專利名稱：煤與瓦斯突出模具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種含瓦斯煤巖的突出試驗裝置，尤其涉及煤與瓦斯突出試驗 的模具。
背景技術：
雖然綜合作用假說在煤與瓦斯突出機理研究領域被普遍認可，該假說認為 煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯壓力和煤的力學性質綜合作用的結果，但三因 素各自在突出過程中的作用機理尚不明晰。為進一步解釋綜合作用假說中三因 素的作用機制，國內外學者先后研制了一系列煤與瓦斯突出模擬試驗裝置。
在國外，前蘇聯在20世紀50年代就進行了一維突出模擬實驗并研制了相 應的試驗裝置，試驗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 個兆帕)煤才有可能被破碎和拋出。隨后20世紀60年代初，日本學者氏平增之 在實驗室也進行瓦斯拋射煤粒試驗，利用C02的結晶冰、松香、水泥、煤粒制 作了多孔介質模型用于模擬突出，試驗在多孔介質孔隙瓦斯壓力下引起材料的 破碎和拋出，最后發展為類似前蘇聯的綜合考慮地層應力和瓦斯壓力的突出模 擬試驗。
在國內，20世紀80年代初，煤炭科學研究院撫順分院王佑安通過現場采集 煤樣，實驗室成型，模擬IV、 V類突出危險煤，開展了煤與瓦斯突出一維模擬試 驗研究，得出了一維條件下突出強度同垂直應力、瓦斯壓力之間的定量關系。1996年，中科院力學所孟祥躍等人開發了既能改變地應力又能改變瓦斯壓力的 二維煤與瓦斯突出實驗裝置。2000年中國礦業大學郭立穩、俞啟香、蔣承林通 過開發的煤與瓦斯突出裝置研究了突出過程中的溫度變化，認為在煤與瓦斯突 出過程中，煤體溫度的升高是由地應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變化的。 2002年焦作工學院牛國慶、顏愛華、劉明舉等也設計了煤與瓦斯突出裝置，用 來考察煤與瓦斯突出過程中的溫度變化，研究結果認為在煤與瓦斯突出過程中， 瓦斯的膨脹做功過程并非絕熱過程，而是一個接近于等溫過程的多變過程。隨后 在2004年，焦作工學院蔡成功等又按照相似理論設計了三維煤與瓦斯突出模擬 實驗裝置，實驗模擬了不同煤型強度、三向應力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯 突出過程。
以上實驗裝置雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機理的研究進展，但或 多或少的存在以下缺點
1、 所采用的突出煤樣尺寸均較小，進氣源也均為"點充氣"，均不能模擬 工作面前方的局部應力集中，而應力集中往往又是造成突出的重要因素；
2、 突出箱體的突出口固定不變， 一個突出箱體不能進行不同突出口徑的突 出模擬試驗；
3、 突出口打開方式均為手動，打開速度較慢，在一定程度上影響了煤與瓦 斯突出的時間和強度，與真實井下煤與瓦斯突出存在差別；
2007年，重慶大學尹光志、許江、鮮學福等在前人研究成果的基礎上自主 研發了大型煤與瓦斯突出模擬試驗臺，該裝置中試驗時突出煤樣的尺寸較大， 實現了瓦斯氣源的面充氣功能，用于探索綜合作用假說的作用機制，可進行不同瓦斯壓力、不同地應力下的煤與瓦斯突出模擬試驗，借助于高速攝像機實現 了煤與瓦斯突出過程全程回放功能，在瓦斯災害防治領域取得了一定科研成果。 但是，該模擬試驗臺也存在以下不足-
1、 該試驗臺雖有施加階梯形荷載的多組液壓千斤頂裝置，但多組液壓千斤 頂的荷載均施加在一塊鋼板(上壓板)上，鋼板不易變形，導致施加在突出煤
樣上的力梯度不夠明顯；
2、 對試驗所用突出煤樣施加的應力只有垂直應力，無法模擬現場實際情況 存在的水平地應力，試驗所得的結果不準確；
3、 對整個突出箱體利用一個上蓋板采用大"0"形圈密封，成型時無法保 證千斤頂施加的成型壓力完全加載到煤體上，煤體壓縮變形較大時，部分荷載 被突出箱體四周的鋼板所承擔。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種施加在突出煤樣上的力，梯度明 顯、并且能夠真實模擬現場實際情況的煤與瓦斯突出突出模具。
本發明的技術方案如下 一種煤與瓦斯突出模具，包括模盒，其關鍵在于 所述模盒由前端板，后端板，左、右端板和底板合圍而成，為上端敞口的長方 體盒狀結構，且上端口由上封板密封；在所述底板的中央開設有充氣孔，該充 氣孔中安裝進氣嘴；所述前端板的中部開設定位孔，該定位孔中安裝突出口， 突出口的中心孔為前小后大的錐孔，并由前端板前端面固定的封蓋封口；在所 述模盒內設置有一塊后壓板和三塊上壓板，其中后壓板與后端板平行，并固定 在后壓頭的前端，該后壓頭垂直于后端板，后壓頭的后端穿過后端板，并與墊 板固定連接；所述三塊上壓板從前往后依次排列，三塊上壓板均與上封板平行，并各自固定于一個上壓頭的下端，所述三個上壓頭均垂直于上封板，三個上壓 頭的軸心連線在一條直線上，且上壓頭的上端穿過上封板，向上伸出模盒外。
本發明中，先將試驗所用突出煤樣裝入模盒內，壓緊成型后裝上上封板密封， 再整體運送至試驗臺上。其中模盒的前端由快速釋放機構頂緊，模盒的后端由 對應的定位千斤頂頂緊，與后壓頭連接的墊板對應水平施力板，該水平施力板 由兩組測量千斤頂控制可前后水平移動，水平施力板通過后壓頭推動后壓板將
力傳遞給突出煤體，能模擬現場水平地應力；模盒的上端由對應的定位千斤頂 頂緊，三個上壓頭對應三塊垂直施力板，各垂直施力板由一組測量千斤頂控制 可上下垂直移動，三組測量千斤頂施加的荷載分別通過相對應的三個上壓頭和 三塊上壓板施加于突出煤體上，三塊上壓板相互獨立，在千斤頂力量范圍之內 則可對突出煤體施加任意階梯型荷載，能模擬造成突出的工作面前方應力集中 現象。本發明中進氣嘴通過氣管與氣源連接，通過氣管及進氣嘴向煤樣內充入 高純甲烷氣體，使煤樣瓦斯充分吸附平衡，突然通過快速釋放機構打開突出口， 此時由于瓦斯壓力和圍壓模擬地應力的作用，使存儲于模盒內的能量從突出口 突然釋放而完成煤與瓦斯的突出，同時可利用高速攝像機進行突出全過程拍攝， 并測量所需的相關實驗參數。
在上述底板的上表面開設有矩形沉槽，該沉槽上嵌設過濾網，且沉槽的底 面開設有網狀分布的刻槽，所述充氣孔的內端口位于刻槽的底面。過濾網選用 泡沬金屬， 一方面利用其透氣性使得充氣孔不與煤樣直接接觸，實現了 "面充 氣"而不是以往的"點充氣"，更加逼真地模擬了煤層瓦斯源；另一方面，過濾 網可以防止煤粉進入氣管中。
為了保障上壓頭的安裝、使用強度，提高上壓頭在垂直方向向下移動的可靠性，在上述上封板的頂面上通過螺栓固定有三個上壓頭座，各上壓頭座的頂 部通過螺栓安裝壓蓋，所述三個上壓頭分別從對應的上壓頭座及壓蓋中穿過。
在上述上壓頭與上壓頭座之間設置有Yx型密封圈，在所述上壓頭座的底面 開設環槽，該環槽環繞在上壓頭的外圍，且環槽中嵌設O型密封圈。上壓頭與
上壓頭座之間通過Yx型密封圈進行密封，上壓頭座與上封板之間通過O型密 封圈密封，Yx型密封圈與O型密封圈結合，能夠保證上壓頭運動時不漏氣。
為了簡化結構、便于安裝，并進一步提高壓蓋與上壓頭座之間連接的牢固 性，上述壓蓋為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓頭座的頂 面貼合，且壓蓋的小直徑段向下嵌入上壓頭座的中心孔中。
為了保障后壓頭的安裝、使用強度，提高后壓頭在水平方向向前移動的可 靠性，在上述后端板的后端面通過螺栓固定后壓頭座，該后壓頭座的后端通過 螺釘安裝壓蓋，所述后壓頭從后壓頭座及壓蓋中穿過。
在上述后壓頭與后壓頭座之間設置有Yx型密封圈，在所述后壓頭座的前端 面開設環槽，該環槽環繞在后壓頭的外圍，且環槽中嵌設O型密封圈。后壓頭 與后壓頭座之間通過Yx型密封圈密封，后壓頭座與后端板之間通過0型密封 圈密封，Yx型密封圈與O型密封圈結合，能夠保證后壓頭運動時不漏氣。
為了簡化結構、便于安裝，并進一步提高壓蓋與后壓頭座之間連接的牢固 性，上述壓蓋為前小后大的臺階形空心結構，所形成的臺階面與后壓頭座的后 端面貼合，且壓蓋的小直徑段向前嵌入后壓頭座的中心孔中。
為了方便對模盒的后端定位，在上述后壓頭座的外圍設有后座，該后座通 過螺栓與后端板的后端面固定。
在上述左端板上安裝空心螺桿，該螺桿的內端伸入模盒內，所述溫度傳感器的導線由螺桿的中心孔引出模盒外。溫度傳感器的導線引出與計算機軟件相 接，以實時監測突出試驗過程中的煤體溫度變化，以期通過溫度變化來預測現 場的煤與瓦斯突出災害。
本發明的有益效果是-
1、 試驗所用的煤樣成型并進行密封和裝入溫度傳感器后，可直接進行突出 試驗，這樣可避免在試驗臺上利用多組千斤頂成型時裝煤困難的繁瑣工序，還 解決了在成型時將溫度傳感器埋于煤樣中不易準確定位的難題。
2、 三個上壓頭對應三組測量千斤頂，三塊上壓板相互獨立，在千斤頂力量 范圍之內可對突出煤體施加任意階梯型荷載，施加在突出煤樣上的力梯度明顯， 能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象。
3、 后壓頭由兩組測量千斤頂控制可前后水平移動，將水平壓力傳遞給突出 煤體，能模擬現場水平地應力；水平方向的壓力和垂直方向的壓力結合，能夠 真實模擬現場的實際情況，試驗所得的結果更準確。
4、 密封良好，能夠保證水平及垂直方向施加壓力時不漏氣，進一步提高了 試驗的真實性。
5、 采用空心螺桿安裝溫度傳感器，溫度傳感器的導線引出模盒外與計算機 軟件相接，能實時監測突出試驗過程中的煤體溫度變化，以期通過溫度變化來 預測現場的煤與瓦斯突出災害。
6、 可以設置不同規格及錐孔大小的突出口，這樣在不更改突出模具的情況 下，可實現不同大小突出口的煤與瓦斯突出模擬試驗。
圖l為本發明的結構示意圖。圖2為圖1的左視圖。 圖3為本發明中模盒的結構示意圖。 圖4為圖3的俯視圖。 圖5為本發明中上壓頭的密封示意圖。 圖6為溫度傳感器的安裝示意圖。 圖7為本發明的使用狀態參考圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明-
如圖l、圖2、圖3和圖4所示， 一種煤與瓦斯突出模具，具有模盒，該模 盒為上端敞口的長方體盒狀結構，由前端板l，后端板2，左、右端板3和底板 4合圍而成，各板均為鋼制結構，兩相鄰板之間通過焊接固定。在底板4的上表 面開設有矩形沉槽，該沉槽中嵌設與之形狀大小相適應的過濾網14，過濾網14 選用金屬泡沫。在所述沉槽的底面開設有網狀分布的刻槽15，位于中部的兩條 刻槽15相交處的底面開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴6，進氣嘴6可通 過氣管與氣源連接，以便將高純甲烷氣體充入模盒中。
如圖l、圖3、圖4、圖5和圖6所示，在前端板l的中部開設定位孔，該 定位孔為前小后大的錐孔，且錐孔中安裝與之相適應的突出口 7，突出口 7的中 心孔也為前小后大的錐孔。在前端板1的前端面通過多顆螺栓固定圓盤形封蓋8， 封蓋8將前端板1上的定位孔蓋住，并對突出口 7封口。本發明可以配備多個 不同規格及錐孔大小的突出口7，以便在不更改突出模具的情況下，實現不同大 小突出口的煤與瓦斯突出模擬試驗。在所述左端板3上開有螺孔， 一顆空心螺 桿23旋入該螺孔中，兩者螺紋配合，并且螺桿23的內端伸入模盒內，伸入部分與溫度傳感器24連接，所述溫度傳感器24的導線25由螺桿23的中心孔引 出模盒外，該導線25可與計算機軟件相接，以實時監測突出試驗過程中的煤體 溫度變化。
如圖l、圖2、圖4和圖5所示，在前端板l，后端板2和左、右端板3這 四塊板的頂面上開設有若干個螺孔(見圖4)， 一塊與模盒形狀大小相適應的上 封板5蓋在模盒的頂端，并通過螺栓與前端板l，后端板2及左、右端板3固定 連接，且上封板5與前、后端板l、 2及左、右端板3之間涂抹有硅膠，同時設 置有密封膠墊，以防止從上封板5的邊緣漏氣。在所述上封板5上從前往后依 次開設三個通孔，各通孔的中心在一條直線上。上封板5的頂面上通過螺栓固 定有三個上壓頭座16，三個上壓頭座16與三個通孔相對應，各上壓頭座16的 中心過孔正對一個通孔，并且各上壓頭座16的頂部通過螺栓安裝壓蓋17，壓蓋 17為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓頭座16的頂面貼合， 壓蓋17的小直徑段向下嵌入上壓頭座16的中心孔中。位于模盒內的三塊水平 布置的上壓板10從前往后依次排列，三塊上壓板10均與上封板5平行，并各 自固定于一個上壓頭13的下端，三個上壓頭13對應上封板5的三個通孔，各 上壓頭13均垂直于上封板5，且上壓頭13的上端依次穿過上封板5、上壓頭座 16和壓蓋17，向上伸出模盒外。
如圖1所示，在后端板2的中部開設有一個過孔，后端板2的后端面通過 螺栓固定后壓頭座20，該后壓頭座20的中心孔正對后端板2的過孔，且后壓頭 座20的后端通過螺釘安裝壓蓋21，該壓蓋21為前小后大的臺階形空心結構， 所形成的臺階面與后壓頭座20的后端面貼合，且壓蓋21的小直徑段向前嵌入 后壓頭座20的中心孔中。位于模盒內呈豎直布置的一塊后壓板9與后端板2平行，后壓板9固定在后壓頭11的前端，后壓頭11垂直于后端板2，后壓頭11 的后端依次穿過后端板2、后壓頭座20和壓蓋21，向后伸出模盒外，伸出部分 與墊板12固定連接。在所述后壓頭座20的外圍設有后座22,該后座22通過螺 栓與后端板2的后端面固定。
從圖1和圖5中可知，在上壓頭13與上壓頭座16之間設置有Yx型密封圈 18，在上壓頭座16的底面開設環槽，該環槽環繞在上壓頭13的外圍，且環槽 中嵌設0型密封圈19。在所述后壓頭11與后壓頭座20之間也設置有Yx型密 封圈，在后壓頭座20的前端面也開設環槽，該環槽環繞在后壓頭11的外圍， 且環槽中嵌設0型密封圈。Yx型密封圈和0型密封圈結合，可防止從上壓頭 13及后壓頭11處漏氣。
如圖7所示，本發明是這樣工作的-
先將試驗所用突出煤樣裝入模盒內，壓緊成型后裝上上封板密封，再整體運 送至實驗臺上。其中模盒的前端由快速釋放機構26頂緊，模盒后端的后座22 由對應的定位千斤頂頂緊，與后壓頭11連接的墊板12對應水平施力板27，該 水平施力板27由一組測量千斤頂控制可前后水平移動，水平施力板27通過后 壓頭11推動后壓板9將力傳遞給突出煤體，能模擬現場水平地應力；模盒的上 端由對應的定位千斤頂頂緊，三個上壓頭13對應三塊垂直施力板28，各垂直施 力板28由一組測量千斤頂控制可上下垂直移動，三組測量千斤頂施加的荷載分 別通過相對應的三個上壓頭13和三塊上壓板10施加于突出煤體上，三塊上壓 板IO相互獨立，在千斤頂力量范圍之內則可對突出煤體施加任意階梯型荷載， 能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象。本發明中通過進氣嘴6向煤樣內 充入高純甲烷氣體，使煤樣瓦斯充分吸附平衡，在泡沬金屬的作用下實現了"面充氣"，更加逼真地模擬了煤層瓦斯源。突然通過快速釋放機構26打開突出口 7， 此時由于瓦斯壓力和圍壓模擬地應力的作用，使存儲于模盒內的能量從突出口 7 突然釋放而完成煤與瓦斯的突出，可利用高速攝像機進行突出全過程拍攝，并 測量相關的實驗參數。
權利要求
1、一種煤與瓦斯突出模具，包括模盒，其特征在于所述模盒由前端板(1)，后端板(2)，左、右端板(3)和底板(4)合圍而成，為上端敞口的長方體盒狀結構，且上端口由上封板(5)密封；在所述底板(4)的中央開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴(6)；所述前端板(1)的中部開設定位孔，該定位孔中安裝突出口(7)，突出口(7)的中心孔為前小后大的錐孔，并由前端板(1)前端面固定的封蓋(8)封口；在所述模盒內設置有一塊后壓板(9)和三塊上壓板(10)，其中后壓板(9)與后端板(2)平行，并固定在后壓頭(11)的前端，該后壓頭(11)垂直于后端板(2)，后壓頭(11)的后端穿過后端板(2)，并與墊板(12)固定連接；所述三塊上壓板(10)從前往后依次排列，三塊上壓板(10)均與上封板(5)平行，并各自固定于一個上壓頭(13)的下端，所述三個上壓頭(13)均垂直于上封板(5)，三個上壓頭(13)的軸心連線在一條直線上，且上壓頭(13)的上端穿過上封板(5)，向上伸出模盒外。
2、 根據權利要求1所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述底板(4) 的上表面開設有矩形沉槽，該沉槽中嵌設過濾網(14)，且沉槽的底面開設有網 狀分布的刻槽(15)，所述充氣孔的內端口位于刻槽(15)的底面。
3、 根據權利要求1所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述上封板 (5)的頂面上通過螺栓固定有三個上壓頭座(16)，各上壓頭座(16)的頂部通過螺栓安裝壓蓋(17)，所述三個上壓頭(13)分別從對應的上壓頭座(16) 及壓蓋(17)中穿過。
4、 根據權利要求3所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述上壓頭(13)與上壓頭座(16)之間設置有Yx型密封圈(18)，在所述上壓頭座(16) 的底面開設環槽，該環槽環繞在上壓頭(13)的外圍，且環槽中嵌設O型密封 圈(19)。
5、 根據權利要求3或4所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于所述壓蓋 (17)為上大下小的臺階形空心結構，所形成的臺階面與上壓頭座(16)的頂面貼合，且壓蓋(17)的小直徑段向下嵌入上壓頭座(16)的中心孔中。
6、 根據權利要求1所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述后端板 (2)的后端面通過螺栓固定后壓頭座(20)，該后壓頭座(20)的后端通過螺釘安裝壓蓋(21)，所述后壓頭(11)從后壓頭座(20)及壓蓋(21)中穿過。
7、 根據權利要求6所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述后壓頭 (11)與后壓頭座(20)之間設置有Yx型密封圈，在所述后壓頭座(20)的前端面開設環槽，該環槽環繞在后壓頭(11)的外圍，且環槽中嵌設O型密封圈。
8、 根據權利要求6或7所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于所述壓蓋 (21)為前小后大的臺階形空心結構，所形成的臺階面與后壓頭座(20)的后端面貼合，且壓蓋(21)的小直徑段向前嵌入后壓頭座(20)的中心孔中。
9、 根據權利要求6或7所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述后 壓頭座(20)的外圍設有后座(22)，該后座(22)通過螺栓與后端板(2)的 后端面固定。
10、 根據權利要求1所述的煤與瓦斯突出模具，其特征在于在所述左端 板(3)上安裝空心螺桿(23)，該螺桿(23)的內端伸入模盒內，伸入部分與 溫度傳感器(24)連接，所述溫度傳感器(24)的導線(25)由螺桿(23)的 中心孔引出模盒外。
全文摘要
一種煤與瓦斯突出模具，在底板的中央開設有充氣孔，該充氣孔中安裝進氣嘴；前端板的中部開設定位孔，該定位孔中安裝突出口。模盒內設置有一塊后壓板和三塊上壓板，其中后壓板固定在后壓頭的前端，后壓頭的后端穿過后端板，并與墊板固定連接；所述三塊上壓板從前往后依次排列，各自固定于一個上壓頭的下端，所述三個上壓頭的軸心連線在一條直線上，且上壓頭的上端穿過上封板，向上伸出模盒外。本發明采用水平方向壓力與垂直方向壓力結合的方式，可對突出煤體施加任意階梯型荷載，施加在突出煤樣上的力梯度明顯，能模擬造成突出的工作面前方應力集中現象及模擬現場水平地應力，試驗所得的結果準確、可靠。
文檔編號G01N3/08GK101419146SQ200810233048
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者尹光志, 李樹春, 王登科, 王維忠, 江 許, 趙洪寶, 陶云奇, 魏作安, 鮮學福 申請人:重慶大學