真三轴加载与气固耦合条件下含瓦斯煤层模型试验密封方法

本发明属于矿业工程、岩土工程科研，特别涉及一种用于实现研究煤体在真三轴加载和气固耦合试验条件下的装置密封方法与密封技术，保证模拟瓦斯突出试验过程中的气体充填稳定和试验数据的安全采集。

背景技术：

1、煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象，j.hanes等人根据澳大利亚煤与瓦斯突出的考察分析，将煤与瓦斯突出发展过程分为四个阶段：激发阶段、临界阶段、发生阶段和结束阶段。

2、研究瓦斯突出的手段方法主要为理论分析、模型试验、数值模拟和现场监测，因地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质在煤与瓦斯突出过程中的作用机制，目前尚未研究清楚导致理论和数值计算停滞不前很难有进一步突破，现场可监测信息又很难支撑科学研究，固模型试验是目前研究这一复杂动力现象的主流方法。但如何完成煤体在真三轴加载条件下注入高压气体，保证气密性是装置含瓦斯煤体模型试验装置研发的核心难点。

3、目前，针对模型试验的密封性方案和方式，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，主要研究现状如下：

4、（1）申请号为201210175213.9的中国专利发明公开了一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置及试验方法，由模型槽、堆载系统、真空加载系统、气压劈裂系统及量测系统组成；所述密封系统包括密封膜，密封膜设在所述承压板与砂垫层之间，密封膜上下铺设土工布，能用于开展气压劈裂真空预压法加固软土的模型试验。

5、（2）申请号为201210496372.9的中国专利发明公开了一种用于滑坡物理试验模型的密封门，包括门框，所述门框四周设有凸起边缘，所述门框安装有门轴，门轴连接门板，所述门板设有外边框、内边框，所述外边框与内边框之间嵌入安装有条形密封带；可用于滑坡物理试验，通过螺栓挤压门板上的压板，门框上的凸起边缘与门板的外边框、内边框内镶嵌的条形密封条接触并挤压，形成密封性能防止雨水和库水流出。

6、（3）申请号为201610132997.5的中国专利发明公开了一种多功能土工试验模型箱本发明公开了一种多功能土工试验模型箱，包括底板、顶板、左侧板、右侧板、后面板和前面板等方体结构，各块组装板衔接处设有双重密封结构，并通过联接螺钉连接，后面板和右侧板均设置有多个排水孔，可实现密封环境下的不同水位控制的模型试验，满足不同的模型试验需求。

7、综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：1.上述试验装置不论大小，均不能实现真三轴静态加载和气固耦共同作用下的密封问题；2.上述试验装置所采用的密封方案单一，应设置多道密封措施保证试验过程的稳定性和安全性。

8、为更好地研究揭示煤岩体在真三轴加载和气固耦合状态下含瓦斯煤体的吸附解吸规律、不同加载阶段含瓦斯煤体渗透变化规律及损伤扩容破坏机理，保证试验过程中气体的完全密封和稳定性，设计了真三轴加载与气固耦合条件下含瓦斯煤层模型试验密封方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可满足对模型材料进行真三轴加载和气固耦合情况下的模型材料密封方案。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：真三轴加载与气固耦合条件下含瓦斯煤层模型试验密封方法，模型装置由模型反力模块、液压加载模块、气体充填模块、模型密封模块四部分组成，各模块分功明确，相互配合，模型反力模块为模型三维加载提供反作用力，其液压加载模块可实现对模型材料的三维加载模拟地应力，气体充填模块实现对煤体的气体均匀充气，模型密封模块包括模型材料的三层密封：模型密封层、反力架密封层和传感器引线密封层，层层相互，保证了模拟瓦斯突出等气固耦合试验过程中的气体充填的密闭性和试验数据的安全采集。

3、所述的模型反力模块，主要由底梁装配体、前墙装配体、后墙装配体、侧梁装配体、顶梁装配体、导力框和底盘组成。所述的模型反力模块均有钢结构通过高强螺栓连接固定，所述的底梁装配体、前墙装配体、后墙装配体、侧梁装配体、顶梁装配体组装围成密闭空间，内置导力框为液压加载模块的三维加载提供导向作用，所述的底盘安装在底梁装配体上面用于放置模型材料，所述的前墙装配体中心位置带有开挖口，开挖前用圆形钢结构密封；所述的液压加载模块主要由液压油缸和推力器组成；所述的液压油缸和推力器分别安装于后墙装配体、侧梁装配体和顶梁装配体的反力梁内，所述的液压油缸采用内嵌方式节省了装置空间，所述的推力器一端与液压油缸连接，一端为方形钢结构厚板伸入模型反力模块内部形成后部、左右和顶部三维加载面；所述的气体充填模块主要由面式充填板和充气管路组成；所述的面式充填板为空心矩形钢结构并设有进气口与充气管路连接，其上表面钻有均匀圆孔，试验前将面式充填板带有均匀钻孔的一面与煤层材料贴紧，并通过充气管路注入高压吸附性气体实现对煤层材料的均匀面式充气；所述的模型密封模块主要由模型密封层、反力架密封层和传感器引线密封组成； 所述的模型密封层为聚氨脂材料浇注而成的密封箱，包括主体和顶盖将模型模型材料完全包裹，其气体充填模块的充气管路和预先埋设的传感器导线通过箱体开口引出并用密封胶密封，形成第一道密封；反力架密封层通过在反力梁内预先设置密封凹槽放置密封橡胶并借助连接的高强螺栓将各梁之间压紧密封，通过在螺栓孔放置密封垫圈和涂抹密封胶将螺栓与钢结构连接孔位置进行密封，形成第二道密封；所述的传感器引线密封主要由密封套筒，密封引线、密封圈组成，密封套筒是带有法兰盘的圆形不锈钢钢筒结构，密封引线为不带保护皮的漆包线以防止气体从保护皮内渗出，装置工作时先将若干根漆包线贯穿密封套筒再灌入密封胶将套筒密封，密封套筒通过自带的法兰盘固定在侧梁一角并穿过侧梁伸到反力架外部，连接部位通过密封圈并涂抹密封胶的形式进行密封漆包线两端分别与传感器导线和外部采集仪器连接实现试验过程的数据监测与采集。

4、本发明的有益效果是：

5、 1密封采用模块化设计，由内到外层层相互，保证了密封性。

6、2密封箱采用聚氨脂材料浇注而成及可实现密封功能，又具有柔性加载传力特性。

7、3反力架密封层采取在反力梁预制凹槽粘贴橡胶条和伸入密封空间螺栓孔放置密封垫圈和涂抹密封胶的组合形式，可保证钢结构之间的加工间隙完全密闭。

8、4传感器引线密封将密封引线贯穿密封套筒并灌入密封胶密封固定，再安装于反力架模块上，可防止气体沿传感器导线渗入装置外部，实现试验中的数据监测与采集过程中传感器密封。

技术特征：

1.真三轴加载与气固耦合条件下含瓦斯煤层模型试验密封方法，其特征是，密封方式采用模块化设计理念，由模型密封层、反力架密封层和传感器引线密封层组成三层密封。

2.如权利要求1所述的模型密封层，其特征是，由聚氨脂材料浇注而成的矩形箱体，包括主体和顶盖可将模型材料完全包裹组成，形成第一道密封。

3.如权利要求1所述的反力架密封层，通过在反力梁内预先设置反力梁密封槽放置硅胶条的形式，借助高强螺栓将各梁之间压紧实现各反力梁间的密封。

4.如权利要求1所述的反力架密封层，通过在液压油缸法兰盘位置放置密封垫片并用螺栓压紧实现液压油缸与反力梁之间密封。

5.如权利要求1所述的反力架密封层，通过在螺栓孔放置密封圈和涂抹密封胶实现螺栓与钢结构连接孔位置的密封。

6.如权利要求1所述的反力架密封层，通过在开挖口密封钢板放置密封圈并用螺栓压紧实现开挖口开挖前的密封。

7.权利要求3至要求6共同形成第二道密封-反力架密封层。

8.如权利要求1所述的传感器引线密封层，主要由密封套筒和密封引线组成，密封套筒是带有法兰盘的圆形不锈钢钢筒结构，密封引线为不带保护皮的漆包线。

9.如权利要求8所述的传感器引线密封层，先将若干根漆包线贯穿密封套筒再灌入密封胶将套筒密封，密封套筒通过自带的法兰盘固定在侧梁一角并穿过侧梁伸到反力架外部，套筒与反力梁接触部位通过密封圈并涂抹密封胶的形式进行密封，漆包线两端分别与传感器导线和外部采集仪器连接实现试验过程的数据监测与采集，形成第三道密封-传感器引线密封层。

技术总结
本发明公开了一种真三轴加载与气固耦合条件下含瓦斯煤层模型试验密封方法，由模型密封层、反力架密封层和传感器引线密封层组成三层密封；模型密封层是由聚氨脂材料浇注而成的矩形箱体，可将模型材料完全包裹，形成第一道密封；通过反力梁预制密封凹槽放置硅胶条、油缸法兰盘放置密封垫片、螺栓孔部位放置密封圈等形式第二道密封；通过密封套筒将密封引线引入模型内部，密封套筒安装在反力梁内并用密封圈、密封胶密封的形式实现传感器引线密封层，密封引线两端分别与传感器导线和外部采集仪器连接实现试验过程的数据监测与采集，形成第三道密封。密封方式采用模块化设计理念，层层相互，保证了模拟瓦斯突出等气固耦合试验过程中的气体充填的密闭性和试验数据的安全采集。

技术研发人员：邱廷麟,王汉鹏,白子涵,侯夫斌,孙德康
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15