CN104237019A - 煤矿动力灾害多参数耦合测定装置 - Google Patents

Abstract

煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，涉及一种煤矿动力灾害测定装置。可实际模拟煤矿井下动力灾害发生环境，准确测定动力灾害发生时围岩应力、瓦斯压力。两个垂直向同步加载液压缸与耐高压刚性密闭壳体上下表面固连，两个垂直向同步加载液压缸缸杆与设置在耐高压刚性密闭壳体内的压块一固连；两个水平向同步加载液压缸缸体与耐高压刚性密闭壳体左右外侧面固连，两个水平向同步加载液压缸缸杆与设置在耐高压刚性密闭壳体内的压块二固连；两个垂直向同步加载液压缸缸体无杆腔通过两根管路一与两个小柱塞式液压缸一缸体连通，两个水平向同步加载液压缸缸体无杆腔通过两根管路二与两个小柱塞式液压缸二缸体连通。本发明用于煤矿动力灾害参数测定。

Description

煤矿动力灾害多参数耦合测定装置

技术领域

本发明涉及一种煤矿动力灾害测定装置。 

背景技术

矿井深部开采动力灾害形成机制复杂，诱发因素众多。矿井动力灾害与煤岩物理力学性质密切相关，与地温、煤层赋存和地质构造等因素有关，是地应力和瓦斯压力等因素共同作用的结果。 

现有煤矿动力灾害指标测试装置主要包括围岩动力灾害测试装置和煤与瓦斯突出测试装置。围岩动力灾害测试装置主要使用岩石力学测试系统，煤与瓦斯突出测试装置主要用于测试动力灾害发生时瓦斯压力指标。两种测试装置相互独立，指标参数互不相关，不能测定围岩应力、瓦斯压力和温度参数对动力灾害的共同作用下的指标参数，不能揭示动力灾害发生的多因素耦合机理，很难对矿井动力灾害进行测试、监测。 

发明内容

本发明的目的是提供一种 煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，它可实际模拟煤矿井下动力灾害发生的环境，准确测定动力灾害发生时围岩应力、瓦斯压力，为建立动力灾害多因素耦合监测预警模型提供数据支持，为动力灾害监测预警提供指标参数。 

实现上述目的，本发明采取的技术方案是： 

煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，它包括耐高压刚性密闭壳体、压力变送器、密封加载液压缸、充气系统、控制系统一、控制系统二、两个垂直向同步加载液压缸、两个水平向同步加载液压缸、两个小柱塞式液压缸一、两个小柱塞式液压缸二、两个压块一及两个压块二；耐高压刚性密闭壳体水平放置，高压刚性密闭壳体内腔为密闭气室，两个垂直向同步加载液压缸的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体的上表面及下表面固连，且两个垂直向同步加载液压缸的缸杆同轴设置，两个垂直向同步加载液压缸的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体内，每个垂直向同步加载液压缸的缸杆外端均与一个压块一固连；两个水平向同步加载液压缸的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体的左外侧面及右外侧面固连，且两个水平向同步加载液压缸的缸杆同轴设置，两个水平向同步加载液压缸的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体内，每个水平向同步加载液压缸的缸杆外端均与一个压块二固连；两个垂直向同步加载液压缸缸体的无杆腔分别通过两根管路一与两个小柱塞式液压缸一的缸体连通形成密闭的空腔一，空腔一内充满液压油，两个小柱塞式液压缸一的两个柱塞相连接，两个小柱塞式液压缸一的两个柱塞的同步动作通过控制系统一实现；两个水平向同步加载液压缸缸体的无杆腔分别通过两根管路二与两个小柱塞式液压缸二的缸体连通形成密闭的空腔二，空腔二内充满液压油，两个小柱塞式液压缸二的两个柱塞相连接，两个小柱塞式液压缸二的两个柱塞的同步动作通过控制系统二实现；耐高压刚性密闭壳体的前侧面开设有密封门，密封加载液压缸的缸体与耐高压刚性密闭壳体的后侧面垂直固连，密封加载液压缸的缸杆设置在耐高压刚性密闭壳体内；试件放置于耐高压刚性密闭壳体内，试件前侧面加工有一中心孔，压力变送器的压头匹配设置在试件的中心孔内，压力变送器的显示仪表设置在耐高压刚性密闭壳体外部；充气系统通过充气管路与耐高压刚性密闭壳体的密闭气室连通。

本发明的有益效果在于： 

本发明的煤矿动力灾害多参数耦合测定装置主要用于模拟井下动力灾害倾向严重区域煤岩环境，可以实现在线测试应力及瓦斯压力，为后续分析应力、瓦斯压力对动力灾害多因素耦合作用机理及煤岩动力灾害演化机制提供了重要的指标参数，为建立动力灾害多因素耦合监测预警模型提供数据支持。

附图说明

    图1为本发明的煤矿动力灾害多参数耦合测定装置结构示意图； 

    图2为本发明的煤矿动力灾害多参数耦合测定装置立体图。

图中公开的部件名称及标号为： 

充气系统1、水平向同步加载液压缸2、试件3、控制系统二4、控制系统一5、密闭气室6、耐高压刚性密闭壳体7、密封加载液压缸8、压力变送器9、密封门10、垂直向同步加载液压缸11、小柱塞式液压缸一12、小柱塞式液压缸二13、压块一14、压块二15、管路一16、管路二17、充气管路18、焊接框架19。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。 

如图1、图2所示，煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，它包括耐高压刚性密闭壳体7、压力变送器9、密封加载液压缸8、充气系统1、控制系统一5、控制系统二4、两个垂直向同步加载液压缸11、两个水平向同步加载液压缸2、两个小柱塞式液压缸一12、两个小柱塞式液压缸二13、两个压块一14及两个压块二15； 

耐高压刚性密闭壳体7水平放置，高压刚性密闭壳体7内腔为密闭气室6，两个垂直向同步加载液压缸11的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体7的上表面及下表面固连，且两个垂直向同步加载液压缸11的缸杆同轴设置，两个垂直向同步加载液压缸11的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体7内，每个垂直向同步加载液压缸11的缸杆外端均与一个压块一14固连；

两个水平向同步加载液压缸2的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体7的左外侧面及右外侧面固连，且两个水平向同步加载液压缸2的缸杆同轴设置，两个水平向同步加载液压缸2的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体7内，每个水平向同步加载液压缸2的缸杆外端均与一个压块二15固连；

两个垂直向同步加载液压缸11缸体的无杆腔分别通过两根管路一16与两个小柱塞式液压缸一12的缸体连通形成密闭的空腔一，空腔一内充满液压油，两个小柱塞式液压缸一12的两个柱塞相连接，在外力作用下，沿着轴线方向一起作直线运动，由此带动两个垂直向同步加载液压缸11作直线同步运动，运动的位移相等，方向相反；加载时，保证了受压试件3几何中心线位置不变，两个小柱塞式液压缸一12的两个柱塞的同步动作通过控制系统一5实现；

两个水平向同步加载液压缸2缸体的无杆腔分别通过两根管路二17与两个小柱塞式液压缸二13的缸体连通形成密闭的空腔二，空腔二内充满液压油，两个小柱塞式液压缸二13的两个柱塞相连接，在外力作用下，沿着轴线方向一起作直线运动，由此带动两个水平向同步加载液压缸2作直线同步运动，运动的位移相等，方向相反；加载时，保证了受压试件3几何中心线位置不变，两个小柱塞式液压缸二13的两个柱塞的同步动作通过控制系统二4实现；

耐高压刚性密闭壳体7的前侧面开设有密封门10，密封加载液压缸8的缸体与耐高压刚性密闭壳体7的后侧面垂直固连，密封加载液压缸8的缸杆设置在耐高压刚性密闭壳体7内，在耐高压刚性密闭壳体7后侧放置密封加载液压缸8，用来将试件3靠紧前部密封门10，防止内部气体泄漏；

试件3放置于耐高压刚性密闭壳体7内，试件3与耐高压刚性密闭壳体7的后侧面之间形成一个充气腔，试件3与耐高压刚性密闭壳体7前侧面之间留有空间，试件3前侧面加工有一中心孔，压力变送器9的压头匹配设置在试件3的中心孔内，压力变送器9的显示仪表设置在耐高压刚性密闭壳体7外部，使用压力变送器9来测量力值，力值测量误差不大于5%。为了防止试件3在加压时试件3边角首先破碎，在制备试件3时要将试件3的边角进行去锐处理。压力变送器9与耐高压刚性密闭壳体7侧壁之间密封连接；充气系统1通过充气管路18与耐高压刚性密闭壳体7的密闭气室6连通。

耐高压刚性密闭壳体7为锻钢件，在承受垂直力5000kN（20%冲击振动力）拉力、水平力5000kN及内部10MPa的气压下，不发生明显变形，不产生泄漏。 

两个垂直向同步加载液压缸11均为5000kN的活塞式加载液压缸，通过控制系统一5控制，并通过两个小柱塞式液压缸一12动作，使得垂直向同步加载液压缸11可做加载20%冲击振动；两个水平向同步加载液压缸2均为5000kN的活塞式加载液压缸；可对试件3分别或同时施加5000kN的垂直力及5000kN的水平力；两个垂直向同步加载液压缸11的几何形状、尺寸相同，对称同轴安装，同步相向运动；两个水平向同步加载液压缸2的几何形状、尺寸相同，对称同轴安装，同步相向运动。两个小柱塞式液压缸一12的几何形状、尺寸相同，它们各自与垂直向同步加载液压缸11形成的密闭油腔容积相同、充填的液压油规格型号相同，工作条件也相同。两个小柱塞式液压缸二13的几何形状、尺寸相同，它们各自与水平向同步加载液压缸2形成的密闭油腔容积相同、充填的液压油规格型号相同，工作条件也相同。 

所述的耐高压刚性密闭壳体7通过焊接框架19支撑。 

所述的耐高压刚性密闭壳体7为正方体壳体，耐高压刚性密闭壳体7的长×宽×高=600×600×600mm，可承受3600kN力。 

    控制系统一5和控制系统二4均为伺服电磁阀，为外购件；压力变送器9的型号为CYB3051，由北京威斯特中航科技有限公司生产制造。 

    本发明中，耐高压刚性密闭壳体7具有刚度高、变形小、稳定性好等特点，其采用铸钢件，在上下面外侧安装两个5000kN的垂直向同步加载液压缸11，在左右外侧面安装两个5000kN的水平向同步加载液压缸2，可以向试件3分别或同时施加5000kN的垂直力及20%的冲击振动力、5000kN的水平力。在承受5000kN拉力及内部10MPa的气压下，不得发生明显变形或泄漏。也就是说，该高压刚性密闭壳体7必须要能够承受10000kN的拉力。 

工作过程：如图1、图2所示，先将试件3放置到耐高压刚性密闭壳体7内，然后关闭密封门10。将与两个垂直向同步加载液压缸11的缸杆外端固连的压块一14与试件3上下表面接触；将与两个水平向同步加载液压缸2的缸杆外端固连的压块二15与试件3的左右表面接触；接下来通过密封加载液压缸8将试件3与密封门10紧密接触，确保密封性。充气系统1（可以产生10MPa的气压）向耐高压刚性密闭壳体7内充气，然后对试件3分别在水平或者垂直方向加载，或者两个方向同时加载。由压力变送器9的显示仪表显示检测的压力值。 

围岩应力的测定是通过同时向试件3的上下两个方向和/或左右两个方向加载，并通过压力变送器9的显示仪表显示得到的；瓦斯压力的测定是通过向密闭气室6内通气，所通入的气体压力施加到试件3上，并通过压力变送器9的显示仪表显示得到的。围岩应力的检测和瓦斯压力的检测可同时进行。 

试验过程中，可以通过放置于试件3中心孔内的气体变送器9检测试件3的透气性，以及也可以通过放置应变检测仪，检测试件3在外力作用下的微应变。 

性能参数

1)加载液压缸加载能力：水平向同步加载液压缸2可在水平向加载5MN；垂直向同步加载液压缸11可在垂直向加载5MN，同时可加20%冲击振动力；密封加载液压缸8可由后向前加载1000kN。利用压力变送器测量力，精确度5%。

2)加载液压缸（包括垂直向同步加载液压缸11、水平向同步加载液压缸2及密封加载液压缸8）移动速度为20mm/min；液压缸行程50mm；速度控制精确度2%FS。 

3)充气压力额定值：10MPa； 

4) 耐高压刚性密闭壳体7：耐压10MPa同时承载5MN作用力；

5)充气系统压力10MPa； 

6) 耐高压刚性密闭壳体7重量4.6吨（整机总重量15吨），不需要地基工程安装，可以更换试验地点，吊装移动方便；

7)加载液压缸同步模式：力同步，位移同步；保证试件加载时几何中心不变,同步精度1%FS。

Claims (3)

1.一种煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，其特征是：它包括耐高压刚性密闭壳体(7)、压力变送器(9)、密封加载液压缸(8)、充气系统(1)、控制系统一(5)、控制系统二(4)、两个垂直向同步加载液压缸(11)、两个水平向同步加载液压缸(2)、两个小柱塞式液压缸一(12)、两个小柱塞式液压缸二(13)、两个压块一(14)及两个压块二(15)；耐高压刚性密闭壳体(7)水平放置，高压刚性密闭壳体(7)内腔为密闭气室(6)，两个垂直向同步加载液压缸(11)的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体(7)的上表面及下表面固连，且两个垂直向同步加载液压缸(11)的缸杆同轴设置，两个垂直向同步加载液压缸(11)的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体(7)内，每个垂直向同步加载液压缸(11)的缸杆外端均与一个压块一(14)固连；两个水平向同步加载液压缸(2)的缸体分别与耐高压刚性密闭壳体(7)的左外侧面及右外侧面固连，且两个水平向同步加载液压缸(2)的缸杆同轴设置，两个水平向同步加载液压缸(2)的缸杆均设置在耐高压刚性密闭壳体(7)内，每个水平向同步加载液压缸(2)的缸杆外端均与一个压块二(15)固连；两个垂直向同步加载液压缸(11)缸体的无杆腔分别通过两根管路一(16)与两个小柱塞式液压缸一(12)的缸体连通形成密闭的空腔一，空腔一内充满液压油，两个小柱塞式液压缸一(12)的两个柱塞相连接，两个小柱塞式液压缸一(12)的两个柱塞的同步动作通过控制系统一(5)实现；两个水平向同步加载液压缸(2)缸体的无杆腔分别通过两根管路二(17)与两个小柱塞式液压缸二(13)的缸体连通形成密闭的空腔二，空腔二内充满液压油，两个小柱塞式液压缸二(13)的两个柱塞相连接，两个小柱塞式液压缸二(13)的两个柱塞的同步动作通过控制系统二(4)实现；耐高压刚性密闭壳体(7)的前侧面开设有密封门(10)，密封加载液压缸(8)的缸体与耐高压刚性密闭壳体(7)的后侧面垂直固连，密封加载液压缸(8)的缸杆设置在耐高压刚性密闭壳体(7)内；试件(3)放置于耐高压刚性密闭壳体(7)内，试件(3)前侧面加工有一中心孔，压力变送器(9)的压头匹配设置在试件(3)的中心孔内，压力变送器(9)的显示仪表设置在耐高压刚性密闭壳体(7)外部；充气系统(1)通过充气管路(18)与耐高压刚性密闭壳体(7)的密闭气室(6)连通。

2.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，其特征是：所述的耐高压刚性密闭壳体(7)通过焊接框架(19)支撑。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿动力灾害多参数耦合测定装置，其特征是：所述的耐高压刚性密闭壳体(7)为正方体壳体，耐高压刚性密闭壳体(7)的长×宽×高=600×600×600mm。