沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于不同軸壓、不同圍壓、不同沖擊載荷作用條件下的含瓦斯煤 滲流特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，用于模擬和研究煤礦井下發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害條件的含瓦斯煤 在沖擊載荷作用下的滲流特性。
【背景技術(shù)】
[0002] 沖擊地壓又稱(chēng)巖爆，是指煤礦井巷或回采工作面周?chē)幱诟叩貞?yīng)力條件下的煤巖 體受到覆巖跨落或爆破擾動(dòng)發(fā)生破壞，并在破壞過(guò)程中受到圍巖的進(jìn)一步快速擠壓作用， 從而產(chǎn)生的彈性變形能瞬時(shí)釋放出巨大的能量而產(chǎn)生破壞的礦井動(dòng)力現(xiàn)象，在此過(guò)程中煤 層的力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生巨大變化，甚至導(dǎo)致煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。
[0003] 煤層除了受煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、地下水和地溫 等諸多因素影響外，還在很大程度上受到煤礦開(kāi)采過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)、爆破、地震W及沖擊地 壓產(chǎn)生的沖擊載荷的影響，從而使煤體的滲流特性產(chǎn)生不同程度的變化，影響煤礦井下正 常的回采作業(yè)。W往的相似實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還沒(méi)有對(duì)含瓦斯煤在施加沖擊載荷前后滲流特性的變 化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)和方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括煤樣固定裝置、沖擊載荷加載裝 置和與煤樣固定裝置相連接的高壓氣源裝置、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、抽真空裝置W 及計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置；所述沖擊載荷加載裝置為分離式霍普金森壓桿裝置；所述高壓氣 源裝置由順次連接的高壓瓦斯罐、減壓閥、第一閥口、第一氣壓表和=通閥組成，=通閥的 另外兩端通過(guò)管路分別連接抽真空裝置和煤樣固定裝置的氣體入口；所述軸壓加載裝置由 順次連接的軸壓油累、第一壓力調(diào)節(jié)閥、第二閥口和第一液壓表組成，所述第一液壓表通過(guò) 管路與煤樣固定裝置的軸壓注油口相連接；所述圍壓加載裝置由順次連接的圍壓油累、第 二壓力調(diào)節(jié)閥、第=閥口和第二液壓表組成，所述第二液壓表通過(guò)管路與煤樣固定裝置的 圍壓注油口相連接；所述計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置由順次連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體體積流量 計(jì)、第四閥口和第二氣壓表組成，所述第二氣壓表與煤樣固定裝置的氣體出口相連接。
[0006] 具體的，所述煤樣固定裝置由煤樣室和固定于煤樣室上方的軸壓缸體組成；所述 軸壓缸體內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的軸向加載桿，軸向加載桿的一端伸出軸壓缸體外且與分離 式霍普金森壓桿裝置處于同一水平面，另一端伸入煤樣室內(nèi)，軸向加載桿的中部設(shè)有與軸 向加載桿相垂直的密封板，密封板的兩端通過(guò)密封圈與軸壓缸體的內(nèi)壁密封連接；所述軸 壓缸體上方設(shè)有位移傳感器，軸壓缸體的側(cè)壁設(shè)有兩個(gè)軸壓注油口，兩個(gè)軸壓注油口分別 位于密封板的上、下方，軸壓缸體的側(cè)壁還開(kāi)設(shè)有氣體入口；所述煤樣室包括位于煤樣室底 部的可拆卸承壓擋板和位于煤樣室內(nèi)部設(shè)有中空煤樣型腔的密封膠套，密封膠套外側(cè)壁開(kāi) 設(shè)有凹槽且該凹槽與煤樣室內(nèi)側(cè)壁形成環(huán)形圍壓油腔，煤樣置于密封膠套的中空煤樣型腔 內(nèi)且與環(huán)形圍壓油腔相隔離，密封膠套的下方設(shè)置密封墊；煤樣型腔的頂部設(shè)有第一多孔 板，煤樣型腔的底部設(shè)有第二多孔板，軸壓缸體的氣體入口通過(guò)軸向加載桿內(nèi)部的氣體管 路與煤樣型腔頂部的第一多孔板相連通，伸入煤樣室的軸向加載桿的端部與第一多孔板壓 接；煤樣室側(cè)壁設(shè)有圍壓注油口和氣體出口，煤樣室的氣體出口通過(guò)承壓擋板內(nèi)部的氣體 管路與煤樣型腔底部的第二多孔板相連通。具體的，所述抽真空裝置由順次連接的真空累 和第五閥口組成。
[0007] 使用上述系統(tǒng)進(jìn)行沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)的方法，其包括如下步驟： 1) 連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性； 2) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；將煤樣放入干燥箱中恒溫干燥處理，取出、冷卻后備用； 3) 固定煤樣：將準(zhǔn)備好的煤樣裝入煤樣固定裝置； 4) 真空脫氣；在保證系統(tǒng)連接正確、氣密性良好的情況下，打開(kāi)抽真空裝置對(duì)煤樣進(jìn)行 真空脫氣處理； 5) 提供=維應(yīng)力環(huán)境；真空脫氣處理完成后，對(duì)煤樣施加預(yù)定的軸壓和圍壓； 6) 沖擊滲流過(guò)程；向煤樣中充入預(yù)定壓力的瓦斯氣體，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置， 穩(wěn)定后利用分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)煤樣固定裝置施加沖擊載荷，同時(shí)計(jì)量并采集數(shù) 據(jù)； 7) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：利用擬壓法評(píng)估實(shí)驗(yàn)過(guò)程中含瓦斯煤滲流滲透率大小，公式具體如 下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括煤樣固定裝置、沖擊 載荷加載裝置和與煤樣固定裝置相連接的高壓氣源裝置、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、抽 真空裝置以及計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置；所述沖擊載荷加載裝置為分離式霍普金森壓桿裝置； 所述高壓氣源裝置由順次連接的高壓瓦斯罐、減壓閥、第一閥門(mén)、第一氣壓表和三通閥組 成，三通閥的另外兩端通過(guò)管路分別連接抽真空裝置和煤樣固定裝置的氣體入口；所述軸 壓加載裝置由順次連接的軸壓油泵、第一壓力調(diào)節(jié)閥、第二閥門(mén)和第一液壓表組成，所述第 一液壓表通過(guò)管路與煤樣固定裝置的軸壓注油口相連接；所述圍壓加載裝置由順次連接的 圍壓油泵、第二壓力調(diào)節(jié)閥、第三閥門(mén)和第二液壓表組成，所述第二液壓表通過(guò)管路與煤樣 固定裝置的圍壓注油口相連接；所述計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置由順次連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣 體體積流量計(jì)、第四閥門(mén)和第二氣壓表組成，所述第二氣壓表與煤樣固定裝置的氣體出口 相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述煤 樣固定裝置由煤樣室和固定于煤樣室上方的軸壓缸體組成；所述軸壓缸體內(nèi)設(shè)有帶壓力傳 感器的軸向加載桿，軸向加載桿的一端伸出軸壓缸體外且與分離式霍普金森壓桿裝置處于 同一水平面，另一端伸入煤樣室內(nèi)，軸向加載桿的中部設(shè)有與軸向加載桿相垂直的密封板， 密封板的兩端通過(guò)密封圈與軸壓缸體的內(nèi)壁密封連接；所述軸壓缸體上方設(shè)有位移傳感 器，軸壓缸體的側(cè)壁設(shè)有兩個(gè)軸壓注油口，兩個(gè)軸壓注油口分別位于密封板的上、下方，軸 壓缸體的側(cè)壁還開(kāi)設(shè)有氣體入口；所述煤樣室包括位于煤樣室底部的可拆卸承壓擋板和位 于煤樣室內(nèi)部設(shè)有中空煤樣型腔的密封膠套，密封膠套外側(cè)壁開(kāi)設(shè)有凹槽且該凹槽與煤樣 室內(nèi)側(cè)壁形成環(huán)形圍壓油腔，煤樣置于密封膠套的中空煤樣型腔內(nèi)且與環(huán)形圍壓油腔相隔 離，密封膠套的下方設(shè)置密封墊；煤樣型腔的頂部設(shè)有第一多孔板，煤樣型腔的底部設(shè)有第 二多孔板，軸壓缸體的氣體入口通過(guò)軸向加載桿內(nèi)部的氣體管路與煤樣型腔頂部的第一多 孔板相連通，伸入煤樣室的軸向加載桿的端部與第一多孔板壓接；煤樣室側(cè)壁設(shè)有圍壓注 油口和氣體出口，煤樣室的氣體出口通過(guò)承壓擋板內(nèi)部的氣體管路與煤樣型腔底部的第二 多孔板相連通。
3. 如權(quán)利要求1所述的沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述抽 真空裝置由順次連接的真空泵和第五閥門(mén)組成。
4. 使用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進(jìn)行沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)的方法，其特征在 于，包括如下步驟： 1) 連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性； 2) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將煤樣放入干燥箱中恒溫干燥處理，取出、冷卻后備用； 3) 固定煤樣：將準(zhǔn)備好的煤樣裝入煤樣固定裝置； 4) 真空脫氣：在保證系統(tǒng)連接正確、氣密性良好的情況下，打開(kāi)抽真空裝置對(duì)煤樣進(jìn)行 真空脫氣處理； 5) 提供三維應(yīng)力環(huán)境：真空脫氣處理完成后，對(duì)煤樣施加預(yù)定的軸壓和圍壓； 6) 沖擊滲流過(guò)程：向煤樣中充入預(yù)定壓力的瓦斯氣體，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置， 穩(wěn)定后利用分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)煤樣固定裝置施加沖擊載荷，同時(shí)計(jì)量并采集數(shù) 據(jù)； 7) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：利用擬壓法評(píng)估實(shí)驗(yàn)過(guò)程中含瓦斯煤滲流滲透率大小，公式具體如 下：
(I) 式中：Ig為氣體滲透率；O1為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積流量；#和Z分別為平均氣體動(dòng)力 黏度和平均壓縮因子；Z為多孔介質(zhì)滲流長(zhǎng)度；J為多孔介質(zhì)橫截面積；A1為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的 氣體壓力；A為煤樣固定裝置的氣體入口端壓力；A為煤樣固定裝置的氣體出口端壓力；r 為實(shí)驗(yàn)環(huán)境絕對(duì)溫度；7；為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)溫度； 8)通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圍壓、軸壓、瓦斯壓力和沖擊載荷的大小、沖擊速度可以得出 不同實(shí)驗(yàn)條件下的含瓦斯煤滲流特性及其規(guī)律。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括煤樣固定裝置、沖擊載荷加載裝置和與煤樣固定裝置相連接的高壓氣源裝置、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、抽真空裝置以及計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置；所述沖擊載荷加載裝置為分離式霍普金森壓桿裝置。本發(fā)明采用分離式霍普金森壓桿裝置施加沖擊載荷來(lái)模擬沖擊地壓，通過(guò)施加不同的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，可以模擬煤礦井下煤巖體三維受載條件，成功進(jìn)行了三維應(yīng)力狀態(tài)下煤樣在沖擊載荷作用下的滲流實(shí)驗(yàn)，在理論和實(shí)踐上都具有比較重要的意義。
【IPC分類(lèi)】G01N15-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104865176
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510276798
【發(fā)明人】王登科, 魏建平, 劉勇, 夏玉玲, 姚邦華, 付啟超, 彭明, 王洪磊
【申請(qǐng)人】河南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日