专利名称：煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置及方法
技术领域：
本发明涉及煤与瓦斯突出测定装置及方法，尤其是一种适用于确定突出参数及临界值的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置及方法。
背景技术：
煤与瓦斯突出是矿井中的动力现象，其产生的机理较为复杂，且突出要素之间相互制约。人们对煤与瓦斯的突出预测开展了大量研究，但在目前的条件下，鉴定煤层有无突出危险性所用瓦斯压力指标临界值的确定主要有以下几种方法
《防治煤与瓦斯突出规定》中把瓦斯压力0. 74MPa作为判别有无突出危险的瓦斯压力临界值。由于影响煤与瓦斯突出的瓦斯、地应力、煤体力学性质三大要素在各个矿区存在很大的差异，显然统一的临界值无法适应各矿的实际情况，不能有效地指导各矿的生产工作， 不能敏感的识别出危险。中州煤炭1991年第3期发表的“钻屑瓦斯解吸指标的确定及应用”中提到根据发生突出时的最小瓦斯压力与突出煤层最软分层的坚固性系数的关系，计算出最小瓦斯压力即为瓦斯压力临界值。该方法是利用瓦斯压力和坚固性系数之间的经验公式，且仅仅考虑煤体的物理力学性质，没有考虑到地应力和瓦斯的作用。中国矿业大学学报2005年9月发表的论文“初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系”和河北理工学院学报2005年第5卷2期论文“利用球壳失稳理论确定煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值”均提到了通过建立初始瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系，再利用初始释放瓦斯膨胀能的临界值从而确定瓦斯压力临界值。通过利用瓦斯膨胀能和瓦斯压力之间的关系，通过瓦斯膨胀能临界值来确定瓦斯压力临界值，瓦斯膨胀能临界值是否合理将直接影响着瓦斯压力临界值的正确性，同时瓦斯膨胀能和瓦斯压力之间的关系是通过实验拟合出来，不排除存在一定的误差的可能性，有可能导致误差的积累；河南理工大学2009年7月年硕士论文“淮南矿区8煤层谢桥矿、新庄孜矿始突瓦斯参数确定方法及应用研究”提到利用瓦斯解吸指标实验系统，通过建立瓦斯解吸指标和瓦斯压力之间的关系式，再利用确定的瓦斯解吸指标临界值来确定压力临界值。通过利用瓦斯解吸指标和瓦斯压力之间的关系，通过瓦斯解吸指标临界值来确定瓦斯压力临界值，瓦斯解吸指标临界值是否合理将直接影响着瓦斯压力临界值的正确性，同时瓦斯解吸指标和瓦斯压力之间的关系是通过实验拟合出来，不排除存在一定的误差的可能性，有可能导致误差的积累；重庆大学学报2010年第33卷第3期论文“不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出模拟实验”提到利用研制的煤与瓦斯突出模拟试验台，进行了 5种不同瓦斯压力水平下的煤与瓦斯突出模拟实验，得到了煤与瓦斯突出现象发生与否的瓦斯压力阀值的范围。受实验装置的限制，该实验装置的地应力加载的能力较小，不能模拟不同程度的矿井的地应力条件，且实验次数有限，只是得到了瓦斯压力临界值的范围，并没有得出更为精确的值。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、操作简单、准确性高、能针对不同矿井具体情况确定突出指标的测定煤与瓦斯突出预测指标临界值的装置及方法。技术方案本发明的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置，包括前壁开有突出口的容器、分别设在容器上的压力加载装置、气体加载装置、突出启动装置和数据采集分析装置，所述的压力加载装置由压柱、与压柱螺纹连接的压板构成，压柱上套装有盖板；所述的气体加载装置由瓦斯罐、减压阀、多孔烧结板和进气嘴组成，进气嘴位于容器的后侧壁上，多孔烧结板位于容器后侧的内壁上；所述的突出启动装置包括设在容器前侧壁突出口外的突出口挡板、设在突出口内的堵头，突出口挡板的外侧设有压在其外侧的Y形压杆，容器前侧壁两侧分别设有与Y形压杆相插合的支座，支座的一侧设有固定Y形压杆一端的转轴，另一侧设有固定Y形压杆的圆锥销，圆锥销末端设有卸荷杆；所述的数据采集及分析装置包括依次设在容器的左侧壁上的压力传感器、温度传感器、声发射传感器、电磁辐射传感器、电位传感器组成，压力传感器、温度传感器、声发射传感器、电磁辐射传感器、电位传感器分别经数据线与数据采集仪相连；所述容器的右侧设有由高速摄像机和玻璃窗口组成的观测装置，玻璃窗口位于容器的右内侧壁上，高速摄像机位于正对玻璃窗口的前方；所述的盖板与容器的配合面和与压柱的配合面上设有密封圈。本发明的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定方法，包括如下步骤
(1)选取型煤或散状的待测煤样；
(2)将型煤或散状的煤样从容器的顶部装入后，安装压力加载装置；
(3)将与瓦斯罐相连的减压阀上的进气阀和出气阀打开，让瓦斯气体通过进气嘴进入向容器内，检查容器的气密性，看是否有漏气，之后关闭气源，即关闭减压阀上的出气阀；
(4)若无漏气，则通过压力试验机给压力加载装置提供动力，向煤样施加压力，其压力的大小与所取煤样的矿山地应力大小一致；
(5)当施加的压力与所取煤样的矿山地应力大小一致时，打开减压阀上的出气阀调节出气阀设定向容器内充入瓦斯气体0. 6 0. 8MPa,并吸附48小时以上，让煤样充分吸附瓦斯，吸附稳定后关闭出气阀；
(6)容器的煤样吸附稳定后，开启设在玻璃窗口前方的高速摄像机，并开启数据采集仪，做好突出前的准备；
(7)给圆锥销末端的卸荷杆一个瞬间向下的冲力，使圆锥销快速脱落，此时，压杆一端和支座固定一端脱离，压杆另一端绕着转轴旋转，突出口挡板失去压杆的压力后自动脱落， 容器内的煤样在应力和瓦斯的作用下涌向突出口；
若瓦斯和煤样从突出口突出，则逐步降低瓦斯气体的充入量，重复步骤(1) (7)，至直瓦斯和煤样不突出，记录此时的瓦斯的压力值；
若瓦斯和煤样不突出，则逐步增加瓦斯气体的充入量，重复步骤(3) (7)，至直瓦斯和煤样从突出口突出，记录此时的瓦斯的压力值。有益效果由于采用了上述技术方案，综合考虑了矿井的瓦斯赋存条件、地应力及其煤体力学性质的差异，并针对各矿实际情况进行实验确定煤与瓦斯突出预测指标临界值，所得出的试验参数和结果能实际反应出试验矿井的具体情况，与用统一的指标临界值相比，所确定的煤与瓦斯突出预测指标临界值更具科学性，由于针对各矿实际性确定煤与瓦斯突出预测指标临界值，准确度高，其主要优点有1.通过充分模拟实验矿井的地应力，瓦斯，煤体条件，使得出的煤与瓦斯突出预测指标临界值更加准确可靠；
2.具有良好的气密性，能够进行不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出模拟实验。3.能够直观的观测到煤与瓦斯突出过程中煤体破裂演化过程； 4.结构简单，制作成本低，操作简单，可靠性好。
图1是本发明的主视结构示意图。图2是图1的A-A剖视结构示意图。图3是本发明的俯视结构示意图。图4是本发明试验方法流程示意图。图中1 一压柱，2 —压板，3 —容器，4 一进气嘴，5 —压力传感器，6 —突出口，7 — 堵头，9 —突出口挡板，10 一定位螺栓，11 一转抽，12 一圆锥销，13-Y形压杆，14 一支座， 15 一减压阀，16 —瓦斯罐，17 —进气阀，18 —出气阀，19 一多孔烧结板，20 —玻璃窗口， 21 —盖板，22 —螺丝，23 —高速摄像机，24 —护栏，25 —温度传感器，26—声发射传感器，27 —电磁辐射传感器，28 —电位传感器，29 —数据采集仪，30 —卸荷杆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明
本发明的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置，主要由容器3、压力加载装置、气体加载装置、突出启动装置和数据采集分析装置构成，压力加载装置设在容器3的顶部，气体加载装置设在容器3的左侧，突出启动装置设在容器3右侧，数据采集分析装置设在容器 3的前部，容器3的前壁开有突出口 6。所述的压力加载装置由压柱1、与压柱1螺纹连接的压板2构成，压柱1上套装有盖板21，压柱1与压板2通过螺纹连接相连，压力试验机所施加的压力通过压柱1和压板2传递给容器3里的煤样，压力试验机通过计算机控制，实现可控加载。盖板21中开有一个供压柱1穿过的圆孔，为了保证密封效果，盖板21通过螺丝22 与容器3相连，盖板21与容器3的配合面和与压柱1的配合面上均设有密封圈8。所述的气体加载装置由瓦斯罐16、减压阀15、多孔烧结板19和进气嘴4组成，减压阀的15—端接瓦斯罐16，另一端通过导气管与进气嘴4相连，减压阀的15上有进气阀17和出气阀18，进气嘴4位于容器3的后侧壁上，多孔烧结板19位于容器3后侧的内壁上；多孔烧结板19为多孔结构，气体分子可以通过，煤颗粒不能通过，可实现对实验煤样进行面充气，缩短煤样达到吸附平衡状态的时间；瓦斯罐16的瓦斯气体通过减压阀15与、进气嘴4和多孔烧结板 19进入容器3。所述的突出启动装置包括设在容器3前侧壁突出口 6外的突出口挡板9、设在突出口 6内的堵头7，突出口挡板9的外侧设有压在其外侧的Y形压杆13，容器3前侧壁两侧分别设有与Y形压杆13相插合的支座14，支座14的一侧设有固定Y形压杆13 —端的转轴11，另一侧设有固定Y形压杆13的圆锥销12，圆锥销12的末端设有卸荷杆30 ；所述的数据采集及分析装置包括依次设在容器3的左侧壁上的压力传感器5、温度传感器25、声发射传感器26、电磁辐射传感器27、电位传感器28组成，压力传感器5、温度传感器25、声发射传感器26、电磁辐射传感器27、电位传感器28分别经数据线与数据采集仪四相连；所述
6容器3的右侧设有由高速摄像机23和玻璃窗口 20组成的观测装置，玻璃窗口 20位于容器 3的右内侧壁上，高速摄像机23位于正对玻璃窗口 20的前方。如图2所示，玻璃窗口 20通过螺丝安装在容器3右内侧壁上，为保证密封，在玻璃窗口 20与容器壁3的配合面上设有密封圈，为防止玻璃窗口 20破碎，在玻璃窗口 20的外部设有护栏M ；高速摄像机23拍摄的范围为整个玻璃窗口 20，并以此调节摄像机与窗口的距离；试验时，开启高速摄像机23， 记录下突出整个过程中煤样的破坏过程，分析突出过程中煤样在地应力和瓦斯压力耦合作用下的破坏规律。数据采集分析装置由压力传感器5、温度传感器25、声发射传感器26、电磁辐射传感器27、电位传感器观和数据采集仪四组成。压力传感器5、温度传感器25、声发射传感器26、电磁辐射传感器27、电位传感器观分别经数据线与数据采集仪四相连；通过数据采集分析装置采集实验过程中压力、温度、声发射、电位、电磁辐射数据，研究煤与瓦斯突出中各个指标数据规律，并为各个指标进行突出预测提供理论依据。本发明的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定方法
(1)在需要测定煤与瓦斯突出预测指标临界值的矿井选取代表性的煤样，切割成装置容积大小；或者用碎煤用粉碎机粉碎制成跟箱体内积大小一致型煤；
(2)打开容器3的盖板21，将实验煤样放入容器3，将压柱1穿过盖板21预留的圆孔与压板2通过螺纹相连，将堵头7放入突出口 6，突出口挡板9放置在堵头7外端，使堵头7 内端与容器3内表面相平，外端与突出口挡板9紧密接触，突出口挡板9并容器3接触的配合面上设有密封圈8 ；转动Y形压杆13至支座14，将圆锥销12插入Y形压杆13和支座14 的槽里，调节Y形压杆13上的定位螺栓10使突出口挡板9和容器3紧密接触从而实现密封；
(3)将与瓦斯罐16相连的减压阀15上的进气阀17和出气阀18打开，让瓦斯气体通过进气嘴4进入向容器3内，检查容器3的气密性，看是否有漏气，之后关闭气源，即关闭减压阀15上的出气阀18 ；
(4)若无漏气，则通过压力试验机给压力加载装置提供动力，向煤样施加压力，其压力的大小与所取煤样的矿山地应力大小一致；
(5)当施加的压力与所取煤样的矿山地应力大小一致时，打开减压阀15上的出气阀18 调节出气阀18设定向容器3内充入瓦斯气体0. 6^0. 8MPa，并吸附48小时以上，让煤样充分吸附，吸附稳定后关闭出气阀18 ；
(6)容器(3)的煤样吸附稳定后，开启高速摄像机23和数据采集仪四，做好突出前的准备；
(7)突出启动时，给圆锥销12末端的卸荷杆30—个瞬间向下的冲力，使圆锥销12快速脱落，此时，Y形压杆13 —端和支座14固定一端脱离，压杆13另一端绕着转轴11旋转，突出口挡板9失去Y形压杆13的压力后自动脱落，容器3内的煤样在应力和瓦斯的作用下涌向突出口 6。(8)记录实验结果，若突出了，则按照上述实验步骤1-7步，降低0. 2MPa瓦斯压力， 再次试验；若没有突出，则利用容器3的煤样，增加0. 2MPa瓦斯压力值，按照实验步骤2-7 步，再次实验，如此依次重复；假设发生突出时的压力为P2，不突出的压力为P1，然后取中间值继续实验，直到精度为O.OlMPa。则此次试验的瓦斯压力值即为煤与瓦斯突出预测指标临界值。
权利要求
1.一种煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置，包括前壁开有突出口(6)的容器 (3)、分别设在容器(3)上的压力加载装置、气体加载装置、突出启动装置和数据采集分析装置，其特征在于所述的压力加载装置由压柱(1)、与压柱(1)螺纹连接的压板(2)构成，压柱(1)上套装有盖板(21)；所述的气体加载装置由瓦斯罐(16)、减压阀(15)、多孔烧结板 (19)和进气嘴(4)组成，进气嘴(4)位于容器(3)的后侧壁上，多孔烧结板(19)位于容器 (3)后侧的内壁上；所述的突出启动装置包括设在容器(3)前侧壁突出口(6)外的突出口挡板(9)、设在突出口(6)内的堵头(7)，突出口挡板(9)的外侧设有压在其外侧的Y形压杆 (13)，容器(3)前侧壁两侧分别设有与Y形压杆(13)相插合的支座(14)，支座(14)的一侧设有固定Y形压杆(13)—端的转轴(11)，另一侧设有固定Y形压杆(13)的圆锥销(12)，圆锥销12末端设有卸荷杆(30)；所述的数据采集及分析装置包括依次设在容器(3)的左侧壁上的压力传感器(5)、温度传感器(25)、声发射传感器(26)、电磁辐射传感器(27)、电位传感器(28)组成，压力传感器(5)、温度传感器(25)、声发射传感器(26)、电磁辐射传感器 (27)、电位传感器(28)分别经数据线与数据采集仪(29)相连；所述容器(3)的右侧设有由高速摄像机(23)和玻璃窗口(20)组成的观测装置，玻璃窗口(20)位于容器(3)的右内侧壁上，高速摄像机(23)位于正对玻璃窗口( 20)的前方。
2.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置，其特征在于所述的盖板(21)与容器(3)的配合面和与压柱(1)的配合面上设有密封圈。
3.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置，其特征在于所述的观测装置，通过容器(3)右侧的高速摄像机(23)和玻璃窗口(20)能够拍摄到突出整个过程中煤样的破裂演化过程。
4.一种如权利要求1所述装置的煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定方法，其特征于包括如下步骤(1)选取型煤或散状的待测煤样；(2)将型煤或散状的煤样从容器(3)的顶部装入后，安装压力加载装置；(3 )将与瓦斯罐(16 )相连的减压阀(15 )上的进气阀(17 )和出气阀(18 )打开，让瓦斯气体通过进气嘴(4)进入向容器(3)内，检查容器(3)的气密性，看是否有漏气，之后关闭气源，即关闭减压阀(15)上的出气阀(18)；(4)若无漏气，则通过压力试验机给压力加载装置提供动力，向煤样施加压力，其压力的大小与所取煤样的矿山地应力大小一致；(5)当施加的压力与所取煤样的矿山地应力大小一致时，打开减压阀(15)上的出气阀 (18)调节出气阀(18)设定向容器(3)内充入瓦斯气体0. 6 0. 8MPa,并吸附48小时以上， 让煤样充分吸附瓦斯，吸附稳定后关闭出气阀(18)；(6)容器(3)的煤样吸附稳定后，开启设在玻璃窗口(20)前方的高速摄像机(23)，并开启数据采集仪(29)，做好突出前的准备；(7)给圆锥销(12)末端的卸荷杆(30)—个瞬间向下的冲力，使圆锥销(12)快速脱落， 此时，压杆(13)—端和支座(14)固定一端脱离，压杆(13)另一端绕着转轴(11)旋转，突出口挡板(9)失去压杆(13)的压力后自动脱落，容器(3)内的煤样在应力和瓦斯的作用下涌向突出口(6)；若瓦斯和煤样从突出口(6)突出，则逐步降低瓦斯气体的充入量，重复步骤(1) (7)，至直瓦斯和煤样不突出，记录此时的瓦斯的压力值；若瓦斯和煤样不突出，则逐步增加瓦斯气体的充入量，重复步骤(3) (7)，至直瓦斯和煤样从突出口(6)突出，记录此时的瓦斯的压力值。
全文摘要
一种煤与瓦斯突出预测指标临界值的测定装置及方法，装置主要由压力加载装置、气体加载装置、突出启动装置、观测装置和数据采集分析装置组成。通过模拟实验矿井的地应力，观测记录突出实验过程中煤体煤样的变形及破坏情况；经数据采集分析采集实验过程中压力、温度、声发射、电位、电磁辐射信号及变化情况。综合考虑了矿井的瓦斯赋存条件、地应力及其煤体力学性质的差异，并针对各矿实际情况进行实验确定煤与瓦斯突出预测指标临界值，所得出的试验参数和结果能实际反应出试验矿井的具体情况，与用统一的指标临界值相比，所确定的煤与瓦斯突出预测指标临界值更具科学性，其结构紧凑、方法简单、制作成本低、操作简单、可靠性高。
文档编号G01N7/00GK102353608SQ20111019124
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者孙浩博, 宋大钊, 张力, 欧建春, 王恩元, 陈鹏, 马衍坤 申请人:中国矿业大学