冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型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，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。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型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。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0006] 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。
[0007] 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。
[000引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：
[0009] 1)连接好实验系统，并检测实验系统的气密性；
[0010] 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；
[0011] 3)固定煤样：将准备好的煤样装入煤样固定装置；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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： 國…
[0017] 式中；fg为气体渗透率；得为标准状况下的气体体积流量；和玄分别为平均气体 动力黏度和平均压缩因子(即偏差因子);Z为多孔介质渗流长度；乂％多孔介质横截面积；A 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；巧J实验环境绝对温度；r。为标准状况下绝对温度；
[0018] 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、冲击速度等条 件可W得出不同实验条件下的含瓦斯煤渗流特性及其规律。
[0019] 本实用新型克服目前现有实验技术手段的不足，提供一种冲击载荷作用下含瓦斯 煤渗流实验系统和方法，通过施加不同的轴向应力和径向应力，可W模拟煤矿井下煤岩体 =维受载条件，同时通过施加冲击载荷，实现含瓦斯煤在冲击载荷作用下的渗流特性的实 验研究。本实用新型实验系统中，煤样固定装置用于固定和密封煤样，使之处于合适的实验 环境；高压气源装置用于提供不同压力的瓦斯气体；冲击载荷加载装置（即分离式霍普金 森压杆装置)用于提供冲击载荷；轴压加载装置用于提供不同大小的轴向压力；围压加载装 置用于给煤样施加预定的围压；抽真空装置用于对煤样进行抽真空，排除实验过程中杂质 气体等对实验结果可能造成的干扰；计量和数据采集装置用于对实验过程中的应力、位移、 瓦斯压力W及瓦斯气体的流量等数据进行计量和实时监测。
[0020] 对煤样同时施加围压和轴向压力，能对在不同轴压和不同围压条件下含瓦斯煤在 施加冲击载荷之后渗流特性的变化进行模拟实验，主要用于模拟研究井下冲击地压的作用 条件下含瓦斯煤孔隙率和瓦斯气体在煤中的渗流特性的变化，为煤矿瓦斯灾害防治提供实 验研究手段。该实验系统采用分离式霍普金森压杆装置对含瓦斯煤样施加冲击载荷模拟冲 击地压，实现冲击载荷作用下含瓦斯煤的渗透行为的模拟，同时通过数据实时连续采集装 置，可W准确观测到含瓦斯煤样渗透率的变化发展趋势，
[0021] 本实用新型的实验系统既考虑了含瓦斯煤的S维应力受载环境，同时也考虑了施 加冲击载荷前后含瓦斯煤渗透特性的变化关系，通过数据的采集和处理可W得到各种组合 实验条件下准确的实验数据和结果。借助本实用新型所述的冲击载荷作用下含瓦斯煤渗流 实验系统不仅能够研究冲击载荷作用下含瓦斯煤的渗流特性变化规律，还可W用于不同= 维应力环境下煤在冲击载荷作用下的裂隙和孔隙等变化的研究。本实用新型实验系统具有 结构合理、操作简便、测量准确、实用性强等优点。本实用新型丰富了对冲击载荷作用条件 含瓦斯煤样渗流特性的实验研究技术和方法。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型所述含瓦斯煤渗流实验系统的结构示意图，图中，1为煤样固定 装置；2为高压瓦斯罐；3为减压阀；4为第五阀口；5为第一压力调节阀；6为第二压力调节 阀；7为第一阀口；8为第二阀口；9为第S阀口；10为第四阀口；11为第一气压表；12为第 一液压表；13为第二液压表；14为第二气压表；15为=通阀；16为真空累；17为轴压油累； 18为围压油累；19为气体体积流量计；20为数据采集系统；21为分离式霍普金森压杆装 置；
[0023] 图2为图1中的煤样固定装置顺时针旋转90度的结构示意图，图中，1-1为轴向加 载杆；1-2.为压力传感器；1-3为位移传感器；1-4为轴压缸体；1-5为密封圈；1-6为气体 入口；1-7为密封板；1-8为第一多孔板；1-9为密封胶套；1-10为实验煤样；1-11为第二多 孔板；1-12为气体出口； 1-13为密封垫；1-14为承压挡板；1-15为轴压注油口； 1-16为煤 样室；1-17为围压注油口。
【具体实施方式】
[0024] W下结合实施例对本实用新型的技术方案作进一步地详细介绍，但本实用新型的 保护范围并不局限于此。
[00巧]实施例1
[0026] 如图1和2所示，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1、冲击载荷加载装置和与煤样固定装置1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21 ;所述高压气源装置由顺次连接的高压瓦斯罐2、减压阀3、第一阀口 7、第一 气压表11和=通阀15组成，=通阀15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1的气体入口 1-6 ;所述轴压加载装置由顺次连接的轴压油累17、第一压力调节阀 5、第二阀口 8和第一液压表12组成，所述第一液压表12通过管路与煤样固定装置1的轴 压注油口 1-15相连接；所述围压加载装置由顺次连接的围压油累18、第二压力调节阀6、第 =阀口 9和第二液压表13组成，所述第二液压表13通过管路与煤样固定装置1的围压注 油口 1-17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20、气体体积流量 计19、第