本實用新型屬于煤與瓦斯突出模擬實驗技術領域，具體涉及一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置。

背景技術：

隨著煤炭開采深度的不斷增加，在高地應力和瓦斯壓力作用下，越來越多的礦井將面臨嚴峻的煤與瓦斯突出問題，對礦井的安全生產(chǎn)造成極大的危害。煤與瓦斯突出是一種極為復雜的礦井動力現(xiàn)象，其發(fā)生受地應力、瓦斯壓力和煤巖的物理力學性質的影響和制約，而目前關于煤與瓦斯突出機理的研究尚未清晰。因此，國內外眾多學者采用煤與瓦斯突出模擬裝置開展了大量的模擬實驗，在一定程度上加深了人們對煤與瓦斯突出的認識，但隨著煤與瓦斯突出力學作用機理的提出，現(xiàn)有的模擬裝置存在尺寸小、加載維數(shù)少，充氣壓力底以及不能準確記錄突出前后能量與突出整個過程等缺點，不能充分揭示煤與瓦斯突出過程中的變化規(guī)律；特別是現(xiàn)有的模擬裝置突出口需要手動打開，手動打開突出口速度過慢進而影響煤與瓦斯突出的時間及能量的變化規(guī)律；此外，現(xiàn)有裝置的加載系統(tǒng)大多不能提供穩(wěn)定的加載壓力，這樣對尋找煤與瓦斯突出臨界壓力值具有一定的困難。因此，需要一種實驗裝置，能夠模擬煤樣尺寸大、加載維數(shù)多，充氣壓力大的要求，同時可以清晰的觀察和記錄煤與瓦斯突出過程中煤樣的破壞情況和能量變化規(guī)律。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置。該裝置結構簡單，設計合理，裝配容易。通過設置地應力模擬加載系統(tǒng)和瓦斯壓力模擬加載系統(tǒng)，能夠提供穩(wěn)定的壓力，實現(xiàn)三維加載壓力，且在煤樣發(fā)生突出時能夠準確的記錄突出時的臨界壓力值，通過設置聲發(fā)射探頭和壓力傳感器，能夠將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，實時的反映煤與瓦斯突出前后的能量與壓力的變化規(guī)律。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是：一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：包括地應力模擬加載系統(tǒng)、瓦斯壓力模擬加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)、突出箱體和計算機；所述地應力模擬加載系統(tǒng)包括電子萬能試驗機、第一液壓油缸和第二液壓油缸，所述突出箱體對中放置在電子萬能試驗機的底座上，所述電子萬能試驗機、第一液壓油缸和第二液壓油缸均與計算機相連接；所述第一液壓油缸和第二液壓油缸分別安裝于突出箱體的相鄰兩個側壁上；

所述突出箱體包括上端開口的箱體本體和位于箱體本體下方的箱體底座，所述箱體本體的上端設置有箱蓋，所述箱蓋的中部安裝有軸向壓縮活塞，所述軸向壓縮活塞上設有與箱體本體內部腔體相連通的軸向充氣孔，所述箱體底座上設置有與所述腔體相連通的底座充氣孔，所述軸向充氣孔上連接有氣體管道，所述氣體管道上連接有氣體支管，所述氣體支管與底座充氣孔相連通，所述箱體本體上且與第二液壓油缸相對的側壁上開設有突出口，所述突出口上設置有可拆卸的突出堵頭，所述箱體本體上且位于突出口的外側安裝有模擬巷道裝置；所述箱體底座內側和模擬巷道裝置底部均設置有聲發(fā)射探頭和壓力傳感器；

所述瓦斯壓力模擬加載系統(tǒng)包括瓦斯氣體罐和空氣壓縮機；所述瓦斯氣體罐通過第一管路與氣體管道連接，空氣壓縮機通過第二管路與氣體管道連接；

所述聲發(fā)射系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀，所述聲發(fā)射儀的輸入端與聲發(fā)射探頭相連。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：還包括數(shù)據(jù)采集儀，所述數(shù)據(jù)采集儀的輸入端與壓力傳感器相連，所述聲發(fā)射儀的輸出端和數(shù)據(jù)采集儀的輸出端均與計算機相連。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述箱蓋內側設置有上壓板，所述箱蓋的中部設置有軸向壓縮活塞孔，軸向壓縮活塞穿過所述軸向壓縮活塞孔與上壓板活動連接，所述上壓板上設置有與所述腔體相連通的中心充氣孔，所述中心充氣孔位于軸向充氣孔的正下方且與軸向充氣孔相連通，所述箱體本體上安裝有第一液壓油缸的側壁內設置有第一側壓板，第一液壓油缸的壓縮活塞穿過箱體本體與第一側壓板活動連接，箱體本體上安裝有第二液壓油缸的側壁內設置有第二側壓板，第二液壓油缸的壓縮活塞穿過箱體本體與第二側壓板活動連接。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述上壓板的下表面與箱蓋的下表面平齊，所述第一側壓板的內表面與箱體本體上安裝有第一液壓油缸的側壁的內表面平齊，所述第二側壓板的內表面與箱體本體上安裝有第二液壓油缸的側壁的內表面平齊。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述上壓板上設置有多個上壓板充氣孔，所述上壓板充氣孔與軸向充氣孔和所述腔體均連通。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述箱蓋與箱體本體為螺栓連接；所述箱體本體與箱蓋之間、軸向壓縮活塞與箱蓋之間、第一液壓油缸的壓縮活塞與箱體本體之間、第二液壓油缸的壓縮活塞與箱體本體之間和突出口與模擬巷道裝置之間均設置有密封圈。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述模擬巷道裝置包括透明巷道，所述透明巷道通過螺栓安裝于箱體本體上，透明巷道遠離箱體本體的一端中部設置有封閉透明的攝像室，所述攝像室內安裝有高速攝像機，透明巷道遠離箱體本體的端部設置有泄壓口，所述箱體底座和透明巷道的底部均設置有布線孔，聲發(fā)射探頭的導線穿過布線孔與聲發(fā)射儀連接。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述透明巷道的底部設置有用于支撐透明巷道的底座。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述第一管路上設置有瓦斯壓力表和減壓閥，所述減壓閥位于瓦斯壓力表和瓦斯氣體罐之間，所述第二管路上設置有負壓表和進氣閥，所述進氣閥位于負壓表和空氣壓縮機之間。

上述的一種煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：所述第一液壓油缸通過第一液壓系統(tǒng)供油，所述第一液壓系統(tǒng)包括第一液壓油箱和第一液壓泵，所述第一液壓泵的進油口通過第一液壓管與第一液壓油箱連接，所述第一液壓油缸的進油口通過第二液壓管與第一液壓泵的出油口連接，所述第二液壓管上連接有第一壓力表和第一溢流閥；所述第二液壓油缸通過第二液壓系統(tǒng)供油，所述第二液壓系統(tǒng)包括第二液壓油箱和第二液壓泵，所述第二液壓泵的進油口通過第三液壓管與第二液壓油箱連接，所述第二液壓油缸的進油口通過第四液壓管與第二液壓泵的出油口連接，所述第四液壓管上連接有第二壓力表和第二溢流閥。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

1、本實用新型煤與瓦斯突出模擬實驗裝置結構簡單，設計合理，裝配容易。

2、本實用新型通過設置軸向充氣孔和底座充氣孔，并優(yōu)選設置開有充氣孔的上壓板，使得突出箱體內煤樣的充氣更均勻。

3、本實用新型通過設置可拆卸的突出堵頭，進行煤與瓦斯突出模擬實驗時取掉突出堵頭，對突出口與煤樣之間進行密封，然后用突出堵頭堵住突出口，保證了突出箱體的氣密性，同時避免了突出口手動打開而影響突出能量的缺陷。

4、本實用新型煤與瓦斯突出模擬實驗裝置的突出箱體的箱體底座與模擬巷道裝置底部均設有聲發(fā)射探頭和壓力傳感器，能夠將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，實時的反映煤與瓦斯突出前后的能量與壓力的變化規(guī)律。

5、本實用新型煤與瓦斯突出模擬實驗裝置的地應力加載系統(tǒng)與瓦斯壓力加載系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的壓力，且在煤樣發(fā)生突出時能夠準確的記錄突出時的臨界壓力值。

6、本實用新型優(yōu)選在模擬巷道裝置一端設置攝像室和高速攝像機，能夠詳細記錄并保持煤與瓦斯突出的整個動態(tài)過程，從而為揭示煤與瓦斯突出機理提供一定的依據(jù)。

7、采用本實用新型的裝置能夠較為真實的反映煤與瓦斯突出的整個過程，同時能夠實現(xiàn)三維加載壓力，充氣壓力大，密封性能好，實用性強，便于推廣使用。

綜上所述，本實用新型設計合理，能夠真實的反映礦井煤與瓦斯突出的整個過程，能夠避免突出口手動打開而影響突出能量的問題，能夠實時記錄煤與瓦斯突出前后能量與壓力的變化規(guī)律，能夠詳細的觀察煤與瓦斯突出的整個動態(tài)過程，實用性強，便于推廣使用。

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

說明書附圖

圖1為本實用新型煤與瓦斯突出模擬實驗裝置去除模擬巷道裝置的結構示意圖。

圖2為本實用新型的突出箱體和模擬巷道裝置的位置關系示意圖。

圖3為本實用新型中心充氣孔和上壓板充氣孔在上壓板的布設位置示意圖。

圖4為本實用新型箱體底座的結構示意圖。

圖5為本實用新型的電路原理框圖。

附圖標記說明:

1—電子萬能試驗機； 2-1—軸向壓縮活塞； 2-2—軸向充氣孔；

2-3—箱蓋； 2-4—中心充氣孔； 2-5—上壓板；

2-6—箱體本體； 2-7—第一側壓板； 2-8—箱體底座；

2-9—氣體支管； 2-10—布線孔； 2-11—第二側壓板；

2-12—突出堵頭； 2-13—突出口； 2-14—底座充氣孔；

2-15—上壓板充氣孔； 2-16—氣體管道； 3—第一壓力表；

4—第一溢流閥； 5—第一液壓泵； 6—第一液壓油箱；

7—瓦斯壓力表； 8—減壓閥； 9—進氣閥；

10—負壓表； 11—空氣壓縮機； 12—瓦斯氣體罐；

13—計算機； 14—數(shù)據(jù)采集儀； 15—聲發(fā)射儀；

16—第一液壓油缸； 17—煤樣； 18—第二液壓油缸；

19—聲發(fā)射探頭； 20—透明巷道； 21—高速攝像機；

22—壓力傳感器； 23—泄壓口； 24—底座；

25—第二壓力表； 26—第二溢流閥； 27—第二液壓泵；

28—第二液壓油箱； 29—攝像室； 30—第一管路；

31—第二管路。

具體實施方式

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實用新型的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于：包括地應力模擬加載系統(tǒng)、瓦斯壓力模擬加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)、突出箱體和計算機13；所述地應力模擬加載系統(tǒng)包括電子萬能試驗機1、第一液壓油缸16和第二液壓油缸18，所述突出箱體對中放置在電子萬能試驗機1的底座上，所述電子萬能試驗機1、第一液壓油缸16和第二液壓油缸18均與計算機13相連接；所述第一液壓油缸16和第二液壓油缸18分別安裝于突出箱體的相鄰兩個側壁上；

所述突出箱體包括上端開口的箱體本體2-6和位于箱體本體2-6下方的箱體底座2-8，所述箱體本體2-6的上端設置有箱蓋2-3，所述箱蓋2-3的中部安裝有軸向壓縮活塞2-1，所述軸向壓縮活塞2-1上設有與箱體本體2-6內部腔體相連通的軸向充氣孔2-2，所述箱體底座2-8上設置有與所述腔體相連通的底座充氣孔2-14，所述軸向充氣孔2-2上連接有氣體管道2-16，所述氣體管道2-16上連接有氣體支管2-9，所述氣體支管2-9與底座充氣孔2-14相連通，所述箱體本體2-6上且與第二液壓油缸18相對的側壁上開設有突出口2-13，所述突出口2-13上設置有可拆卸的突出堵頭2-12，所述箱體本體2-6上且位于突出口2-13的外側安裝有模擬巷道裝置；所述箱體底座2-8內側和模擬巷道裝置底部均設置有聲發(fā)射探頭19和壓力傳感器22；

所述瓦斯壓力模擬加載系統(tǒng)包括瓦斯氣體罐12和空氣壓縮機11；所述瓦斯氣體罐12通過第一管路30與氣體管道2-16連接，空氣壓縮機11通過第二管路31與氣體管道2-16連接；

所述聲發(fā)射系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀15，所述聲發(fā)射儀15的輸入端與聲發(fā)射探頭19相連。

本實施例中，還包括數(shù)據(jù)采集儀14，所述數(shù)據(jù)采集儀14的輸入端與壓力傳感器22相連，所述聲發(fā)射儀15的輸出端和數(shù)據(jù)采集儀14的輸出端均與計算機13相連。

本實施例中，所述箱蓋2-3內側設置有上壓板2-5，所述箱蓋2-3的中部設置有軸向壓縮活塞孔，軸向壓縮活塞2-1穿過所述軸向壓縮活塞孔與上壓板2-5活動連接，所述上壓板2-5上設置有與所述腔體相連通的中心充氣孔2-4，所述中心充氣孔2-4位于軸向充氣孔2-2的正下方且與軸向充氣孔2-2相連通，所述箱體本體2-6上安裝有第一液壓油缸16的側壁內設置有第一側壓板2-7，第一液壓油缸16的壓縮活塞穿過箱體本體2-6與第一側壓板2-7活動連接，箱體本體2-6上安裝有第二液壓油缸18的側壁內設置有第二側壓板2-11，第二液壓油缸18的壓縮活塞穿過箱體本體2-6與第二側壓板2-11活動連接。

本實施例中，所述上壓板2-5的下表面與箱蓋2-3的下表面平齊，所述第一側壓板2-7的內表面與箱體本體2-6上安裝有第一液壓油缸16的側壁的內表面平齊，所述第二側壓板2-11的內表面與箱體本體2-6上安裝有第二液壓油缸18的側壁的內表面平齊。

本實施例中，所述上壓板2-5上設置有多個上壓板充氣孔2-15，所述上壓板充氣孔2-15與軸向充氣孔2-2和所述腔體均連通。

本實施例中，所述箱蓋2-3與箱體本體2-6為螺栓連接；所述箱體本體2-6與箱蓋2-3之間、軸向壓縮活塞2-1與箱蓋2-3之間、第一液壓油缸16的壓縮活塞與箱體本體2-6之間、第二液壓油缸18的壓縮活塞與箱體本體2-6之間和突出口2-13與模擬巷道裝置之間均設置有密封圈。

本實施例中，所述模擬巷道裝置包括透明巷道20，所述透明巷道20通過螺栓安裝于箱體本體2-6上，透明巷道20遠離箱體本體2-6的一端中部設置有封閉透明的攝像室29，所述攝像室29內安裝有高速攝像機21，透明巷道20遠離箱體本體2-6的端部設置有泄壓口23，所述箱體底座2-8和透明巷道20的底部均設置有布線孔2-10，聲發(fā)射探頭19的導線穿過布線孔2-10與聲發(fā)射儀15連接。

本實施例中，所述透明巷道20的底部設置有用于支撐透明巷道20的底座24。

本實施例中，所述第一管路30上設置有瓦斯壓力表7和減壓閥8，所述減壓閥8位于瓦斯壓力表7和瓦斯氣體罐12之間，所述第二管路31上設置有負壓表10和進氣閥9，所述進氣閥9位于負壓表10和空氣壓縮機11之間。

本實施例中，所述第一液壓油缸16通過第一液壓系統(tǒng)供油，所述第一液壓系統(tǒng)包括第一液壓油箱6和第一液壓泵5，所述第一液壓泵5的進油口通過第一液壓管與第一液壓油箱6連接，所述第一液壓油缸16的進油口通過第二液壓管與第一液壓泵5的出油口連接，所述第二液壓管上連接有第一壓力表3和第一溢流閥4；所述第二液壓油缸18通過第二液壓系統(tǒng)供油，所述第二液壓系統(tǒng)包括第二液壓油箱28和第二液壓泵27，所述第二液壓泵27的進油口通過第三液壓管與第二液壓油箱28連接，所述第二液壓油缸18的進油口通過第四液壓管與第二液壓泵27的出油口連接，所述第四液壓管上連接有第二壓力表25和第二溢流閥26。

采用本實用新型的裝置進行煤與瓦斯突出模擬實驗的方法具體包括以下步驟：

步驟一、打開箱蓋2-3，將待實驗的煤粉分五次裝入突出箱體中，每次裝入煤粉后開啟電子萬能試驗機1，通過軸向壓縮活塞2-1對突出箱體中的煤粉施加荷載，煤粉裝完后按照預先設定好的成型壓力使煤粉成型為煤樣17；

步驟二、將箱蓋2-3與箱體本體2-6密封連接，取掉突出堵頭2-12，對突出口2-13與煤樣17之間進行密封(優(yōu)選采用與煤樣17強度基本相同的密封材料進行密封)，然后用突出堵頭2-12堵住突出口2-13；

步驟三、開啟第一液壓油缸16和第二液壓油缸18，對煤樣17施加穩(wěn)定的初始值，同時開啟瓦斯氣體罐12，檢測突出箱體的氣密性；

步驟四、氣密性檢測結束后，關閉第一液壓油缸16、第二液壓油缸18和瓦斯氣體罐12，開啟空氣壓縮機11對煤樣17進行脫氣，脫氣完成后關閉空氣壓縮機11；

步驟五、煤樣17脫氣后，開啟電子萬能試驗機1、第一液壓油缸16和第二液壓油缸18，對煤樣17施加初始壓力，將瓦斯氣體罐12與軸向充氣孔2-2、底座充氣孔2-14密封連接，調節(jié)瓦斯氣體罐12的流量使得瓦斯壓力達到預設值并保持穩(wěn)定，通過軸向充氣孔2-2與底座充氣孔2-14向突出箱體中的煤樣17進行充氣，充氣時間至少32h，使煤樣17充分吸附瓦斯；

步驟六、待煤樣17吸附瓦斯完成后進行煤與瓦斯突出模擬實驗，通過電子萬能試驗機1對煤樣17施加軸壓，開啟第一液壓油缸16和第二液壓油缸18對煤樣17施加圍壓，通過瓦斯氣體罐12對煤樣17施加瓦斯壓力，穩(wěn)定至發(fā)生煤與瓦斯突出后立即停止軸壓、圍壓及瓦斯壓力的加載，記錄并保存實驗數(shù)據(jù)，關閉所有加載設備。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型做任何限制，凡是根據(jù)實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本實用新型技術方案的保護范圍內。