張 冰，王漢鵬，林春金，李夢天，王 偉，趙盛男

（山東大學a.巖土與結構工程研究中心；b.齊魯交通學院，濟南 250061）

0 引言

在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領域，鹽巖儲氣庫流體運移、煤與瓦斯突出事故等諸多工程問題以及壓縮空氣儲能等熱點問題均屬于氣固耦合問題，涉及氣體與巖體間的相互作用，十分復雜。模擬實驗可以反映成巖地質(zhì)體在工程狀態(tài)下的實際情況，嚴格控制實驗對象的主要參數(shù)，是研究氣固耦合相關工程問題的有效手段，同時也是本科生和研究生需要掌握的重要方法［1-2］。

氣固耦合模擬實驗中，氣體邊界條件的安全、精準控制對于實驗結果準確性和實驗室安全意義重大［3-4］。在傳統(tǒng)的氣固耦合模擬實驗中，研究人員通過高壓氣瓶對模型直接注氣，采用減壓閥控制注入氣體的壓力，并利用氣壓傳感器或壓力表監(jiān)測注入氣體的壓力［5-6］。這種方法操作簡單、技術門檻低，相關設備獲取方便，是目前最常用的氣體充填方法。然而，該方法及相關設備在充氣能力、控制精度、安全保障等方面存在諸多不足，嚴重限制了其適用性［7-9］。

隨著模型尺度增大、工程問題復雜性提高以及新工科建設對教學實驗儀器要求的提高，氣體充填系統(tǒng)的充填能力、控制精度、自動化程度和操作安全性亟待提高［10-11］?；诖?，研發(fā)了一個大流量高壓氣體充填教學實驗系統(tǒng)，可有效提高學生及相關技術人員在氣固耦合實驗教學工作中的便捷性與安全性，推動智能化實驗室建設進程。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)構成

按照功能分類，系統(tǒng)包括氣源模塊、動力模塊、氣體增壓模塊、儲氣模塊、真空模塊、氣體充填模塊、采集控制模塊。系統(tǒng)構成如圖1 和圖2 所示。

氣體增壓模塊的作用是將氣源供給的低壓氣體轉換為高壓氣體，核心部件為增壓比1∶10 的氣體增壓泵，可將氣體壓力提高10 倍。此外，該模塊設置A、B 2 個壓力表，分別監(jiān)測輸入氣體、動力氣體的壓力；設置No.1～4 4 個電磁閥，分別控制輸入氣體管路、動力氣體管路、輸出氣體管路、過壓氣體溢出管路的開閉。

儲氣模塊用于儲存增壓后的高壓氣體，進而為實驗提供大流量、高壓力的氣流補充，核心部件為腔體體積為2 m3的儲氣罐。該罐體為碳鋼材質(zhì)，設計承受32 MPa氣壓，實際使用中可容納5 MPa 的高壓氣體。同時，該罐體設置氣壓傳感器對罐體氣體壓力實時監(jiān)測，設置安全溢流閥保證罐體壓力在安全范圍內(nèi)。

氣源模塊為氣體增壓模塊的穩(wěn)定氣體來源。該模塊由多個并聯(lián)的高壓氣瓶組成，以確保充足的氣體供應；每個高壓氣瓶外接加熱型減壓閥，以控制氣瓶的氣體輸出壓力，并加熱由氣瓶減壓后輸出的低溫氣體。

動力模塊為氣體增壓泵提供充足、穩(wěn)定、清潔的動力氣體（壓縮空氣），核心部分為空氣壓縮機、空氣儲氣罐、除水清潔器?？諝鈮嚎s機增壓比為1∶7，可將空氣由常壓壓縮至0.7 MPa。與儲氣模塊中的儲氣罐類似，空氣儲氣罐用于儲存增壓后的空氣，保證動力氣體的充足與穩(wěn)定，同時該罐體還設置了氣壓傳感器與溢流閥。除水清潔器可對空氣儲氣罐輸出的壓縮空氣進行干燥、清潔處理。

真空模塊可對整個系統(tǒng)進行抽真空處理，核心部件為真空泵。此外，該模塊還設置了No.6 電磁閥，控制管路的開閉。

氣體充填模塊可將儲氣模塊中的高壓氣體恒體積流量、均勻地充填給實驗模型，核心部件為質(zhì)量流量計和面式充填板。質(zhì)量流量計與采集控制模塊連接，可采集、控制管路中的氣體流量；面式充填板為自主設計的充氣面板，設有多層千目鋼絲網(wǎng)，能夠過濾細小煤粉并具有良好的氣體通透性，實現(xiàn)了氣體的均勻充填。

采集控制模塊用于整個系統(tǒng)的自動化控制與數(shù)據(jù)采集，核心部件為中央控制單元、中間繼電器、計算機及控制軟件（見圖2）。該模塊功能的實現(xiàn)依托三者基于電信號建立的信息傳輸：中央控制單元可采集管路中壓力、流量信號，并傳遞給計算機，以供實時顯示和存儲，同時根據(jù)控制軟件的指令，驅動中間繼電器動作，控制增壓泵、真空泵的啟停與電磁閥開閉。

1.2 工作原理

為實現(xiàn)大流量、高氣壓的氣體充填，首先將氣瓶內(nèi)的高壓氣體通過加熱型減壓閥降到0.5 MPa 左右，然后氣體增壓模塊以0.7 MPa 左右的壓縮空氣驅動（氣源模塊提供），將氣體增壓至需要的壓力，增壓后的氣體儲存在儲氣罐中，作為實驗的直接氣體補給源。實驗時，氣體增壓模塊為儲氣罐實時補充高壓氣體，保證儲氣罐內(nèi)氣體充足。此外，在該技術方案中，采用先減壓再增壓、減壓過程對氣體加熱處理、增壓后氣體暫存在儲氣罐中的方法，使氣體溫度接近室溫，解決了現(xiàn)有儀器在氣體充填過程中存在的低溫效應。

注氣過程中氣體流量的精確控制通過質(zhì)量流量計實現(xiàn)。注氣過程中氣體壓力的自動控制則通過氣體增壓泵、No.3～6 電磁閥、氣壓傳感器組成的控制回路實現(xiàn)。充填過程中，采集控制模塊通過氣壓傳感器實時監(jiān)測儲氣罐氣壓。當罐內(nèi)氣壓大于設定壓力時，采集控制模塊自動關閉氣體增壓泵、No.3 電磁閥，開啟No.4 電磁閥，以排出超壓氣體；當罐內(nèi)氣壓小于等于設定壓力時，采集控制模塊自動開啟氣體增壓泵、No.3 電磁閥，關閉No.4 電磁閥，對儲氣罐持續(xù)補氣，直至罐內(nèi)氣壓穩(wěn)定在設定值。抽真空過程中氣體壓力的自動控制原理與上述原理相同。

此外，注氣過程與抽真空過程中啟停與切換的自動控制也可通過采集控制模塊控制氣體增壓泵、真空泵的啟停來實現(xiàn)。

1.3 實驗操作過程

為提高實驗過程的便捷性與安全性，整套系統(tǒng)的操作可通過同一套軟件統(tǒng)一控制。抽真空過程的操作步驟如下：

（1）利用控制軟件設置壓力目標值，點擊開始按鈕，啟動抽真空過程。采集控制模塊自動打開No.5電磁閥、No.6 電磁閥、質(zhì)量流量計，并開啟真空泵，為整個系統(tǒng)管路、實驗模型抽取真空。

（2）實驗過程中，軟件界面實時顯示儲氣罐壓力、壓力-時間曲線。系統(tǒng)持續(xù)工作直至儲氣罐壓力達到目標值。

（3）點擊控制軟件中的停止按鈕，強制停止抽真空過程。

氣體充填過程的操作步驟如下：

（1）手動打開氣源模塊的所有氣瓶，利用減壓閥調(diào)節(jié)輸出氣體壓力至0.5 MPa左右。

（2）利用控制軟件打開空氣壓縮機，利用減壓閥調(diào)節(jié)輸出空氣壓力至0.7 MPa左右。

（3）利用控制軟件設置壓力目標值、流量目標值，點擊開始按鈕，啟動氣體充填過程。首先，采集控制模塊自動打開No.1～3 電磁閥、質(zhì)量流量計，并自動開啟氣體增壓泵，為儲氣罐補氣。待儲氣罐氣體壓力達到目標值后，采集控制模塊自動打開No.5 電磁閥，為實驗模型恒體積流量、恒壓充氣。實驗過程中，軟件界面實時顯示儲氣罐壓力、壓力-時間曲線。

（4）待實驗完畢后，點擊控制軟件中的停止按鈕，停止氣體充填過程。

2 教學實驗應用

2.1 實驗方案

將該系統(tǒng)應用于巷道掘進誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實驗中，以驗證其可靠性和精確性。煤與瓦斯突出是煤炭開采過程中發(fā)生的一種高壓吸附瓦斯煤體突然破壞的動力災害，噴出大量的煤粉與瓦斯，也是典型的氣固耦合問題［12-13］。實驗中，需要在1～2 h內(nèi)快速充填幾百升0.75～2.00 MPa 的氣體，并維持24～48 h的恒壓氣體補充，對氣體充填系統(tǒng)的要求極高。

搭建的實驗模型如圖3 所示。實驗包括地應力加載、模型抽真空、氣體充填、巷道掘進（該過程中維持煤層氣體壓力不變）、信息采集等過程，其中模型抽真空、氣體充填、巷道掘進過程中的煤層氣體壓力維持由所研發(fā)的氣體充填系統(tǒng)完成。模型抽真空是對包括煤層、低滲性巖層在內(nèi)的整個模型抽真空，以排除模型內(nèi)部原有氣體的干擾。為保證模型的真空效果，抽真空過程需將煤層氣壓抽至－0.10 MPa 并穩(wěn)壓24 h。氣體充填是在1 h內(nèi)將模型中的煤層充氣至1.20 MPa，隨后維持在該氣體壓力下24 h，使煤層達到吸附平衡狀態(tài)。煤層氣體壓力維持是在巷道掘進過程中對模型持續(xù)補氣，使其氣壓維持在1.20 MPa，以模擬周邊煤層對突出煤層的氣體補充。

圖3 實驗模型

如圖3 所示，巷道內(nèi)設置氣體濃度傳感器，對工作面氣體涌出情況進行監(jiān)測。由于煤體吸附氣體時放熱、解吸氣體時吸熱，因此煤層內(nèi)同時設置氣壓傳感器、溫度傳感器，對煤層吸附平衡狀態(tài)進行監(jiān)測［14］。

2.2 實驗結果與分析

發(fā)生了劇烈的煤與瓦斯突出，持續(xù)2.1 s，突出煤粉質(zhì)量為24.5 kg，突出煤粉最大拋射距離為11 m，與現(xiàn)場突出現(xiàn)象極為相似（見圖4）。

圖4 突出實驗現(xiàn)象

實驗結果顯示，在氣體充填過程中，煤層內(nèi)氣壓（氣壓傳感器）在400 s內(nèi)升至1.20 MPa，并在24 h內(nèi)維持在該氣壓，如圖5 所示。在該過程中煤層溫度（溫度傳感器）在400 s左右上升至11 ℃并維持恒定。這說明，煤層在400 s內(nèi)基本完成氣體吸附，之后便在恒溫中緩慢吸附，有利于煤層完全吸附平衡狀態(tài)的實現(xiàn)。

圖5 氣體充填過程監(jiān)測信息演化規(guī)律

巷道掘進過程中，巷道內(nèi)氣體濃度（氣體濃度傳感器）持續(xù)上升，其異常顯現(xiàn)形態(tài)與文獻［15］、文獻［16］通過現(xiàn)場獲取的完全一致，這說明實驗模擬出了與現(xiàn)場相同的巷道內(nèi)氣體滲漏現(xiàn)象。同時，煤層內(nèi)溫度（溫度傳感器）在掘進時間為340～405 s 時異常上升，在掘進時間為405～535 s時在9.5～10.6 ℃內(nèi)波動。由此可見，在突出之前的孕育階段，煤層處于瓦斯吸附與解吸交替變化的非穩(wěn)定狀態(tài)。實驗中煤層內(nèi)氣壓（氣壓傳感器）仍保持恒定（見圖6），與現(xiàn)場情況相同。這說明，氣體充填系統(tǒng)可像周邊煤層一樣，為突出煤層提供源源不斷的氣體補充。

圖6 掘進過程監(jiān)測信息演化規(guī)律

以上實驗結果說明，所研發(fā)的氣體充填系統(tǒng)滿足巷道掘進誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實驗的需求。

3 結語

在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領域，氣固耦合實驗是學生培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)。氣固耦合相關實驗設備的性能以及智能化與安全性對實驗教學成效、實驗室安全管理均有重要影響。所研發(fā)的大流量高壓氣體充填教學實驗系統(tǒng)可完成0～10 L／s、0～5 MPa氣體的恒體積流量、恒壓、自動化充填，克服了氣體充填時存在的低溫效應，可同時應用于氣固耦合相關的物理模擬實驗和小試件基礎實驗，為實驗室智能化管控和高壓氣體安全使用提供重要設備平臺，助力新工科人才培養(yǎng)。