專利名稱：卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦地下開采煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定。
背景技術(shù)：
構(gòu)造煤是一種在壓性、壓扭性、剪切構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的塑性剪切流變體，在未受到采動(dòng)或地震等外界擾動(dòng)的條件下，作為一種含能材料被圍巖和構(gòu)造應(yīng)力封存。在卸壓時(shí)，即轉(zhuǎn)化為氣-固兩相流體，透過煤層向工作面溢出或滲出，壓力較高時(shí)沖破前方阻擋的煤體，形成煤與瓦斯突出，給礦山生產(chǎn)和礦工生命帶來重大危害。就卸壓機(jī)制而言，基本可分為兩種，一種是開挖引起的側(cè)向卸壓，另一種是開采擾動(dòng)如采動(dòng)應(yīng)力、爆破振動(dòng)引起的深部卸壓。近些年來，針對(duì)側(cè)向卸壓引起的煤與瓦斯突出，陸續(xù)開展了一些物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)。物理模擬試驗(yàn)分為一維的激波管試驗(yàn)和三維試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)。前者是在激波管內(nèi)壓制含瓦斯煤，并用鋁箔密封，然后迅速啟膜使構(gòu)造煤與外界大氣相通，從而形成瓦斯卸壓，瓦斯在卸壓面解析并向空氣逸散，同時(shí)卸壓面沿激波管向深部煤層傳播，形成持續(xù)煤與瓦斯突出。三維試驗(yàn)臺(tái)模擬是在一個(gè)槽形容器內(nèi)壓制含瓦斯構(gòu)造煤，將容器密封并沖入高壓瓦斯，在容器上部向構(gòu)造煤施加壓力，然后打開設(shè)置在容器一側(cè)的預(yù)留開口裝置，這樣在上部壓力驅(qū)動(dòng)下，煤與瓦斯從預(yù)留開口處突出。可以說兩種試驗(yàn)裝置都在某種程度上反映了煤與瓦斯突出的物理過程，對(duì)提高煤與瓦斯的預(yù)測(cè)水平起到很好的作用?；谝陨衔锢砟Ｐ停F(xiàn)在煤與瓦斯突出的數(shù)值模擬實(shí)際上是一個(gè)流-固耦合模型，即煤體損傷、斷裂的演化過程中耦合了瓦斯的壓力作用——從全場(chǎng)滲流平均場(chǎng)的角度，研究煤與瓦斯的相互作用煤體從均勻分布的微損傷，經(jīng)過損傷局部化，最后串級(jí)長(zhǎng)大形成宏觀大斷裂，導(dǎo)致瓦斯?jié)B流向斷裂帶的局部集中，形成高壓區(qū)，推動(dòng)煤體突出。上述模型屬于側(cè)向卸壓，可以解釋采掘工作面附近的小規(guī)模煤體破壞、瓦斯溢出，其動(dòng)力現(xiàn)象的劇烈程度較弱，還不能稱為突出ο所謂深部卸壓是指卸壓非直接開挖引起，而是由于煤層頂板斷裂引起的應(yīng)力擾動(dòng)、爆破震動(dòng)在遠(yuǎn)離開挖自由面引起的卸壓機(jī)制。這種卸壓機(jī)制常發(fā)生在距離采掘工作面一定距離的煤層深部和石門揭煤工程。煤層突然卸壓導(dǎo)致卸壓空腔產(chǎn)生，構(gòu)造煤將由高壓固態(tài)向兩相流體(煤顆粒+瓦斯氣體)轉(zhuǎn)化，空腔內(nèi)流體積聚、壓力增大、對(duì)外膨脹做功，推動(dòng)煤體向工作面拋出，從而形成煤與瓦斯突出。這種突出的形成過程比較隱蔽，突出強(qiáng)度往往很大，因此它所造成的危害比第一種卸壓機(jī)制(工作面?zhèn)认蛐秹?引起的煤與瓦斯溢出 (傾出)大得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是專門針對(duì)深部卸壓引起的煤與瓦斯突出提出的，專門用于測(cè)定深部卸壓空腔內(nèi)構(gòu)造煤由固體向兩相流體轉(zhuǎn)化過程的各種狀態(tài)參數(shù)，如流體壓力、溫度、轉(zhuǎn)化陣面?zhèn)鞑ニ俣鹊龋瑥亩鵀檎J(rèn)識(shí)深部卸壓引起的煤與瓦斯突出的形成過程、突出強(qiáng)度評(píng)價(jià)和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和物理模型。本發(fā)明的卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，包括煤樣室、加卸壓裝置、氣壓加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、固定支撐系統(tǒng)。所述煤樣室由鋼筒制成，鋼筒兩端分別設(shè)置有底封蓋和頂封蓋通過螺栓與鋼筒連接。底封蓋設(shè)置有中心孔道與所述氣壓加載設(shè)備連接。 頂封蓋設(shè)置有三個(gè)行星孔道，繞中心呈120°間隔排列，供壓力傳遞桿穿過。所述加卸壓裝置由壓力封堵蓋、壓力傳遞桿、壓力承臺(tái)、壓力墊板、活塞和壓力缸組成。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由鑲嵌在鋼筒壁和壓力封堵蓋上的傳感器、電纜、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。所述固定支撐系統(tǒng)由反力架和支撐架組成。進(jìn)一步，壓力傳遞桿一端與壓力封堵蓋固定連接，另一端與壓力承臺(tái)固定連接?；钊?qū)動(dòng)壓力承臺(tái)的作用力通過壓力傳遞桿驅(qū)使壓力封堵蓋在鋼筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，壓力封堵蓋上設(shè)置至少兩個(gè)螺栓孔道，用于鑲嵌溫度傳感器和壓力傳感器。壓力封堵蓋側(cè)沿設(shè)置凹槽，用于安裝密封圈。進(jìn)一步，所述鋼筒壁上的傳感器設(shè)置至少為兩行，沿鋼筒軸線方向線性排列，一排為溫度傳感器，另一排為壓力傳感器。進(jìn)一步，底封蓋在煤樣室側(cè)設(shè)置底槽用于安裝泡沫金屬網(wǎng)，底封蓋中心設(shè)置進(jìn)氣管，與氣體加載設(shè)備相連。進(jìn)一步，頂封蓋還設(shè)置有中心孔道，用于封堵蓋上傳感器的電纜線輸出。進(jìn)一步，所述固定支撐系統(tǒng)的支架至少為三個(gè)，鋼筒安裝在兩個(gè)支撐架上，壓力缸安放在另一個(gè)支架上。進(jìn)一步，靠近底封蓋的反力架立柱上設(shè)置有進(jìn)氣管通道。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，能夠模擬煤層由于深部卸壓機(jī)制引起的高壓瓦斯包形成過程，并對(duì)該過程的兩相流體壓力、 溫度以及固-流轉(zhuǎn)化陣面的傳播速度進(jìn)行測(cè)定。為煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬提供理論模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，可調(diào)整壓制煤樣的煤粉粒徑參數(shù)、氣體加載壓力、煤樣的壓制長(zhǎng)度、煤樣的壓制力，獲得不同的試驗(yàn)結(jié)果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明試驗(yàn)裝置支撐固定結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式附圖1為本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示本實(shí)施例的卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定裝置，包括煤樣室、加卸壓裝置、氣壓加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、固定支撐系統(tǒng)。所述煤樣室由鋼筒(1)制成，鋼筒兩端分別設(shè)置有底封蓋(2)和頂封蓋(17)通過螺栓(7)與鋼筒(1)連接。底封蓋( 設(shè)置有中心孔道(6)與所述氣壓加載設(shè)備連接。頂封蓋(17)設(shè)置有三個(gè)孔道，繞中心呈120°間隔排列，供壓力傳遞桿(8)穿過。所述加卸壓裝置由壓力封堵蓋(3)、壓力傳遞桿(8)、壓力承臺(tái)(9)、壓力墊板(10)、活塞(11)、壓力缸 (19)和活塞底座(1 組成。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由鑲嵌在鋼筒(1)壁和壓力封堵蓋(3)上的傳感器(13、14)、電纜(15)、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。所述固定支撐系統(tǒng)由反力架和支撐架OO)組成。在本實(shí)施例中，壓力傳遞桿(8) —端與壓力封堵蓋C3)固定連接，另一端與壓力承臺(tái)(9)固定連接?；钊?11)驅(qū)動(dòng)壓力承臺(tái)(9)的作用力通過壓力傳遞桿(8)驅(qū)使壓力封堵蓋⑶在鋼筒⑴內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在本實(shí)施例中，壓力封堵蓋(3)上設(shè)置至少兩個(gè)螺栓孔道，用于鑲嵌溫度傳感器和壓力傳感器。壓力封堵蓋側(cè)緣設(shè)置凹槽，用于安裝密封圈G)。在本實(shí)施例中，所述鋼筒壁上的傳感器(13、14)設(shè)置至少為兩行，沿鋼筒軸線方向線性排列，一排為溫度傳感器，另一排為壓力傳感器。在本實(shí)施例中，底封蓋在煤樣室側(cè)設(shè)置底槽用于安裝泡沫金屬網(wǎng)(5)，底封蓋(2) 中心設(shè)置進(jìn)氣管(6)，與氣體加載設(shè)備相連。在本實(shí)施例中，頂封蓋還設(shè)置有中心孔道(16)，用于封堵蓋C3)上傳感器的電纜線輸出。在本實(shí)施例中，所述固定支撐系統(tǒng)的支架至少為三個(gè)，鋼筒(1)安裝在兩個(gè)支撐架上，壓力缸(19)安放在另一個(gè)支架上。在本實(shí)施例中，靠近底封蓋O)的反力架的立柱上設(shè)置有進(jìn)氣管通道02)。本發(fā)明的參數(shù)測(cè)定方法如下(1)煤樣壓制。從現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造煤層中取樣經(jīng)過粉碎、篩選，然后將篩選好不同粒徑 (目)的煤粉進(jìn)行配比，并摻入適量的水分，將煤粉分段壓制于鋼筒1內(nèi)，壓制后每段煤長(zhǎng)度與鋼筒直徑相當(dāng)；每段煤樣(18)壓制應(yīng)保持至少5分鐘，并將煤段間的壓制面劃碎，使煤段均勻相接。實(shí)驗(yàn)時(shí)可選用不同壓力壓制煤樣，也可壓制不同的煤樣長(zhǎng)度。壓力由加卸壓裝置提供。在煤樣壓制過程中，壓力封堵蓋C3)不安裝傳感器，待煤樣最后壓制完成，安裝傳感器。根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)前稱量壓制煤樣的實(shí)際質(zhì)量和長(zhǎng)度，從而計(jì)算出煤樣的密度和孔隙率。(2)充氣滲流。在煤樣最后壓制完成后，先測(cè)量原始煤樣的定常滲流煤樣完成后，撤離壓力封堵蓋(3)，進(jìn)氣管(6)接通氣體加載設(shè)備，氣體(CH4)經(jīng)泡沫金屬網(wǎng)( 過濾形成在鋼筒橫截面整體推進(jìn)的壓力陣面，通過計(jì)算機(jī)采樣各測(cè)點(diǎn)壓力， 判斷是否達(dá)到定常滲流。此時(shí)可根據(jù)鋼筒上游壓力、下游壓力、流量、以及煤樣長(zhǎng)度等計(jì)算煤樣的滲透率。接下來，進(jìn)行高壓瓦斯充氣，形成構(gòu)造煤的賦存壓力條件達(dá)到定常滲流的煤樣用壓力封堵蓋(3)封閉，鋼筒⑴端部用頂封蓋(17)封閉。 活塞(11)加壓至地應(yīng)力值，保持壓力不變，在壓力封堵蓋C3)安裝溫度傳感器和壓力傳感器。通過進(jìn)氣管(6)繼續(xù)向鋼筒中的煤樣內(nèi)充氣，直至形成地下構(gòu)造煤的瓦斯壓力，關(guān)閉進(jìn)氣管(6)閥門。(3)卸壓-固-流轉(zhuǎn)化待鋼筒內(nèi)的瓦斯壓力達(dá)到地下瓦斯壓力時(shí)，壓力缸(19)卸壓，迅速移去鋼墊板 (10)，壓力封堵蓋(3)附近迅速形成卸壓區(qū)，構(gòu)造煤開始由固態(tài)向兩相流體轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化形成的流體壓力和溫度由壓力封堵蓋C3)上的傳感器測(cè)得，固-流轉(zhuǎn)化陣面的傳播速度由鋼筒 ⑴壁上的壓力傳感器(13)和溫度傳感器(14)測(cè)得。(4)數(shù)據(jù)傳輸和處理
壓力傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)電纜(15)，進(jìn)入多通道數(shù)據(jù)采集器(A/D)，輸出數(shù)字信號(hào)，保存下來。計(jì)算機(jī)安裝信號(hào)處理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過對(duì)鋼筒(1)不同位置的壓力傳感器記錄的初至壓力的時(shí)間差，以及傳感器的間隔距離，計(jì)算出傳播陣面的傳播速度。流體壓力變化和溫度變化直接由壓力封堵蓋( 上的溫度傳感器和壓力傳感器讀取。
權(quán)利要求
1.一種卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，包括煤樣室、加卸壓裝置、氣壓加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、固定支撐系統(tǒng)，其特征在于所述煤樣室由鋼筒(1)制成，鋼筒兩端分別設(shè)置有底封蓋( 和頂封蓋(17)，上述兩個(gè)封蓋通過螺栓(7)與鋼筒(1)連接，底封蓋 (2)設(shè)置有中心孔道(6)與所述氣壓加載設(shè)備連接，頂封蓋(17)設(shè)置有三個(gè)孔道，繞中心呈120°間隔排列，供壓力傳遞桿⑶穿過；所述加卸壓裝置由壓力封堵蓋(3)、壓力傳遞桿(8)、壓力承臺(tái)(9)、壓力墊板(10)、活塞(11)和壓力缸(19)組成，活塞(11)驅(qū)動(dòng)壓力承臺(tái)(9)的作用力通過壓力傳遞桿(8)驅(qū)使壓力封堵蓋C3)在鋼筒(1)內(nèi)運(yùn)動(dòng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由鑲嵌在鋼筒⑴壁上和壓力封堵蓋⑶上的傳感器(13、14)、電纜(15)、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成；所述固定支撐系統(tǒng)由反力架和支撐架00)組成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于，壓力傳遞桿(8) —端與壓力封堵蓋(3)固定連接，另一端與壓力承臺(tái)(9)固定連接；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于，壓力封堵蓋C3)上設(shè)置至少兩個(gè)螺栓孔道，用于鑲嵌溫度傳感器和壓力傳感器，且壓力封堵蓋(3) 側(cè)沿設(shè)置凹槽，用于安裝密封圈；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于， 所述鋼筒壁上的傳感器(13、14)設(shè)置至少為兩行，沿鋼筒軸線方向線性排列，一排為溫度傳感器，另一排為壓力傳感器；
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于， 底封蓋在煤樣室側(cè)設(shè)置底槽用于安裝泡沫金屬網(wǎng)(5)，底封蓋中心設(shè)置進(jìn)氣管(6)，與氣壓加載設(shè)備相連；
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于， 頂封蓋(17)還設(shè)置有中心孔道(16)，用于封堵蓋C3)上傳感器的電纜線輸出；
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于， 所述固定支撐系統(tǒng)的支架至少為三個(gè)，鋼筒(1)安裝在兩個(gè)支撐架上，壓力缸(19)安放在另一個(gè)支架上；
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置，其特征在于， 靠近底封蓋的反力架立柱上設(shè)置有進(jìn)氣管通道02)；
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的構(gòu)造煤固流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置進(jìn)行的參數(shù)測(cè)定方法， 其特征在于，(1)煤樣壓制，從現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造煤層中取樣經(jīng)過粉碎、篩選，然后將篩選好不同粒徑(目)的煤粉進(jìn)行配比，并摻入適量的水分，將煤粉分段壓制于鋼筒內(nèi)，壓制后每段煤樣長(zhǎng)度與鋼筒 (1)直徑相當(dāng)；每段煤樣(18)壓制應(yīng)保持至少5分鐘，并將煤段間的壓制面劃碎，使煤段均勻相接；實(shí)驗(yàn)時(shí)可選用不同壓力壓制煤樣，也可壓制不同的煤樣長(zhǎng)度，壓力由加卸壓裝置提供； 在煤樣壓制過程中，壓力封堵蓋C3)不安裝傳感器，待煤樣最后壓制完成，安裝傳感器；根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)前稱量壓制煤樣的實(shí)際質(zhì)量和長(zhǎng)度，從而計(jì)算出煤樣的密度和孔隙率；(2)充氣滲流，煤樣壓制完成后，撤離壓力封堵蓋(3)，進(jìn)氣管(6)接通氣體加壓設(shè)備， 氣體(CH4)經(jīng)泡沫金屬網(wǎng)( 過濾形成在鋼筒橫截面整體推進(jìn)的壓力陣面，通過計(jì)算機(jī)采樣各測(cè)點(diǎn)壓力，判斷是否達(dá)到定常滲流，此時(shí)可根據(jù)鋼筒上游壓力、下游壓力、流量、以及煤樣長(zhǎng)度等計(jì)算煤樣的滲透率；接下來，進(jìn)行高壓瓦斯充氣，形成構(gòu)造煤的賦存壓力條件達(dá)到定常滲流的煤樣用壓力封堵蓋C3)封住，鋼筒端部用頂封蓋(17)封閉，活塞加壓至地應(yīng)力壓力，保持壓力不變，在壓力封堵蓋安裝溫度傳感器和壓力傳感器；通過進(jìn)氣管 (6)繼續(xù)向鋼筒中的煤樣內(nèi)充氣，直至形成地下構(gòu)造煤的瓦斯壓力，關(guān)閉進(jìn)氣管(6)閥門；(3)卸壓-固-流轉(zhuǎn)化，待鋼筒內(nèi)的瓦斯壓力達(dá)到地下瓦斯壓力時(shí)，壓力缸(19)卸壓， 迅速移去鋼墊板(10)，壓力封堵蓋(3)附近迅速形成卸壓區(qū)，構(gòu)造煤開始由固態(tài)向兩相流體轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化形成的流體壓力和溫度由壓力封堵蓋C3)上的傳感器測(cè)得，固-流轉(zhuǎn)化陣面的傳播速度由鋼筒1壁上的壓力傳感器(1 和溫度傳感器(14)測(cè)得；(4)數(shù)據(jù)傳輸和處理，壓力傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)電纜(15)，進(jìn)入多通道數(shù)據(jù)采集器(A/D)，輸出數(shù)字信號(hào)；計(jì)算機(jī)安裝信號(hào)處理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通過對(duì)不同位置的壓力傳感器記錄的初至壓力的時(shí)間差，以及傳感器的間隔距離，計(jì)算出傳播陣面的傳播速度；流體壓力變化和溫度變化直接由壓力封堵蓋C3)上的溫度傳感器和壓力傳感器讀取。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種卸壓構(gòu)造煤固-流轉(zhuǎn)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置及方法，包括煤樣室、加卸壓裝置、氣壓加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、固定支撐系統(tǒng)。該裝置能夠模擬煤層由于深部卸壓機(jī)制引起的高壓瓦斯包形成過程，并對(duì)該過程的兩相流體壓力、溫度以及固-流轉(zhuǎn)化陣面的傳播速度進(jìn)行測(cè)定，為煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬提供理論模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，可調(diào)整壓制煤樣的煤粉粒徑參數(shù)、氣體加載壓力、煤樣的壓制長(zhǎng)度、煤樣的壓制力，獲得不同的試驗(yàn)結(jié)果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N19/00GK102252957SQ201110097059
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者常旭, 廖明成, 毛元春, 王云飛, 王利, 王正一, 陳亞娟 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)