挑战杯研究报告7000字

1、第五届“挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置研究报告学院：个人申报者姓名集体名称：类别：口自然科学类学术论文口哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技创造制作目录一二三研究背2采煤工作面瓦斯平安及防治介绍2采煤工作面顶板周期性来压对煤矿平安生产影响的介绍2研究价值及意义：21 、矿井安全：22 、煤、煤层气的双米：3二、（1）（2）（3）三、（1）（2）（3）四、（1）（2）五、国内外同类研究状况4目前国内外同类技术研究状况4同类产品的优缺点介绍.4与本产品相比拟、分析.4本实验装构5理：5试绍：6试程9技点10主术10技点11产据：置的原理结原验系统各单元介验流术

2、关键及创新要核心技术创新品试验数12一、研究背景：一采煤工作面瓦斯平安及防治介绍煤矿瓦斯事故是造成矿山伤亡最为严重的事故之一,防治瓦斯事故的发生是煤炭企业生产过程中的重中之重,而工作面是瓦斯事故经常发生的场所.在一般情况下,预防瓦斯事故的方法是加大工作面通风和对瓦斯的浓度进行监测,发现瓦斯超标情况,及时报告,做好调度.另一种方法时提前抽采来降低瓦斯的浓度.但在采掘过程中经常会发生瓦斯突出事故,有一些不明显的预兆,常常被忽略,所以很难防治的.如果能提前预测瓦斯的涌出量就可以提前做好预防工作.二采煤工作面顶板周期性来压对煤矿平安生产影响的介绍老顶就相应地出现断裂与下沉,支架压力增大,工作面地压显现

3、明显增剧,并呈周期性,称周期来压.工作面顶板周期来压是矿井灾害之一.工作面顶板周期来压是矿井生产过程中周期出现的现象,属于矿井灾害,掌握它的规律对矿井平安生产来说是极其重要的.目前,工作面顶板周期来压预测的重要性已被普遍熟悉.但经常要做的工作是根据工作面顶板周期来压的规律和实际观测的数据对工作面顶板周期来压的未来情况进行预测,从而可以在周期来压前采取适当的举措,预防灾害发生,保证平安生产.三研究价值及意义：1 、矿井平安：煤炭行业是我国国民经济的重要支柱产业之一,为我国经济建设提供了主要能源保证.十几年来,我国在煤矿工业领域开展迅速,随着采煤工艺的不断地高,煤矿的产量也是突飞猛进.然而煤炭行业

4、的平安指数并没有随着采煤的速度加快而升高,相反瓦斯事故的发生变得越来越频繁,死亡人数也在不断增加,2021年至2021年11月,有煤矿安监局公布数据显示,煤矿事故共死亡966人,瓦斯事故死亡人数659人.图1,煤矿行业所面临的严峻形势不容乐观,提前预测瓦斯已经成为当前煤矿研究领域的重要课题.瓦斯的突出与矿山的压力以及煤岩的裂隙发育息息相关,如果找出矿山压力与裂隙发育及瓦斯渗透性之间的关系,根据矿山的周期性来压,预测瓦斯的涌出量,从而预防瓦斯事故的发生.2 、煤、煤层气的双采：我国有着极为丰富的煤层气资源,据估算,埋深2000m以浅的煤层气资源量达3035万亿立方米,以可采系数50淅算,其可采资

5、源量为1517.5万亿立方米,相当于131.9153.9亿t原油,按现有原油开采速度,可供我国开采100年以上.因此,我国煤层气开发前景巨大.目前,制约我国煤层气开发的主要问题是技术问题,煤层渗透性与透气性是评价瓦斯抽放及煤层气开发的重要参数之一,研究煤层渗透性影响因素对于提升煤层透气性、提升瓦斯抽放效率、提升煤层气采收率以及促进我国煤层气工业的技术进步都有积极的意义.通过该实验能更好的描述采煤动应力作用下煤岩应力、裂隙与煤气的对应关系,掌握应力场、裂隙场与渗流性能之间的变化特征,在充分利用煤层开采过程中岩层移动对瓦斯卸压作用的根底上根据岩层移动规律来优化抽放方案、提升抽出率,从而在煤层开采时

6、形成采煤和采煤层气两个完整的开采系统,即形成“双能源开采技术,实现煤、气互利共赢.二、国内外同类研究状况一目前国内外同类技术研究状况随着煤岩体与瓦斯这一课题在煤矿行业重要性日益突出.国内外学者也在不懈的努力,他们通过一系列实验室物理试验方法对煤岩的应力与瓦斯流体渗流系数的关系进行了大量试验研究.如缪协兴教授等深入研究了采动岩体的渗流理论,设计了峰后岩石和碎石渗流试验,取得了重要成果1,李树刚博士2采用尺寸54X70mm左右的试件,进行煤了渗透性试验,另外一些学者用小试样进行了三轴应力作用下的渗透系数试验,以讨论侧压对渗透系数的影响3-7.徐涛博士8-12等采用数值模拟方法,进行了煤岩渗透率的模

7、拟实验研究.虽然经过多年的研究与实践,但到目前为止仍然没有一种有效的方法能较好地预测生产过程中瓦斯突出的危险性.常用的几种预测方法由于在不同的地域预报的临界值变化较大,难于掌握.二同类产品的优缺点介绍国内大多数研究者在室内研究过程中煤样尺度较小,边界效应较大与煤矿井下采煤工作面煤体的实际情况相符度低,所得数据说明采煤工作面煤岩体特性在试样尺度和受力边界条件方面还存在较大不同等众多缺陷.另外,从采煤工作面瓦斯流动物理过程看,在煤壁处的煤岩单元体处于五面约束状态,瓦斯气体主要从煤壁内部涌出,且在采掘工作面中,煤岩体的破坏一般发生在自由面及其一定深度范围内,越靠近自由面,破裂面越密,自由面的位移量逐

8、渐增大,岩体从自由面挤出,有时表现为煤岩的大变形或突出,然而小试样试验和采掘工程围岩的瓦斯流动过程存在较大差异,造成试验结果与实际的偏差三与本产品相比拟、分析我们目前采用煤岩试样尺寸为外表平整,相邻侧面相互垂直,端面的平行度小于0.1mm150mnix150mmx150mm立方体.这与国内大多数研究者在室内对尺寸较小,含裂隙少,完整性要求不高的标准煤样如小50mm<100标准煤样所进行三向应力状态下进行瓦斯的渗透性规律研究相比,其真实可靠性、科学严谨性、数据精确性大大提升.我们设计的较大尺寸的渗透性试验装置,能够采用实际煤样模拟工作面受力方向、受力状态以及瓦斯气体涌出方向等实际条件,进行

9、煤岩瞬态渗透法试验研究.我们实验煤样的选取减少小试样试验情况下同采掘工程中围岩的瓦斯流动过程存在的较大差异、试验结果与实际的偏差大小,克服以往研究过程中煤样尺度较小,边界效应较大与煤矿井下采煤工作面煤体的实际情况相符度低,所得数据说明采煤工作面煤岩体特性在试样尺度和受力边界条件方面还存在较大不同等众多缺陷.三、本实验装置的原理结构一原理：在过去进行岩石力学单轴或者三轴试验时,试块上出现一条或者几条大的破坏面,并逐渐贯穿试块,试块被迫散开.而在井下进行巷道掘进或者工作面开采过程中,煤岩体的破坏一般发生在平行于自由面的破坏,越近自由面,破裂面越密,自由面的位移量逐渐增大,岩体是从自由面挤出,有时表

10、现为煤岩突出岩爆或者煤炮,有时表现为大变形.实验室试验和采掘工程中的围岩的力学过程出现了本质的不同,造成了试验的失真.而平面应变压缩试验与采掘工程中煤岩的工作面掘进头应变状态相似.由于标准平面应变试验台需要极大的侧向刚度,一般不易满足.本试验装置利用特殊材料厚钢板加工而成,根本满足平面应变的要求.大尺寸煤样渗透性双向加载试验测试系统主要由气源单元i、压力测试单元ii、流量测试单元iii、试验机加载及限制单元iv、声发射监测单元v、大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置vi六局部组成.具体装置情况如图下列图所示.大尺寸煤样渗透性双向加载试验系统气源单元：1-气瓶、2-减压稳压阀压力测试单元：1-气体压

11、力彳感器、2-静态电阻应变仪、3-数据处理仪流量测试单元：1-气体质量流量计、2-气体流量积算仪、3-数据采集仪过一试验机加载及限制单元：1-试验机底盘、2-垫块、3-试验机压头、4-采集限制计算机v声发射监测单元：1-声发射传感器、2-信号放大器、3、声发射采集仪大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置：1-试样、2-透气板、3-密封胶和硅胶板、4-装置底座、5-进气管、6-压条、7-上压板、8-上紧固螺栓、9-下紧固螺栓二试验系统各单元介绍：气源单元i该单元由氮气瓶和减压阀组成.气源单元主要是给整个系统提供压力恒定的气源.实验模拟的是矿井工作面前方煤壁压力变化时其中瓦斯的流动规律,根据要求应该使用

12、甲烷气体来进行模拟煤矿瓦斯.由于属于实验室模拟试验,主要目的就是研究在煤岩破裂过程中其中的渗透性能的变化特征,本试验暂时不考虑煤岩和瓦斯的吸附-解析作用,加上平安方面的考虑,所以本实验采用惰性气体氮气代替甲烷进行试验.压力测t单元ii该单元由气体压力传感器、自动采集仪和计算机组成.压力测试单元有压力传感器和静态电阻应变仪两局部组成.压力传感器采用北京泰瑞金星研制的cy-60型高精度压力传感器,应变仪采用北京泰瑞金星研制的yjw-8/16型静态电阻应变仪,该应变仪可以和计算机通讯进行数据的实时采集.流量测试单元iii实验中的流量跨度范围较大,采用普通流量计难以满足测量要求.采用气体质量流量计进行

13、气体流量测量,气流稳定后能够满足测量要求.该流量计可以直接读取数据,也可以进行数据的计算机实时采集.该单元气体质量流量计、流量积算仪和计算机组成.流量测试单元采用北京七星华创电子股份研制的dm07-11cm型气体质量流量计,量程选择为20l/min,流量积算仪采用的型号为d08-8cm.流量计算仪都可以和计算机进行通讯,通过自编的数据采集程序进行流量数据的实时采集.试验机加载及限制单元iv该单元由试验机的下承压板,上压头、加载油缸和采集限制计算机组成.整个试验的系统的主要依托就是该单元,也就是说把双向加载试验装置嫁接到该试验机上.rmt-150b岩石力学试验系统是由中国科学院武汉岩土力学研究所

14、研制,该系统是一种数字限制的电液伺服试验机,具有操作方便,限制性能好,自动化程度高等优点.声发射监测单元V该单元由声发射传感器、信号放大器、声发射采集仪组成.声发射检测单元v采用的是cdae-1全数字化声发射检测及分析系统,该系统是北京科海恒生科技开发的基于pci总线限制的多通道声发射仪.cdae-1全数字化声发射检测及分析系统主要包括计算机、声发射信号采集处理卡、前置放大器、传感器、采集分析软件等组成.大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置vi本装置属于自主研发,也是本测试系统的核心技术所在.该装置的目的在于能够提供一种能够实现在垂直z方向由试验机主动轴向加载,水平y方向采用两块侧限板由两根螺栓连

15、接被动约束,水平x方向一边加气,另一边为自由面.在室内模拟煤矿井下工作面前方煤体瓦斯气体随工作面推进过程中的运移规律.要求满足在加载过程中试样z和y方向4个侧面密封不卸漏,水平x方向加气体,另外一个方向模拟采煤工作面煤体的试验装置,研究煤岩体在不同应力加载过程中瓦斯气体的渗透性与应力之间的关系.具体装置的各项组成如图下列图所示.aa剖视图c俯视图ab左视图1试样、2透气板、3密封胶板、4底板、5进气口、6压条、7上压板、8、9紧固螺栓、10侧限板、11压紧螺栓、12压紧螺母、13垫片图2大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置三视图该试验装置对应的实物图如下列图所示.图3试验装置零件图上图4实验装置组

16、装图下三试验流程采用所述的大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置及试验方法：本试验装置是利用岩石力学试验机对试样进行加载、声发射系统同时进行监测的试验条件下,同时配备相应的压力测试系统、流量测试系统进行试验.按如下步骤进行试验操作：第一步,试样制作：根据试验要求加工150mmx150mmx150mm立方体试样.第二步,试样的密封处理；该装置经过屡次试验总结出密封效果的工艺流程如下：将试件边角加工到达不平整度要求不平整度小于0.1mm,对于缺角部位采用水泥砂浆填平后再进行磨床加工,然后将试样进行清洗并枯燥；涂胶前将试样外表净化处理,将试样和透气板放在硅胶板上,密封胶直接涂于试样和透气板的四个侧面,利用

17、密封胶的流动性和批刀使涂胶外表形成厚薄均匀的平整胶面,胶体固化后的厚度应大于1mm为宜.密封胶的固化时间和温度关系较大,一般温度越高固化时间越快；在密封胶未彻底固化时,将硅胶板包在密封胶体外侧,使硅胶板和密封胶体、试样充分接触,并挤出密封胶体和硅胶板之间的空气；将密封好的试样放入渗透性试验装置内,穿上螺杆、垫片和螺母,调整好胶板的位置盖上压条,上好压紧螺杆,放上上压板,搁置一个小时视气温上下,可自行调整后,将各螺栓螺母压紧.第三步,安装透性试验：首先将准备好的渗透性试验装置单元vi放置在试验机加载及限制单元iv中试验机上承压板与压头之间,要求试样中央与试验机压头完全对中.第四步,安装调试压力测

18、试单元ii:连接气、水源、压力传感器、自动数据采集仪和计算机,并调试处于正常工作状态.第五步,安装调试流量监测单元值,连接流量传感器、流量监测仪和计算机,并调试处于正常工作状态.第六步,安装调试声发射监测单元v:将声发射传感器涂凡士林贴试样外表,并用胶带固定,连接信号放大器、声发射监测仪,并调试处于正常工作状态.第七步,启动调试试验机加载及限制单元iv：启动试验机加载,设置限制加载限制参数,建立试验文件编号.再次检查个测试系统单元工作情况是否正常,保证各个测试行系统单元运行良好.第八步,试验：在试验机加载及限制单元iv的计算机限制下进行加载,压力测试单元ii、流量测试单元iii和声发射监测单元

19、v,同时进行采集并记录试验数据,大约轴向载荷大约加载到预计试样极限载荷的10%左右,开启气、水减压阀调整压力到预定压力时,各个系统正常进行采集数据,直到试样完全破坏为止.第九步,试验结束：关闭气源,各个系统推出监测系统.第十步,试验结果数据：进入各测试分析系统,分析试验结果.四、技术关键及创新点一主要核心技术结构特征该装置的目的在于能够提供一种能够实现在垂直z方向由试验机主动向加载,水平y方向采用两块侧限板由两根螺栓连接被动约束,水平x方向一边加气,另一边为自由面.在室内模拟煤矿井下工作面前方煤体瓦斯气体随工作面推进过程中的运移规律.要求满足在加载过程中试样z和y方向4个侧面密封不卸漏,水平x

20、方向加气体,另外一个方向模拟采煤工作面煤体的试验装置,研究煤岩体在不同应力加载过程中瓦斯气体的渗透性与应力之间的关系.密封性处理技术本试验目的是探索气体随着压力变化煤岩体中的渗透性的变化规律,试验中要测量的气体具有较高压力的一定流量,所以较高气体压力下的密封问题成为本实验成败的关键.经过屡次试验我们自己研发出适宜的密封性处理技术.二技术创新点.1.本实验装置能够进行大尺寸煤样渗透性双向加载试验：该装置主要由气源单元、气体压力测试单元、气体流量测试单元、试验机加载及限制单元、声发射监测单元、大尺寸煤样渗透性双向加载试验装置单元六局部组成,其功能是在室内利用岩石力学试验机对煤岩试样进行加载破坏过程

21、中,研究瓦斯在煤岩试样中的渗透性试验提供试验条件,寻求煤岩试样在双向加载过程中瓦斯的运移规律,为煤矿井下采煤工作面的灾害预防和瓦斯抽采提供依据.2 .采用闭环限制的加载方式：加载方式有开环限制和闭环限制两种方式,开环限制一般限制载荷,位移限制较难实现.闭环限制既能限制载荷又能限制位移,而且精度相对较高.3 .密封性处理技术：本试验目的是探索气体随着压力变化煤岩体中的渗透性的变化规律,试验中要测量的气体具有较高压力的一定流量,所以较高气体压力下的密封问题成为本实验成败的关键.根据试验环境对密封的要求,密封胶必须具有一定的粘结性能,一定的弹性性能,而且,要能承受气压和不同方向载荷的挤压作用而不破裂

22、、不漏气,必须具有较高的强度.根据该要求,选择了多种密封胶试验,包括玻璃密封胶等,在实验过程中发现,密封胶涂层往往容易造成厚薄不均匀,气体从试样和装置的边角处溢出,从而导致密封失效,为了增加密封的可靠性和平安性,经试验在密封胶外部增加了一层高抗撕裂的硅胶板,该胶板具有很高的抗撕拉性能,弹性超强,有很好的耐油、耐高温性能,无毒无味,适合于较高压力下的试验环境,密封结构如图五、图六.4 .煤样的选取及加工工艺流程：由于试验模拟的工作面前方煤壁在卸压过程中的流动规律,所以对所取煤样的要求就相当的严格.为了尽量保持煤样的完成,取样时要求现场工人从工作面的上下顺槽中进行钻切,而且体积尽量大.由于煤种类较

23、多,煤质的软硬程度不同,对于松软煤层的采样难度较大.硅胶板出气侧密封胶图5密封系统示意图图6密封系统实物图片煤样加工的流程如下：切割机切割一一人工修整一一磨床加工一一缺边角煤样灌浆一一磨床加工.加工后的煤样情况如图七所示：图7加工后煤样照片五、产品试验数据：在本实验系统中对于同样一块煤样,在不同的载荷作用下具有不同的渗透性.接下来我们给出平煤十矿戊组和平煤八矿丁组应力-应变过程中的渗透性的试验结果,并对一些试验结果进行了简单的分析.1 、平煤十矿戊组应力-应变过程的渗透特性本次取样戊组煤质相对较硬,相对易于加工,共加工成型试件五块.其规格、试验条件和各参数如表2所示.表3-2戊组试件规格、试验

24、条件及参数表煤样试件尺寸力口载速率(mm/s)0.010.0050.01最大变形(mm11.57579.8056211.29099.8125817.652预力载(kn)2740402530环境温度(°c)2222222222层理状态近水平近水平近水平近水平近水平编号(axbxh)/mmXmnXmm戊b-1146.5x151.3x149.7戊b-2146.0x140.0x149.8戊b-3150.6X150.8X150.2戊b-4150.9X141.0X151.20.000.01戊b-5150.9X150.0X150.40.005b-1试验结果分析图8戊b-1应力、声发射、气体压力和渗

25、流速度之间的关系从上图中可以看出,声发射能量变化和煤岩体随应力变化具有很好的对应性：在初始阶段,由于煤样有一个压密的过程,这是产生了一定的声发射,但是能量幅度较小.随后出现了一段相对的平静期,只有噪声声发射的存在.当荷载继续加载,声发射的能量和次数显著增加,当应力到达第一个峰值时间,声发射也同时到达一个最高点.随后,强度进一步升高,声发射能量也逐渐趋于高位运行.最后由于该试块的强度大于试验机的最大压力,无法使试样完全破坏.从图中可以看出,在前期的弹性阶段,煤岩体是一个逐渐压密实的过程,随着煤岩体中孔隙度和裂隙宽度逐渐减小,气体流速有一定的下降趋势,这个阶段的声发射能量也趋于平静.当应力超过弹性

26、阶段进行弹塑性阶段,试件中逐渐由小到多的产生新的微裂隙,流速也逐渐增加；当接近第一个峰值时,产生的微裂隙增多,其中有的裂隙互相交割而贯穿,因此这时的渗透速度急剧增长.尽管没有做到峰后的完全破裂阶段,但是可以预计,随着煤岩体内部的裂隙进一步增多,渗透速度还会增大,但是增长的幅度由于新开裂隙的闭合而降低.戊b-1煤样不同载荷下的渗透率关于煤岩体气体的渗透率工程上认为服从darcy定律：q?kdp(3) ?dxk为渗透率；式中：氮气取为0.176X10-4pa?s,q为流速；为动力黏度系数,瓦斯取为0.134x10-4pa?s;p为气体压力,dp/dx为压力梯度,用gp来表示.由上式得渗透率表达式：

27、k?q?gp(4)?gk?渗透率和渗透系数表达关系为：k?(5)由于试验中测得了气体的瞬时流速,所以直接采用不同时间段的压力梯度变化,就可以得到各时段煤岩体的渗透系数.表9戊b-1试样测出的各项指标列表时间/s333压力梯度/mpa/m2.73881流量/l/min1.34流速/mm/s1.007570.857193392.672011.060.797041.458733452.672010.98渗流率/10-6mm26.4748渗流系数/mm/s4.508063362.738811.145.50843.835225.24993.655233422.672021.949.60834.85376

28、.689763.379370.733482.672013512.605213542.605213572.605213612.605213642.605213672.605213702.605213732.605213762.605213792.672021822.805613862.872414172.738816880.730.986880.730.986881.020.766960.781.0421.080.812070.821.17111.10.827110.841.122151.120.842150.911.227342.081.5641.712.284381.841.383531.0

29、61.42773154.85374.97825.18135.28295.48615.58775.58775.68935.68936.19738.47736.86143.379373.466023.607493.678223.819693.890433.890433.961163.961164.314847.172537.487815.902264.777210.301710.75454672.738815892.672021202.738816952.738817392.672018822.672021202.672012.538412.605212.538412.538412.538412.

30、538412.538412.538411.201.63071.61.203071.051.42691.180.887270.881.187271.260.947421.001.347572.561.924921.972.620032.012.685152.062.740262.102.85382.842.135462.192.9256132.25167.73117.92446.76475.70175.84436.24056.63675.382765.517334.709923.969794.069034.34494.620769.292359.266299.727939.9457110.163

31、510.3087106310661070107310761082108513.346413.308913.972021.284814.5976107914.806115.223215.640310.5990810.8894757610882.538413.0859210912.538413.162.376072.481342.5410982.538413.381493.6994511602.538415.924.451374.5716811662.538416.24.661914.767184.9111732.538416.547565.0228334.095823.7390432.32322

32、2.504930.863521.4885517.621412.268816.474411.470242.3116.057311.1798510952.538413.317.204311.9784211382.538414.9225.650017.8587311632.538416.0831.697622.0693211692.538416.3433.053123.0130811762.538416.6834.825724.2472217?62渗透率/10-6mm2ae计数/n时间/s图10戊b-1应力和渗透率变化图图12戊b-1ae计数和渗透率变化图从图10可以看出渗透系数的变化率和应力变化率对应关系：应力/mpa应力变化率时间/s图13渗透系数的变化率和应力变化率对应关系18渗透率变化率由于渗透介质为气体的电液伺服试验装备在国内还不是很多,本实验就是将设计的一套固气耦合双向加载装置嫁接到rmb-150试验机上,到达测量在应力变化过程中测量煤岩体渗透性能变化的目的.通过试验发现,该装置总体上是成功的.戊b-4试验结果分析将试验数据进行整理得到流量、应力、声发射、气压变化关系如图十二所示.从试验中得到的结论如下：一整个试验过程中,气体压力变化很小,流量随着应力的变化变化较大；