[发明专利]圆孔周围瓦斯渗透实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采过程中瓦斯在煤层中渗透规律的研究，尤其涉及一种圆孔周围瓦斯渗透实验装置。

背景技术

对于高瓦斯煤矿，在煤层开采之前要对其进行瓦斯抽放，目前采用的瓦斯抽放方法一般是向煤层钻进抽放孔。根据煤层的渗透特性，选择合适的钻孔直径、钻孔深度和间排距具有重要意义。另外，煤矿回采巷道一般在煤层中开掘，巷道周围煤体中的瓦斯大量溢出，极易造成瓦斯超标，因此有必要对巷道周围瓦斯渗透规律进行深入研究。瓦斯抽放孔属于标准圆形结构，而巷道则可以认为是近似圆形结构，因此上述课题可以归结为圆孔周围瓦斯渗透规律的研究问题。

煤岩体的应力、应变状态以及裂隙发育规律对其渗透性有非常显著的影响。孔洞开挖后，原始的应力应变状态被打破，开挖空间周围产生明显的应力集中。围岩应力集中既会使一部分原有裂隙闭合，又会诱发产生更多新的裂隙，新裂隙不断扩展会使煤体更加破碎，开挖造成破碎区对瓦斯渗透规律产生很大影响。影响开挖破碎区范围的因素包括：原岩应力、煤体强度、开挖尺寸和瓦斯压力等。

由于煤矿井下地质条件非常复杂，在工程设计阶段无法进行大量的现场试验和测试，而模型试验是解决圆孔周围瓦斯渗透规律的有效方法。目前还没有专门用于研究圆孔周围煤体瓦斯渗透规律的实验装置。常规的瓦斯渗透实验装置，无论是三轴试验还是单轴试验，都是将试件加工成圆柱形或立方体形，通过加载使其处于均匀的三轴或单轴应力状态下，进而测试其渗透率，只能模拟均匀应力场，不未能考虑孔洞开挖导致的应力集中以及围岩破碎的影响。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种圆孔周围瓦斯渗透实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种圆孔周围瓦斯渗透实验装置，其特征在于包括密封加载盒、渗透试件、油压密封系统、瓦斯供应系统和瓦斯平衡系统；

所述的密封加载盒，包括V型槽、侧挡板、加载垫块、上盖板和橡胶垫；

所述的V型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁，侧壁内表面与水平面呈一定倾角，在每个侧壁内表面预留上、下两条水平槽，用于容置密封圈，底板下表面与试验机加载装置接触，承受其压力；

所述的侧挡板，包括第一侧挡板和第二侧挡板，分别固定在V型槽的前后两侧，其内表面分别与煤样试件的前后表面接触，作用在于防止煤样试件发生轴向变形以满足平面应变状态的要求，同时防止V型槽的侧壁向两侧变形，每个侧挡板内表面预留上、下两条弧形槽，用于容置密封圈，并在第二侧挡板上预留上下两个密封圈的注液口，以及瓦斯出孔；

所述的加载垫块，上半部分为圆柱体结构，并在其内部预留瓦斯注入孔；下半部分为圆弧形钢板，并在下表面设有纵横交叉的导气槽，导气槽与瓦斯注入孔连通，下表面还设有一层钢丝网，钢丝网与煤样试件上表面接触；加载垫块侧面和V型槽内表面间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；

所述的上盖板，与V型槽和侧挡板的上表面相连，其中间留有圆形孔，加载垫块的圆柱体结构由圆形孔通过，圆形孔表面设有橡胶密封垫，与圆柱体结构紧密接触，既保证圆柱体结构和上盖板可以发生相对运动，又防止气体由此溢出；

所述的橡胶垫安装在V型槽、侧挡板、上盖板互相接触的部位，其作用在于防止瓦斯从构件接缝处溢出，改善密封效果；

所述渗透试件，上下表面为同轴圆弧面，前后侧面垂直于水平面，左右侧面倾角与V型槽侧壁内表面匹配，四个侧面均涂有704硅橡胶以保证其气密性；

所述的油压密封系统，包括密封圈、手动油压泵、供油管路和压力表；密封圈为中空体，中空体内可以注入传递压力的液态物质，密封圈通过聚氨酯橡胶浇筑模压成型，安装在V型槽和侧挡板内表面预留的上、下两槽中；根据压力表读数，通过手动油压泵对密封圈加压；

所述的瓦斯供应系统，包括瓦斯供应罐、第一高压管、第一阀门、气体压力泵、第二高压管、第二阀门、第一压力表、第一流量计；瓦斯供应罐和气体压力泵通过第一高压管连接，并在第一高压管上设有第一阀门；气体压力泵和圆柱体结构上的瓦斯注入孔通过第二高压管相连，并在第二高压管上设有第二阀门、第一压力表和第一流量计；

所述的瓦斯平衡系统，包括第一出气管、第二流量计、第二压力表、第三阀门、真空泵、第二出气管、第四阀门、气体储存罐；密封加载盒侧挡板上的瓦斯出孔与真空泵通过第一出气管连接，并在第一出气管上设有第二流量计、第二压力表、第三阀门；真空泵和气体储存罐通过第二出气管相连，并在第二出气管上设有第四阀门。