含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置及實驗方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，本發明專利技術可滿足顆粒煤體在實驗裝置內的加載成型，保證卸壓之前煤體承受較高的應力載荷，滿足可突然撤回卸壓的實驗操作要求；限流孔板可實現對卸壓邊界壓降速率的控制調節，增加設備可控變量，更有助于對卸壓后流場演化規律以及破壞特征的分析研究，管狀缸體內嵌高強度透明材料，配套高速攝像機，實現實驗過程的可視化監測，為層裂破壞及推進的過程分析及發生機制探索提供更加直觀的實驗支撐。流場方向上多位置安裝壓力傳感器，可以實現實時動態監測瓦斯流動過程中的孔隙壓力分布及變化，為流場演化規律分析提供更豐富的直觀數據支撐。

【技術實現步驟摘要】
含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置及實驗方法
本專利技術屬于煤與瓦斯突出及突然卸壓后煤體破壞過程模擬實驗
，具體涉及一種針對受載條件下煤巖等多孔介質，在應力突然卸載及氣體滲流作用下發生層裂破壞過程的模擬實驗裝置以及相關實驗方法。
技術介紹
我國煤與瓦斯突出災害嚴重，突出發生的機理復雜且目前沒有形成一個共識性的結論，是導致突出事故頻發且難以有效控制的根本原因。層裂破壞作為含瓦斯煤體卸壓后典型的破壞形式，探究其發生的力學機制，對進一步揭示煤與瓦斯突出發生機理以及指導瓦斯災害防治具有十分重要意義。關于含瓦斯煤體卸壓后層裂破壞的發生及推進過程機理的研究，其中最主要的研究手段之一就是在實驗室環境下通過相關的實驗設備對其發展過程進行相似模擬研究，探究層裂破壞及推進行為對各實驗條件的響應特征，總結分析其發生發展規律，為深入揭示含瓦斯煤體層裂破壞的內在力學機制奠定實驗數據基礎。國內外眾多學者在針對煤與瓦斯突出進行實驗研究的過程中搭建了眾多突出模擬實驗裝置，并實現了各方向應力加載、不同氣體壓力的吸附、各煤樣介質的力學強度等模擬真是采掘環境中的實驗要求。但是關于專門針對含瓦斯煤體卸壓后發生層裂現象模擬實驗裝置的研發還鮮有報道。區別于現有相關煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，受載含瓦斯煤體卸壓后層裂破壞模擬實驗平臺應該具有一下功能及特點：(1)凸顯層裂過程中主控因素，排除設備形狀等因素的干擾，設備應采用管狀規則煤樣室及層裂體運動腔體。(2)為滿足煤樣的加載成型具有一定的強度以及模擬真實煤層應力受載狀態的要求，設備要具備煤樣在某向上的應力加載的功能。(3)前期的相關研究發現，卸壓方向上的應力狀態以及流場演化規律是層裂破壞的主要控制因素，因此設備要同時滿足應力卸載以及煤樣邊界氣體壓降速率可調的要求。(4)考慮卸壓后煤體內部流場是一個動態演化過程，設備應實現對煤樣室內部各點氣壓的監測，為針對流場演化以及對層裂破壞的控制作用進行分析提供數據基礎。(5)層裂的發生及推進是煤體在力的作用下被持續剝離、運動及破碎的過程，實現整個過程的可視化，可以更加有助于含瓦斯煤體卸壓后層裂破壞發生機制的揭示。本專利技術針對以上問題，提供含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，目的是滿足上述實驗相關要求以及克服目前突出相似模擬實驗裝置存在的不足。
技術實現思路
為實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其包括加載組件、筒體、抽真空組件、瓦斯氣體充入組件、數據采集裝置以及高速攝像裝置，其特征在于，所述筒體的中部設置有沿著筒體的徑向方向伸入所述筒體內部的可回撤擋桿，所述可回撤擋桿推入所述筒體內并推送到位后與阻擋壓頭接觸完好；所述加載組件設置在所述筒體的一端，所述加載組件與所述阻擋壓頭之間構設為裝填煤樣的載煤空間；所述筒體上設置有與所述載煤空間相互連通的抽真空組件和瓦斯氣體充入組件；所述筒體的內壁上位于所述載煤空間內設置有數據采集裝置；所述筒體的另一端設置有可回撤擋板；所述筒體的旁側位于所述可回撤擋桿與可回撤擋板之間設置有所述高速攝像裝置；其中，所述阻擋壓頭包括帶孔壓板型號與不帶孔壓板型號兩種結構。進一步，作為優選，所述可回撤擋桿與所述控制汽缸的活塞桿連接，以便使得所述可回撤擋桿由控制汽缸控制撤回與推送，所述可回撤擋板由另一控制汽缸進行驅動移動。進一步，作為優選，所述筒體的中部設置有沿著其徑向延伸的延伸肩，所述延伸肩上設置有與所述筒體內的筒狀腔體相連通的徑向延伸孔，所述可回撤擋柱可滑動的設置在所述徑向延伸孔內，且所述徑向延伸孔內壁與所述可回撤擋柱之間還設置有密封圈。進一步，作為優選，所述筒體的筒狀腔體的另一端采用法蘭連接裝置連接有沿著其徑向方向伸入所述筒狀腔體內的限流孔板，所述限流孔板的中心設置有限流孔，所述限流孔直徑小于所述筒狀腔體直徑，調換所述限流孔板實現孔徑大小改變，進而控制邊界壓降速率所述可回撤擋板設置在所述法蘭連接裝置的端面上，所述筒體、所述法蘭和可回撤擋板之間的連接處設置有密封圈。進一步，作為優選，所述加載組件包括反力架、油壓泵、進、出油管、油壓表和液壓泵站，所述反力架固定設置在所述筒體的一端，所述反力架內設置有所述油壓泵，所述油壓泵的活塞桿上連接加載板，所述加載板密封滑動設置在所述筒體內，所述油壓泵通過進、出油管以及油壓表與液壓泵站連接。進一步，作為優選，所述抽真空組件包括真空泵、負壓表和閥門，所述真空泵通過氣管連接所述筒體內的筒狀腔體，所述氣管上設置有負壓表和閥門。進一步，作為優選，所述瓦斯氣體充入組件包括高壓氣瓶、氣壓表和減壓閥，所述高壓氣瓶通過氣管連接筒體內的筒狀腔體，該氣管上設置有氣壓表和減壓閥。進一步，作為優選，所述數據采集裝置包括多通道數據采集儀、計算機和氣壓傳感器，多個所述氣壓傳感器設置在所述筒體內的載煤空間和非載煤空間內，所述氣壓傳感器通過多通道數據采集儀與計算機連接。進一步，作為優選，所述筒體采用高強度透明材料與鋼材料組合而成，且所述高強度透明材料朝向設置高清攝像裝置的一側，阻擋壓頭由壓板和壓軸組成，可回撤擋桿與阻擋壓軸之間通過內嵌鋼珠接觸。此外，本專利技術提供了一種含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗方法，其特征在于：其包括以下步驟：(1)操作控制汽缸，將可回撤擋桿推送到位并與阻擋壓頭接觸完好，將篩分及混合處理好的顆粒粉煤裝填至載煤空間，法蘭連接加載油缸與管狀缸體，做好對煤樣加載成型前的準備；(2)控制操作加載裝置，對煤樣施加50MPa的外部載荷，并在該應力狀態下保持30分鐘，使其具有一定的力學強度；(3)卸載應力，操作汽缸抽回擋板，將阻擋壓頭更換為壓板帶孔型號，重新推送擋桿(16)到位與壓軸接觸，安裝孔徑為R1的限流孔板，操作汽缸推送可回撤擋板；(4)操作加載裝置對已成型的煤樣施加實驗要求的載荷梯度，打開閥門以及真空泵，對整個實驗腔體進行抽真空處理，當負壓表顯示小于100Pa時關閉閥門，負壓表數值穩定半小時以上表明真空度及密封性符合實驗要求；(5)打開高壓氣瓶閥門，條件減壓閥，對已脫真空的受載煤樣充入實驗要求壓力梯度的瓦斯氣體，并保證煤樣在該壓力條件下充分吸附；(6)打開并調試數據采集裝置以及高速攝像裝置，操作控制汽缸，同時抽回可回撤擋桿與擋板，記錄各氣壓數據變化以及觀測含瓦斯煤體的層裂破壞特征；根據上述實驗操作進行下一階瓦斯吸附壓力、外部加載載荷、煤體力學強度、邊界卸壓速率、調換限流孔板等實驗條件的層裂破壞模擬實驗，實現不同步卸壓應力及卸壓氣體壓力來探究應力及流場拉應力在煤體層裂過程中的控制作用。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：(1)可回撤擋桿以及阻擋壓頭的設置，首先可以滿足顆粒煤體在實驗裝置內的加載成型，并保證卸壓之前煤體承受較高的應力載荷，同時滿足可突然撤回卸壓的實驗操作要求；(2)卸壓口限流孔板的設置，可以實現對卸壓邊界壓降速率的控制調節，增加設備可控變量，豐富實驗結果數據，更有助于對卸壓后流場演化規律以及破壞特征的分析研究；該設備最大的有益效果就是同時實現了上述兩點，同時滿足應力卸載以及煤樣邊界氣體壓降速率可調的要求，這樣的設計更符合現場生產中煤層突然卸壓的真實應力狀態。(3)管狀缸體內嵌高強度透明材料，配套高速攝像機，實現實驗過程的可視化監本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其包括加載組件、筒體、抽真空組件、瓦斯氣體充入組件、數據采集裝置以及高速攝像裝置，其特征在于，所述筒體的中部設置有沿著筒體的徑向方向伸入所述筒體內部的可回撤擋桿，所述可回撤擋桿推入所述筒體內并推送到位后與阻擋壓頭接觸完好；所述加載組件設置在所述筒體的一端，所述加載組件與所述阻擋壓頭之間構設為裝填煤樣的載煤空間；所述筒體上設置有與所述載煤空間相互連通的抽真空組件和瓦斯氣體充入組件；所述筒體的內壁上位于所述載煤空間內設置有數據采集裝置；所述筒體的另一端設置有可回撤擋板；所述筒體的旁側位于所述可回撤擋桿與可回撤擋板之間設置有所述高速攝像裝置；其中，所述阻擋壓頭包括帶孔壓板型號與不帶孔壓板型號兩種結構。

【技術特征摘要】
1.含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其包括加載組件、筒體、抽真空組件、瓦斯氣體充入組件、數據采集裝置以及高速攝像裝置，其特征在于，所述筒體的中部設置有沿著筒體的徑向方向伸入所述筒體內部的可回撤擋桿，所述可回撤擋桿推入所述筒體內并推送到位后與阻擋壓頭接觸完好；所述加載組件設置在所述筒體的一端，所述加載組件與所述阻擋壓頭之間構設為裝填煤樣的載煤空間；所述筒體上設置有與所述載煤空間相互連通的抽真空組件和瓦斯氣體充入組件；所述筒體的內壁上位于所述載煤空間內設置有數據采集裝置；所述筒體的另一端設置有可回撤擋板；所述筒體的旁側位于所述可回撤擋桿與可回撤擋板之間設置有所述高速攝像裝置；其中，所述阻擋壓頭包括帶孔壓板型號與不帶孔壓板型號兩種結構。2.根據權利要求1所述的含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其特征在于：所述可回撤擋桿與所述控制汽缸的活塞桿連接，以便使得所述可回撤擋桿由控制汽缸控制撤回與推送，所述可回撤擋板由另一控制汽缸進行驅動移動。3.根據權利要求2所述的含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其特征在于：所述筒體的中部設置有沿著其徑向延伸的延伸肩，所述延伸肩上設置有與所述筒體內的筒狀腔體相連通的徑向延伸孔，所述可回撤擋柱可滑動的設置在所述徑向延伸孔內，且所述徑向延伸孔內壁與所述可回撤擋柱之間還設置有密封圈。4.根據權利要求1所述的含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其特征在于：所述筒體的筒狀腔體的另一端采用法蘭連接裝置連接有沿著其徑向方向伸入所述筒狀腔體內的限流孔板，所述限流孔板的中心設置有限流孔，所述限流孔直徑小于所述筒狀腔體直徑，調換所述限流孔板實現孔徑大小改變，進而控制邊界壓降速率，所述可回撤擋板設置在所述法蘭連接裝置的端面上，所述筒體、所述法蘭和可回撤擋板之間的連接處設置有密封圈。5.根據權利要求1所述的含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其特征在于：所述加載組件包括反力架、油壓泵、進、出油管、油壓表和液壓泵站，所述反力架固定設置在所述筒體的一端，所述反力架內設置有所述油壓泵，所述油壓泵的活塞桿上連接加載板，所述加載板密封滑動設置在所述筒體內，所述油壓泵通過進、出油管以及油壓表與液壓泵站連接。6.根據權利要求1所述的含瓦斯煤體卸壓后發生層裂破壞的模擬研究實驗裝置，其特征在于：所述抽真空組件包括真空泵、負壓表和閥門，所述真空泵通過...

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦恒潔，李森，牛聰，李棟浩，閻朝，宋懷濤，吳則琪，
申請(專利權)人：鄭州輕工業學院，
類型：發明
國別省市：河南,41