冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于不同轴压、不同围压、不同冲击载荷作用条件下的含瓦斯煤 渗流特性的实验系统和方法，用于模拟和研究煤矿井下发生煤岩动力灾害条件的含瓦斯煤 在冲击载荷作用下的渗流特性。
【背景技术】
[0002] 冲击地压又称岩爆，是指煤矿井巷或回采工作面周围处于高地应力条件下的煤岩 体受到覆岩跨落或爆破扰动发生破坏，并在破坏过程中受到围岩的进一步快速挤压作用， 从而产生的弹性变形能瞬时释放出巨大的能量而产生破坏的矿井动力现象，在此过程中煤 层的力学性质会产生巨大变化，甚至导致煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。
[0003] 煤层除了受煤层瓦斯压力、地应力、煤体物理力学性质、围岩结构、地下水和地温 等诸多因素影响外，还在很大程度上受到煤矿开采过程中机械振动、爆破、地震W及冲击地 压产生的冲击载荷的影响，从而使煤体的渗流特性产生不同程度的变化，影响煤矿井下正 常的回采作业。W往的相似实验系统还没有对含瓦斯煤在施加冲击载荷前后渗流特性的变 化进行实验研究。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验 系统和方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统，其包括煤样固定装置、冲击载荷加载装 置和与煤样固定装置相连接的高压气源装置、轴压加载装置、围压加载装置、抽真空装置W 及计量和数据采集装置；所述冲击载荷加载装置为分离式霍普金森压杆装置；所述高压气 源装置由顺次连接的高压瓦斯罐、减压阀、第一阀口、第一气压表和=通阀组成，=通阀的 另外两端通过管路分别连接抽真空装置和煤样固定装置的气体入口；所述轴压加载装置由 顺次连接的轴压油累、第一压力调节阀、第二阀口和第一液压表组成，所述第一液压表通过 管路与煤样固定装置的轴压注油口相连接；所述围压加载装置由顺次连接的围压油累、第 二压力调节阀、第=阀口和第二液压表组成，所述第二液压表通过管路与煤样固定装置的 围压注油口相连接；所述计量和数据采集装置由顺次连接的数据采集系统、气体体积流量 计、第四阀口和第二气压表组成，所述第二气压表与煤样固定装置的气体出口相连接。
[0006] 具体的，所述煤样固定装置由煤样室和固定于煤样室上方的轴压缸体组成；所述 轴压缸体内设有带压力传感器的轴向加载杆，轴向加载杆的一端伸出轴压缸体外且与分离 式霍普金森压杆装置处于同一水平面，另一端伸入煤样室内，轴向加载杆的中部设有与轴 向加载杆相垂直的密封板，密封板的两端通过密封圈与轴压缸体的内壁密封连接；所述轴 压缸体上方设有位移传感器，轴压缸体的侧壁设有两个轴压注油口，两个轴压注油口分别 位于密封板的上、下方，轴压缸体的侧壁还开设有气体入口；所述煤样室包括位于煤样室底 部的可拆卸承压挡板和位于煤样室内部设有中空煤样型腔的密封胶套，密封胶套外侧壁开 设有凹槽且该凹槽与煤样室内侧壁形成环形围压油腔，煤样置于密封胶套的中空煤样型腔 内且与环形围压油腔相隔离，密封胶套的下方设置密封垫；煤样型腔的顶部设有第一多孔 板，煤样型腔的底部设有第二多孔板，轴压缸体的气体入口通过轴向加载杆内部的气体管 路与煤样型腔顶部的第一多孔板相连通，伸入煤样室的轴向加载杆的端部与第一多孔板压 接；煤样室侧壁设有围压注油口和气体出口，煤样室的气体出口通过承压挡板内部的气体 管路与煤样型腔底部的第二多孔板相连通。具体的，所述抽真空装置由顺次连接的真空累 和第五阀口组成。
[0007] 使用上述系统进行冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验的方法，其包括如下步骤： 1) 连接好实验系统，并检测实验系统的气密性； 2) 实验准备；将煤样放入干燥箱中恒温干燥处理，取出、冷却后备用； 3) 固定煤样：将准备好的煤样装入煤样固定装置； 4) 真空脱气；在保证系统连接正确、气密性良好的情况下，打开抽真空装置对煤样进行 真空脱气处理； 5) 提供=维应力环境；真空脱气处理完成后，对煤样施加预定的轴压和围压； 6) 冲击渗流过程；向煤样中充入预定压力的瓦斯气体，同时开启计量和数据采集装置， 稳定后利用分离式霍普金森压杆装置对煤样固定装置施加冲击载荷，同时计量并采集数 据； 7) 实验数据处理：利用拟压法评估实验过程中含瓦斯煤渗流渗透率大小，公式具体如 下：
【主权项】
1. 一种冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统，其特征在于，包括煤样固定装置、冲击 载荷加载装置和与煤样固定装置相连接的高压气源装置、轴压加载装置、围压加载装置、抽 真空装置以及计量和数据采集装置；所述冲击载荷加载装置为分离式霍普金森压杆装置； 所述高压气源装置由顺次连接的高压瓦斯罐、减压阀、第一阀门、第一气压表和三通阀组 成，三通阀的另外两端通过管路分别连接抽真空装置和煤样固定装置的气体入口；所述轴 压加载装置由顺次连接的轴压油泵、第一压力调节阀、第二阀门和第一液压表组成，所述第 一液压表通过管路与煤样固定装置的轴压注油口相连接；所述围压加载装置由顺次连接的 围压油泵、第二压力调节阀、第三阀门和第二液压表组成，所述第二液压表通过管路与煤样 固定装置的围压注油口相连接；所述计量和数据采集装置由顺次连接的数据采集系统、气 体体积流量计、第四阀门和第二气压表组成，所述第二气压表与煤样固定装置的气体出口 相连接。
2. 如权利要求1所述的冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统，其特征在于，所述煤 样固定装置由煤样室和固定于煤样室上方的轴压缸体组成；所述轴压缸体内设有带压力传 感器的轴向加载杆，轴向加载杆的一端伸出轴压缸体外且与分离式霍普金森压杆装置处于 同一水平面，另一端伸入煤样室内，轴向加载杆的中部设有与轴向加载杆相垂直的密封板， 密封板的两端通过密封圈与轴压缸体的内壁密封连接；所述轴压缸体上方设有位移传感 器，轴压缸体的侧壁设有两个轴压注油口，两个轴压注油口分别位于密封板的上、下方，轴 压缸体的侧壁还开设有气体入口；所述煤样室包括位于煤样室底部的可拆卸承压挡板和位 于煤样室内部设有中空煤样型腔的密封胶套，密封胶套外侧壁开设有凹槽且该凹槽与煤样 室内侧壁形成环形围压油腔，煤样置于密封胶套的中空煤样型腔内且与环形围压油腔相隔 离，密封胶套的下方设置密封垫；煤样型腔的顶部设有第一多孔板，煤样型腔的底部设有第 二多孔板，轴压缸体的气体入口通过轴向加载杆内部的气体管路与煤样型腔顶部的第一多 孔板相连通，伸入煤样室的轴向加载杆的端部与第一多孔板压接；煤样室侧壁设有围压注 油口和气体出口，煤样室的气体出口通过承压挡板内部的气体管路与煤样型腔底部的第二 多孔板相连通。
3. 如权利要求1所述的冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统，其特征在于，所述抽 真空装置由顺次连接的真空泵和第五阀门组成。
4. 使用权利要求1所述系统进行冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验的方法，其特征在 于，包括如下步骤： 1) 连接好实验系统，并检测实验系统的气密性； 2) 实验准备：将煤样放入干燥箱中恒温干燥处理，取出、冷却后备用； 3) 固定煤样：将准备好的煤样装入煤样固定装置； 4) 真空脱气：在保证系统连接正确、气密性良好的情况下，打开抽真空装置对煤样进行 真空脱气处理； 5) 提供三维应力环境：真空脱气处理完成后，对煤样施加预定的轴压和围压； 6) 冲击渗流过程：向煤样中充入预定压力的瓦斯气体，同时开启计量和数据采集装置， 稳定后利用分离式霍普金森压杆装置对煤样固定装置施加冲击载荷，同时计量并采集数 据； 7) 实验数据处理：利用拟压法评估实验过程中含瓦斯煤渗流渗透率大小，公式具体如 下：
(I) 式中：Ig为气体渗透率；O1为标准状况下的气体体积流量；#和Z分别为平均气体动力 黏度和平均压缩因子；Z为多孔介质渗流长度；J为多孔介质横截面积；A1为标准状况下的 气体压力；A为煤样固定装置的气体入口端压力；A为煤样固定装置的气体出口端压力；r 为实验环境绝对温度；7；为标准状况下绝对温度； 8)通过改变实验过程中的围压、轴压、瓦斯压力和冲击载荷的大小、冲击速度可以得出 不同实验条件下的含瓦斯煤渗流特性及其规律。
【专利摘要】本发明公开了一种冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统，其包括煤样固定装置、冲击载荷加载装置和与煤样固定装置相连接的高压气源装置、轴压加载装置、围压加载装置、抽真空装置以及计量和数据采集装置；所述冲击载荷加载装置为分离式霍普金森压杆装置。本发明采用分离式霍普金森压杆装置施加冲击载荷来模拟冲击地压，通过施加不同的轴向应力和径向应力，可以模拟煤矿井下煤岩体三维受载条件，成功进行了三维应力状态下煤样在冲击载荷作用下的渗流实验，在理论和实践上都具有比较重要的意义。
【IPC分类】G01N15-08
【公开号】CN104865176
【申请号】CN201510276798
【发明人】王登科, 魏建平, 刘勇, 夏玉玲, 姚邦华, 付启超, 彭明, 王洪磊
【申请人】河南理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月27日