專利名稱：巖層應(yīng)力模擬試壓盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種模擬巖層應(yīng)力的試驗(yàn)裝置，具體地說(shuō)，是一種在煤與 瓦斯突出試驗(yàn)中多角度模擬巖層應(yīng)力的巖層應(yīng)力模擬試壓盒。
技術(shù)背景在煤與瓦斯突出機(jī)理研究方面被廣大學(xué)者普遍接受的是綜合作用假說(shuō)，它 認(rèn)為煤與瓦斯突出是由應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，但到 目前為止，地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)在突出過(guò)程中的作用機(jī)理也尚未明確。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代就進(jìn)行了一維突出模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明只有在 很大瓦斯壓力梯度下(每一厘米瓦斯壓力下降幾個(gè)兆帕)煤才有可能被破碎和拋 出。20世紀(jì)60年代初，日本學(xué)者氏平增之在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯拋射煤粒試驗(yàn)，利 用C02的結(jié)晶冰、松香、水泥、煤粒制作了多孔介質(zhì)模型模擬突出，試驗(yàn)在多孔 介質(zhì)孔隙瓦斯壓力下引起材料的破碎和拋出，最后發(fā)展為類似蘇聯(lián)的綜合考慮 地層應(yīng)力和瓦斯壓力的突出模擬試驗(yàn)。與蘇聯(lián)的突出模擬試驗(yàn)相比，日本模擬 裝置的優(yōu)點(diǎn)在于模型中有一段模擬圍巖的水泥段，能進(jìn)行"掘進(jìn)"等作業(yè)；其 缺點(diǎn)是用冰、水泥或松香等這些無(wú)瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物化性 質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)都與煤相差甚遠(yuǎn)。不能算是真正的模擬，只能算作是"復(fù)制"。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代初，我國(guó)煤炭科學(xué)研究院撫順?lè)衷和跤影步淌谑紫?開(kāi)展了煤與瓦斯突出一維模擬試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)采集煤樣，實(shí)驗(yàn)室成型，模擬IV、 V類突出危險(xiǎn)煤，得出了一維條件下突出強(qiáng)度同垂直應(yīng)力、瓦斯壓力之間的定量關(guān)系。1996年，中科院力學(xué)所孟祥躍等人開(kāi)發(fā)了既能改變地應(yīng)力又能改變瓦斯 壓力的二維煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置。2000年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)郭立穩(wěn)、俞啟香、蔣 承林通過(guò)煤與瓦斯突出裝置研究了突出過(guò)程中的溫度變化，認(rèn)為在煤與瓦斯突 出過(guò)程中，煤體溫度的升高是由地應(yīng)力破碎煤體使彈性能釋放造成的，而溫度降 低則是由于瓦斯氣體解吸和膨脹造成的，其變化是先升高后降低并連續(xù)變化的。 2002年焦作工學(xué)院牛國(guó)慶、顏愛(ài)華、劉明舉等也設(shè)計(jì)了煤與瓦斯突出裝置，用 來(lái)考察煤與瓦斯突出過(guò)程中的溫度變化，研究結(jié)果認(rèn)為在煤與瓦斯突出過(guò)程中， 瓦斯的膨脹做功過(guò)程并非絕熱過(guò)程,而是一個(gè)接近于等溫過(guò)程的多變過(guò)程。2004 年焦作工學(xué)院蔡成功等又按照相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝 置，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過(guò) 程，得出了突出強(qiáng)度同瓦斯壓力、煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力關(guān)系數(shù)學(xué)模型， 分析認(rèn)為，應(yīng)力和煤的力學(xué)性質(zhì)是決定突出強(qiáng)度的主要因素。蔡成功等在原有實(shí) 驗(yàn)裝置上進(jìn)行改進(jìn)，又按相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該 實(shí)驗(yàn)裝置用來(lái)進(jìn)行模擬突出的煤樣模型尺寸的長(zhǎng)、寬、高為225mmX 225mm X 137 mm。應(yīng)力施加系統(tǒng)為TYS-500型巖石應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)。垂直軸壓直接由試驗(yàn)機(jī) 軸向系統(tǒng)施加。側(cè)向應(yīng)力為圍壓，用專用的側(cè)向液壓油缸施加，液壓油由試驗(yàn) 機(jī)側(cè)壓系統(tǒng)供液。在突出模擬時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)精密壓力表和試驗(yàn)機(jī)計(jì)量系統(tǒng)共同計(jì)量 施加的壓力。煤樣成型后，連續(xù)脫氣48h，然后充氣吸附48h以上。當(dāng)應(yīng)力、瓦 斯壓力無(wú)變化，即裝置無(wú)漏氣、卸載時(shí)，采用機(jī)械方式突然打開(kāi)突出口，使其 發(fā)生突出完成實(shí)驗(yàn)。為安全起見(jiàn)，充氣介質(zhì)采用C02?，F(xiàn)有的煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置，雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機(jī)理 的研究進(jìn)展，但其共同存在的缺點(diǎn)是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的模型均是水平的，而現(xiàn) 實(shí)情況，井下為水平傾角的煤層相對(duì)較少，不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際含瓦斯煤層， 尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜的，現(xiàn)有裝置無(wú)法模擬。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，能模擬出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際瓦 斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的傾斜煤 層模擬試驗(yàn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型描述了一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，主要設(shè)置 有盒體，該盒體為六面體，其關(guān)鍵在于所述盒體的前、后、左、右立板為直 立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為a ,所述夾角a的范圍為0 45° ;所述盒體的上底板開(kāi)口，并配合安裝有活動(dòng)壓板，該活動(dòng)壓板沿所述上底 板開(kāi)口上下滑動(dòng)；所述盒體的右立板上開(kāi)有突出口，該突出口處設(shè)置有滑門，當(dāng)滑門關(guān)閉時(shí)，該滑門密封住所述突出口?；T由汽缸控制，可以實(shí)現(xiàn)突出口的快速打開(kāi)，便于煤與瓦斯突出試驗(yàn)。 所述盒體的上底板開(kāi)口與活動(dòng)壓板的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈。 在所述盒體下底板的上端面開(kāi)有凹槽，該凹槽開(kāi)有進(jìn)氣孔與外界相通，所述凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫，所述金屬泡沫內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛細(xì)通孔，毛細(xì)通孔使所述進(jìn)氣孔與盒體內(nèi)腔空氣相通；利用金屬泡沫內(nèi)網(wǎng)狀分布的毛細(xì)通孔，將進(jìn)氣孔送入的高壓氣體以"面充氣"的方式向盒體內(nèi)腔充氣，更能模擬出實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。 所述活動(dòng)壓板開(kāi)有出氣孔與外界相通。所述活動(dòng)壓板的下端面開(kāi)有凹槽，所述出氣孔位于該凹槽內(nèi)，該凹槽內(nèi)安 裝有過(guò)濾器，該過(guò)濾器內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔與盒體內(nèi)腔空氣相通。出氣孔將盒體內(nèi)的高壓氣送出，過(guò)濾器確保盒體內(nèi)的其他物質(zhì)不會(huì)被氣流 吹出盒體。所述進(jìn)氣孔和出氣孔中都安裝有快速氣接頭。所述盒體的前立板開(kāi)口，并螺栓固定有前端蓋，所述前端蓋密封住該盒體 的前立板開(kāi)口。本實(shí)用新型的顯著效果是提供一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，能模擬出現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的 傾斜煤層模擬試驗(yàn)，同時(shí)，還能以"面充氣"的方式向盒體內(nèi)腔充氣，模擬出 實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。


圖l是盒體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是滑門和突出口的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是進(jìn)氣孔和出氣孔的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖4是本實(shí)用新型的使用狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1、 2所示 一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，主要設(shè)置有盒體1，該盒體1 為六面體，所述盒體1的前、后、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板， 該斜面板與水平夾角為a，所述夾角a的范圍為0 45。；夾角a可以取6。 、 15° 、 30° 、 45° ，制成不同傾角的盒體1，以滿足不 同斜度巖石層的模擬需要。所述盒體l的上底板開(kāi)口，并配合安裝有活動(dòng)壓板2，該活動(dòng)壓板2沿所述 上底板開(kāi)口上下滑動(dòng)；所述盒體l的右立板上開(kāi)有突出口 c，該突出口 c處設(shè)置有滑門4，當(dāng)滑門 4關(guān)閉時(shí)，該滑門4密封住所述突出口 c?；T4由汽缸控制，可以實(shí)現(xiàn)突出口 c的快速打開(kāi)，便于煤與瓦斯突出試驗(yàn)。所述盒體1的上底板開(kāi)口與活動(dòng)壓板2的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈7。如圖3所示在所述盒體1下底板的上端面開(kāi)有凹槽，該凹槽開(kāi)有進(jìn)氣孔 la與外界相通，所述凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫5，所述金屬泡沫5內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛 細(xì)通孔，毛細(xì)通孔使所述進(jìn)氣孔la與盒體1內(nèi)腔空氣相通；利用金屬泡沫5內(nèi)網(wǎng)狀分布的毛細(xì)通孔，將進(jìn)氣孔la送入的高壓氣體以"面 充氣"的方式向盒體1內(nèi)腔充氣，更能模擬出實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。所述活動(dòng)壓板2開(kāi)有出氣孔2a與外界相通。所述活動(dòng)壓板2的下端面開(kāi)有凹槽，所述出氣孔2a位于該凹槽內(nèi)，該凹槽 內(nèi)安裝有過(guò)濾器5'，該過(guò)濾器5'內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔2a與盒體1內(nèi) 腔空氣相通。出氣孔2a將盒體l內(nèi)的高壓氣送出，過(guò)濾器5'確保盒體l內(nèi)的其他物質(zhì) 不會(huì)被氣流吹出盒體l。過(guò)濾器5'可以采用金屬泡沬5。金屬泡沫5既能傳遞空氣流，有具有很高的硬度，能承受住高壓且不變形， 保證高壓試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。所述進(jìn)氣孔la和出氣孔2a中都安裝有快速氣接頭6?？焖贇饨宇^6實(shí)現(xiàn)氣 體的快速充放。可以設(shè)置l、 3或更多進(jìn)氣孔la和出氣孔2a，以適應(yīng)盒體1大小的需要。 所述盒體1的前立板開(kāi)口，并螺栓固定有前端蓋8，所述前端蓋8密封住該 盒體l的前立板開(kāi)口。打開(kāi)前端蓋8，可以模擬煤層結(jié)構(gòu)往盒體1填充煤粉。 其工作原理是如圖4所示設(shè)置一個(gè)矩形反力框架，在該反力框架的四邊內(nèi)壁都固定有液壓缸，其中上邊內(nèi)壁固定的液壓缸3連接活動(dòng)壓板2，該上邊液壓缸3推動(dòng)活 動(dòng)壓板2上下運(yùn)動(dòng)，下邊和左邊內(nèi)壁固定的液壓缸抵接在盒體1的外壁，當(dāng)滑 門4關(guān)閉住突出口 c時(shí)，右邊內(nèi)壁固定的液壓缸抵接在滑門4上，幫助滑門4 密封住所述突出口c。所述盒體1上端面開(kāi)口與活動(dòng)壓板2的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈。 將從現(xiàn)場(chǎng)突出煤層所取煤樣用粉碎機(jī)粉碎后，將煤粉填充入盒體l，閉合上 滑門4，再啟動(dòng)反力框架四周內(nèi)壁安裝的液壓缸，對(duì)盒體l內(nèi)的煤粉加壓，模擬 巖層壓力。還可以上述盒體l內(nèi)通入"瓦斯"，當(dāng)盒體1內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值后，穩(wěn)定住 液壓缸，使盒體1內(nèi)保持壓力，松開(kāi)右邊的液壓缸，再通過(guò)汽缸迅速打開(kāi)滑門4， 從突出口 c處獲取煤與瓦斯突出試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。汽缸缸體可以與盒體1固定連接，以保持滑門4與突出口 c的緊密配合， 如果盒體1體積過(guò)小，也可以將汽缸缸體與反力框架固定連接，即在缸體的底 座與連接板固定連接板，連接板與反力框架固接在一起，保持滑門4與突出口c 的緊密配合。
權(quán)利要求1、一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，主要設(shè)置有盒體(1)，該盒體(1)為六面體，其特征在于所述盒體(1)的前、后、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為α，所述夾角α的范圍為0～45°；所述盒體(1)的上底板開(kāi)口，并配合安裝有活動(dòng)壓板(2)，該活動(dòng)壓板(2)沿所述上底板開(kāi)口上下滑動(dòng)；所述盒體(1)的右立板上開(kāi)有突出口(c)，該突出口(c)處設(shè)置有滑門(4)，當(dāng)滑門(4)關(guān)閉時(shí)，該滑門(4)密封住所述突出口(c)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬試壓盒，其特征在于所述盒體(1) 的上底板開(kāi)口與活動(dòng)壓板(2)的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈(7)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬試壓盒，其特征在于在所述盒體 (1)下底板的上端面開(kāi)有凹槽，該凹槽開(kāi)有進(jìn)氣孔(la)與外界相通，所述凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫(5)，所述金屬泡沫(5)內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛細(xì)通孔，毛細(xì)通孔 使所述進(jìn)氣孔(la)與盒體(1)內(nèi)腔空氣相通；所述活動(dòng)壓板(2)開(kāi)有出氣孔(2a)與外界相通。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖層應(yīng)力模擬試壓盒，其特征在于所述活動(dòng)壓 板(2)的下端面開(kāi)有凹槽，所述出氣孔(2a)位于該凹槽內(nèi)，該凹槽內(nèi)安裝有 過(guò)濾器(5')，該過(guò)濾器(5')內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔(2a)與盒體(1) 內(nèi)腔空氣相通。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的巖層應(yīng)力模擬試壓盒，其特征在于所述進(jìn) 氣孔(la)和出氣孔(2a)中都安裝有快速氣接頭(6)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬試壓盒，其特征在于所述盒體(1) 的前立板開(kāi)口，并螺栓固定有前端蓋(8)，所述前端蓋(8)密封住該盒體(1) 的前立板開(kāi)口。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種巖層應(yīng)力模擬試壓盒，主要設(shè)置有盒體，該盒體為六面體，其特征在于所述盒體的前、后、左、右立板為直立面，上、下底板為斜面板，該斜面板與水平夾角為α；所述盒體的上底板開(kāi)口，并配合安裝有活動(dòng)壓板，該活動(dòng)壓板沿所述上底板開(kāi)口上下滑動(dòng)；所述盒體的右立板上開(kāi)有突出口，該突出口處設(shè)置有滑門，當(dāng)滑門關(guān)閉時(shí)，該滑門密封住所述突出口。其顯著效果是能模擬出實(shí)際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的傾斜煤層模擬試驗(yàn)，同時(shí)，還能以“面充氣”的方式向盒體內(nèi)腔充氣，模擬出實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。
文檔編號(hào)G01N33/00GK201170783SQ200820097519
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者尹光志, 李樹(shù)春, 王登科, 王維忠, 江 許, 趙洪寶, 陶云奇, 魏作安, 鮮學(xué)福 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)