阅读说明：本技术 一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置与方法 (Coal and gas outburst power induction experimental device and method ) 是由 刘永茜 霍中刚 舒龙勇 李宏艳 孙中学 张书林 王维华 孟涛 潘多伟 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置与方法。其中,动力诱发实验装置包括密闭挡板、导管、模拟子弹、速度传感器以及子弹加速装置；密闭挡板通过法兰安装于突出模拟实验箱的突出窗口位置,该密闭挡板对突出模拟实验箱内的模拟煤体和高压气体箱体内形成阻隔；导管位于突出模拟实验箱的外侧,导管的一端伸展至密闭挡板的外侧表面处；模拟子弹位于导管内,且能够沿导管的轴向运动；子弹加速装置位于导管的另一端,且被配置为用于对导管内的模拟子弹进行加速；速度传感器安装于突出窗口的外侧。本发明利于实现煤与瓦斯突出的动力诱突,且利于实现诱突能量的定量化和可控性,提高实验成功率。(The invention discloses a dynamic induction experimental device and method for coal and gas outburst. The power induction experimental device comprises a closed baffle, a guide pipe, a simulation bullet, a speed sensor and a bullet accelerating device; the closed baffle is arranged at the position of a protruding window of the protruding simulation experiment box through a flange, and the closed baffle forms obstruction on a simulated coal body in the protruding simulation experiment box and a high-pressure gas box body; the guide pipe is positioned at the outer side of the protruding simulation experiment box, and one end of the guide pipe extends to the outer side surface of the closed baffle; the simulated bullet is positioned in the guide pipe and can move along the axial direction of the guide pipe; a bullet accelerating device is positioned at the other end of the conduit and is configured to accelerate the simulated bullet in the conduit; the speed sensor is mounted outside the protruding window. The method is favorable for realizing dynamic outburst induction of coal and gas outburst, is favorable for realizing quantification and controllability of outburst induction energy, and improves the success rate of experiments.)

一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置与方法

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置与方法。

背景技术

煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)机理尚不明确，导致突出灾变过程的演化分析形式多样化。在煤矿过程中由放炮等动力作用诱发突出的案例很多，尤其在早期的突出事故中所占比例超过50％，为此开展动力诱突模拟实验研究对突出机理研究有重要支撑作用。

物理模拟实验是突出发育机制的重要手段。目前国内外开展的突出模拟，主要以密闭箱体结构为基础开展的不同测试，其中，突出模拟的诱突方式以下三种：(1)、机械开启，(2)、气动压差诱发，(3)小尺度爆破。其中，小尺度爆破属于动力诱突方法的一种，由于爆破涉及到火工品审核及其他不安全因素，导致模拟实验受限，然而动力诱突作为最能反映煤矿安全生产事故的模拟手段，一直是学者和现场工程技术人员的首选。同时，受诱突方式自身特点和测试手段的影响，突出发生的启动能量预测一直是困扰实验室模拟的难题。综上，现有突出模拟手段亟需改进，满足符合生产实践和科学计量的诱突方法及设备显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于之一提出一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置，以实现煤与瓦斯突出的动力诱突，利于实现诱突能量的定量化和可控性，从而提高实验成功率。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置，包括：

密闭挡板、导管、模拟子弹以及子弹加速装置；

其中，密闭挡板通过法兰安装于突出模拟实验箱的突出窗口位置，该密闭挡板对突出模拟实验箱内的模拟煤体和高压气体箱体内形成阻隔；

导管位于突出模拟实验箱的外侧，该导管的一端伸展至密闭挡板的外侧表面处；

模拟子弹位于导管内，且能够沿导管的轴向运动；

子弹加速装置位于导管的另一端，且被配置为用于对导管内的模拟子弹进行加速。

优选地，突出窗口的外侧安装有速度传感器；

其中，速度传感器位于导管的侧部且对准导管的内部。

优选地，法兰通过螺钉安装于突出模拟实验箱的箱体侧壁上；

在法兰内侧设有密闭挡板放置凹槽，密闭挡板放置凹槽与法兰均为圆形且同轴线设置；

密闭挡板放置于密闭挡板放置凹槽内且通过胶水密封；

在密闭挡板放置凹槽处设有夹持环，夹持环由内向外压紧密闭挡板的周向边沿；

夹持环通过螺钉安装于突出模拟实验箱的箱体侧壁。

优选地，子弹加速装置采用气动子弹加速装置。

优选地，子弹加速装置包括高压气瓶、一号导气管、气体增压泵、二号导气管以及气室；

高压气瓶通过一号导气管与气体增压泵的输入端相连；

气体增压泵的输出端通过二号导气管连接到气室的输入口，在二号导气管上设有阀门；

气室的输出口通过控制阀门连接到导管上。

优选地，控制阀门采用电磁控制阀门或手动控制阀门。

优选地，密闭挡板是由有机玻璃材料制成的。

优选地，模拟子弹的外径与导管的内径大小相等。

此外，本发明还提出了一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验方法，该方法基于上面述及的煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置，其采用如下方案：

一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验方法，包括如下步骤：

I.根据密闭挡板的材质、直径以及厚度参数，测试完成挡板破碎能量E_a；

II.将突出模拟实验箱的应力和气压分别加载至能够突出的条件；

III.结合模拟子弹质量，开展动力实验气体压力的计算，确定气室输出的最小压力p_min；

根据测试获得的挡板破碎能量E_a，结合动量定理，确定模拟子弹的最小速度v_min；

其中，m为模拟子弹质量；

借助模拟子弹的最小速度v_min，确定气室输出的最小压力p_min，具体计算过程如下：

根据状态方程：p_minV₀＝p(V₀+Ax)；

其中，V₀表示气室容积，A表示导管的截面面积，x表示模拟子弹在导管内的位移量；

根据牛顿第二定律：

得到：

其中，v表示模拟子弹速度，K表示气体绝热系数；

将公式(1)中求解的最小速度v_min代入公式(2)，得到气室输出的最小压力p_min；

设定气室输出的最大压力阈值为p_max，则实验压力p_实验的范围为p_min<p_实验<p_max；

IV.打开高压气瓶和二号导管上的阀门，气体增压泵工作，将高压气体注入气室，当气室内的压力达到实验压力p_实验时保持稳定；

V.开启控制阀门，释放气室内的气体并推动模拟子弹击碎密闭挡板，诱发突出。

优选地，步骤V中，利用速度传感器实时监测模拟子弹在突出窗口处的入射和反射速度。

本发明具有如下优点：

1.能够实现诱突能量的定量化。本发明通过气体压力控制实现模拟子弹的速度约束，通过动能原理实现能量的量化，动能的量化能够实现突出模拟实验的突出能量等级控制。

2.诱突能量的可控性，利于提高实验成功率。本发明通过密闭挡板的破碎能量测试后，确定密闭挡板破碎的能量临界值，进而通过气体压力控制子弹动能，实现子弹撞击密闭挡板过程的能量输入不小于密闭挡板破碎的临界值，以保证实验成功，提高实验成功率。

3.实验的可重复性。本发明中相同的突出模拟实验箱，在相同的应力加载和气体吸附平衡后，能够通过相同的气室气压控制相同的模拟子弹，进而重复相同的实验。

4.实验失败的修复功能。在诱突失败的条件下，通过子弹速度监测数据进一步验证突出的诱突能量，根据密闭挡板的破损情况，可以通过提高气室气压，开展原实验二次动力诱突。

5.实现子弹速度的监测和校准能够提高实验成功率，为修复失败实验提供数据支持。

附图说明

图1为本发明实施例1中煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中突出模拟实验箱的结构示意图；

图3为本发明实施例1中密闭挡板的安装示意图；

图4为本发明实施例2中煤与瓦斯突出的动力诱发实验方法的流程示意图。

其中，1-密闭挡板，2-导管，3-模拟子弹，4-突出模拟实验箱，5-突出窗口，6-模拟煤体，7-法兰，8-密闭挡板放置凹槽，9-夹持环，10-螺钉，11-速度传感器，12-高压气瓶；

13-一号导气管，14-气体增压泵，15-二号导气管，16-气室，17-阀门，18-控制阀门。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本实施例1述及了一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置。

如图1所示，该实验装置包括密闭挡板1、导管2、模拟子弹3以及子弹加速装置等。

其中，密闭挡板1通过法兰7安装于突出模拟实验箱4的突出窗口5位置。

密闭挡板1的作用在于阻隔突出模拟实验箱4内的模拟煤体6和高压气体。

如图2所示，突出模拟实验箱4为本领域常规的结构，本实施例1中突出模拟实验箱4的作用在于，将实验箱内部的应力和气压分别加载至能够突出的条件。

突出模拟实验箱4为立方体结构，底部引入气体压力管线。

突出模拟实验箱4内布设气压传感器、应力传感器、温度传感器和应变片，实现实验参数测试，例如模拟煤体内置气压、应力等参数，从而实现内部弹性势能的监测和估算。

在满足一定的应力和气压条件下，开启动力诱发实验装置，能够完成诱突功能。

通过三轴受载模拟箱体结构提供内部弹性能量，完成动力诱发后的动力现象持续发展。

为了实现密闭挡板1的安装，本实施例1中的法兰7进行了如下设计。

如图3所示，在法兰7的内侧设有密闭挡板放置凹槽8，该密闭挡板放置凹槽8是由法兰7的内侧表面向外侧伸展形成的，密闭挡板放置凹槽8与法兰7同轴线。

本实施例中密闭挡板放置凹槽8优选为圆形凹槽。

密闭挡板1也为圆形，且密闭挡板1的直径与密闭挡板放置凹槽8的直径相同。

密闭挡板1放置于密闭挡板放置凹槽8内，且由胶体密封。

在密闭挡板放置凹槽8处还设有夹持环9，夹持环9由内向外压紧密闭挡板1的周向边沿。在突出模拟实验箱4内装满模拟煤体后，模拟煤体也会给予密闭挡板1侧向压力。

受到内部模拟煤体侧向挤压，密闭挡板1保持稳定。

法兰7整体嵌入突出窗口5内，其中，法兰7通过螺钉(未示出)安装于突出模拟实验箱4的箱体侧壁上；夹持环9通过螺钉10安装于突出模拟实验箱的箱体侧壁上。

通过以上设计，很好实现了密封挡板1的安装，且突出窗口5位置的密封性良好。

根据实验需要，可调节密闭挡板放置凹槽8的深度，以满足不同密闭挡板1尺寸需要。

此处内外侧是相对于突出模拟实验箱4而言的，靠近突出模拟实验箱4的一侧为内侧(如图3中左侧所示)，远离突出模拟实验箱4的一侧为外侧(如图3中右侧所示)。

为了完成动力诱突实验，密闭挡板1是由脆性材料制成的，例如采用有机玻璃制成。

如图1所示，本实施例1中导管2位于突出模拟实验箱4的外侧。

导管2的作用在于提供模拟子弹3的运行轨道。

导管2的一端(即图1中左端)伸展至密闭挡板1的外侧表面处，模拟子弹3位于导管2内，且能够沿导管2的轴向方向(即导管2的长度方向)运动。

子弹加速装置位于导管2的另一端(即图1中右端)，且用于对模拟子弹3进行加速，进而使得模拟子弹3能够按照一定的能量实现对密闭挡板1的撞击，实现动力诱突。

以上过程可实现诱突能量的定量化以及诱突能量的可控性，从而提高实验成功率。

导管2优选采用有机玻璃管，其内径例如为50mm，外径为68mm，长度为2000mm。

模拟子弹3的外径与导管2的内径大小相等。

此外，在突出窗口5的外侧安装有速度传感器，例如速度传感器11。速度传感器11位于导管2的侧部且对准导管的内部，用于监测模拟子弹3的入射和反射速度。

本实施例中速度传感器11例如有两个，以提高测量的精确性和可靠性。

子弹加速装置优选采用气动子弹加速装置，其基本思想是：

借助电磁控制的气体动力系统，实现模拟子弹3的动力加载，以模拟子弹3为能量载体，继而完成突出模拟实验箱的突出窗口5的动力加载和卸载，诱发突出。

如图1所示，子弹加速装置包括高压气瓶12、一号导气管13、气体增压泵14、二号导气管15以及气室16。其中，高压气瓶12的工作气压为0.20-10.00MPa。

本实施例1中气室16的容积大于导管2容积的50％，以满足测试过程中的气压需求。

高压气瓶12通过一号导气管13与气体增压泵14的输入端相连。

气体增压泵14的输出端通过二号导气管15连接到气室16的输入口，在二号导气管15上设有阀门17；气室16的输出口通过控制阀门18连接到导管2上。

本实施例1中的控制阀门优选采用电磁控制阀门。

该电磁控制阀门连接到电磁控制系统(图中未示出)上，由电磁控制系统控制电磁控制阀门的开合动作。由于电磁控制系统为已知结构，此处不再赘述。

当然，本实施例1中的控制阀门也可选用手动控制阀门。

通过以上气动子弹加速装置，能够通过气室16内气压和气流控制子弹加速度和速度。

本实施例1还对模拟子弹3的其他参数进行了设计，例如：

子弹的材质为42CrMo；子弹的质量为2.5-5.0kg；子弹的外径为50mm；子弹的长度为250～350mm；子弹的形状为圆柱体；子弹的入射速度：20-60m/s等等。

此外，本实施例中的装置还包括用于支撑导管2、气室16等的支架(图中未示出)，由于这些支架均可采用常规支架，因而，本实施例1中并不作详细描述。

实施例2

本实施例2述及了一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验方法。该方法采用的动力诱发实验装置，基于上述实施例1中的煤与瓦斯突出的动力诱发实验装置。

如图4所示，一种煤与瓦斯突出的动力诱发实验方法，包括如下步骤：

I.根据密闭挡板的材质、直径以及厚度参数，测试完成挡板破碎能量E_a。

II.将突出模拟实验箱的应力和气压分别加载至能够突出的条件。

具体的，首先按照突出模拟实验箱内的气体压力和煤体弹性模量、应力以及应变参数计算加载能量；其中，加载能量包括气体内能E_g和煤体弹性势能E_c，计算公式分别如下：

其中，λ表示煤体厚度，P₀表示大气压力，p表示实验气压，V表示实验箱体内气体空间体积，K表示气体绝热系数，E表示煤体弹性模量，σ表示主应力，μ表示煤体泊松比；

基于上述公式计算的加载能量将突出模拟实验箱应力和气压加载至能够突出的条件。

III.结合模拟子弹质量，开展动力实验气体压力的计算，确定气室输出的最小压力p_min。

根据测试获得的挡板破碎能量E_a，结合动量定理，确定模拟子弹的最小速度v_min；

其中，m为模拟子弹质量；

借助模拟子弹的最小速度v_min，确定气室输出的最小压力p_min，具体计算过程如下：

根据状态方程：p_minV₀＝p(V₀+Ax)；

其中，V₀表示气室容积，A表示导管的截面面积，x表示模拟子弹在导管内的位移量；

根据牛顿第二定律：

得到：

其中，v表示模拟子弹速度，K表示气体绝热系数；

将公式(1)中求解的最小速度v_min代入公式(2)，得到气室输出的最小压力p_min；

设定气室输出的最大压力阈值为p_max，则实验压力p_实验的范围为p_min<p_实验<p_max。

此处给定最大压力阈值p_max的目的在于，使得模拟子弹3在击碎密闭挡板1之后能够返回，从而避免模拟子弹3由于速度过快而进入突出模拟实验箱的模拟煤体6内。

子弹的返回有利于诱发突出，不阻碍突出模拟试验箱内气体和模拟煤体从入射窗口涌出。

IV.打开高压气瓶和二号导管上的阀门，气体增压泵工作，将高压气体注入气室，当气室内的压力达到实验压力p_实验时保持稳定。

V.开启控制阀门18，释放气室内的气体并推动模拟子弹击碎密闭挡板，诱发突出。速度传感器11全程开启，有效保证模拟子弹3在突出窗口5处的入射和反射速度监测。

如果密闭挡板1没有被击碎，需要关闭实验箱加载系统和气路气源开关，移开入射管路(即导管2)，取出模拟子弹3，实验装置重新归位，调节气室16压力，重复上述实验步骤。

此处的调节气室16压力，是指增大气室16的压力，即增大实验压力p_实验。

本实施例2借助高压气体的气体内能，通过高压气体推动模拟子弹3定向位移，实现变压变容，根据内能释放速率控制模拟子弹3的速度和加速度。

借助子弹动能定点破碎煤岩介质，实验煤岩和实验气体同时卸压，诱发模拟突出动力现象。

本实施例2通过气压控制模拟子弹3的速度，借助速度传感器11监测模拟子弹的能量输入，实现子弹入射能量的精确控制，从而获得突出发生的启动能量判断。

假如在诱突失败的条件下，本实施例2能够通过子弹速度监测数据进一步验证突出的诱突能量，根据密闭挡板1的破损情况，可以提高气室气压，开展原实验二次动力诱突。

本实施例2借助于模拟子弹3的能量输入大小差异，结合突出窗口5涌出煤体质量和距离，形成突出的启动能量诱突关系图版，利于揭示突出现象本质。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。