張 冰，王漢鵬，林春金，李夢(mèng)天，王 偉，趙盛男

（山東大學(xué)a.巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心；b.齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領(lǐng)域，鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)流體運(yùn)移、煤與瓦斯突出事故等諸多工程問(wèn)題以及壓縮空氣儲(chǔ)能等熱點(diǎn)問(wèn)題均屬于氣固耦合問(wèn)題，涉及氣體與巖體間的相互作用，十分復(fù)雜。模擬實(shí)驗(yàn)可以反映成巖地質(zhì)體在工程狀態(tài)下的實(shí)際情況，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象的主要參數(shù)，是研究氣固耦合相關(guān)工程問(wèn)題的有效手段，同時(shí)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(shí)驗(yàn)中，氣體邊界條件的安全、精準(zhǔn)控制對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)室安全意義重大［3-4］。在傳統(tǒng)的氣固耦合模擬實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)高壓氣瓶對(duì)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(cè)注入氣體的壓力［5-6］。這種方法操作簡(jiǎn)單、技術(shù)門(mén)檻低，相關(guān)設(shè)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(guān)設(shè)備在充氣能力、控制精度、安全保障等方面存在諸多不足，嚴(yán)重限制了其適用性［7-9］。

隨著模型尺度增大、工程問(wèn)題復(fù)雜性提高以及新工科建設(shè)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)化程度和操作安全性亟待提高［10-11］。基于此，研發(fā)了一個(gè)大流量高壓氣體充填教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可有效提高學(xué)生及相關(guān)技術(shù)人員在氣固耦合實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中的便捷性與安全性，推動(dòng)智能化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)程。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

按照功能分類(lèi)，系統(tǒng)包括氣源模塊、動(dòng)力模塊、氣體增壓模塊、儲(chǔ)氣模塊、真空模塊、氣體充填模塊、采集控制模塊。系統(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)置A、B 2 個(gè)壓力表，分別監(jiān)測(cè)輸入氣體、動(dòng)力氣體的壓力；設(shè)置No.1～4 4 個(gè)電磁閥，分別控制輸入氣體管路、動(dòng)力氣體管路、輸出氣體管路、過(guò)壓氣體溢出管路的開(kāi)閉。

儲(chǔ)氣模塊用于儲(chǔ)存增壓后的高壓氣體，進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)提供大流量、高壓力的氣流補(bǔ)充，核心部件為腔體體積為2 m3的儲(chǔ)氣罐。該罐體為碳鋼材質(zhì)，設(shè)計(jì)承受32 MPa氣壓，實(shí)際使用中可容納5 MPa 的高壓氣體。同時(shí)，該罐體設(shè)置氣壓傳感器對(duì)罐體氣體壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)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(lái)源。該模塊由多個(gè)并聯(lián)的高壓氣瓶組成，以確保充足的氣體供應(yīng)；每個(gè)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(dòng)力模塊為氣體增壓泵提供充足、穩(wěn)定、清潔的動(dòng)力氣體（壓縮空氣），核心部分為空氣壓縮機(jī)、空氣儲(chǔ)氣罐、除水清潔器?？諝鈮嚎s機(jī)增壓比為1∶7，可將空氣由常壓壓縮至0.7 MPa。與儲(chǔ)氣模塊中的儲(chǔ)氣罐類(lèi)似，空氣儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存增壓后的空氣，保證動(dòng)力氣體的充足與穩(wěn)定，同時(shí)該罐體還設(shè)置了氣壓傳感器與溢流閥。除水清潔器可對(duì)空氣儲(chǔ)氣罐輸出的壓縮空氣進(jìn)行干燥、清潔處理。

真空模塊可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理，核心部件為真空泵。此外，該模塊還設(shè)置了No.6 電磁閥，控制管路的開(kāi)閉。

氣體充填模塊可將儲(chǔ)氣模塊中的高壓氣體恒體積流量、均勻地充填給實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诵牟考橘|(zhì)量流量計(jì)和面式充填板。質(zhì)量流量計(jì)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(shè)計(jì)的充氣面板，設(shè)有多層千目鋼絲網(wǎng)，能夠過(guò)濾細(xì)小煤粉并具有良好的氣體通透性，實(shí)現(xiàn)了氣體的均勻充填。

采集控制模塊用于整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)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(jì)算機(jī)及控制軟件（見(jiàn)圖2）。該模塊功能的實(shí)現(xiàn)依托三者基于電信號(hào)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(hào)，并傳遞給計(jì)算機(jī)，以供實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)控制軟件的指令，驅(qū)動(dòng)中間繼電器動(dòng)作，控制增壓泵、真空泵的啟停與電磁閥開(kāi)閉。

1.2 工作原理

為實(shí)現(xiàn)大流量、高氣壓的氣體充填，首先將氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體通過(guò)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(qū)動(dòng)（氣源模塊提供），將氣體增壓至需要的壓力，增壓后的氣體儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中，作為實(shí)驗(yàn)的直接氣體補(bǔ)給源。實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣體增壓模塊為儲(chǔ)氣罐實(shí)時(shí)補(bǔ)充高壓氣體，保證儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體充足。此外，在該技術(shù)方案中，采用先減壓再增壓、減壓過(guò)程對(duì)氣體加熱處理、增壓后氣體暫存在儲(chǔ)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(guò)程中存在的低溫效應(yīng)。

注氣過(guò)程中氣體流量的精確控制通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。注氣過(guò)程中氣體壓力的自動(dòng)控制則通過(guò)氣體增壓泵、No.3～6 電磁閥、氣壓傳感器組成的控制回路實(shí)現(xiàn)。充填過(guò)程中，采集控制模塊通過(guò)氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐氣壓。當(dāng)罐內(nèi)氣壓大于設(shè)定壓力時(shí)，采集控制模塊自動(dòng)關(guān)閉氣體增壓泵、No.3 電磁閥，開(kāi)啟No.4 電磁閥，以排出超壓氣體；當(dāng)罐內(nèi)氣壓小于等于設(shè)定壓力時(shí)，采集控制模塊自動(dòng)開(kāi)啟氣體增壓泵、No.3 電磁閥，關(guān)閉No.4 電磁閥，對(duì)儲(chǔ)氣罐持續(xù)補(bǔ)氣，直至罐內(nèi)氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值。抽真空過(guò)程中氣體壓力的自動(dòng)控制原理與上述原理相同。

此外，注氣過(guò)程與抽真空過(guò)程中啟停與切換的自動(dòng)控制也可通過(guò)采集控制模塊控制氣體增壓泵、真空泵的啟停來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

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

（1）利用控制軟件設(shè)置壓力目標(biāo)值，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，啟動(dòng)抽真空過(guò)程。采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.5電磁閥、No.6 電磁閥、質(zhì)量流量計(jì)，并開(kāi)啟真空泵，為整個(gè)系統(tǒng)管路、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统槿≌婵铡?/p>

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軟件界面實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)氣罐壓力、壓力-時(shí)間曲線。系統(tǒng)持續(xù)工作直至儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到目標(biāo)值。

（3）點(diǎn)擊控制軟件中的停止按鈕，強(qiáng)制停止抽真空過(guò)程。

氣體充填過(guò)程的操作步驟如下：

（1）手動(dòng)打開(kāi)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(kāi)空氣壓縮機(jī)，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(shè)置壓力目標(biāo)值、流量目標(biāo)值，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，啟動(dòng)氣體充填過(guò)程。首先，采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.1～3 電磁閥、質(zhì)量流量計(jì)，并自動(dòng)開(kāi)啟氣體增壓泵，為儲(chǔ)氣罐補(bǔ)氣。待儲(chǔ)氣罐氣體壓力達(dá)到目標(biāo)值后，采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.5 電磁閥，為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃泱w積流量、恒壓充氣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軟件界面實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)氣罐壓力、壓力-時(shí)間曲線。

（4）待實(shí)驗(yàn)完畢后，點(diǎn)擊控制軟件中的停止按鈕，停止氣體充填過(guò)程。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

將該系統(tǒng)應(yīng)用于巷道掘進(jìn)誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)中，以驗(yàn)證其可靠性和精確性。煤與瓦斯突出是煤炭開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的一種高壓吸附瓦斯煤體突然破壞的動(dòng)力災(zāi)害，噴出大量的煤粉與瓦斯，也是典型的氣固耦合問(wèn)題［12-13］。實(shí)驗(yàn)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(bǔ)充，對(duì)氣體充填系統(tǒng)的要求極高。

搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3 所示。實(shí)驗(yàn)包括地應(yīng)力加載、模型抽真空、氣體充填、巷道掘進(jìn)（該過(guò)程中維持煤層氣體壓力不變）、信息采集等過(guò)程，其中模型抽真空、氣體充填、巷道掘進(jìn)過(guò)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(duì)包括煤層、低滲性巖層在內(nèi)的整個(gè)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(guò)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(dá)到吸附平衡狀態(tài)。煤層氣體壓力維持是在巷道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)模型持續(xù)補(bǔ)氣，使其氣壓維持在1.20 MPa，以模擬周邊煤層對(duì)突出煤層的氣體補(bǔ)充。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

如圖3 所示，巷道內(nèi)設(shè)置氣體濃度傳感器，對(duì)工作面氣體涌出情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于煤體吸附氣體時(shí)放熱、解吸氣體時(shí)吸熱，因此煤層內(nèi)同時(shí)設(shè)置氣壓傳感器、溫度傳感器，對(duì)煤層吸附平衡狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［14］。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎng)突出現(xiàn)象極為相似（見(jiàn)圖4）。

圖4 突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在氣體充填過(guò)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(guò)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(shuō)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(shí)現(xiàn)。

圖5 氣體充填過(guò)程監(jiān)測(cè)信息演化規(guī)律

巷道掘進(jìn)過(guò)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(xiàn)［15］、文獻(xiàn)［16］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)獲取的完全一致，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)M出了與現(xiàn)場(chǎng)相同的巷道內(nèi)氣體滲漏現(xiàn)象。同時(shí)，煤層內(nèi)溫度（溫度傳感器）在掘進(jìn)時(shí)間為340～405 s 時(shí)異常上升，在掘進(jìn)時(shí)間為405～535 s時(shí)在9.5～10.6 ℃內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn)，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(shí)驗(yàn)中煤層內(nèi)氣壓（氣壓傳感器）仍保持恒定（見(jiàn)圖6），與現(xiàn)場(chǎng)情況相同。這說(shuō)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(bǔ)充。

圖6 掘進(jìn)過(guò)程監(jiān)測(cè)信息演化規(guī)律

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所研發(fā)的氣體充填系統(tǒng)滿足巷道掘進(jìn)誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領(lǐng)域，氣固耦合實(shí)驗(yàn)是學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。氣固耦合相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能以及智能化與安全性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效、實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)化充填，克服了氣體充填時(shí)存在的低溫效應(yīng)，可同時(shí)應(yīng)用于氣固耦合相關(guān)的物理模擬實(shí)驗(yàn)和小試件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)室智能化管控和高壓氣體安全使用提供重要設(shè)備平臺(tái)，助力新工科人才培養(yǎng)。