專利名稱：煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤與瓦斯突出測定裝置及方法，尤其是一種適用于確定突出參數(shù)及臨界值的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置及方法。
背景技術(shù)：
煤與瓦斯突出是礦井中的動力現(xiàn)象，其產(chǎn)生的機理較為復雜，且突出要素之間相互制約。人們對煤與瓦斯的突出預測開展了大量研究，但在目前的條件下，鑒定煤層有無突出危險性所用瓦斯壓力指標臨界值的確定主要有以下幾種方法
《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中把瓦斯壓力0. 74MPa作為判別有無突出危險的瓦斯壓力臨界值。由于影響煤與瓦斯突出的瓦斯、地應力、煤體力學性質(zhì)三大要素在各個礦區(qū)存在很大的差異，顯然統(tǒng)一的臨界值無法適應各礦的實際情況，不能有效地指導各礦的生產(chǎn)工作， 不能敏感的識別出危險。中州煤炭1991年第3期發(fā)表的“鉆屑瓦斯解吸指標的確定及應用”中提到根據(jù)發(fā)生突出時的最小瓦斯壓力與突出煤層最軟分層的堅固性系數(shù)的關(guān)系，計算出最小瓦斯壓力即為瓦斯壓力臨界值。該方法是利用瓦斯壓力和堅固性系數(shù)之間的經(jīng)驗公式，且僅僅考慮煤體的物理力學性質(zhì)，沒有考慮到地應力和瓦斯的作用。中國礦業(yè)大學學報2005年9月發(fā)表的論文“初始釋放瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力的關(guān)系”和河北理工學院學報2005年第5卷2期論文“利用球殼失穩(wěn)理論確定煤與瓦斯突出瓦斯壓力臨界值”均提到了通過建立初始瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力的關(guān)系，再利用初始釋放瓦斯膨脹能的臨界值從而確定瓦斯壓力臨界值。通過利用瓦斯膨脹能和瓦斯壓力之間的關(guān)系，通過瓦斯膨脹能臨界值來確定瓦斯壓力臨界值，瓦斯膨脹能臨界值是否合理將直接影響著瓦斯壓力臨界值的正確性，同時瓦斯膨脹能和瓦斯壓力之間的關(guān)系是通過實驗擬合出來，不排除存在一定的誤差的可能性，有可能導致誤差的積累；河南理工大學2009年7月年碩士論文“淮南礦區(qū)8煤層謝橋礦、新莊孜礦始突瓦斯參數(shù)確定方法及應用研究”提到利用瓦斯解吸指標實驗系統(tǒng)，通過建立瓦斯解吸指標和瓦斯壓力之間的關(guān)系式，再利用確定的瓦斯解吸指標臨界值來確定壓力臨界值。通過利用瓦斯解吸指標和瓦斯壓力之間的關(guān)系，通過瓦斯解吸指標臨界值來確定瓦斯壓力臨界值，瓦斯解吸指標臨界值是否合理將直接影響著瓦斯壓力臨界值的正確性，同時瓦斯解吸指標和瓦斯壓力之間的關(guān)系是通過實驗擬合出來，不排除存在一定的誤差的可能性，有可能導致誤差的積累；重慶大學學報2010年第33卷第3期論文“不同瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出模擬實驗”提到利用研制的煤與瓦斯突出模擬試驗臺，進行了 5種不同瓦斯壓力水平下的煤與瓦斯突出模擬實驗，得到了煤與瓦斯突出現(xiàn)象發(fā)生與否的瓦斯壓力閥值的范圍。受實驗裝置的限制，該實驗裝置的地應力加載的能力較小，不能模擬不同程度的礦井的地應力條件，且實驗次數(shù)有限，只是得到了瓦斯壓力臨界值的范圍，并沒有得出更為精確的值。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、準確性高、能針對不同礦井具體情況確定突出指標的測定煤與瓦斯突出預測指標臨界值的裝置及方法。技術(shù)方案本發(fā)明的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置，包括前壁開有突出口的容器、分別設(shè)在容器上的壓力加載裝置、氣體加載裝置、突出啟動裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置，所述的壓力加載裝置由壓柱、與壓柱螺紋連接的壓板構(gòu)成，壓柱上套裝有蓋板；所述的氣體加載裝置由瓦斯罐、減壓閥、多孔燒結(jié)板和進氣嘴組成，進氣嘴位于容器的后側(cè)壁上，多孔燒結(jié)板位于容器后側(cè)的內(nèi)壁上；所述的突出啟動裝置包括設(shè)在容器前側(cè)壁突出口外的突出口擋板、設(shè)在突出口內(nèi)的堵頭，突出口擋板的外側(cè)設(shè)有壓在其外側(cè)的Y形壓桿，容器前側(cè)壁兩側(cè)分別設(shè)有與Y形壓桿相插合的支座，支座的一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿一端的轉(zhuǎn)軸，另一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿的圓錐銷，圓錐銷末端設(shè)有卸荷桿；所述的數(shù)據(jù)采集及分析裝置包括依次設(shè)在容器的左側(cè)壁上的壓力傳感器、溫度傳感器、聲發(fā)射傳感器、電磁輻射傳感器、電位傳感器組成，壓力傳感器、溫度傳感器、聲發(fā)射傳感器、電磁輻射傳感器、電位傳感器分別經(jīng)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀相連；所述容器的右側(cè)設(shè)有由高速攝像機和玻璃窗口組成的觀測裝置，玻璃窗口位于容器的右內(nèi)側(cè)壁上，高速攝像機位于正對玻璃窗口的前方；所述的蓋板與容器的配合面和與壓柱的配合面上設(shè)有密封圈。本發(fā)明的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定方法，包括如下步驟
(1)選取型煤或散狀的待測煤樣；
(2)將型煤或散狀的煤樣從容器的頂部裝入后，安裝壓力加載裝置；
(3)將與瓦斯罐相連的減壓閥上的進氣閥和出氣閥打開，讓瓦斯氣體通過進氣嘴進入向容器內(nèi)，檢查容器的氣密性，看是否有漏氣，之后關(guān)閉氣源，即關(guān)閉減壓閥上的出氣閥；
(4)若無漏氣，則通過壓力試驗機給壓力加載裝置提供動力，向煤樣施加壓力，其壓力的大小與所取煤樣的礦山地應力大小一致；
(5)當施加的壓力與所取煤樣的礦山地應力大小一致時，打開減壓閥上的出氣閥調(diào)節(jié)出氣閥設(shè)定向容器內(nèi)充入瓦斯氣體0. 6 0. 8MPa,并吸附48小時以上，讓煤樣充分吸附瓦斯，吸附穩(wěn)定后關(guān)閉出氣閥；
(6)容器的煤樣吸附穩(wěn)定后，開啟設(shè)在玻璃窗口前方的高速攝像機，并開啟數(shù)據(jù)采集儀，做好突出前的準備；
(7)給圓錐銷末端的卸荷桿一個瞬間向下的沖力，使圓錐銷快速脫落，此時，壓桿一端和支座固定一端脫離，壓桿另一端繞著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，突出口擋板失去壓桿的壓力后自動脫落， 容器內(nèi)的煤樣在應力和瓦斯的作用下涌向突出口；
若瓦斯和煤樣從突出口突出，則逐步降低瓦斯氣體的充入量，重復步驟(1) (7)，至直瓦斯和煤樣不突出，記錄此時的瓦斯的壓力值；
若瓦斯和煤樣不突出，則逐步增加瓦斯氣體的充入量，重復步驟(3) (7)，至直瓦斯和煤樣從突出口突出，記錄此時的瓦斯的壓力值。有益效果由于采用了上述技術(shù)方案，綜合考慮了礦井的瓦斯賦存條件、地應力及其煤體力學性質(zhì)的差異，并針對各礦實際情況進行實驗確定煤與瓦斯突出預測指標臨界值，所得出的試驗參數(shù)和結(jié)果能實際反應出試驗礦井的具體情況，與用統(tǒng)一的指標臨界值相比，所確定的煤與瓦斯突出預測指標臨界值更具科學性，由于針對各礦實際性確定煤與瓦斯突出預測指標臨界值，準確度高，其主要優(yōu)點有1.通過充分模擬實驗礦井的地應力，瓦斯，煤體條件，使得出的煤與瓦斯突出預測指標臨界值更加準確可靠；
2.具有良好的氣密性，能夠進行不同瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出模擬實驗。3.能夠直觀的觀測到煤與瓦斯突出過程中煤體破裂演化過程； 4.結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，操作簡單，可靠性好。


圖1是本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明試驗方法流程示意圖。圖中1 一壓柱，2 —壓板，3 —容器，4 一進氣嘴，5 —壓力傳感器，6 —突出口，7 — 堵頭，9 —突出口擋板，10 一定位螺栓，11 一轉(zhuǎn)抽，12 一圓錐銷，13-Y形壓桿，14 一支座， 15 一減壓閥，16 —瓦斯罐，17 —進氣閥，18 —出氣閥，19 一多孔燒結(jié)板，20 —玻璃窗口， 21 —蓋板，22 —螺絲，23 —高速攝像機，24 —護欄，25 —溫度傳感器，26—聲發(fā)射傳感器，27 —電磁輻射傳感器，28 —電位傳感器，29 —數(shù)據(jù)采集儀，30 —卸荷桿。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的說明
本發(fā)明的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置，主要由容器3、壓力加載裝置、氣體加載裝置、突出啟動裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置構(gòu)成，壓力加載裝置設(shè)在容器3的頂部，氣體加載裝置設(shè)在容器3的左側(cè)，突出啟動裝置設(shè)在容器3右側(cè)，數(shù)據(jù)采集分析裝置設(shè)在容器 3的前部，容器3的前壁開有突出口 6。所述的壓力加載裝置由壓柱1、與壓柱1螺紋連接的壓板2構(gòu)成，壓柱1上套裝有蓋板21，壓柱1與壓板2通過螺紋連接相連，壓力試驗機所施加的壓力通過壓柱1和壓板2傳遞給容器3里的煤樣，壓力試驗機通過計算機控制，實現(xiàn)可控加載。蓋板21中開有一個供壓柱1穿過的圓孔，為了保證密封效果，蓋板21通過螺絲22 與容器3相連，蓋板21與容器3的配合面和與壓柱1的配合面上均設(shè)有密封圈8。所述的氣體加載裝置由瓦斯罐16、減壓閥15、多孔燒結(jié)板19和進氣嘴4組成，減壓閥的15—端接瓦斯罐16，另一端通過導氣管與進氣嘴4相連，減壓閥的15上有進氣閥17和出氣閥18，進氣嘴4位于容器3的后側(cè)壁上，多孔燒結(jié)板19位于容器3后側(cè)的內(nèi)壁上；多孔燒結(jié)板19為多孔結(jié)構(gòu)，氣體分子可以通過，煤顆粒不能通過，可實現(xiàn)對實驗煤樣進行面充氣，縮短煤樣達到吸附平衡狀態(tài)的時間；瓦斯罐16的瓦斯氣體通過減壓閥15與、進氣嘴4和多孔燒結(jié)板 19進入容器3。所述的突出啟動裝置包括設(shè)在容器3前側(cè)壁突出口 6外的突出口擋板9、設(shè)在突出口 6內(nèi)的堵頭7，突出口擋板9的外側(cè)設(shè)有壓在其外側(cè)的Y形壓桿13，容器3前側(cè)壁兩側(cè)分別設(shè)有與Y形壓桿13相插合的支座14，支座14的一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿13 —端的轉(zhuǎn)軸11，另一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿13的圓錐銷12，圓錐銷12的末端設(shè)有卸荷桿30 ；所述的數(shù)據(jù)采集及分析裝置包括依次設(shè)在容器3的左側(cè)壁上的壓力傳感器5、溫度傳感器25、聲發(fā)射傳感器26、電磁輻射傳感器27、電位傳感器28組成，壓力傳感器5、溫度傳感器25、聲發(fā)射傳感器26、電磁輻射傳感器27、電位傳感器28分別經(jīng)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀四相連；所述
6容器3的右側(cè)設(shè)有由高速攝像機23和玻璃窗口 20組成的觀測裝置，玻璃窗口 20位于容器 3的右內(nèi)側(cè)壁上，高速攝像機23位于正對玻璃窗口 20的前方。如圖2所示，玻璃窗口 20通過螺絲安裝在容器3右內(nèi)側(cè)壁上，為保證密封，在玻璃窗口 20與容器壁3的配合面上設(shè)有密封圈，為防止玻璃窗口 20破碎，在玻璃窗口 20的外部設(shè)有護欄M ；高速攝像機23拍攝的范圍為整個玻璃窗口 20，并以此調(diào)節(jié)攝像機與窗口的距離；試驗時，開啟高速攝像機23， 記錄下突出整個過程中煤樣的破壞過程，分析突出過程中煤樣在地應力和瓦斯壓力耦合作用下的破壞規(guī)律。數(shù)據(jù)采集分析裝置由壓力傳感器5、溫度傳感器25、聲發(fā)射傳感器26、電磁輻射傳感器27、電位傳感器觀和數(shù)據(jù)采集儀四組成。壓力傳感器5、溫度傳感器25、聲發(fā)射傳感器26、電磁輻射傳感器27、電位傳感器觀分別經(jīng)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀四相連；通過數(shù)據(jù)采集分析裝置采集實驗過程中壓力、溫度、聲發(fā)射、電位、電磁輻射數(shù)據(jù)，研究煤與瓦斯突出中各個指標數(shù)據(jù)規(guī)律，并為各個指標進行突出預測提供理論依據(jù)。本發(fā)明的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定方法
(1)在需要測定煤與瓦斯突出預測指標臨界值的礦井選取代表性的煤樣，切割成裝置容積大小；或者用碎煤用粉碎機粉碎制成跟箱體內(nèi)積大小一致型煤；
(2)打開容器3的蓋板21，將實驗煤樣放入容器3，將壓柱1穿過蓋板21預留的圓孔與壓板2通過螺紋相連，將堵頭7放入突出口 6，突出口擋板9放置在堵頭7外端，使堵頭7 內(nèi)端與容器3內(nèi)表面相平，外端與突出口擋板9緊密接觸，突出口擋板9并容器3接觸的配合面上設(shè)有密封圈8 ；轉(zhuǎn)動Y形壓桿13至支座14，將圓錐銷12插入Y形壓桿13和支座14 的槽里，調(diào)節(jié)Y形壓桿13上的定位螺栓10使突出口擋板9和容器3緊密接觸從而實現(xiàn)密封；
(3)將與瓦斯罐16相連的減壓閥15上的進氣閥17和出氣閥18打開，讓瓦斯氣體通過進氣嘴4進入向容器3內(nèi)，檢查容器3的氣密性，看是否有漏氣，之后關(guān)閉氣源，即關(guān)閉減壓閥15上的出氣閥18 ；
(4)若無漏氣，則通過壓力試驗機給壓力加載裝置提供動力，向煤樣施加壓力，其壓力的大小與所取煤樣的礦山地應力大小一致；
(5)當施加的壓力與所取煤樣的礦山地應力大小一致時，打開減壓閥15上的出氣閥18 調(diào)節(jié)出氣閥18設(shè)定向容器3內(nèi)充入瓦斯氣體0. 6^0. 8MPa，并吸附48小時以上，讓煤樣充分吸附，吸附穩(wěn)定后關(guān)閉出氣閥18 ；
(6)容器(3)的煤樣吸附穩(wěn)定后，開啟高速攝像機23和數(shù)據(jù)采集儀四，做好突出前的準備；
(7)突出啟動時，給圓錐銷12末端的卸荷桿30—個瞬間向下的沖力，使圓錐銷12快速脫落，此時，Y形壓桿13 —端和支座14固定一端脫離，壓桿13另一端繞著轉(zhuǎn)軸11旋轉(zhuǎn)，突出口擋板9失去Y形壓桿13的壓力后自動脫落，容器3內(nèi)的煤樣在應力和瓦斯的作用下涌向突出口 6。(8)記錄實驗結(jié)果，若突出了，則按照上述實驗步驟1-7步，降低0. 2MPa瓦斯壓力， 再次試驗；若沒有突出，則利用容器3的煤樣，增加0. 2MPa瓦斯壓力值，按照實驗步驟2-7 步，再次實驗，如此依次重復；假設(shè)發(fā)生突出時的壓力為P2，不突出的壓力為P1，然后取中間值繼續(xù)實驗，直到精度為O.OlMPa。則此次試驗的瓦斯壓力值即為煤與瓦斯突出預測指標臨界值。
權(quán)利要求
1.一種煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置，包括前壁開有突出口(6)的容器 (3)、分別設(shè)在容器(3)上的壓力加載裝置、氣體加載裝置、突出啟動裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置，其特征在于所述的壓力加載裝置由壓柱(1)、與壓柱(1)螺紋連接的壓板(2)構(gòu)成，壓柱(1)上套裝有蓋板(21)；所述的氣體加載裝置由瓦斯罐(16)、減壓閥(15)、多孔燒結(jié)板 (19)和進氣嘴(4)組成，進氣嘴(4)位于容器(3)的后側(cè)壁上，多孔燒結(jié)板(19)位于容器 (3)后側(cè)的內(nèi)壁上；所述的突出啟動裝置包括設(shè)在容器(3)前側(cè)壁突出口(6)外的突出口擋板(9)、設(shè)在突出口(6)內(nèi)的堵頭(7)，突出口擋板(9)的外側(cè)設(shè)有壓在其外側(cè)的Y形壓桿 (13)，容器(3)前側(cè)壁兩側(cè)分別設(shè)有與Y形壓桿(13)相插合的支座(14)，支座(14)的一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿(13)—端的轉(zhuǎn)軸(11)，另一側(cè)設(shè)有固定Y形壓桿(13)的圓錐銷(12)，圓錐銷12末端設(shè)有卸荷桿(30)；所述的數(shù)據(jù)采集及分析裝置包括依次設(shè)在容器(3)的左側(cè)壁上的壓力傳感器(5)、溫度傳感器(25)、聲發(fā)射傳感器(26)、電磁輻射傳感器(27)、電位傳感器(28)組成，壓力傳感器(5)、溫度傳感器(25)、聲發(fā)射傳感器(26)、電磁輻射傳感器 (27)、電位傳感器(28)分別經(jīng)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀(29)相連；所述容器(3)的右側(cè)設(shè)有由高速攝像機(23)和玻璃窗口(20)組成的觀測裝置，玻璃窗口(20)位于容器(3)的右內(nèi)側(cè)壁上，高速攝像機(23)位于正對玻璃窗口( 20)的前方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置，其特征在于所述的蓋板(21)與容器(3)的配合面和與壓柱(1)的配合面上設(shè)有密封圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置，其特征在于所述的觀測裝置，通過容器(3)右側(cè)的高速攝像機(23)和玻璃窗口(20)能夠拍攝到突出整個過程中煤樣的破裂演化過程。
4.一種如權(quán)利要求1所述裝置的煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定方法，其特征于包括如下步驟(1)選取型煤或散狀的待測煤樣；(2)將型煤或散狀的煤樣從容器(3)的頂部裝入后，安裝壓力加載裝置；(3 )將與瓦斯罐(16 )相連的減壓閥(15 )上的進氣閥(17 )和出氣閥(18 )打開，讓瓦斯氣體通過進氣嘴(4)進入向容器(3)內(nèi)，檢查容器(3)的氣密性，看是否有漏氣，之后關(guān)閉氣源，即關(guān)閉減壓閥(15)上的出氣閥(18)；(4)若無漏氣，則通過壓力試驗機給壓力加載裝置提供動力，向煤樣施加壓力，其壓力的大小與所取煤樣的礦山地應力大小一致；(5)當施加的壓力與所取煤樣的礦山地應力大小一致時，打開減壓閥(15)上的出氣閥 (18)調(diào)節(jié)出氣閥(18)設(shè)定向容器(3)內(nèi)充入瓦斯氣體0. 6 0. 8MPa,并吸附48小時以上， 讓煤樣充分吸附瓦斯，吸附穩(wěn)定后關(guān)閉出氣閥(18)；(6)容器(3)的煤樣吸附穩(wěn)定后，開啟設(shè)在玻璃窗口(20)前方的高速攝像機(23)，并開啟數(shù)據(jù)采集儀(29)，做好突出前的準備；(7)給圓錐銷(12)末端的卸荷桿(30)—個瞬間向下的沖力，使圓錐銷(12)快速脫落， 此時，壓桿(13)—端和支座(14)固定一端脫離，壓桿(13)另一端繞著轉(zhuǎn)軸(11)旋轉(zhuǎn)，突出口擋板(9)失去壓桿(13)的壓力后自動脫落，容器(3)內(nèi)的煤樣在應力和瓦斯的作用下涌向突出口(6)；若瓦斯和煤樣從突出口(6)突出，則逐步降低瓦斯氣體的充入量，重復步驟(1) (7)，至直瓦斯和煤樣不突出，記錄此時的瓦斯的壓力值；若瓦斯和煤樣不突出，則逐步增加瓦斯氣體的充入量，重復步驟(3) (7)，至直瓦斯和煤樣從突出口(6)突出，記錄此時的瓦斯的壓力值。
全文摘要
一種煤與瓦斯突出預測指標臨界值的測定裝置及方法，裝置主要由壓力加載裝置、氣體加載裝置、突出啟動裝置、觀測裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置組成。通過模擬實驗礦井的地應力，觀測記錄突出實驗過程中煤體煤樣的變形及破壞情況；經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析采集實驗過程中壓力、溫度、聲發(fā)射、電位、電磁輻射信號及變化情況。綜合考慮了礦井的瓦斯賦存條件、地應力及其煤體力學性質(zhì)的差異，并針對各礦實際情況進行實驗確定煤與瓦斯突出預測指標臨界值，所得出的試驗參數(shù)和結(jié)果能實際反應出試驗礦井的具體情況，與用統(tǒng)一的指標臨界值相比，所確定的煤與瓦斯突出預測指標臨界值更具科學性，其結(jié)構(gòu)緊湊、方法簡單、制作成本低、操作簡單、可靠性高。
文檔編號G01N7/00GK102353608SQ20111019124
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者孫浩博, 宋大釗, 張力, 歐建春, 王恩元, 陳鵬, 馬衍坤 申請人:中國礦業(yè)大學