[实用新型]综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置

说明书

技术领域：

本发明涉及综采工作面周期来压坚硬顶板跨落的过程中采空区瓦斯涌出规律的研究。研制一套在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟的试验装置。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。该模拟试验装置主要包括综采工作面系统单元I、模拟老顶跨落岩块单元II、瓦斯输入系统单元III，瓦斯监测系统单元IV、煤层倾角调节装置单元V和通风控制调节单元VI部分组成。

背景技术：

随着目前煤矿开采深度的逐年增加，煤矿的自然灾害更加突出，尤其煤矿井下采煤工作面的瓦斯涌出对工作面安全生产造成严重威胁。而工作面的瓦斯涌出与诸多因素有关，其中煤层厚度，煤体坚硬程度、裂隙发育程度，裂隙的方向，裂隙的连通程度、煤体的应力状态，采空区瓦斯聚集程度、瓦斯压力、直接顶、老顶坚硬程度、老顶活动规律以及回采工艺等因素有关，使得研究煤矿井下采煤工作面瓦斯运移与煤层顶板的活动状态的规律研究变得十分复杂。在煤矿采煤工作面生产过程中，随着工作面的向前推进，工作面前方煤体以及上方顶板的应力逐渐增加，一旦应力超过老顶的极限跨度后断裂，且这种现象呈现周期性变化，周期来压期间工作面前方煤体压力增大，煤体内部裂隙增多，工作面煤壁片帮加剧，支架压力增大，工作面采空区上方直接顶老顶垮落后，充填原来的采空区空间，使原来聚集在采空区的瓦斯被压出，造成工作面瓦斯浓度增大，对综采工作面的安全生产造成严重威胁。根据煤矿井下综采工作面初次来压和周期来压期间的资料统计，工作面的瓦斯浓度明显增加，严重时造成工作面停产。因而对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出规律需要进行仔细研究，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。由于煤矿井下综采工作面生产条件的限制和现有的测试手段的不完善，对上述诸多因素难以进行仔细的考虑。使得工作面瓦斯变化与周期来压采空区瓦斯压出的关系很难在现场监测到，而实验室相似模拟试验可人为控制和改变试验条件，从而可确定周期来压时不同条件等因素变化对工作面瓦斯浓度变化的影响规律。相似模拟试验效果清楚直观，试验周期短、见效快，并且可以多次重复试验，因此，采用相似模拟试验的方法，使模型与原形之间做到在几何、运动、动力、边界条件和重要的物理力学参数相似，研究不同条件下的周期来压与工作面瓦斯变化的规律可行。根据目前现有资料查询没有发现在室内进行相关似类的模拟试验装置。因此，有必要研制一套在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟的试验装置。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。

发明内容：

综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的相似模拟装置主要包括综采工作面系统单元I、模拟老顶跨落岩块单元II、瓦斯输入系统单元III，瓦斯监测系统单元IV和煤层倾角调节装置单元V和通风控制调节单元VI部分组成。各系统的组成以及相应的工作原理：

综采工作面系统单元I：以煤矿井下综采工作面尺寸为依据按照几何相似比设计的，基本元件有：综采工作面试验台、综采工作面10、进风巷11、回风巷12和采空区空腔23。试验装置安置在的试验台上，可以通过调整试验台的倾斜角度机构4以模拟煤层倾角的变化。该系统单元I要求密封性好，除进风巷11进气口和回风巷12的抽风机口与外界相通。进风巷11、回风巷12、工作面10空腔均采用薄钢片焊接，采空区空腔23采用透明有机玻璃板粘合而成。系统采用抽出式通风，回风巷12出口安装了抽风机15，抽风机的出口安置了可以转动的风量调节装置17以用来调节风量大小。

模拟老顶跨落岩块单元II：采用8块相互独立的箱体来模拟老顶岩块，通过拉杆7将活塞22提起，连动机构6固定在箱体上部。试验时激发连动机构6可使活塞在弹簧21恢复作用下迅速落下，8块模拟块可以任意进行组合来模拟不同范围的采空区顶板岩块垮落，对采空区瓦斯的扰动。

瓦斯输入系统单元III：由于高纯度的瓦斯气价格昂贵，运输困难，使用危险性大，因此进行模拟试验时采用民用煤气代替瓦斯，该单元主要由煤气罐1，减压阀2、煤气管24、支路控制开关3组成，通过调节减压阀2和支路控制开关3，为工作面采空区提供持续的煤气。

瓦斯监测系统单元IV：该单元主要由瓦斯传感器14、瓦斯检测表9和回风巷12密闭闸门13组成，在综采工作面系统单元I的工作面10的上隅角、下隅角、采空区底板中部以及回风巷12顶板分别安设4个瓦斯传感器14，分别用来监测采空区上方模拟岩块垮落前后采空区23以及回风巷12瓦斯浓度的变化规律。