压力腔室输入氮气，氮气在轴向压力腔室中均衡地给多孔型垫层压力并传递至煤样顶部；观察气体压力表B，直到气体压力表B显示氮气压力达到氮气压力设定值F3且稳定保持时间H3；启动千斤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，包括由上剪切盒（15）与下剪切盒（16）构成的剪切组合盒，上剪切盒（15）顶部与底部均开口，上剪切盒（15）的上剪切腔与下剪切盒（16）的下剪切腔组成煤样组合腔，其特征在于：还包括固定钢支架（4）、瓦斯进气瓶（24）、千斤顶（30）及千斤顶驱动控制器（23），所述上剪切盒（15）与固定钢支架（4）连接固定，所述千斤顶（30）具有千斤顶伸缩臂（33），下剪切盒（16）外侧壁设有与千斤顶伸缩臂（33）端部对应接触的下剪切盒顶推点（32），所述千斤顶驱动控制器（23）控制千斤顶（30）进行顶推剪切作业；所述上剪切盒（15）的上剪切腔顶部设有多孔型垫层（14）及密封覆盖多孔型垫层（14）顶部的橡胶膜（13），上剪切盒（15）顶部连接有与多孔型垫层（14）相连通的瓦斯进气导管（25），瓦斯进气瓶（24）出口与瓦斯进气导管（25）通过柔性橡胶输气管D（22）密闭连通，瓦斯进气瓶（24）出口处设置有气体控制球阀A（35），柔性橡胶输气管D（22）上还安装有气体压力表A（36）。2.按照权利要求1所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：还包括剪切盒钢支座（21），剪切盒钢支座（21）顶部固定有钢底板（28），所述剪切组合盒放置于钢底板（28）上，钢底板（28）顶部固定有千斤顶钢支座（19），所述千斤顶（30）可拆卸式固定于千斤顶钢支座（19）顶部；所述下剪切盒（16）底部与钢底板（28）之间设有钢珠辅助移动层，钢珠辅助移动层由若干个钢珠（26）组成。3.按照权利要求2所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：还包括真空泵（5），所述下剪切盒（16）底部连通设有下排气钢导管（27），所述真空泵（5）进口与下排气钢导管（27）之间通过柔性橡胶输气管组密闭连通。4.按照权利要求3所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：还包括轴向压力腔体（10），轴向压力腔体（10）具有轴向压力腔室，轴向压力腔体（10）与上剪切盒（15）上下重叠，且轴向压力腔体（10）底部完全包裹密封住橡胶膜（13）、多孔型垫层（14）。5.按照权利要求4所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：还包括氮气供气瓶（1），所述轴向压力腔体（10）顶部连通设有进气钢导管（11），氮气供气瓶（1）出口与进气钢导管（11）之间通过柔性橡胶输气管A（2）密闭连通。6.按照权利要求5所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：所述柔性橡胶输气管A（2）靠近氮气供气瓶（1）出口位置处安装有气体控制球阀B（351），所述柔性橡胶输气管A（2）靠近进气钢导管（11）位置处安装有气体压力表B（361）。7.按照权利要求6所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，其特征在于：所述轴向压力腔体（10）顶部连接有钢顶盖（12），所述钢顶盖（12）与钢底板（28）之间可拆卸式连接有左钢化玻璃挡板（7）和右钢化玻璃挡板（18），所述左钢化玻璃挡板（7）和右钢化玻璃挡板（18）共同组合成玻璃挡板组合件，玻璃挡板组合件形成一个密闭容纳腔体。8.按照权利要求7所述的一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锋，王振中，孙震，李晓伟，王禹淇，
申请(专利权)人：中铁北京工程局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：