[发明专利]煤与瓦斯突出模拟试验用大流量高压气体充填系统及试验方法

说明书

本发明公开了一种煤与瓦斯突出模拟试验用大流量高压气体充填系统及试验方法，系统包括气源模块、增压模块、真空模块、气体充填模块和采集控制模块，气源模块提供恒压气体，且气源的输出通道上设置有增压模块，所述增压模块对恒压气体进行增压，提高进入试验煤层的气体的流量与压力，所述真空模块对试验煤层进行抽真空后，气体充填模块将增压后的气体填充至试验煤层，所述采集控制模块采集并控制各个模块的运行与工作参数，实现煤与瓦斯突出模拟试验中气体的自动与均匀填充。本发明实现对试验煤体大流量、高压力的气体充填与抽真空功能，且可以精确、自动调控充填气体流量与压力。

技术领域

本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，具体的说，是涉及一种煤与瓦斯突出模拟试验用大流量高压气体充填系统及试验方法。

背景技术

随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，煤与瓦斯突出事故逐渐成为制约煤炭工业安全、高效发展的主要灾害事故。研究煤与瓦斯突出机理,采取相应的预防措施对保证煤矿安全生产具有重要意义。

物理模拟试验作为煤与瓦斯突出机理的重要研究手段之一得到迅猛发展。上世纪50年代，前苏联B.B.霍多特首次进行了一维突出模拟试验；此后,自1955年至1991年间,前苏联、加拿大、日本等学者相继开展了一系列突出模拟试验；我国自1989年至今，也开展了数十次突出模拟试验。物理模拟试验的进行极大的推动了煤与瓦斯突出机理的研究与发展。

然而，随着突出机理研究的不断深入和现场条件的日趋复杂，模拟试验中指标定量化、边界条件高度相似性的要求对现有突出模拟试验装置提出巨大挑战。其中，模型尺度的增大、煤矿现场高压瓦斯覆存条件以及大面积的瓦斯渗流活动使瓦斯气体边界条件相似模拟成为突出模拟试验中较为严峻的科学问题之一。

现有煤与瓦斯突出模拟试验装置对以上科学问题进行了一定考虑。然而，由于的现场条件的多样性、复杂性，问题仍未得到圆满解决，如何在模拟试验中高度相似的模拟大流量、高压力的瓦斯气体边界条件是当前煤与瓦斯突出模拟试验不可回避的问题之一。

目前，针对模拟试验中瓦斯气体边界条件相似模拟，已开展了大量的研究工作，研制了一系列气体充填系统，现状如下：

(1)申请号为201520313168.8的中国专利公开了一种大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统的瓦斯面充气装置，包括三维液压加载系统、试验箱体、瓦斯充气管路、瓦斯面充气及其附属密封装置，所述瓦斯面充气装置与所述瓦斯充气管路配合可实现了对突出煤样均匀“面充气”，同时,通过调节三维通孔网状结构不锈钢泡沫的渗透系数来模拟实际煤层的瓦斯赋存的不均衡性,更加逼真地模拟了实际煤层瓦斯来源。但该装置不能调节气体流量、压力，且未实现模块化。

(2)申请号为201110021828.1的中国专利公开了一种煤与瓦斯突出实验模拟装置,包括煤样室和气压加载设备，所述气压加载设备由瓦斯气瓶与加压气体通道组成，可实现煤样室内煤样的瓦斯气体加载与充填。但气体充填流量仅能监测，不可控制，不具备瓦斯气体及时补充功能，且气体充填压力与流量均受瓦斯钢瓶限制，无法加载大流量、高压力的瓦斯气体。

(3)申请号为201610224363.2的中国专利公开了一种有补给气源的煤与瓦斯突出试验装置及方法，包括煤样罐、空气压缩机、补气气包、管道及配套传感器等，所述空气压缩机与所述补气气包配合，可实现煤样罐内煤样的充气及突出过程中气体及时补给。但补气气包的压力控制需通过进气阀、泄压阀不断调节实现，气体流量需通过调节阀控制，调节精度低，操作繁琐。

(4)申请号为201310425615.4的中国专利公开了一种巷道揭露时煤与瓦斯突出模拟实验装置，包括密封加载盒、煤样试件、柔性加载系统和瓦斯供应系统，所述的瓦斯供应系统由瓦斯供应罐、高压管、阀门、气体压力泵、压力表、流量计组成，可实现密封加载盒内煤样的瓦斯气体供应，并可通过气体压力泵获取较大的瓦斯压力。但瓦斯充填过程中，气体压力与流量控制均通过人工调节阀门实现，自动化程度低，且受管路限制，突出过程中无法实现气体及时补充。