[发明专利]一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置及其方法

权利要求书

1.一种利用煤与瓦斯突出离心模型试验装置进行煤与瓦斯突出强度预测的方法，其特征在于，所述装置包括一个离心机(101)、配重箱(102)、试验箱(103)、地层模型箱(3)；

所述离心机(101)为一个转动速度可控的离心机；

所述配重箱(102)和试验箱(103)通过连接轴(104)安装在离心机(101)相互对称的位置；

所述试验箱(103)的四面和底部互相密封连接，所述试验箱(103)与所述配重箱(102)形状与重量相同；

所述试验箱(103)的试验箱底板(105)通过下螺栓(501)连接地层模型箱底板(2)；

所述配重箱(102)底部设有一个与地层模型箱(3)重量相同的配重块；

所述地层模型箱(3)包括：地层模型箱底板(2)、盖板(9)、介于地层模型箱底板与盖板之间的柱形的主箱，其中主箱上边缘(8)通过上螺栓(502)与盖板(9)密封固定，地层模型箱底板(2)通过下螺栓(501)与试验箱底板(105)连接固定；

所述地层模型箱底板(2)、盖板(9)与主箱之间围成的空间，从上到下依次分层设置：橡胶垫层(301)、上覆岩层模型(302)、煤层顶板模型(303)、煤层上密封膜(304)、煤层模型(305)、煤层下密封膜(306)、煤层底板模型(307)；

其中橡胶垫层(301)为一层橡胶，上覆岩层模型(302)为一密闭箱，其底面形状与主箱内截面相同，箱内充填钢砂或铅砂，用于补偿煤层顶板上覆岩层自重应力，煤层上密封膜(304)、煤层下密封膜(306)为有形变能力的密封膜，与主箱构成了一个密封区域，所述煤层模型(305)由煤粉和少量粘结剂组成，填充于该密封区域；

主箱在煤层模型(305)处设有抽气阀(6)、注气阀(7)、揭煤装置(4)，所述揭煤装置(4)为一个具有倒计时开启功能的快动型密封阀门，其内侧连通煤层模型(305)；

其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1，制备地层模型箱(3)内各层模型；

步骤1-1，获得煤矿现场煤层顶板、底板物理力学参数；

步骤1-2，按照测量的煤层顶、底板物理力学参数，制备煤层顶板模型和煤层底板模型，煤层模型用煤粉和粘结剂按一定比例制备，煤层顶板和底板模型采用相似性材料即重晶石粉、石英砂、石膏、甘油、水泥和水按一定比例制备；

步骤1-3，获得煤矿现场煤层及煤层顶、底板实际厚度；

步骤1-4，将煤层及煤层顶、底板实际厚度乘以确定模型中各层的厚度；

步骤1-5，按照模型高度、密度及离心加速度三者乘积等于煤层顶板上覆岩层自重应力的原则制备上覆岩层模型的高度和钢砂和铅砂的填充量；

步骤1-6，将各层按顺序放入地层模型箱(3)，选择厚度合适的橡胶垫层(301)，确保各层之间紧密无缝隙，并用上螺栓(502)安装盖板(9)；

步骤2，确定揭煤装置(4)的口径，

步骤2-1，得到煤矿现场揭煤断面口径；

步骤2-2，将煤矿现场揭煤断面口径乘以即揭煤装置(4)的口径；

步骤3，在主箱壁对应煤层模型(305)的位置安装揭煤装置(4)、抽气阀(6)和注气阀(7)；

步骤4-1，关闭揭煤装置(4)和注气阀(7)，通过抽气阀(6)抽出煤层模型(305)中的气体；

步骤4-2，关闭抽气阀(6)，通过注气阀(7)，向煤层模型(305)注入试验气体，使煤层模型(305)中的气压达到预定值；

步骤4-3：设置揭煤装置(4)的倒计时时长T；

步骤4-4：启动离心机(101)，并开始倒计时；

步骤4-5：揭煤装置(4)打开后，煤与瓦斯突出过程结束，停止离心机(101)运动，收集试验箱(103)内的煤粉并称重；

步骤5-1：按照相似理论确定煤与瓦斯突出强度相似比尺K；

步骤5-2：把试验箱(103)内的煤粉质量乘以K换算成实际场景的煤与瓦斯突出煤粉质量即煤与瓦斯突出强度。