CN103471975B - 复杂条件下瓦斯渗透实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置，其特征在于包括密封加载盒、渗透试件、加载装置、油压密封系统、瓦斯供应系统和气体平衡系统。本发明通过加载装置对渗透试件加载，使其达到预定的受力状态；在油压密封系统的辅助下，矩形框架、传力柱、侧挡板和渗透试件的外侧面构成第一压力腔，侧挡板和渗透试件的内侧面构成第二压力腔；在瓦斯压力差作用下，第一压力腔中的瓦斯逐渐向第二压力腔渗透，从而研究瓦斯在孔洞周围的渗透规律。本发明可以使煤岩体处于类似现场条件的受力状态，可以考虑孔洞周围煤岩体破碎情况对渗透规律的影响，对于复杂条件下巷道周围煤岩体中瓦斯的渗透、吸附、析解规律的研究具有重要意义。

Description

复杂条件下瓦斯渗透实验装置

技术领域

本发明涉及煤矿开采过程中瓦斯在煤层中渗透规律的研究，尤其涉及一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置。

背景技术

煤岩体的应力、应变状态以及裂隙发育规律对其渗透性有非常显著的影响。比如，在煤层巷道开掘后，原始的应力应变状态被打破，开挖空间周围产生明显的应力集中。围岩应力集中既会使一部分原有裂隙闭合，又会诱发产生更多新的裂隙，新裂隙不断扩展会使煤体更加破碎，在巷道周围形成松动圈。在松动圈的影响下，巷道周围煤体中的瓦斯大量溢出，极易造成巷道瓦斯超标，引发瓦斯爆炸事故。

由于巷道周围瓦斯渗透溢出规律的复杂性，在工程设计阶段无法进行大量的现场试验和测试，有必要通过系统模拟实验对煤体强度和渗透性、瓦斯压力、围岩压力和开挖尺寸等因素进行深入的研究，定量分析各因素的影响规律。

目前还没有专门用于研究巷道周围煤体瓦斯渗透规律的实验装置，而常规的瓦斯渗透率测试装置，无论是三轴还是单轴，都是将试件加工成圆柱形或立方体形，通过加载使其处于均一的应力状态下，进而测试其渗透率，只能模拟均匀应力场，均未能考虑巷道开挖导致的应力集中以及围岩破碎等复杂因素对渗透规律的影响。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置，其特征在于包括密封加载盒、渗透试件、加载装置、油压密封系统、瓦斯供应系统和气体平衡系统；

所述的密封加载盒，主要包括矩形框架、传力柱、加载垫块和侧挡板；所述的矩形框架，每个侧面都留有一个圆形孔，圆形孔表面设有橡胶密封垫；所述的传力柱穿过圆形孔，与圆形孔紧密接触，既保证传力柱和矩形框架可以发生相对运动，又防止气体溢出；所述的加载垫块，与试件接触的表面设有纵横交叉的导气槽；所述的侧挡板，包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在矩形框架的前后两侧，其内表面与煤样试件接触，每个侧挡板内表面预留两条矩形槽，用于容置密封圈，并在侧挡板上预留密封圈注液口，在第二侧挡板上还设置有瓦斯注入孔和气体出孔；

所述渗透试件，为长方体结构，并在中心位置设有类似巷道形状的贯穿孔洞，渗透试件前后侧面涂有704硅橡胶以保证其气密性，704硅橡胶外侧还涂有润滑材料以减小渗透试件变形过程中与侧挡板之间的摩擦力；

所述的油压密封系统，包括密封圈、手动油压泵、供油管路和压力表；密封圈为中空体，中空体内可以注入传递压力的液态物质，密封圈通过聚氨酯橡胶浇筑模压成型，安装在侧挡板内表面预留的矩形槽中，根据压力表读数，通过手动油压泵对密封圈加压；

所述的加载装置，包括框架反力梁、加载油缸、液压泵站和高压油管；加载油缸固定在框架反力梁上，通过密封加载盒的传力柱和加载垫块给渗透试件施加压力，液压泵站和高压油管的作用是为加载油缸供油；

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、第一压力表、第一流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、第一压力表和第一流量计；

所述的气体平衡系统，包括第一出气管、第二流量计、第二压力表、第三阀门、真空泵、第二出气管、第四阀门、气体储存罐；密封加载盒侧挡板上的气体出孔与真空泵通过第一出气管连接，并在第一出气管上设有第二流量计、第二压力表、第三阀门；真空泵和气体储存罐通过第二出气管相连，并在第二出气管上设有第四阀门。

为了更方便的进行实验和数据分析，本发明还可以包括测量控制系统；所述的测量控制系统，主要包括计算机、主控箱、数据采集仪；计算机通过USB接口与主控箱相连，主控箱通过导线与数据采集仪、竖向加载装置、气体压力泵和真空泵相连，数据采集仪通过导线第一压力表、第一流量计、第二压力表和第二流量计相连。

本发明的原理和优点是：

本发明通过加载装置对渗透试件加载，使其达到预定的受力状态；在油压密封系统的辅助下，矩形框架、传力柱、侧挡板和渗透试件的外侧面构成第一压力腔，侧挡板和渗透试件的内侧面构成第二压力腔；在瓦斯压力差作用下，第一压力腔中的瓦斯逐渐向第二压力腔渗透，从而研究瓦斯在圆形孔洞周围的渗透规律。

本发明所述的密封加载盒通过内部施加压力，外部构造形成密封腔的方法，结合油压密封系统解决了运动加载过程中密封困难的问题；本发明可以使煤岩体处于类似现场条件的受力状态，可以考虑孔洞周围煤岩体破碎情况对渗透规律的影响；本发明还具有结构简单，试验成本低的特点，对于复杂条件下巷道周围煤岩体中瓦斯的渗透、吸附、析解规律的研究具有重要意义。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图1和2，一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置，其特征在于包括密封加载盒、渗透试件、加载装置、油压密封系统、瓦斯供应系统、气体平衡系统和测量控制系统。

所述的密封加载盒，主要包括矩形框架1、传力柱2、加载垫块3和侧挡板4；所述的矩形框架1，每个侧面都留有一个圆形孔，圆形孔表面设有橡胶密封垫；所述的传力柱2穿过圆形孔，与圆形孔紧密接触，既保证传力柱和矩形框架可以发生相对运动，又防止气体溢出；所述的加载垫块3，与试件接触的表面设有纵横交叉的导气槽；所述的侧挡板4，包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在矩形框架的前后两侧，其内表面与煤样试件接触，每个侧挡板内表面预留两条矩形槽4a，用于容置密封圈，并在侧挡板上预留密封圈注液口，在第二侧挡板上还设置有瓦斯注入孔4b和气体出孔4c。

所述渗透试件5，为长方体结构，并在中心位置设有类似巷道形状的贯穿孔洞，孔洞范围小于较小矩形槽的范围，渗透试件前后侧面涂有704硅橡胶以保证其气密性，704硅橡胶外侧还涂有润滑材料以减小渗透试件变形过程中与侧挡板之间的摩擦力。

所述的油压密封系统，包括密封圈、手动油压泵、供油管路和压力表；密封圈为中空体，中空体内可以注入传递压力的液态物质，密封圈通过聚氨酯橡胶浇筑模压成型，安装在侧挡板内表面预留的矩形槽中，根据压力表读数，通过手动油压泵对密封圈加压。

所述的加载装置，包括框架反力梁6、加载油缸7、液压泵站和高压油管；加载油缸6固定在框架反力梁上，通过密封加载盒的传力柱2和加载垫块3给渗透试件5施加压力，液压泵站和高压油管的作用是为加载油缸供油。

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、第一压力表、第一流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、第一压力表和第一流量计。

所述的气体平衡系统，包括第一出气管、第二流量计、第二压力表、第三阀门、真空泵、第二出气管、第四阀门、气体储存罐；密封加载盒侧挡板上的气体出孔与真空泵通过第一出气管连接，并在第一出气管上设有第二流量计、第二压力表、第三阀门；真空泵和气体储存罐通过第二出气管相连，并在第二出气管上设有第四阀门。

所述的测量控制系统，主要包括计算机、主控箱、数据采集仪；计算机通过USB接口与主控箱相连，主控箱通过导线与数据采集仪、竖向加载装置、气体压力泵和真空泵相连，数据采集仪通过导线第一压力表、第一流量计、第二压力表和第二流量计相连。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置，其特征在于：包括密封加载盒、渗透试件、加载装置、油压密封系统、瓦斯供应系统和气体平衡系统；

所述的密封加载盒，主要包括矩形框架、传力柱、加载垫块和侧挡板；所述的矩形框架，每个侧面都留有一个圆形孔，圆形孔表面设有橡胶密封垫；所述的传力柱穿过圆形孔，与圆形孔紧密接触；所述的加载垫块，与试件接触的表面设有纵横交叉的导气槽；所述的侧挡板，包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在矩形框架的前后两侧，每个侧挡板内表面预留两条矩形槽，在第二侧挡板上还设置有瓦斯注入孔和气体出孔；

所述渗透试件，为长方体结构，并在中心位置设有类似巷道形状的贯穿孔洞，渗透试件前后侧面涂有704硅橡胶，704硅橡胶外侧还涂有润滑材料；

所述的油压密封系统，包括密封圈、手动油压泵、供油管路和压力表；密封圈为中空体，中空体内可以注入传递压力的液态物质，安装在侧挡板内表面预留的矩形槽中；

所述的加载装置，包括框架反力梁、加载油缸、液压泵站和高压油管；加载油缸固定在框架反力梁上，通过密封加载盒的传力柱和加载垫块给渗透试件施加压力，液压泵站和高压油管的作用是为加载油缸供油；

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、第一压力表、第一流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、第一压力表和第一流量计；

所述的气体平衡系统，包括第一出气管、第二流量计、第二压力表、第三阀门、真空泵、第二出气管、第四阀门、气体储存罐；密封加载盒侧挡板上的气体出孔与真空泵通过第一出气管连接，并在第一出气管上设有第二流量计、第二压力表、第三阀门；真空泵和气体储存罐通过第二出气管相连，并在第二出气管上设有第四阀门。

2.根据权利要求1所述的一种复杂条件下瓦斯渗透实验装置，其特征在于包括测量控制系统；所述的测量控制系统，主要包括计算机、主控箱、数据采集仪；计算机通过USB接口与主控箱相连，主控箱通过导线与数据采集仪、竖向加载装置、气体压力泵和真空泵相连，数据采集仪通过导线与第一压力表、第一流量计、第二压力表和第二流量计相连。