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专利号: 2021102745697
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种煤样渗透率测试与突出模拟一体化测试方法,使用的装置包括旋转机构,旋转机构包括旋转底座(2),以及设置在旋转底座(2)上的旋转框架(1),旋转框架(1)内设有试验腔体(9),试验腔体(9)上设有应力加载系统;

所述旋转框架(1)包括前后设置的顶板(6)和底板(3),顶板(6)和底板(3)之间的四角之间设有四根立柱(11)从而构成笼式结构,顶板(6)和底板(3)通过立柱(11)固定并提供反力;底板(3)与旋转底座(2)之间通过旋转轴座(4)和旋转轴(5)活动连接,旋转底座(2)中段设有横梁(7),横梁(7)与顶板(6)之间设有旋转油缸(8),旋转底座(2)上设有用以支撑顶板(6)与底板(3)水平的支撑立柱;

所述试验腔体(9)为两端设有法兰的圆筒结构,试验腔体(9)设置在顶板(6)和底板(3)之间,试验腔体(9)的底端面通过法兰与底板(3)固定,试验腔体(9)的顶端面法兰上设有抱环(13),抱环(13)外侧设有箍环(17),试验腔体(9)内设有加载压盘(14),抱环(13)与试验腔体(9)的内壁之间设有密封圈(16b)且通过箍环(17)固定于试验腔体(9)端面的法兰上,加载压盘(14)上设有透气小孔(18);试验腔体(9)的上半部分外侧设有设置有进气口(19),进气口(19)上设有进气阀门(25a),试验腔体(9)的中部设有传感器接口(20a),试验腔体(9)的底部设有气体渗流板(21),气体渗流板(21)上开有渗流槽(22),气体渗流板(21)与底板(3)接触区域的圆心处在底板(3)开有通孔,通孔通过突出口挡板(23)设置有出气口(24),出气口(24)上设有出气阀门(25b);通过拆除突出口挡板(23)和出气口(24)后,在底板(3)外侧设有诱突结构(26),所述诱突结构(26)包括筒状结构,筒状结构内先后间隔设有一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b),一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)之间的筒状结构侧壁上设有气压控制接口(28),气压控制接口(28)上设有控制阀门(25c);级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)分别连接测控系统,测控系统包括信息采集板和算机,测控系统能够控制一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)内部压力实现精准起爆诱突,同时能实时采集煤层及巷道参数(应力、瓦斯压力、温度、声发射、电磁辐射、煤粉冲击力);诱突结构(26)的二级爆破片(27b)后方连接有突出巷道(29),突出巷道(29)为透明材料且上设有传感器接口(20b);突出巷道(29)连接有除尘系统,除尘系统包括煤粉收集箱(30)和过滤袋(32),煤粉收集箱(30)内分别设有一级筛网(31a)和二级筛网(31b),一级筛网(31a)和二级筛网(31b)既可以对不同粒度颗粒进行过滤,同时又不影响气体流动状态,过滤袋(32)进一步对小颗粒进行过滤,避免突出煤体污染环境且难以完全收集;

所述应力加载系统包括应力加载油缸(10),应力加载油缸(10)设置在顶板(6)的外侧,加载油缸(10)向试验腔体(9)内设有与加载压盘(14)连接的加载压杆(12),加载压杆(12)与抱环(13)之间设有导向带(15)和密封圈(16a);

其特征在于步骤为:

1、将原煤烘干后破碎为多个粒级,然后添加与开采现场类似的水分并混合,制作成与开采现场成分类似的成型煤样;

2、将煤样放入试验腔体(9)进行渗透率测试,需要先对煤样进行抽真空,之后对真空煤样进行挤压并充入甲烷气体;

3、模拟煤与瓦斯的突出,首先抽真空,之后向煤样持续施加压力,然后想一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)两者之间的空间,以及试验腔体(9)内同步充入甲烷气体,之后向级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)两者之间的空间充入热氧化碳从而引爆二级爆破片(27b),同时导致试验腔体(9)和两级爆破片内气压之差超过一级爆破片(27a)起爆压力并引爆一级爆破片(27a),是试验腔体(9)内煤样暴露从而诱发突出;

4、收集突出时装置内各处产生的煤粉,称量各处收集的煤粉并记录下来。

2.根据权利要求1所述的煤样渗透率测试与突出模拟一体化测试方法,其特征在于成型煤样的制作过程具体包括:

1a)将突出煤矿现场原煤取回烘干,破碎成0‑0.075mm、0.075‑0.18mm、0.18‑0.425mm、

0.425‑0.85mm、0.85‑1.7mm共5个粒径区间,并添加10%浓度腐植酸钠水溶液制备和现场相同含水率的煤样,搅拌均匀备用;

1b)利用旋转轴座(4)和旋转轴(5)将试验腔体(9)竖直设置,在试验腔体(9)下端安装突出口挡板(23),将破碎后备用的煤样装入旋转机构的试验腔体(9)内,然后依次在试验腔体(9)内安装加载压盘(14),之后在试验腔体(9)上端安装抱环(13)和箍环(17)对;

1d)启动测控系统,施加与测试现场垂直地应力相同的轴压,成型煤样并保压1h;

1e)煤样成型结束后卸除轴压,将试验腔体(9)旋转至水平位置。

3.根据权利要求1所述的煤样渗透率测试与突出模拟一体化测试方法,其特征在于进行渗透率测试的步骤为:

2a)通过试验腔体(9)的传感器接口(20a)设置气体压力传感器;

2b)关闭进气阀门(25a),打开出气阀门(25b),通过气阀门(25b)抽真空8h;

2c)通过控制系统控制加载油缸(10)对成型煤样施加与测试现场垂直地应力相同的轴压并保持稳定,通过气阀门(25a)充入甲烷气体,使得成型煤样吸附24h至吸附平衡;同时检查试验腔体(9)密封性;

2d)打开出气阀门(25b),调节甲烷进气量保持吸附压力稳定,记录此时甲烷进气流量,并换算成型煤样渗透率;

2e)关闭进气阀门(25a),然后卸除轴压,排放甲烷气体,完成多功能煤的渗透率测试。

4.根据权利要求1所述的煤样渗透率测试与突出模拟一体化测试方法,其特征在于进行煤与瓦斯突出的步骤为:

3a)将底板(3)底部通孔的突出口挡板(23)拆除,然后在底板(3)外侧安装诱突结构(26),在诱突结构(26)尾端连接突出巷道(29),在突出巷道(29)的传感器接口(20b)中设置气体压力传感器;在突出巷道(29)一侧设置高速摄像机,并且在突出巷道(29)的尾端连接除尘系统;

3b)检查试验腔体(9)密封性,抽真空8h;

3c)通过控制系统控制加载油缸(10)对成型煤样施加与测试现场垂直地应力相同的轴压并保持稳定,打开进气阀门(25a)和控制阀门(25c)分别向试验腔体(9)和一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)两者之间的空间同步充入甲烷气体,并保证试验腔体(9)和一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)两者之间的气压之差不超过一级爆破片(27a)起爆压力、一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)两者之间的气压和大气压之差不超过二级爆破片(27b)起爆压力,向试验腔体(9)通入甲烷气体使得煤样吸附平衡;

3d)诱突前启动巷道传感器及高速摄像机,同步采集透明材料构成的突出巷道(29)内煤粉‑瓦斯运移图像;

3e)瞬间向一级爆破片(27a)和二级爆破片(27b)之间的空间内充入二氧化碳使得两级爆破片内气压和大气压之差超过二级爆破片(27b)起爆压力并瞬间引爆二级爆破片(27b),同时导致试验腔体(9)和两级爆破片内气压之差超过一级爆破片(27a)起爆压力并引爆一级爆破片(27a),最终试验腔体(9)内煤样暴露从而诱发突出;

3f)突出结束后卸除轴压,排放气体,关闭测控系统,完成煤与瓦斯突出模拟。

5.根据权利要求4所述的煤样渗透率测试与突出模拟一体化测试方法,其特征在于进行煤粉收集的步骤为:

4a)收集过滤袋(32)内突出的煤粉,筛分并称重;

4b)收集煤粉收集箱(30)内突出的煤粉,筛分并称重;

4c)根据需要可以设置多段突出巷道(29)分别收集不同段的突出巷道(29)内突出的煤粉,筛分并称重;

5d)更换不同粒径煤样及试验条件,重复上述步骤开展下一次试验。