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    重庆时时彩拉人论坛: 卸压构造煤固流转化参数实验测定装置及方法.pdf

    关 键 词:
    构造 流转 参数 实验 测定 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110097059.3

    申请日:

    2011.04.19

    公开号:

    CN102252957A

    公开日:

    2011.11.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 19/00申请日:20110419|||公开
    IPC分类号: G01N19/00; G01N15/08; G01N9/02; G01N1/28 主分类号: G01N19/00
    申请人: 河南理工大学
    发明人: 王利; 廖明成; 陈亚娟; 常旭; 王云飞; 王正一; 毛元春
    地址: 454000 河南省焦作市世纪大道2001号河南理工大学
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110097059.3

    授权公告号:

    102252957B||||||

    法律状态公告日:

    2013.07.03|||2012.01.04|||2011.11.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供了一种卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置及方法,包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统。该装置能够模拟煤层由于深部卸压机制引起的高压瓦斯包形成过程,并对该过程的两相流体压力、温度以及固-流转化阵面的传播速度进行测定,为煤与瓦斯突出的基础理论和数值模拟提供理论模型和基础数据。使用时,可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制长度、煤样的压制力,获得不同的试验结果。本发明结构简单,造价低,操作简单。

    权利要求书

    1.一种卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置,包括煤样室、加卸压装置、气压加载
    设备、数据采集系统、固定支撑系统,其特征在于:所述煤样室由钢筒(1)制成,钢筒两端
    分别设置有底封盖(2)和顶封盖(17),上述两个封盖通过螺栓(7)与钢筒(1)连接,底
    封盖(2)设置有中心孔道(6)与所述气压加载设备连接,顶封盖(17)设置有三个孔道,绕
    中心呈120°间隔排列,供压力传递杆(8)穿过;所述加卸压装置由压力封堵盖(3)、压力传
    递杆(8)、压力承台(9)、压力垫板(10)、活塞(11)和压力缸(19)组成,活塞(11)驱
    动压力承台(9)的作用力通过压力传递杆(8)驱使压力封堵盖(3)在钢筒(1)内运动;
    所述数据采集系统由镶嵌在钢筒(1)壁上和压力封堵盖(3)上的传感器(13、14)、电缆(15)、
    数据采集器和计算机组成;所述固定支撑系统由反力架(21)和支撑架(20)组成;
    2.根据权利要求1所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,压力传递
    杆(8)一端与压力封堵盖(3)固定连接,另一端与压力承台(9)固定连接;
    3.根据权利要求1所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,压力封堵
    盖(3)上设置至少两个螺栓孔道,用于镶嵌温度传感器和压力传感器,且压力封堵盖(3)
    侧沿设置凹槽,用于安装密封圈(4);
    4.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,
    所述钢筒壁上的传感器(13、14)设置至少为两行,沿钢筒轴线方向线性排列,一排为温度
    传感器,另一排为压力传感器;
    5.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,
    底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网(5),底封盖中心设置进气管(6),与气压
    加载设备相连;
    6.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,
    顶封盖(17)还设置有中心孔道(16),用于封堵盖(3)上传感器的电缆线输出;
    7.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,
    所述固定支撑系统的支架至少为三个,钢筒(1)安装在两个支撑架上,压力缸(19)安放在
    另一个支架上;
    8.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置,其特征在于,
    靠近底封盖的反力架(21)立柱上设置有进气管通道(22);
    9.根据权利要求1-8所述的构造煤固流转化参数实验测定装置进行的参数测定方法,其
    特征在于,
    (1)煤样压制,从现场构造煤层中取样经过粉碎、筛选,然后将筛选好不同粒径(目)的
    煤粉进行配比,并掺入适量的水分,将煤粉分段压制于钢筒内,压制后每段煤样长度与钢筒
    (1)直径相当;每段煤样(18)压制应保持至少5分钟,并将煤段间的压制面划碎,使煤段
    均匀相接;
    实验时可选用不同压力压制煤样,也可压制不同的煤样长度,压力由加卸压装置提供;
    在煤样压制过程中,压力封堵盖(3)不安装传感器,待煤样最后压制完成,安装传感器;根
    据每次实验前称量压制煤样的实际质量和长度,从而计算出煤样的密度和孔隙率;
    (2)充气渗流,煤样压制完成后,撤离压力封堵盖(3),进气管(6)接通气体加压设备,
    气体(CH4)经泡沫金属网(5)过滤形成在钢筒横截面整体推进的压力阵面,通过计算机采
    样各测点压力,判断是否达到定常渗流,此时可根据钢筒上游压力、下游压力、流量、以及
    煤样长度等计算煤样的渗透率;接下来,进行高压瓦斯充气,形成构造煤的赋存压力条件:
    达到定常渗流的煤样用压力封堵盖(3)封住,钢筒端部用顶封盖(17)封闭,活塞加压
    至地应力压力,保持压力不变,在压力封堵盖安装温度传感器和压力传感器;通过进气管(6)
    继续向钢筒中的煤样内充气,直至形成地下构造煤的瓦斯压力,关闭进气管(6)阀门;
    (3)卸压-固-流转化,待钢筒内的瓦斯压力达到地下瓦斯压力时,压力缸(19)卸压,
    迅速移去钢垫板(10),压力封堵盖(3)附近迅速形成卸压区,构造煤开始由固态向两相流
    体转化,转化形成的流体压力和温度由压力封堵盖(3)上的传感器测得,固-流转化阵面的
    传播速度由钢筒1壁上的压力传感器(13)和温度传感器(14)测得;
    (4)数据传输和处理,压力传感器和温度传感器数据经电缆(15),进入多通道数据采集
    器(A/D),输出数字信号;计算机安装信号处理软件,对数据进行处理;通过对不同位置的
    压力传感器记录的初至压力的时间差,以及传感器的间隔距离,计算出传播阵面的传播速度;
    流体压力变化和温度变化直接由压力封堵盖(3)上的温度传感器和压力传感器读取。

    说明书

    卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置及方法

    技术领域

    本发明涉及煤矿地下开采煤与瓦斯突出预测领域,特别是涉及煤与瓦斯突出模拟试验参数
    的测定。

    背景技术

    构造煤是一种在压性、压扭性、剪切构造应力作用下形成的塑性剪切流变体,在未受到采
    动或地震等外界扰动的条件下,作为一种含能材料被围岩和构造应力封存。在卸压时,即转
    化为气-固两相流体,透过煤层向工作面溢出或渗出,压力较高时冲破前方阻挡的煤体,形成
    煤与瓦斯突出,给矿山生产和矿工生命带来重大危害。就卸压机制而言,基本可分为两种,
    一种是开挖引起的侧向卸压,另一种是开采扰动如采动应力、爆破振动引起的深部卸压。

    近些年来,针对侧向卸压引起的煤与瓦斯突出,陆续开展了一些物理模拟试验和数值试验。
    物理模拟试验分为一维的激波管试验和三维试验台模拟试验。前者是在激波管内压制含瓦斯
    煤,并用铝箔密封,然后迅速启膜使构造煤与外界大气相通,从而形成瓦斯卸压,瓦斯在卸
    压面解析并向空气逸散,同时卸压面沿激波管向深部煤层传播,形成持续煤与瓦斯突出。三
    维试验台模拟是在一个槽形容器内压制含瓦斯构造煤,将容器密封并冲入高压瓦斯,在容器
    上部向构造煤施加压力,然后打开设置在容器一侧的预留开口装置,这样在上部压力驱动下,
    煤与瓦斯从预留开口处突出??梢运盗街质匝樽爸枚荚谀持殖潭壬戏从沉嗣河胪咚雇怀龅奈?br />理过程,对提高煤与瓦斯的预测水平起到很好的作用?;谝陨衔锢砟P?,现在煤与瓦斯突
    出的数值模拟实际上是一个流-固耦合模型,即煤体损伤、断裂的演化过程中耦合了瓦斯的压
    力作用——从全场渗流平均场的角度,研究煤与瓦斯的相互作用:煤体从均匀分布的微损伤,
    经过损伤局部化,最后串级长大形成宏观大断裂,导致瓦斯渗流向断裂带的局部集中,形成
    高压区,推动煤体突出。上述模型属于侧向卸压,可以解释采掘工作面附近的小规模煤体破
    坏、瓦斯溢出,其动力现象的剧烈程度较弱,还不能称为突出。

    所谓深部卸压是指卸压非直接开挖引起,而是由于煤层顶板断裂引起的应力扰动、爆破震
    动在远离开挖自由面引起的卸压机制。这种卸压机制常发生在距离采掘工作面一定距离的煤
    层深部和石门揭煤工程。煤层突然卸压导致卸压空腔产生,构造煤将由高压固态向两相流体
    (煤颗粒+瓦斯气体)转化,空腔内流体积聚、压力增大、对外膨胀做功,推动煤体向工作面
    抛出,从而形成煤与瓦斯突出。这种突出的形成过程比较隐蔽,突出强度往往很大,因此它
    所造成的危害比第一种卸压机制(工作面侧向卸压)引起的煤与瓦斯溢出(倾出)大得多。

    发明内容

    本发明是专门针对深部卸压引起的煤与瓦斯突出提出的,专门用于测定深部卸压空腔内
    构造煤由固体向两相流体转化过程的各种状态参数,如流体压力、温度、转化阵面传播速度
    等,从而为认识深部卸压引起的煤与瓦斯突出的形成过程、突出强度评价和数值模拟提供基
    础性数据和物理模型。

    本发明的卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置,包括煤样室、加卸压装置、气压加载
    设备、数据采集系统、固定支撑系统。所述煤样室由钢筒制成,钢筒两端分别设置有底封盖
    和顶封盖通过螺栓与钢筒连接。底封盖设置有中心孔道与所述气压加载设备连接。顶封盖设
    置有三个行星孔道,绕中心呈120°间隔排列,供压力传递杆穿过。所述加卸压装置由压力封
    堵盖、压力传递杆、压力承台、压力垫板、活塞和压力缸组成。所述数据采集系统由镶嵌在
    钢筒壁和压力封堵盖上的传感器、电缆、数据采集器和计算机组成。所述固定支撑系统由反
    力架和支撑架组成。

    进一步,压力传递杆一端与压力封堵盖固定连接,另一端与压力承台固定连接?;钊?br />动压力承台的作用力通过压力传递杆驱使压力封堵盖在钢筒内运动。

    进一步,压力封堵盖上设置至少两个螺栓孔道,用于镶嵌温度传感器和压力传感器。压
    力封堵盖侧沿设置凹槽,用于安装密封圈。

    进一步,所述钢筒壁上的传感器设置至少为两行,沿钢筒轴线方向线性排列,一排为温
    度传感器,另一排为压力传感器。

    进一步,底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网,底封盖中心设置进气管,与
    气体加载设备相连。

    进一步,顶封盖还设置有中心孔道,用于封堵盖上传感器的电缆线输出。

    进一步,所述固定支撑系统的支架至少为三个,钢筒安装在两个支撑架上,压力缸安放
    在另一个支架上。

    进一步,靠近底封盖的反力架立柱上设置有进气管通道。

    本发明的有益效果:本发明提供的卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置,能够模拟煤
    层由于深部卸压机制引起的高压瓦斯包形成过程,并对该过程的两相流体压力、温度以及固-
    流转化阵面的传播速度进行测定。为煤与瓦斯突出的基础理论和数值模拟提供理论模型和基
    础数据。使用时,可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制长度、煤样
    的压制力,获得不同的试验结果。本发明结构简单,造价低,操作简单。

    附图说明

    图1为本发明试验装置结构示意图。

    图2为本发明试验装置支撑固定结构示意图。

    具体实施方式

    附图1为本发明试验装置的结构示意图,如图所示:本实施例的卸压构造煤固-流转化参
    数试验测定装置,包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统。
    所述煤样室由钢筒(1)制成,钢筒两端分别设置有底封盖(2)和顶封盖(17)通过螺栓(7)
    与钢筒(1)连接。底封盖(2)设置有中心孔道(6)与所述气压加载设备连接。顶封盖(17)
    设置有三个孔道,绕中心呈120°间隔排列,供压力传递杆(8)穿过。所述加卸压装置由压力
    封堵盖(3)、压力传递杆(8)、压力承台(9)、压力垫板(10)、活塞(11)、压力缸(19)
    和活塞底座(12)组成。所述数据采集系统由镶嵌在钢筒(1)壁和压力封堵盖(3)上的传
    感器(13、14)、电缆(15)、数据采集器和计算机组成。所述固定支撑系统由反力架(21)
    和支撑架(20)组成。

    在本实施例中,压力传递杆(8)一端与压力封堵盖(3)固定连接,另一端与压力承台
    (9)固定连接?;钊?11)驱动压力承台(9)的作用力通过压力传递杆(8)驱使压力封堵
    盖(3)在钢筒(1)内运动。

    在本实施例中,压力封堵盖(3)上设置至少两个螺栓孔道,用于镶嵌温度传感器和压力
    传感器。压力封堵盖侧缘设置凹槽,用于安装密封圈(4)。

    在本实施例中,所述钢筒壁上的传感器(13、14)设置至少为两行,沿钢筒轴线方向线
    性排列,一排为温度传感器,另一排为压力传感器。

    在本实施例中,底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网(5),底封盖(2)中心
    设置进气管(6),与气体加载设备相连。

    在本实施例中,顶封盖还设置有中心孔道(16),用于封堵盖(3)上传感器的电缆线输
    出。

    在本实施例中,所述固定支撑系统的支架至少为三个,钢筒(1)安装在两个支撑架上,
    压力缸(19)安放在另一个支架上。

    在本实施例中,靠近底封盖(2)的反力架(21)的立柱上设置有进气管通道(22)。

    本发明的参数测定方法如下:

    (1)煤样压制。从现场构造煤层中取样经过粉碎、筛选,然后将筛选好不同粒径(目)的
    煤粉进行配比,并掺入适量的水分,将煤粉分段压制于钢筒1内,压制后每段煤长度与钢筒
    直径相当;每段煤样(18)压制应保持至少5分钟,并将煤段间的压制面划碎,使煤段均匀
    相接。实验时可选用不同压力压制煤样,也可压制不同的煤样长度。压力由加卸压装置提供。
    在煤样压制过程中,压力封堵盖(3)不安装传感器,待煤样最后压制完成,安装传感器。根
    据每次实验前称量压制煤样的实际质量和长度,从而计算出煤样的密度和孔隙率。

    (2)充气渗流。在煤样最后压制完成后,先测量原始煤样的定常渗流:

    煤样完成后,撤离压力封堵盖(3),进气管(6)接通气体加载设备,气体(CH4)经泡
    沫金属网(5)过滤形成在钢筒横截面整体推进的压力阵面,通过计算机采样各测点压力,判
    断是否达到定常渗流。此时可根据钢筒上游压力、下游压力、流量、以及煤样长度等计算煤
    样的渗透率。

    接下来,进行高压瓦斯充气,形成构造煤的赋存压力条件:

    达到定常渗流的煤样用压力封堵盖(3)封闭,钢筒(1)端部用顶封盖(17)封闭?;?br />塞(11)加压至地应力值,保持压力不变,在压力封堵盖(3)安装温度传感器和压力传感器。
    通过进气管(6)继续向钢筒中的煤样内充气,直至形成地下构造煤的瓦斯压力,关闭进气管
    (6)阀门。

    (3)卸压-固-流转化

    待钢筒内的瓦斯压力达到地下瓦斯压力时,压力缸(19)卸压,迅速移去钢垫板(10),
    压力封堵盖(3)附近迅速形成卸压区,构造煤开始由固态向两相流体转化,转化形成的流体
    压力和温度由压力封堵盖(3)上的传感器测得,固-流转化阵面的传播速度由钢筒(1)壁上
    的压力传感器(13)和温度传感器(14)测得。

    (4)数据传输和处理

    压力传感器和温度传感器数据经电缆(15),进入多通道数据采集器(A/D),输出数字信
    号,保存下来。计算机安装信号处理软件,对数据进行处理。通过对钢筒(1)不同位置的压
    力传感器记录的初至压力的时间差,以及传感器的间隔距离,计算出传播阵面的传播速度。
    流体压力变化和温度变化直接由压力封堵盖(3)上的温度传感器和压力传感器读取。

    关于本文
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