專(zhuān)利名稱(chēng)：煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤與瓦斯突出試驗(yàn)裝置，具體地說(shuō)，涉及用于進(jìn)行不同煤 層傾角、不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力下的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究，同時(shí)研 究聲發(fā)射信號(hào)在突出過(guò)程中的傳播規(guī)律及衰減特征的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)o背景技術(shù)在煤與瓦斯突出機(jī)理研究方面被廣大學(xué)者普遍接受的是綜合作用假說(shuō)，它 認(rèn)為煤與瓦斯突出是由應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，但到 目前為止，地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)在突出過(guò)程中的作用機(jī)理也尚未明確。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代就進(jìn)行了一維突出模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明只有在 很大瓦斯壓力梯度下(每一厘米瓦斯壓力下降幾個(gè)兆帕)煤才有可能被破碎和拋 出。20世紀(jì)60年代初，日本學(xué)者氏平增之在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯拋射煤粒試驗(yàn)，利 用C02的結(jié)晶冰、松香、水泥、煤粒制作了多孔介質(zhì)模型模擬突出，試驗(yàn)在多 孔介質(zhì)孔隙瓦斯壓力下引起材料的破碎和拋出，最后發(fā)展為類(lèi)似蘇聯(lián)的綜合考 慮地層應(yīng)力和瓦斯壓力的突出模擬試驗(yàn)。與蘇聯(lián)的突出模擬試驗(yàn)相比，日本模 擬裝置的優(yōu)點(diǎn)在于模型中有一段模擬圍巖的水泥段，能進(jìn)行"掘進(jìn)"等作業(yè)； 其缺點(diǎn)是用冰、水泥或松香等這些無(wú)瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物化 性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)都與煤相差甚遠(yuǎn)。不能算是真正的模擬，只能算作是"復(fù)制"。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代初，我國(guó)煤炭科學(xué)研究院撫順?lè)衷和跤影步淌谑紫?開(kāi)展了煤與瓦斯突出一維模擬試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)采集煤樣，實(shí)驗(yàn)室成型，模擬W、V類(lèi)突出危險(xiǎn)煤，得出了一維條件下突出強(qiáng)度同垂直應(yīng)力、瓦斯壓力之間的定 量關(guān)系。1996年，中科院力學(xué)所孟祥躍等人開(kāi)發(fā)了既能改變地應(yīng)力又能改變瓦 斯壓力的二維煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置。2000年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)郭立穩(wěn)、俞啟香、 蔣承林通過(guò)煤與瓦斯突出裝置研究了突出過(guò)程中的溫度變化，認(rèn)為在煤與瓦斯 突出過(guò)程中，煤體溫度的升高是由地應(yīng)力破碎煤體使彈性能釋放造成的,而溫度 降低則是由于瓦斯氣體解吸和膨脹造成的，其變化是先升高后降低并連續(xù)變化 的。2002年焦作工學(xué)院牛國(guó)慶、顏愛(ài)華、劉明舉等也設(shè)計(jì)了煤與瓦斯突出裝置， 用來(lái)考察煤與瓦斯突出過(guò)程中的溫度變化，研究結(jié)果認(rèn)為在煤與瓦斯突出過(guò)程 中，瓦斯的膨脹做功過(guò)程并非絕熱過(guò)程，而是一個(gè)接近于等溫過(guò)程的多變過(guò)程。 2004年焦作工學(xué)院蔡成功等又按照相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn) 裝置，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出 過(guò)程,得出了突出強(qiáng)度同瓦斯壓力、煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力關(guān)系數(shù)學(xué)模 型,分析認(rèn)為，應(yīng)力和煤的力學(xué)性質(zhì)是決定突出強(qiáng)度的主要因素。蔡成功等在原有 實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行改進(jìn)，又按相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置。 該實(shí)驗(yàn)裝置用來(lái)進(jìn)行模擬突出的煤樣模型尺寸的長(zhǎng)、寬、高為225mm X 225mm X137mm。應(yīng)力施加系統(tǒng)為T(mén)YS-500型巖石應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)。垂直軸壓直接由試驗(yàn) 機(jī)軸向系統(tǒng)施加。側(cè)向應(yīng)力為圍壓，用專(zhuān)用的側(cè)向液壓油缸施加，液壓油由試 驗(yàn)機(jī)側(cè)壓系統(tǒng)供液。在突出模擬時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)精密壓力表和試驗(yàn)機(jī)計(jì)量系統(tǒng)共同計(jì) 量施加的壓力。煤樣成型后，連續(xù)脫氣48h，然后充氣吸附48h以上。當(dāng)應(yīng)力、 瓦斯壓力無(wú)變化，即裝置無(wú)漏氣、卸載時(shí)，采用機(jī)械方式突然打開(kāi)突出口，使 其發(fā)生突出完成實(shí)驗(yàn)。為安全起見(jiàn)，充氣介質(zhì)采用co2。然而，原有煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置，雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出 機(jī)理的研究進(jìn)展，但或多或少的存在以下缺點(diǎn)以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置所采用的模型尺寸較小，所用氣體介質(zhì)為C02或N2，并且所有的模型均是水平的，而現(xiàn)實(shí)情況，井下為水平傾角的煤層相對(duì)較少，不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際含瓦斯煤層，尤其是頂?shù)装迨T(mén)揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜的；并且，裝置突出口 的打開(kāi)方式也均為手動(dòng)，打開(kāi)速度較慢，在一定程度上影響了煤與瓦斯突出的 時(shí)間和強(qiáng)度，與真實(shí)井下煤與瓦斯突出存在差別；除此之外，以上所有的實(shí)驗(yàn) 裝置所施加的應(yīng)力也都是均勻的，沒(méi)有模擬出采面由于采礦活動(dòng)造成的局部應(yīng) 力集中，而應(yīng)力集中往往又是造成突出的重要因素。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，模擬煤與瓦斯的突 出過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)， 在反力框架內(nèi)安裝有四排呈矩形分布的千斤頂，其中上排千斤頂?shù)捻敆U朝下， 并與上壓塊連接，下排千斤頂?shù)捻敆U朝上，并與下支撐塊連接，所述上壓塊與 下支撐塊之間夾持有試壓盒，該試壓盒的開(kāi)口端向前，由端蓋密封，試壓盒的 左端與左排千斤頂?shù)捻敆U相抵接，在所述試壓盒的右側(cè)面開(kāi)有突出口，該突出 口可由快速釋放機(jī)構(gòu)的側(cè)封板密封，在側(cè)封板與右排千斤頂?shù)捻敆U之間設(shè)有門(mén) 支撐，該門(mén)支撐可以將所述側(cè)封板頂緊在所述突出口上；在所述試壓盒的頂面開(kāi)有施壓口，該施壓口內(nèi)相配合地裝有壓板，壓板與上壓塊相抵接，在壓板上 開(kāi)設(shè)的出氣孔中安裝快速氣接頭，所述試壓盒的底面開(kāi)有充氣孔，該充氣孔中也裝有快速氣接頭；在所述該試壓盒的前、后方各設(shè)有封板，該封板固定在所 述反力框架上。本發(fā)明通過(guò)多組液壓千斤頂向煤樣軸向施壓，通過(guò)充氣口向煤樣內(nèi)充瓦斯， 可模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶，從而達(dá)到模擬煤與瓦斯的突出現(xiàn)象；并且，裝置突出口通過(guò)快速釋放機(jī)構(gòu)實(shí)施機(jī)械化自動(dòng)控制，高速打開(kāi)突 出口，使其突出端突然泄壓，避免了采用手動(dòng)打開(kāi)突出口由于速度慢而對(duì)突出 能量的影響，更真實(shí)地模擬了現(xiàn)場(chǎng)突出。該模擬試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)配置高速攝像機(jī)， 可以實(shí)現(xiàn)突出全過(guò)程的可視化，并可通過(guò)高速攝像機(jī)全程錄像分析突出過(guò)程中 的突出能量衰減程度及聲發(fā)射傳播衰減機(jī)理隨突出時(shí)間的變化關(guān)系，而且，通 過(guò)在試壓盒內(nèi)安裝壓力傳感器、溫度傳感器及聲發(fā)射探頭，可以測(cè)定突出過(guò)程 中的瓦斯壓力、煤樣的溫度以及聲發(fā)射信號(hào)的傳播規(guī)律及衰減特征。作為優(yōu)選，上述反力框架的左、右兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)支架，其中右支架上安 裝電機(jī)，該電機(jī)的輸出軸與減速機(jī)的輸入軸連接，減速機(jī)的輸出軸與右轉(zhuǎn)軸的 一端連接，右轉(zhuǎn)軸的另一端固定于反力框架的右側(cè)面，并且右轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承支 承在右軸承座上；所述左支架上安裝有左軸承座，該左軸承座通過(guò)軸承支承左 轉(zhuǎn)軸，左轉(zhuǎn)軸與反力框架的左側(cè)面固定連接。通過(guò)在該試驗(yàn)臺(tái)上增加轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng) 裝置，使得反力框架能進(jìn)行360。旋轉(zhuǎn)，這樣，可以在水平位置進(jìn)行裝樣，實(shí)驗(yàn) 開(kāi)始時(shí)，旋轉(zhuǎn)到豎直位置，方便試驗(yàn)操作。作為優(yōu)選，上述反力框架的右側(cè)面安裝有半圓形調(diào)節(jié)圈，該調(diào)節(jié)圈的兩端 及中部各設(shè)有一個(gè)第一螺孔，所述右支架上設(shè)有軸端擋圈，該軸端擋圈的上端 設(shè)有第二螺孔，該第二螺孔通過(guò)螺栓與其中的一個(gè)第一螺孔連接。當(dāng)安裝試樣 時(shí)，打開(kāi)電機(jī)，反力框架旋轉(zhuǎn)到水平位置，此時(shí)將螺栓擰入第二螺孔和第一螺 孔內(nèi)，使得反力框架一直保持在水平位置；當(dāng)安裝完成開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，把螺栓擰 出，調(diào)整反力框架到豎直位置，再將螺栓擰入第二螺孔和第一螺孔內(nèi)，開(kāi)始試 驗(yàn)，有利于方便調(diào)節(jié)反力框架的位置。作為優(yōu)選，上述快速釋放機(jī)構(gòu)由對(duì)稱(chēng)設(shè)置在反力框架前、后方的氣缸支座、 氣缸和側(cè)封板組成，.其中兩個(gè)氣缸固定在各自的氣缸支座上，兩氣缸的伸縮桿相對(duì)伸出，各氣缸的伸縮桿上均連接有一塊側(cè)封板。這樣，將快速釋放機(jī)構(gòu)也 安裝在反力框架上，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)試驗(yàn)裝置的一體化。作為優(yōu)選，上述上排千斤頂中每個(gè)千斤頂配備一個(gè)上壓塊，所述試壓盒上 端的壓板與對(duì)應(yīng)上排千斤頂?shù)捻敆U之間通過(guò)上壓塊相抵接。將每個(gè)千斤頂各連 接一臺(tái)油泵，這樣，可以控制每個(gè)千斤頂施加在上壓塊上的壓力，當(dāng)只對(duì)一個(gè) 千斤頂施加很強(qiáng)的壓力時(shí)，可以模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶， 達(dá)到真實(shí)模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶。作為優(yōu)選，上述壓板的底面及試壓盒的內(nèi)底壁上均設(shè)有凹槽，各凹槽內(nèi)安 裝泡沫金屬，其中，位于試壓盒內(nèi)底壁的凹槽的底部設(shè)有網(wǎng)狀分布的刻槽，所 述充氣孔的內(nèi)端口位于該刻槽內(nèi)，所述出氣孔的內(nèi)端口位于所述壓板底面的凹 槽內(nèi)。這樣，充氣口沒(méi)有直接與煤樣接觸，而是通過(guò)利用泡沫金屬的透氣性， 實(shí)現(xiàn)"面充氣"而不再是以往的"點(diǎn)充氣"，更加逼真地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際煤層瓦斯 源，而且，出氣孔同樣沒(méi)有直接與煤樣接觸，通過(guò)泡沬金屬防止煤粉進(jìn)入氣管。作為優(yōu)選，上述試壓盒的軸心線與水平面的夾角為銳角a，a為O。 45° 。， 這樣本發(fā)明可以模擬不同傾角煤層的條件下，煤與瓦斯的突出過(guò)程。作為優(yōu)選，上述突出口為圓形，在相同的軸向應(yīng)力及瓦斯強(qiáng)度下，圓形突 出口更有利于煤樣產(chǎn)生突出。作為優(yōu)選，由于煤樣的重量達(dá)幾噸重，而且其他部件的重量也較大，為了 安裝的方便，在上述反力框架的上方設(shè)有單軌電動(dòng)葫蘆。 有益效果(1)本發(fā)明軸向應(yīng)力通過(guò)多組液壓千斤頂完成，可單獨(dú)控制每個(gè)液壓千斤 頂?shù)膲毫?，從而可模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶，更加真實(shí)的模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶。(2)煤樣模型尺寸相比以前國(guó)內(nèi)的裝置較大，且模擬了不同傾角煤層在不 同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力下的煤與瓦斯突出，真實(shí)再現(xiàn)了石門(mén)揭煤時(shí)的突出情 況。(3 )裝置突出口通過(guò)快速釋放機(jī)構(gòu)實(shí)施機(jī)械化自動(dòng)控制，高速打開(kāi)突出口 ， 使其突出端突然泄壓，避免了采用手動(dòng)打開(kāi)突出口由于速度慢而對(duì)突出能量的 影響，更真實(shí)地模擬了現(xiàn)場(chǎng)突出。(4)通過(guò)給本發(fā)明配置高速攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)突出全過(guò)程的可視化，并可通 過(guò)高速攝像機(jī)全程錄像分析突出過(guò)程中的突出能量衰減程度及聲發(fā)射傳播衰減 機(jī)理隨突出時(shí)間的變化關(guān)系；而且，通過(guò)在試壓盒內(nèi)安裝壓力傳感器、溫度傳 感器及聲發(fā)射探頭，可以測(cè)定突出過(guò)程中的瓦斯壓力、瓦斯流量、煤樣的溫度 以及聲發(fā)射信號(hào)的傳播規(guī)律及衰減特征等參數(shù)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1的右視圖； 圖3為圖1的俯視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1試壓盒30的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4的A向視圖；圖6為圖4的B-B旋轉(zhuǎn)向視圖；圖7為圖4的俯視圖；圖8為圖4的C-C向視圖；圖9為圖8的D-D向視圖；圖10為圖8中I處的放大視圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例2試壓盒30的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例3試壓盒30的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為本發(fā)明實(shí)施例4試壓盒30的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本發(fā)明實(shí)施例快速釋放機(jī)構(gòu)其中一部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15為圖14的左視圖；圖16為圖14的俯視圖。以上各圖中l(wèi)一左支架、2 —右支架、3 —減速機(jī)機(jī)座、4一電機(jī)、5 —減速機(jī)、8 —右軸 承座、9一右轉(zhuǎn)軸、IO—調(diào)節(jié)圈、ll一左轉(zhuǎn)軸、12 —左軸承座、14一上橫梁、15 _下橫梁、16 —左立柱、17 —右立柱、18 —千斤頂、19一上壓塊、20_下支撐 塊、21 —封板、22 —側(cè)梁、23 —門(mén)支撐、24 —軸端擋圈、25 —單軌電動(dòng)葫蘆、 26 —反力框架、27 —第一螺孔、28 —第三密封圈、29 —快速氣接頭、30 —試壓 盒、31—突出口、 32 —端蓋、33 —第一密封圈、34—凹槽、35 —刻槽、36_泡 沫金屬、37 —第二密封圈、38 —第二螺孔、39 —壓板、40 —?dú)飧住?1一氣缸支 座、42—側(cè)封板、43 —支撐桿、44一支撐梁、45 —連接頭、46_墊塊。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明加以說(shuō)明 實(shí)施例1如圖l、圖2及圖3所示，為本發(fā)明之煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)主 要由反力框架26、試壓盒30、快速釋放機(jī)構(gòu)及千斤頂18組成。反力框架26由左立柱16、右立柱17及安裝在該左立柱16、右立柱17上、 下端的上橫梁14和下橫梁15組成，反力框架26的內(nèi)側(cè)四周各安裝有一排千斤 頂18，每個(gè)千斤頂18都連接有一個(gè)油泵，這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)油泵來(lái)控制每個(gè)千斤頂18的壓力，也可以設(shè)定程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制每個(gè)千斤頂18的壓力。 其中，上排千斤頂18的頂桿朝下，上排千斤頂18中每個(gè)千斤頂?shù)那岸烁髋c一 個(gè)上壓塊19連接，下排千斤頂18的頂桿朝上，下排千斤頂18中每個(gè)千斤頂?shù)?前端也各與一個(gè)下支撐塊20連接，所述上壓塊19與下支撐塊20之間夾持有試 壓盒30，該試壓盒30的左端與左排千斤頂18的頂桿相抵接，在所述試壓盒30 的右側(cè)面開(kāi)有圓形突出口 31，該突出口 31可由快速釋放機(jī)構(gòu)的側(cè)封板42密封， 在側(cè)封板42與右排千斤頂18的頂桿之間設(shè)有門(mén)支撐23，該門(mén)支撐23可以將所 述側(cè)封板42頂緊在所述突出口 31上。如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9及圖10，所示，試壓盒30為鋼板焊 接而成的盒體，試壓盒30的前端開(kāi)口，并經(jīng)螺釘安裝有端蓋32，端蓋32與試 壓盒30之間安裝有第三密封圈28，在本實(shí)施例中，試壓盒30為平行四邊形， 該試壓盒30的軸心線與水平面的夾角為15° ，在所述試壓盒30的頂面開(kāi)有施 壓口，該施壓口內(nèi)相配合地裝有壓板39，該壓板39與施壓口之間安裝有第二密 封圈37，壓板39與上壓塊19相抵接，在壓板39上開(kāi)設(shè)有5個(gè)出氣孔，每個(gè)出 氣孔中均安裝有快速氣接頭29，所述試壓盒30的底面開(kāi)有充氣孔，該充氣孔中 也裝有快速氣接頭29，在將本發(fā)明用于實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，將所述充氣孔上的快速氣 接頭29經(jīng)氣管與甲烷氣瓶相連，用于向試壓盒30內(nèi)充瓦斯，所述出氣孔上的 快速氣接頭29經(jīng)氣管與安裝在反力框架26外的壓力傳感器和流量計(jì)相連，通 過(guò)壓力傳感器測(cè)定瓦斯壓力的大小，通過(guò)流量計(jì)測(cè)定瓦斯流量的大小。如圖6、圖8及圖9所示，在所述壓板39的底面及試壓盒30的內(nèi)底壁上均 設(shè)有凹槽34，各凹槽34內(nèi)安裝泡沫金屬36，其中，位于試壓盒30內(nèi)底壁的凹 槽34的底部設(shè)有網(wǎng)狀分布的刻槽35，所述充氣孔的內(nèi)端口位于該刻槽35內(nèi)， 所述出氣孔的內(nèi)端口位于所述壓板39底面的凹槽34內(nèi)。這樣，充氣口沒(méi)有直接與煤樣接觸，而是通過(guò)利用泡沬金屬的透氣性，實(shí)現(xiàn)"面充氣"而不再是以 往的"點(diǎn)充氣"，更加逼真地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際煤層瓦斯源，而且，出氣孔同樣沒(méi)有直 接與煤樣接觸，通過(guò)泡沫金屬防止煤粉進(jìn)入氣管。如圖1所示，在所述該試壓盒30的前、后方各設(shè)有三塊封板21，該封板 21固定在所述反力框架26上，前、后的封板21外側(cè)各安裝有側(cè)梁22，通過(guò)封 板21和側(cè)梁22來(lái)防止試壓盒30在前后方向的變性。這樣，將試壓盒30的四 周固定，只是試壓盒30上端的壓板39可以移動(dòng)，通過(guò)上側(cè)面千斤頂18來(lái)對(duì)煤 樣進(jìn)行施壓，而且，上側(cè)面上安裝有多個(gè)上壓塊19，每個(gè)上壓塊19對(duì)應(yīng)一個(gè)千 斤頂18，而每個(gè)千斤頂18施加的壓力可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，這樣可以模擬井下采煤工 作面造成突出的應(yīng)力集中帶，達(dá)到真實(shí)模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集 中帶。如圖l、圖2圖3、圖13、圖14及圖15所示，在上橫梁14和下橫梁15的 前后側(cè)安裝有支撐梁44，該支撐梁44的兩端經(jīng)墊塊46安裝在上橫梁14和下橫 梁15上，兩支撐梁44上分別安裝有兩支撐桿43，支撐桿43上各安裝有氣缸支 座41，兩氣缸支座41上分別安裝有氣缸40，兩氣缸40的伸縮桿相對(duì)伸出，各 氣缸40的伸縮桿上經(jīng)連接頭45均連接有一塊側(cè)封板42，兩側(cè)封板42位于所述 突出口31的右側(cè)，當(dāng)所述氣缸40的伸縮桿伸出時(shí)，兩側(cè)封板42對(duì)接，將所述 突出口 31封住，為了確保兩側(cè)封板42將突出口 31密封住，兩側(cè)封板42與試 壓盒30右端面之間安裝有第一密封圈33。然后，通過(guò)門(mén)支撐23將兩側(cè)封板42 頂緊。當(dāng)試壓盒30內(nèi)的瓦斯壓力和煤樣的軸向應(yīng)力達(dá)到要求時(shí)，氣缸40伸縮 桿收縮，帶動(dòng)側(cè)封板42分開(kāi)，這樣迅速打開(kāi)突出口31。在反力框架26的前方 安裝高速攝像機(jī)，通過(guò)高速攝像機(jī)記錄整個(gè)突出過(guò)程，然后，分析突出強(qiáng)度、 突出距離、突出煤粒度、突出時(shí)間和突出能量衰減度。如圖l、圖2及圖3所示，為了方便實(shí)驗(yàn)操作，在反力框架26上增加轉(zhuǎn)動(dòng) 傳動(dòng)裝置，所述反力框架26的左、右兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)支架，其中右支架2上設(shè) 有與該右支架2連為一體的減速機(jī)機(jī)座3，減速機(jī)機(jī)座3上安裝有減速機(jī)5，該 減速機(jī)5的輸入軸與電機(jī)4的輸出軸相連，電機(jī)4的外殼安裝在減速機(jī)5的外 殼上，減速機(jī)5的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與右轉(zhuǎn)軸9的一端連接，右轉(zhuǎn)軸9的另一端 固定于反力框架26的右側(cè)面，并且右轉(zhuǎn)軸9通過(guò)軸承支承在右軸承座8上；所 述左支架1上安裝有左軸承座12，該左軸承座12通過(guò)軸承支承左轉(zhuǎn)軸11，左 轉(zhuǎn)軸11與反力框架26的左側(cè)面固定連接；所述反力框架26的右側(cè)面安裝有半 圓形調(diào)節(jié)圈10，該調(diào)節(jié)圈10的兩端及中部各設(shè)有一個(gè)第一螺孔27，所述右支 架2上設(shè)有軸端擋圈24，該軸端擋圈24的上端設(shè)有第二螺孔38，該第二螺孔 38通過(guò)螺栓與其中的一個(gè)第一螺孔27連接。反力框架26在電機(jī)4的帶動(dòng)下能 進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述反力框架26轉(zhuǎn)動(dòng)到水平和垂直角度時(shí)，該第二螺孔38 均與所述第一螺孔27對(duì)齊，當(dāng)安裝試樣時(shí)，打開(kāi)電機(jī)4，反力框架26旋轉(zhuǎn)到水 平位置，此時(shí)將螺栓擰入第二螺孔38和第一螺孔27內(nèi)，使得反力框架26—直 保持在水平位置；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，把螺栓擰出，調(diào)整反力框架26到豎直位置，再將 螺栓擰入第二螺孔38和第一螺孔27內(nèi)。如圖l所示，所述反力框架26的上方設(shè)有單軌電動(dòng)葫蘆25，通過(guò)單軌電動(dòng) 葫蘆25來(lái)安裝煤樣以及封板21、側(cè)梁22。利用本發(fā)明進(jìn)行煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)時(shí)，將事先壓制成型的煤樣裝在試壓盒 30內(nèi)，煤樣內(nèi)埋有溫度傳感器，該溫度傳感器與安裝在反力框架26外的計(jì)算機(jī) 相連，通過(guò)溫度傳感器測(cè)定在突出過(guò)程中的溫度，煤樣的外壁安裝有聲發(fā)射探 頭，聲發(fā)射探頭經(jīng)導(dǎo)線與16CHs SAMOS System聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)相連，煤樣 成型后，將聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)傳感器安裝在固定位置，并與計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)連接好，用來(lái)進(jìn)行測(cè)試聲發(fā)射信號(hào)在突出過(guò)程中的傳播規(guī)律及衰減特征。 試驗(yàn)步驟(1) 成型。將從現(xiàn)場(chǎng)突出煤層所取煤樣用粉碎機(jī)粉碎后，通過(guò)振動(dòng)篩篩選成煤粒尺寸為lmm以下的20目、40目、60目、80目、100目粒度大小不等 的5種煤粉，在不添加任何添加劑的情況下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的配料方案將篩 分好的煤粉調(diào)制均勻，依據(jù)工業(yè)分析中所含水分多少加入適當(dāng)?shù)乃?，通過(guò)機(jī) 械翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將整體框架旋轉(zhuǎn)直水平角度，直接利用液壓千斤頂對(duì)要成型的煤樣 施加載荷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的成型壓力在試驗(yàn)臺(tái)上分次成型。煤樣成型后，將 聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)傳感器安裝在固定位置，并與計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)連接好，用 來(lái)進(jìn)行測(cè)試聲發(fā)射信號(hào)在突出過(guò)程中的傳播規(guī)律及衰減特征。(2) 脫氣。煤樣成型后，此時(shí)保持液壓千斤頂壓力穩(wěn)定在預(yù)定的壓力程度， 檢査實(shí)驗(yàn)容器氣密性，用真空泵進(jìn)行脫氣，脫氣時(shí)間根據(jù)成型煤樣強(qiáng)度而定， 但至少脫氣24h，以保證良好的脫氣效果。(3) 充氣。脫氣后，維持液壓千斤頂軸向壓力不變，將高壓高純99.9%甲 烷鋼瓶與試壓盒30充氣管道連接妥當(dāng)，并保證絕對(duì)的氣密性，調(diào)節(jié)壓力傳感器， 使充氣瓦斯壓力穩(wěn)定到預(yù)定值,由模型底部的充氣孔開(kāi)始向突出裝置中的成型煤 樣充瓦斯，充氣36 48h，使煤樣瓦斯充分吸附平衡。(4) 突出。此時(shí)突出模擬裝置中的煤樣實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)含"瓦斯"的煤 層，突然打開(kāi)利用快速釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)密封的突出口，此時(shí)由于瓦斯壓力和 圍壓模擬地應(yīng)力的作用，使儲(chǔ)存在試壓盒30中的能量從突出口突然釋放而完成 煤與瓦斯的突出，并同時(shí)利用高速攝像機(jī)進(jìn)行突出全過(guò)程攝像。若突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當(dāng)時(shí)的條件下力量較大,就會(huì)形成大型突出；若 突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當(dāng)時(shí)的條件下力量較小,就會(huì)出現(xiàn)小型突出或壓出、傾出現(xiàn)象；若突出裝置內(nèi)的成型煤樣在當(dāng)時(shí)的條件下無(wú)突出危險(xiǎn),成型煤樣穩(wěn)定不 動(dòng)或有極少量煤體垮落。(5)測(cè)定參數(shù)。所要測(cè)定的突出參數(shù)有煤樣成型壓力、突出時(shí)的千斤頂 壓力、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯流量、突出強(qiáng)度、突出距離、突出煤粒度、 突出時(shí)間、突出能量衰減度及聲發(fā)射信號(hào)等。實(shí)施例2試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同，不同的是試壓盒30，如圖11所示，試壓盒 30的軸心線與水平面的夾角為0。，相應(yīng)更換上壓塊19和下支撐塊20，可以模 擬水平傾角煤層下的煤與瓦斯突出過(guò)程。實(shí)施例3試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同，不同的是試壓盒30，如圖12所示，試壓盒 30的軸心線與水平面的夾角為30° ，相應(yīng)更換上壓塊19和下支撐塊20,可以 模擬30°傾角煤層下的煤與瓦斯突出過(guò)程。實(shí)施例4試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同，不同的是試壓盒30，如圖12所示，試壓盒 30的軸心線與水平面的夾角為45。，為了減小試壓盒30的高度，將試壓盒30 的下端切平。相應(yīng)更換上壓塊19和下支撐塊20，可以模擬45。傾角煤層下的 煤與瓦斯突出過(guò)程。這樣，本發(fā)明可以模擬了不同傾角煤層在不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力下的 煤與瓦斯突出，真實(shí)再現(xiàn)了石門(mén)揭煤時(shí)的突出情況。
權(quán)利要求
1.一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于在反力框架(26)內(nèi)安裝有四排呈矩形分布的千斤頂(18)，其中上排千斤頂(18)的頂桿朝下，并與上壓塊(19)連接，下排千斤頂(18)的頂桿朝上，并與下支撐塊(20)連接，所述上壓塊(19)與下支撐塊(20)之間夾持有試壓盒(30)，該試壓盒(30)的開(kāi)口端向前，由端蓋(32)密封，試壓盒(30)的左端與左排千斤頂(18)的頂桿相抵接，在所述試壓盒(30)的右側(cè)面開(kāi)有突出口(31)，該突出口(31)可由快速釋放機(jī)構(gòu)的側(cè)封板(42)密封，在側(cè)封板(42)與右排千斤頂(18)的頂桿之間設(shè)有門(mén)支撐(23)，該門(mén)支撐(23)可以將所述側(cè)封板(42)頂緊在所述突出口(31)上；在所述試壓盒(30)的頂面開(kāi)有施壓口，該施壓口內(nèi)相配合地裝有壓板(39)，壓板(39)與上壓塊(19)相抵接，在壓板(39)上開(kāi)設(shè)的出氣孔中安裝快速氣接頭(29)，所述試壓盒(30)的底面開(kāi)有充氣孔，該充氣孔中也裝有快速氣接頭(29)；在所述該試壓盒(30)的前、后方各設(shè)有封板(21)，該封板(21)固定在所述反力框架(26)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述反 力框架(26)的左、右兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)支架，其中右支架(2)上安裝電機(jī)(4) 該電機(jī)(4)的輸出軸與減速機(jī)(5)的輸入軸連接，減速機(jī)(5)的輸出軸與右 轉(zhuǎn)軸(9)的一端連接，右轉(zhuǎn)軸(9)的另一端固定于反力框架(26)的右側(cè)面， 并且右轉(zhuǎn)軸(9)通過(guò)軸承支承在右軸承座(8)上；所述左支架(1)上安裝有 左軸承座(12)，該左軸承座(12)通過(guò)軸承支承左轉(zhuǎn)軸(11)，左轉(zhuǎn)軸(11) 與反力框架(26)的左側(cè)面固定連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述反 力框架(26)的右側(cè)面安裝有半圓形調(diào)節(jié)圈(10)，該調(diào)節(jié)圈(10)的兩端及中 部各設(shè)有一個(gè)第一螺孔(27),所述右支架(2)上設(shè)有軸端擋圈(24)，該軸端擋圈(24)的上端設(shè)有第二螺孔(38)，該第二螺孔(38)通過(guò)螺栓與其中的一 個(gè)第一螺孔(27)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于-所述快速釋放機(jī)構(gòu)由對(duì)稱(chēng)設(shè)置在反力框架(26)前、后方的氣缸支座(41)、氣 缸(40)和側(cè)封板(42)組成，其中兩個(gè)氣缸(40)固定在各自的氣缸支座(41) 上，兩氣缸(40)的伸縮桿相對(duì)伸出，各氣缸(40)的伸縮桿上均連接有一塊 側(cè)封板(42)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述上 排千斤頂(18)中每個(gè)千斤頂配備一個(gè)上壓塊(19)，所述試壓盒(30)上端的 壓板(39)與對(duì)應(yīng)上排千斤頂(18)的頂桿之間通過(guò)上壓塊(19)相抵接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于在 所述壓板(39)的底面及試壓盒(30)的內(nèi)底壁上均設(shè)有凹槽(34)，各凹槽(34) 內(nèi)安裝泡沫金屬(36)，其中，位于試壓盒(30)內(nèi)底壁的凹槽(34)的底部設(shè) 有網(wǎng)狀分布的刻槽(35)，所述充氣孔的內(nèi)端口位于該刻槽(35)內(nèi)，所述出氣 孔的內(nèi)端口位于所述壓板(39)底面的凹槽(34)內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述試 壓盒(30)的軸心線與水平面的夾角為銳角a， ci為0。 ~45° 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述突 出口 (31)為圓形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述反 力框架(26)的上方設(shè)有單軌電動(dòng)葫盧(25)。
全文摘要
一種煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，用于進(jìn)行不同煤層傾角、不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力下的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究，同時(shí)研究聲發(fā)射信號(hào)在突出過(guò)程中的傳播規(guī)律及衰減特征，本發(fā)明通過(guò)多組液壓千斤頂向煤樣軸向施壓，通過(guò)充氣口向煤樣內(nèi)充瓦斯，可模擬井下采煤工作面造成突出的應(yīng)力集中帶，從而達(dá)到模擬煤與瓦斯的突出現(xiàn)象；并且，裝置突出口通過(guò)快速釋放機(jī)構(gòu)實(shí)施機(jī)械化自動(dòng)控制，高速打開(kāi)突出口，使其突出端突然泄壓，避免了采用手動(dòng)打開(kāi)突出口由于速度慢而對(duì)突出能量的影響，更真實(shí)地模擬了現(xiàn)場(chǎng)突出。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101226183SQ20081006927
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者尹光志, 李樹(shù)春, 王登科, 王維忠, 江 許, 趙洪寶, 陶云奇, 魏作安, 鮮學(xué)福 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)