專利名稱：煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置，利用巖石力 學(xué)試驗機對煤巖試樣進(jìn)行加載破壞過程中，研究瓦斯在煤巖中的滲透性試驗提 供了試驗條件，尋求煤巖試樣在雙向加載試驗條件下瓦斯的運移規(guī)律，為煤礦 井下采煤工作面的防災(zāi)減災(zāi)和瓦斯抽采提供依據(jù)。
(二) .背條技術(shù)
隨著目前煤礦開采深度的逐年增加，煤礦的自然災(zāi)害更加突出，尤其是瓦 斯的涌出對煤礦井下工作面生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。煤礦瓦斯作為一種資源，充分 利用煤層開采過程中巖層移動對瓦斯卸壓作用并根據(jù)巖層移動規(guī)律來優(yōu)化抽放 方案、提高抽出率，在煤層開采時形成采煤和采煤層氣兩個完整的開采系統(tǒng)，
即形成"雙能源開采"技術(shù)。而工作面的瓦斯涌出與諸多因素有關(guān)；其中煤巖 體的堅硬程度、裂隙發(fā)育程度，裂隙的方向，裂隙的連通程度、所受應(yīng)力狀態(tài)、 瓦斯壓力等因素有關(guān)，使得研究煤礦井下采煤工作面瓦斯運移規(guī)律的研究變得 十分復(fù)雜。在煤礦采煤工作面生產(chǎn)過程中，隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面煤 體的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)周期性變化，前方煤體的裂隙也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，煤體 中瓦斯的運移規(guī)律與上述等諸多因素有關(guān)，其中煤體裂隙的發(fā)育程度關(guān)系最為 密切。而裂隙形成又與煤體所受應(yīng)力密切相關(guān)，煤巖體的瓦斯的運移規(guī)律與煤 巖體的應(yīng)力存在某些關(guān)系，需要進(jìn)行仔細(xì)研究。而國內(nèi)大多數(shù)研究者在室內(nèi)對 <D50mmX100標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行三向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行瓦斯的滲透性規(guī)律研究，由于 標(biāo)準(zhǔn)煤樣尺寸較小，含裂隙少，完整性相對較好，這與煤礦井下采煤工作面煤
體的實際情況不完全相符。由于現(xiàn)場生產(chǎn)條件的限制和目前現(xiàn)場測試手段的不 完善，對上述諸多因素難以進(jìn)行仔細(xì)的考慮。根據(jù)煤礦井下采煤工作面初次來 壓和周期來壓期間，工作面的瓦斯?jié)舛扔砍隽棵黠@增加。因此，有必要對煤礦 井下工作面煤體的應(yīng)力、瓦斯的運移規(guī)律進(jìn)行深入研究，試圖研制一套適合在 室內(nèi)進(jìn)行煤礦井下采煤工作面煤體的瓦斯運移規(guī)律的模擬試驗，尋求煤巖試樣 在雙向加載試驗條件下瓦斯的運移規(guī)律，為煤礦井下采煤工作面的防災(zāi)減災(zāi)和 瓦斯抽采提供依據(jù)。 (三).發(fā)明內(nèi)容
利用巖石力學(xué)試驗機對試樣進(jìn)行加載、聲發(fā)射系統(tǒng)同時進(jìn)行監(jiān)測的試驗條 件下，研制出一套煤巖、氣滲透性雙向加載試驗裝置，尋求煤巖試樣在雙向加 載試驗條件下瓦斯的運移規(guī)律，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直Z 方向由試驗機主動軸向加載，水平Y(jié)方向采用兩塊側(cè)限板由兩根螺栓連接被動 約束，水平X方向一邊加瓦斯，另一邊為自由面。在室內(nèi)模擬煤礦井下工作面 前方煤體瓦斯隨工作面推進(jìn)過程中的運移規(guī)律。要求滿足在加載過程中試樣Z 和Y方向4個側(cè)面密封不卸漏，水平X方向加瓦斯，另外一個方向模擬采煤工 作面煤體的試驗裝置，研究煤巖體在不同應(yīng)力加載過程中瓦斯的滲透性與應(yīng)力 之間的關(guān)系?？朔爽F(xiàn)有氣固耦合試驗裝置與工作面前方煤巖體受力狀態(tài)不完 全相符的不足，該試驗裝置能夠模擬采煤工作面前方煤體、氣耦合滲透性試驗， 研究煤體在不同應(yīng)力條件下瓦斯的運移規(guī)律。要求試樣應(yīng)處于Z、 Y兩個方向4 個約束，X方向加瓦斯的密閉試驗環(huán)境，其受力狀態(tài)是軸向Z主動加載，水平 Y被動約束，水平X—面加瓦斯，另一面為自由面模擬工作面煤體，研究煤巖 體在不同應(yīng)力加載過程中瓦斯的運移規(guī)律。得出試樣在加載過程中應(yīng)力與瓦斯 的運移規(guī)律，為煤礦井下采煤工作面的防災(zāi)減災(zāi)和瓦斯抽采提供依據(jù)。
本實用新型煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置。其特征是利用巖石 力學(xué)試驗機對試樣進(jìn)行加載、聲發(fā)射系統(tǒng)同時進(jìn)行監(jiān)測的試驗條件下，同時配 備相應(yīng)的氣源，氣體壓力測試系統(tǒng)，氣體流量測試系統(tǒng)，構(gòu)成一整套煤巖、氣 耦合滲透性雙向加載試驗測試系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要由氣源單元I 、氣體壓力測
試單元n、氣體流量測試單元m、試驗機加載及控制單元iv、聲發(fā)射監(jiān)測單元 v、煤巖、氣、液耦合滲透性雙向加載試驗裝置單元vi六部分組成，其中煤巖、 氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置單元vi是本次發(fā)明的主體，發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是
試驗裝置的結(jié)構(gòu)特征和試樣的密封處理技術(shù)。
氣源單元與氣體壓力測試單元和氣體流量測試單元連接后，再與煤巖、氣
耦合滲透性雙向加載試驗裝置和聲發(fā)射監(jiān)測單元連接，試驗機控制及加載單元 與煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置，其中煤巖、氣耦合滲透性雙向加載
試驗裝置單元本實用新型的主體，主要由試樣l、透氣板2、密封膠板3、底板 4、進(jìn)氣口5、壓條6、上壓板7、緊固螺栓8、 9、左側(cè)限板IO、右側(cè)限板ll、 壓緊螺栓12、墊片13及壓緊螺母14部件組成。
試樣l:尺寸為150mmxl50mmxl50mm煤巖試樣，要求試樣表面平整， 相鄰側(cè)面相互垂直，端面的平行度小于0.1 mm。 150mmX150mmX150mm立 方體。
透氣板2:尺寸30mmxl50mmxl50mm鋼件，透氣板上布置有進(jìn)氣口 (5)、 氣室，透氣孔，進(jìn)氣口 (5)用螺紋與氣源進(jìn)氣管連接。
密封膠板3:采用彈性和韌性良好的硅膠板，其尺寸為200 mmx750 mmx2
mm。 (四).

圖1是煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗測試系統(tǒng)原理圖。
圖2—4是煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖和側(cè) 視示意圖。
圖5—7是透氣板結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖和側(cè)視示意圖。 圖8—10是左側(cè)板結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖和側(cè)視示意圖。 圖11一13是右側(cè)板結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖和側(cè)視示意圖。 圖14一16是底板結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖和側(cè)視示意圖。
圖i中，i.氣源單元、ii.氣體壓力測試單元，m.氣體流量測試單元，IV.
試驗機加載及控制單元，V.聲發(fā)射監(jiān)測單元，VI.煤巖，氣耦合滲透性雙向加載 試驗裝置單元六部分組成，各單元分別用虛線方框表示。所述氣源單元I中， 15.瓦斯瓶，16.減壓閥；所述壓力測試單元II中，17.氣體壓力傳感器，18.自動 采集儀，19.計算機；所述氣體流量測試單元m中，20.氣體質(zhì)量流量傳感器，21. 氣體流量積算儀，22.計算機；所述試驗機加載及控制單元IV中，23.試驗機底座， 24.試驗機上壓頭，25.加載油缸，26.采集控制計算機；所述聲發(fā)射監(jiān)測單元V中， 27.聲發(fā)射傳感器，28.信號放大器、29.聲發(fā)射采集儀；
圖2—4中，l.試樣，2.透氣板、3.密封膠板，4.底板，5.進(jìn)氣口、 6.壓條， 7.上壓板，8、 9.緊固螺栓，IO.左側(cè)限板、ll右側(cè)限板、12.壓緊螺栓，13.墊片， 14.緊螺母。
(五).具體實施方式
采用所述的煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置其特征是利用巖石 力學(xué)試驗機對試樣進(jìn)行加載、聲發(fā)射系統(tǒng)同時進(jìn)行監(jiān)測的試驗條件下，同時配 備相應(yīng)的壓力測試系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗。按如下步驟進(jìn)行試驗操作
第一步，試樣制作按照試驗要求加工150mmX150mmX150mm立方體試 樣l。
第二步，試樣(1)的密封處理；該裝置經(jīng)過多次試驗總結(jié)出密封效果的工 藝流程如下①將試件邊角加工達(dá)到平整度要求，對于缺角部位采用水泥砂漿 填平后再進(jìn)行磨床加工，然后將試樣進(jìn)行干燥；②涂膠前將試樣表面凈化處理， 將試樣和透氣板放在硅膠板上，密封膠直接涂于試樣和透氣板的四個側(cè)面，利 用密封膠的流動性和批刀使涂膠表面形成厚薄均勻的平整膠面，膠體固化后的
厚度應(yīng)大于lmm為宜。密封膠的固化時間和溫度關(guān)系較大， 一般溫度越高固化 時間越快；③將試樣(1)、透氣板(2)連同密封膠板(3) —起放入滲透性試驗 裝置內(nèi)，穿上螺桿(8)、 (9)，墊片(13)和螺母(13)，調(diào)整好膠板的位置蓋上 壓條(6)，上好壓緊螺桿(12)，放上上壓板(7)，各螺栓螺母壓緊，盡量排出 膠板和密封膠之間空氣。透氣板(2)上布置有進(jìn)氣口 (5)、氣室，透氣孔，其 尺寸與試樣(1)的邊長相等，進(jìn)氣口 (5)用螺紋與進(jìn)氣管連接，密封膠板(3) 采用彈性和韌性良好的硅膠板，其尺寸為200mmx750mmx2mm，密封材料采 用聚氨酯密封膠。左側(cè)限板(10)和右側(cè)限板(11)與透氣板(2)搭接處設(shè)置 一個臺階，臺階高度3mm，防止加氣過程透氣板向左移動，側(cè)限板左側(cè)上方也 設(shè)置臺階，臺階高度3mm.，小于試樣高度，保證壓條(6)壓緊保持試樣密封 良好。
第三步，安裝試驗裝置首先將準(zhǔn)備好的滲透性試驗裝置單元(VI)放置在 試驗機加載及控制單元(IV)中試驗機上承壓板(23)與壓頭(24)之間，要求 試樣(1)中心與試驗機壓頭(24)完全對中。
第四步，安裝調(diào)試壓力測試單元(II):連接氣源、氣體壓力傳感器(17)、 自動數(shù)據(jù)采集儀(18)和計算機(19)，并調(diào)試處于正常工作狀態(tài)。
第五步，安裝調(diào)試流量監(jiān)測單元(III)，連接氣體流量傳感器(20)、流量 積算儀(21)和計算機(22)，并調(diào)試處于正常工作狀態(tài)。
第六步，安裝調(diào)試聲發(fā)射監(jiān)測單元(V):將聲發(fā)射傳感器(27)涂凡士林貼 試樣表面，并用膠帶固定，連接信號放大器(28)、聲發(fā)射監(jiān)測儀(29)，并調(diào)試處于正常 工作狀態(tài)。
第七步，啟動調(diào)試試驗機加載及控制單元(IV):啟動試驗機加載，設(shè)置控 制加載控制參數(shù)，建立試驗文件編號。再次檢査個測試系統(tǒng)單元工作情況是否 正常，確保各個測試行系統(tǒng)單元運行良好。
第八步，試驗在試驗機加載及控制單元(IV)的計算機控制下進(jìn)行加載，
氣體壓力測試單元(n)、氣體流量測試單元(III)和聲發(fā)射監(jiān)測單元(V)，
同時進(jìn)行采集并記錄試驗數(shù)據(jù)，大約軸向載荷大約加載到預(yù)計試樣極限載荷的 10%左右，開啟減壓閥調(diào)整壓力到預(yù)定壓力，各個系統(tǒng)正常進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，直 到試樣完全破壞為止。
第九步，試驗結(jié)束關(guān)閉氣源，各個系統(tǒng)推出監(jiān)測系統(tǒng)。 第十步，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)入各測試分析系統(tǒng)，分析試驗結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置，其特征是由氣源單元、氣體壓力測試單元、氣體流量測試單元、試驗機加載及控制單元、聲發(fā)射監(jiān)測單元、煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置單元六部分組成，氣源單元、氣體壓力測試單元、氣體流量測試單元、煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置、聲發(fā)射監(jiān)測單元和試驗機控制及加載單元順序連接，其中煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置單元本實用新型的主體，主要由試樣(1)、透氣板(2)、密封膠板(3)、底板(4)、進(jìn)氣口(5)、壓條(6)、上壓板(7)、緊固螺栓(8)、(9)、側(cè)限板(10)、(11)、壓緊螺栓(12)、墊片(13)及壓緊螺母(14)部件組成。
2、 如權(quán)利要求l所述煤巖、氣耦合滲透性雙向加載裝置，其特征是:所述 試樣(1)尺寸為150mmxl50mmxl50mm煤巖試樣，要求試樣表面平整，相 鄰側(cè)面相互垂直，端面的平行度小于0.1mm。
3、 如權(quán)利要求l所述煤巖、氣耦合滲透性雙向加載裝置，其特征是所述 透氣板(2)上布置有進(jìn)氣口 (5)、氣室，透氣孔，其尺寸與試樣(1)的邊長 相等，進(jìn)氣口 (5)用螺紋與進(jìn)氣管連接。
4、 如權(quán)利要求1所述煤巖、氣耦合滲透性雙向加載裝置，其特征是所述 密封膠板(3)采用硅膠板，其尺寸為200 mmx750 mmx2 mm。
5、如權(quán)利要求1所述煤巖、氣耦合滲透性雙向加載裝置，其特征是所 述左側(cè)限板(10)和右側(cè)限板(11)與透氣板(2)搭接處設(shè)置一個臺階，臺階 高度3mm，左側(cè)限板(10)和右側(cè)限板(11)左側(cè)上方也設(shè)置臺階，臺階高度 3 mmc
專利摘要一種能夠進(jìn)行煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置，主要由氣源單元、氣體壓力測試單元、氣體流量測試單元、試驗機加載及控制單元、聲發(fā)射監(jiān)測單元、煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置單元六部分組成，其功能是在室內(nèi)利用巖石力學(xué)試驗機對煤巖試樣進(jìn)行加載破壞過程中，研究瓦斯在煤巖試樣中的滲透性試驗提供試驗條件，尋求煤巖試樣在雙向加載過程中瓦斯的運移規(guī)律，為煤礦井下采煤工作面的災(zāi)害預(yù)防和瓦斯抽采提供依據(jù)。
文檔編號G01N15/08GK201196634SQ200720177228
公開日2009年2月18日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者李化敏, 文 王, 蘇承東, 高保彬 申請人:河南理工大學(xué)