矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法及装置

权利要求书： 1.一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将煤矿井下采集的煤样或岩样切割成圆柱体型；而后在煤样或岩样的中心位置沿轴向方向开凿钻孔，并穿透煤样或岩样；

S2：将制备好的圆环体型煤样或岩样放置在钢制底板上，并用保温圆筒将煤样或岩样环向方向包裹，将钢制顶盖板放置在煤样或岩样顶部，将弹簧放置于煤样或岩样的中心钻孔内，而后整体放置于加压装置上；

S3：开启加压装置对煤样或岩样逐步施加轴向应力，通过观测煤样或岩样的应力?应变曲线到达峰值后，停止加压，并记录下此时的轴向应力数值；

S4：将保温圆筒上的温度测量端口与温度传感器相连接，并将配制好的反应型高分子材料浆液倒入到煤样或岩样的中心钻孔内，应用硬纸板对中心钻孔内的反应型高分子材料形成约束边界；

S41：记录下应力?应变曲线到达峰值时的轴向应力数值后，移除钢制顶盖板；将保温圆筒上设置的温度测量端口与温度传感器连接；所述温度测量端口以煤样或岩样中心为基准，每60°布置一个，六个为一组；沿煤样或岩样轴向方向以距离端面50mm平面为基准，每

50mm布置一组；所述温度传感器为超声波温度传感器；

S42：将一定量的反应型高分子材料浆液注入到煤样或岩样的中心孔内，应用硬纸板盖住煤样或岩样的上端面，使之阻挡注入中心孔内的高分子材料浆液因膨胀而溢出；

S5：记录各温度测量端口上温度传感器的示数，直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃；

S6：待温度测试完毕后，将煤样或岩样取出，移除煤样或岩样中心孔内反应固化后的高分子材料以及弹簧，随即将环氧树脂均匀涂抹在煤样或岩样的下端面，而后将密封胶垫与环氧树脂层粘合，并放置在渗透缸体底板上；将渗透缸体底板与环形密封桶用螺栓连接并紧固；

S61：待温度测试完毕后，在煤样或岩样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对煤样或岩样进行取芯，移除煤样或岩样中心孔内反应固化后的高分子材料，使其中心形成直径

40mm的钻孔；在煤样或岩样的下端面上，均匀涂抹上环氧树脂，并将密封胶垫与环氧树脂层粘合；所述环氧树脂用于对煤样或岩样的下端面进行密封，防止煤样或岩样透气系数测定过程中，试验气体经下端面流出而影响试验测定结果；所述密封胶垫为橡胶材质，其为台阶圆盘状，密封胶垫的小直径与渗透缸体底板上圆形凹槽的直径相等，密封胶垫的大直径大于小直径；所述渗透缸体底板中心设有高度大于密封胶垫厚度与煤样或岩样高度之和的圆柱，且圆柱上设有密集的开孔，用以保证气体从圆柱的开孔进入煤样或岩样体内；

S62：所述渗透缸体底板和环形密封桶两端均设有对应的法兰，且法兰上开设有螺栓孔，通过螺栓紧固渗透缸体底板和环形密封桶，挤压密封胶垫的外缘实现对煤样或岩样底端面的密封；所述环形密封桶内层上设有筛孔，且环形密封桶内径大于煤样或岩样的外径，使得试验气体经由煤样或岩样中心孔流出其环形表面，经过筛孔，并由设置于环形密封桶外壁上的出气口流出，所述出气口上连接有出气管路，所述出气管路上设有出气端阀门；

S7：将环氧树脂均匀涂抹在煤样或岩样的上端面，而后将密封胶垫与环氧树脂层粘合，将渗透缸体顶板放置在环氧树脂层上，所述渗透缸体顶板上部开设有进气口，用于为试验气体的流动提供通道；用螺栓将渗透缸体顶板与环形密封桶用螺栓连接并紧固；

S8：打开进气端的阀门，并将进气口与高压氦气气源连通，调节氦气的压力使其为预定数值；而后打开出气端的阀门，使高压氦气在进气端与出气端的压力差的作用下，经由煤样或岩样的环形实体流动至出气端，并读取出气端流量计的数值，待其数值稳定后，随即记录下此时的氦气气体流量，进而可获取相应的渗透系数数值；

S9：待煤样或岩样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；而后将煤样或岩样放置在钢制底板上，并将放置有煤样或岩样的钢制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，则试验完毕。

2.根据权利要求1所述的矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：S11：将煤矿井下采集的煤样或岩样切割成直径200mm，高度400mm的圆柱体型后，用砂纸在煤样或岩样端面与环形表面进行打磨，而后以煤样或岩样端面中心为基准，用游标卡尺测定端面中心四个正交方向上的距离，若任意两个测试的偏差小于0.5mm，则煤样或岩样尺寸满足试验要求；

S12：在煤样或岩样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对制备的直径200mm，高度

400mm的圆柱体型煤样或岩样进行取芯，使其中心形成直径40mm的钻孔，取芯的深度与煤样或岩样高度相等。

3.根据权利要求1所述的矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：S21：所述钢制底板上带有直径略大于煤样或岩样外径的圆形凹槽，用以对煤样或岩样进行定位；所述保温圆筒材质为聚苯乙烯泡沫塑料，其作用在于隔绝注入反应型高分子材料后煤样或岩样与外界的温度；所述钢制顶盖板为圆环状，其内径略小于煤样或岩样的内径，外径略大于煤样或岩样外径；

S22：所述弹簧放置于煤样或岩样的中心孔内，其外径与钢制顶盖板的内径相等，高度与钢制顶盖板的上表面齐平，其作用在于加压装置对煤样或岩样加压的过程中，将产生一定程度的压缩变形，弹簧亦将随之而发生压缩变形，该压缩变形使得弹簧的环与环之间的间隙减小，从而防止煤样或岩样内表面的煤屑或岩屑脱落。

4.根据权利要求1所述的矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：步骤S5具体包括以下步骤：S51：自注入高分子材料浆液后，随即开启温度传感器，并每间隔10s记录下每个温度传感器的示数与对应的时刻；

S52：直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃时，停止记录温度传感器的示数；观测煤样或岩样中各个测试点的温度是否超过了140℃，若超过了该温度，则该反应型高分子材料不满足工程应用的要求。

5.根据权利要求1所述的矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：步骤S8具体包括以下步骤：S81：所述进气端的阀门安设于进气管路上，进气管路与渗透缸体顶板上的进气口连接；打开进气端的阀门，并连接高压氦气气源；所述高压氦气气源与煤体或岩体无任何物理化学反应，故应用该气体进行煤体或岩体渗透系数的测试反映其自身对介质的阻流属性；

S82：所述高压氦气气源与进气管路通过减压阀连接，其作用在于控制煤样或岩样进气端的氦气气体压力数值；

S83：调节减压阀，使进气端的氦气气体压力数值满足试验要求，而后打开出气端的阀门，并记录出气端流量计的数值；所述出气端流量计为质量流量计；

S84：待出气端流量计示数在连续1h内，相对偏差小于1％时，表示氦气的流动已达到了稳定状态，随即记录下此时的氦气气体流量，进而获取相应的渗透系数数值；所述煤样或岩样渗透系数按下式进行计算：

3 2

式中：q为单位面积氦气流量，m/(m .d)；R1为煤样或岩样的内径，m；R0为煤样或岩样的外径，m；p0为煤样或岩样进气端的氦气气体压力，MPa；p1为煤样或岩样出气端的氦气气体压

2 2

力，MPa；λ为煤样或岩样渗透系数，m/(MPa .d)。

6.根据权利要求1所述的矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，其特征在于：步骤S9具体包括以下步骤：S91：待煤样或岩样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；

S92：将煤样或岩样放置在钢制底板上，并将放置有煤样或岩样的钢制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，直至煤样或岩样应力?应变曲线达到峰值后随即停止加压，并记录下此时的轴向应力；

S93：通过对比注入反应型高分子材料前后的煤样或岩样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力，判断该种高分子材料对加固的作用效果；若注入反应型高分子材料后的煤样或岩样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力大于注入前，则表明该种高分子材料对加固有明显的有效效果，反之则无。

说明书： 矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法及装置

技术领域[0001] 本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法及装置。

背景技术[0002] 煤炭的高效清洁低碳利用是社会的重中之重，而且相关技术正在朝着有利的方向发展。大力推进煤炭的清洁利用有助于推动社会能源生产消费方式革命。但同时，由于煤矿

井下煤层地质条件复杂，诸多煤层群开采的矿井均采用“下行式”的开采方法，旨在通过开

采煤层使之对下伏煤层的开采形成卸压增透的效应，降低下伏煤层瓦斯灾害的威胁程度。

但在下伏煤层的开拓、开采过程中，由于上覆煤层的开采而使得下伏煤层的顶板通常位于

裂隙带内，因而其巷道围岩稳定性差，控制难度加大。并且随着开采深度的增加，由上覆煤

层开采形成的采动应力集中程度更高，采动影响范围更大，采动影响的时间也越长，故下伏

煤层巷道的维护便成为矿井亟需解决的关键问题。

[0003] 针对该问题，目前除了对巷道支护方式进行改进以外，大多数矿井均采用顶板注入反应型高分子材料的工艺对顶板实施加固处理。实际该种工艺在煤矿井下石门揭煤与

采、掘巷道通过断层以及矿井水害的防治工程中亦有大范围的应用。但由于反应型高分子

材料在固化的过程中将产生大量的反应热，该种热量是否会导致煤发生自燃是评价反应型

高分子材料应用可行性的关键所在。同时，反应型高分子材料在固化后与煤(岩)体内的次

生裂隙贴合而形成的混合体，其渗透特性、强度是否满足堵水或加固的要求亦是矿井选择

何种反应型高分子材料考量的重点。目前煤炭行业尚并无相关的测试方法或设备对反应型

高分子材料注浆后与煤(岩)混合体的温度、渗透特性与强度实施连续测定。

发明内容[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度、渗透特性、强度连续测定方法及装置，可测定在注入反应型高分子材料过程中

塑性变形后的煤(岩)试件的渗透特性与不同位置的温度，并且可实现注入反应型高分子材

料前后煤(岩)试件强度的对比测试，为科学评价反应型高分子材料的安全性能与作业效果

提供可靠的技术手段。

[0005] 本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：[0006] 一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，包括以下步骤：

[0007] S1：将煤矿井下采集的煤(岩)样切割成圆柱体型；而后在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向开凿钻孔，并穿透煤(岩)样；

[0008] S2：将制备好的圆环体型煤(岩)样放置在钢制底板上，并用保温圆筒将煤(岩)样环向方向包裹，将钢制顶盖板放置在煤(岩)样顶部，将弹簧放置于煤(岩)样的中心钻孔内，

而后整体放置于加压装置上；

[0009] S3：开启加压装置对煤(岩)样逐步施加轴向应力，通过观测煤(岩)样的应力?应变曲线到达峰值后，停止加压，并记录下此时的轴向应力数值；

[0010] S4：将保温圆筒上的温度测量端口与温度传感器相连接，并将配制好的反应型高分子材料浆液倒入到煤(岩)样的中心钻孔内，应用硬纸板对中心钻孔内的反应型高分子材

料形成约束边界；

[0011] S5：记录各温度测量端口上温度传感器的示数，直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃；

[0012] S6：待温度测试完毕后，将煤(岩)样取出，移除煤(岩)样中心孔内反应固化后的高分子材料以及弹簧，随即将环氧树脂均匀涂抹在煤(岩)样的下端面，而后将密封胶垫与环

氧树脂层粘合，并放置在渗透缸体底板上；将渗透缸体底板与环形密封桶用螺栓连接并紧

固；

[0013] S7：将环氧树脂均匀涂抹在煤(岩)样的上端面，而后将密封胶垫与环氧树脂层粘合，将渗透缸体顶板放置在环氧树脂层上，并用螺栓将渗透缸体顶板与环形密封桶用螺栓

连接并紧固；

[0014] S8：打开进气端的阀门，并将进气口与高压氦气气源连通，调节氦气的压力使其为预定数值；而后打开出气端的阀门，使高压氦气在进气端与出气端的压力差的作用下，经由

煤(岩)样的环形实体流动至出气端，并读取出气端流量计的数值，待其数值稳定后，随即记

录下此时的氦气气体流量，进而可获取相应的渗透系数数值；

[0015] S9：待煤(岩)样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；而后将煤(岩)样放置在钢制底板上，并将放置有煤(岩)样的钢

制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，则试验完毕。

[0016] 进一步，步骤S1具体包括以下步骤：[0017] S11：将煤矿井下采集的煤(岩)样切割成直径200mm，高度400mm的圆柱体型后，用砂纸在煤(岩)样端面与环形表面进行打磨，而后以煤(岩)样端面中心为基准，用游标卡尺

测定端面中心四个正交方向上的距离，若任意两个测试的偏差小于0.5mm，则煤(岩)样尺寸

满足试验要求；

[0018] S12：在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对制备的直径200mm，高度400mm的圆柱体型煤(岩)样进行取芯，使其中心形成直径40mm的钻孔，取芯的深度与煤(岩)

样高度相等。

[0019] 进一步，步骤S2具体包括以下步骤：[0020] S21：所述钢制底板上带有直径略大于煤(岩)样外径的圆形凹槽，用以对煤(岩)样进行定位；所述保温圆筒材质为聚苯乙烯泡沫塑料，其作用在于隔绝注入反应型高分子材

料后煤(岩)样与外界的温度；所述钢制顶盖板为圆环状，其内径略小于煤(岩)样的内径，外

径略大于煤(岩)样外径；

[0021] S22：所述弹簧放置于煤(岩)样的中心孔内，其外径与钢制顶盖板的内径相等，高度与钢制顶盖板的上表面齐平，其作用在于加压装置对煤(岩)样加压的过程中，将产生一

定程度的压缩变形，弹簧亦将随之而发生压缩变形，该压缩变形使得弹簧的环与环之间的

间隙减小，从而防止煤(岩)样内表面的煤(岩)屑脱落。

[0022] 进一步，步骤S4具体包括以下步骤：[0023] S41：记录下应力?应变曲线到达峰值时的轴向应力数值后，移除钢制顶盖板；将保温圆筒上设置的温度测量端口与温度传感器连接；所述温度测量端口以煤(岩)样中心为基

准，每60°布置一个，六个为一组；沿煤(岩)样轴向方向以距离端面50mm平面为基准，每50mm

布置一组；所述温度传感器为超声波温度传感器，但不仅限于该种温度传感器；

[0024] S42：将一定量的反应型高分子材料浆液注入到煤(岩)样的中心孔内，应用硬纸板盖住煤(岩)样的上端面，使之阻挡注入中心孔内的高分子材料浆液因膨胀而溢出。

[0025] 进一步，步骤S5具体包括以下步骤：[0026] S51：自注入高分子材料浆液后，随即开启温度传感器，并每间隔10s记录下每个温度传感器的示数与对应的时刻；

[0027] S52：直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃时，停止记录温度传感器的示数；观测煤(岩)样中各个测试点的温度是否超过了AQ1089?2011中规定的140℃，若

超过了该温度，则该反应型高分子材料不满足工程应用的要求。

[0028] 进一步，步骤S6具体包括以下步骤：[0029] S61：待温度测试完毕后，在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对煤(岩)样进行取芯，移除煤(岩)样中心孔内反应固化后的高分子材料，使其中心形成直径

40mm的钻孔；在煤(岩)样的下端面上，均匀涂抹上环氧树脂，并将密封胶垫与环氧树脂层粘

合；所述环氧树脂用于对煤(岩)样的下端面进行密封，防止煤(岩)样透气系数测定过程中，

试验气体经下端面流出而影响试验测定结果；所述密封胶垫为橡胶材质，其为台阶圆盘状，

密封胶垫的小直径与渗透缸体底板上圆形凹槽的直径相等，密封胶垫的大直径大于小直

径；所述渗透缸体底板中心设有高度大于密封胶垫厚度与煤(岩)样高度之和的圆柱，且圆

柱上设有密集的开孔，用以保证气体从圆柱的开孔进入煤(岩)样体内；

[0030] S62：所述渗透缸体底板和环形密封桶两端均设有对应的法兰，且法兰上开设有螺栓孔，通过螺栓紧固渗透缸体底板和环形密封桶，挤压密封胶垫的外缘实现对煤(岩)样底

端面的密封；所述环形密封桶内层上设有筛孔，且环形密封桶内径大于煤(岩)样的外径，使

得试验气体经由煤(岩)样中心孔流出其环形表面，经过筛孔，并由设置于环形密封桶外壁

上的出气口流出。

[0031] 进一步，步骤S7具体包括以下步骤：[0032] S71：在煤(岩)样的上端面上，均匀涂抹上环氧树脂，并将密封胶垫与环氧树脂层粘合；所述环氧树脂用于对煤(岩)样的上端面进行密封，防止煤(岩)样透气系数测定过程

中，试验气体经上端面流出而影响试验测定结果；

[0033] S72：所述渗透缸体顶板与渗透缸体底板尺寸相同，所述渗透缸体顶板上部开设有进气口，用于为试验气体的流动提供通道；用螺栓将渗透缸体顶板与环形密封桶用螺栓连

接并紧固。

[0034] 进一步，步骤S8具体包括以下步骤：[0035] S81：所述进气端的阀门安设于进气管路上，进气管路与渗透缸体顶板上的进气口连接；打开进气端的阀门，并连接高压氦气气源；所述高压氦气气源与煤(岩)体无任何物理

化学反应，故应用该气体进行煤(岩)体渗透系数的测试反映其自身对介质的阻流属性；

[0036] S82：所述高压氦气气源与进气管路通过减压阀连接，其作用在于控制煤(岩)样进气端的氦气气体压力数值；

[0037] S83：调节减压阀，使进气端的氦气气体压力数值满足试验要求，而后打开出气端的阀门，并记录出气端流量计的数值；所述出气端流量计为质量流量计，但不仅限于该种类

型的流量计；

[0038] S84：待出气端流量计示数在连续1h内，相对偏差小于1％时，表示氦气的流动已达到了稳定状态，随即记录下此时的氦气气体流量，进而获取相应的渗透系数数值；所述煤

(岩)样渗透系数按下式进行计算：

[0039][0040] 式中：q为单位面积氦气流量，m3/(m2.d)；R1为煤(岩)样的内径，m；R0为煤(岩)样的外径，m；p0为煤(岩)样进气端的氦气气体压力，MPa；p1为煤(岩)样出气端的氦气气体压力，

2 2

MPa；λ为煤(岩)样渗透系数，m/(MPa .d)。

[0041] 进一步，步骤S9具体包括以下步骤：[0042] S91：待煤(岩)样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；

[0043] S92：将煤(岩)样放置在钢制底板上，并将放置有煤(岩)样的钢制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，直至煤(岩)样应力?应变曲线达到峰值后随即停止

加压，并记录下此时的轴向应力；

[0044] S93：通过对比注入反应型高分子材料前后的煤(岩)样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力，判断该种高分子材料对加固的作用效果；若注入反应型高分子材料后的煤

(岩)样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力大于注入前，则表明该种高分子材料对加固

有明显的有效效果，反之则无。

[0045] 另一方面，本发明提供一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定装置，包括圆柱形煤(岩)样，所述圆柱形煤(岩)样中心沿轴向方向贯穿开设有钻孔，

所述煤(岩)样底部设置有钢制底板，顶部设有钢制顶盖板，所述钻孔内设置有弹簧，还灌有

高分子材料浆液以及对其边界进行约束的硬纸板；还包括用于包裹煤(岩)样外壁的保温圆

筒，所述保温圆筒上设有多个温度测量端口，以及与温度测量端口连接的温度传感器，还包

括用于向所述煤(岩)样施加轴向应力的压力机，所述压力机能够显示轴向应力数值和应

力?应变曲线。

[0046] 通过本装置，可检测矿用高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度和强度特性，具体如下：

[0047] 通过开启压力机对煤(岩)样逐步施加轴向应力，通过观测煤(岩)样的应力?应变曲线到达峰值后，即可停止加压，并记录下此时的轴向应力数值，以检测强度特性。

[0048] 在注入高分子材料浆液后，开启温度传感器，并每间隔10s记录下每个温度传感器的示数与对应的时刻；直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃时，可停止记录

温度传感器的示数。观测煤(岩)样中各个测试点的温度是否超过了AQ1089?2011中规定的

140℃，若超过了该温度，则该反应型高分子材料不满足工程应用的要求。

[0049] 再一方面，本发明提供一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定装置，包括环形密封桶，以及环形密封桶内的圆柱形煤(岩)样，所述圆柱形煤(岩)样

中心沿轴向方向贯穿开设有钻孔，所述煤(岩)样上端面和下端面均设有环氧树脂层，且在

两面环氧树脂层上均粘合有密封胶垫，所述下端面的密封胶垫连接有渗透缸体底板，所述

上端面连接有渗透缸体顶板，所述环形密封桶与渗透缸体底板、渗透缸体顶板密封连接；所

述环形密封桶包括内层和外层，所述内层上设有筛孔，所述外层上设有出气口，所述出气口

上连接有出气管路，所述出气管路上设有出气端阀门及出气端流量计；所述渗透缸体底板

中部设有穿过钻孔的圆柱管道，所述圆柱管道上开设有密集的开孔；所述渗透缸体顶板中

心设有连通钻孔和外部的进气口，连接进气管路，所述进气管路上设置有进气端阀门及减

压阀，所述进气管路连接高压氦气气源。

[0050] 通过本装置，可检测矿用高分子材料注浆后与煤岩混合体的渗透特性，具体如下：[0051] 高压氦气气源与煤(岩)体无任何物理化学反应，故应用该气体进行煤(岩)体渗透系数的测试可真实客观的反映其自身对介质的阻流属性；所述高压氦气气源与进气管路通

过减压阀连接，其作用在于控制煤(岩)样进气端的氦气气体压力数值；调节减压阀，使进气

端的氦气气体压力数值满足试验要求，而后打开出气端的阀门，并记录出气端流量计的数

值；所述出气端流量计为质量流量计，但不仅限于该种类型的流量计；待出气端流量计示数

在连续1h内，相对偏差小于1％时，可认为氦气的流动已达到了稳定状态，随即记录下此时

的氦气气体流量，进而可获取相应的渗透系数数值；所述煤(岩)样渗透系数按下式进行计

算：

[0052][0053] 式中：q为单位面积氦气流量，m3/(m2.d)；R1为煤(岩)样的内径，m；R0为煤(岩)样的外径，m；p0为煤(岩)样进气端的氦气气体压力，MPa；p1为煤(岩)样出气端的氦气气体压力，

2 2

MPa；λ为煤(岩)样渗透系数，m/(MPa .d)。

[0054] 本发明的有益效果在于：[0055] 本发明公开了一种煤矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度、渗透特性、强度连续测定方法及装置，通过加载使煤(岩)体发生塑性变形后，将反应型高分子材料

浆液注入到煤(岩)样的中心孔内，模拟反应型高分子材料浆液在煤(岩)体次生裂隙内的流

动情况，并通过设置于保温圆筒上的温度测量端口全方位测试注入高分子材料后煤(岩)体

的温度变化情况，可为矿用反应型高分子材料安全应用可行性分析提供可靠的技术手段；

通过测定注入反应型高分子材料后煤(岩)体的渗透系数，准确表征注入反应型高分子材料

对煤(岩)体堵水作业的应用效果；通过对注入反应型高分子材料前后煤(岩)体单轴抗压强

度的对比测试，能真实客观的反映注入反应型高分子材料前后对发生塑性变形煤(岩)体的

加固效果，为评价注入反应型高分子材料实施顶板加固、堵水等作业的安全性能与应用效

果提供技术支撑。

[0056] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可

以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和

获得。

附图说明[0057] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

[0058] 图1为本发明所述矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度、强度连续测定装置结构示意图；

[0059] 图2为本发明所述矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的渗透特性连续测定装置结构示意图。

[0060] 附图标记：1?煤(岩)样；2?保温圆筒；3?弹簧；4?温度测量端口；5?钢制顶盖板；6?钢制底板；7?渗透缸体底板；8?环形密封桶；9?环氧树脂层；10?密封胶垫；11?渗透缸体顶

板；12?出气管路；13?进气管路；14?进气端阀门；15?减压阀；16?出气端流量计；17?进气口；

18?出气口。

具体实施方式[0061] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实

施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离

本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示

意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相

互组合。

[0062] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不

代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是

可以理解的。

[0063] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系

为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或

暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述

位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术

人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0064] 一方面，一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定方法，包括以下步骤：

[0065] S1：将煤矿井下采集的煤(岩)样切割成圆柱体型；而后在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向开凿钻孔，并穿透煤(岩)样；

[0066] S2：将制备好的圆环体型煤(岩)样放置在钢制底板上，并用保温圆筒将煤(岩)样环向方向包裹，将钢制顶盖板放置在煤(岩)样顶部，将弹簧放置于煤(岩)样的中心钻孔内，

而后整体放置于加压装置上；

[0067] S3：开启加压装置对煤(岩)样逐步施加轴向应力，通过观测煤(岩)样的应力?应变曲线到达峰值后，停止加压，并记录下此时的轴向应力数值；

[0068] S4：将保温圆筒上的温度测量端口与温度传感器相连接，并将配制好的反应型高分子材料浆液倒入到煤(岩)样的中心钻孔内，应用硬纸板对中心钻孔内的反应型高分子材

料形成约束边界；

[0069] S5：记录各温度测量端口上温度传感器的示数，直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃；

[0070] S6：待温度测试完毕后，将煤(岩)样取出，移除煤(岩)样中心孔内反应固化后的高分子材料以及弹簧，随即将环氧树脂均匀涂抹在煤(岩)样的下端面，而后将密封胶垫与环

氧树脂层粘合，并放置在渗透缸体底板上；将渗透缸体底板与环形密封桶用螺栓连接并紧

固；

[0071] S7：将环氧树脂均匀涂抹在煤(岩)样的上端面，而后将密封胶垫与环氧树脂层粘合，将渗透缸体顶板放置在环氧树脂层上，并用螺栓将渗透缸体顶板与环形密封桶用螺栓

连接并紧固；

[0072] S8：打开进气端的阀门，并将进气口与高压氦气气源连通，调节氦气的压力使其为预定数值；而后打开出气端的阀门，使高压氦气在进气端与出气端的压力差的作用下，经由

煤(岩)样的环形实体流动至出气端，并读取出气端流量计的数值，待其数值稳定后，随即记

录下此时的氦气气体流量，进而可获取相应的渗透系数数值；

[0073] S9：待煤(岩)样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；而后将煤(岩)样放置在钢制底板上，并将放置有煤(岩)样的钢

制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，则试验完毕。

[0074] 步骤S1具体包括以下步骤：[0075] S11：将煤矿井下采集的煤(岩)样切割成直径200mm，高度400mm的圆柱体型后，用砂纸在煤(岩)样端面与环形表面进行打磨，而后以煤(岩)样端面中心为基准，用游标卡尺

测定端面中心四个正交方向上的距离，若任意两个测试的偏差小于0.5mm，则煤(岩)样尺寸

满足试验要求；

[0076] S12：在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对制备的直径200mm，高度400mm的圆柱体型煤(岩)样进行取芯，使其中心形成直径40mm的钻孔，取芯的深度与煤(岩)

样高度相等。

[0077] 步骤S2具体包括以下步骤：[0078] S21：所述钢制底板上带有直径略大于煤(岩)样外径的圆形凹槽，用以对煤(岩)样进行定位；所述保温圆筒材质为聚苯乙烯泡沫塑料，其作用在于隔绝注入反应型高分子材

料后煤(岩)样与外界的温度；所述钢制顶盖板为圆环状，其内径略小于煤(岩)样的内径，外

径略大于煤(岩)样外径；

[0079] S22：所述弹簧放置于煤(岩)样的中心孔内，其外径与钢制顶盖板的内径相等，高度与钢制顶盖板的上表面齐平，其作用在于加压装置对煤(岩)样加压的过程中，将产生一

定程度的压缩变形，弹簧亦将随之而发生压缩变形，该压缩变形使得弹簧的环与环之间的

间隙减小，从而防止煤(岩)样内表面的煤(岩)屑脱落。

[0080] 步骤S4具体包括以下步骤：[0081] S41：记录下应力?应变曲线到达峰值时的轴向应力数值后，移除钢制顶盖板；将保温圆筒上设置的温度测量端口与温度传感器连接；所述温度测量端口以煤(岩)样中心为基

准，每60°布置一个，六个为一组；沿煤(岩)样轴向方向以距离端面50mm平面为基准，每50mm

布置一组；所述温度传感器为超声波温度传感器，但不仅限于该种温度传感器；

[0082] S42：将一定量的反应型高分子材料浆液注入到煤(岩)样的中心孔内，应用硬纸板盖住煤(岩)样的上端面，使之阻挡注入中心孔内的高分子材料浆液因膨胀而溢出。

[0083] 步骤S5具体包括以下步骤：[0084] S51：自注入高分子材料浆液后，随即开启温度传感器，并每间隔10s记录下每个温度传感器的示数与对应的时刻；

[0085] S52：直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃时，停止记录温度传感器的示数；观测煤(岩)样中各个测试点的温度是否超过了AQ1089?2011中规定的140℃，若

超过了该温度，则该反应型高分子材料不满足工程应用的要求。

[0086] 步骤S6具体包括以下步骤：[0087] S61：待温度测试完毕后，在煤(岩)样的中心位置沿轴向方向，应用取芯装置对煤(岩)样进行取芯，移除煤(岩)样中心孔内反应固化后的高分子材料，使其中心形成直径

40mm的钻孔；在煤(岩)样的下端面上，均匀涂抹上环氧树脂，并将密封胶垫与环氧树脂层粘

合；所述环氧树脂用于对煤(岩)样的下端面进行密封，防止煤(岩)样透气系数测定过程中，

试验气体经下端面流出而影响试验测定结果；所述密封胶垫为橡胶材质，其为台阶圆盘状，

密封胶垫的小直径与渗透缸体底板上圆形凹槽的直径相等，密封胶垫的大直径大于小直

径；所述渗透缸体底板中心设有高度大于密封胶垫厚度与煤(岩)样高度之和的圆柱，且圆

柱上设有密集的开孔，用以保证气体从圆柱的开孔进入煤(岩)样体内；

[0088] S62：所述渗透缸体底板和环形密封桶两端均设有对应的法兰，且法兰上开设有螺栓孔，通过螺栓紧固渗透缸体底板和环形密封桶，挤压密封胶垫的外缘实现对煤(岩)样底

端面的密封；所述环形密封桶内层上设有筛孔，且环形密封桶内径大于煤(岩)样的外径，使

得试验气体经由煤(岩)样中心孔流出其环形表面，经过筛孔，并由设置于环形密封桶外壁

上的出气口流出。

[0089] 步骤S7具体包括以下步骤：[0090] S71：在煤(岩)样的上端面上，均匀涂抹上环氧树脂，并将密封胶垫与环氧树脂层粘合；所述环氧树脂用于对煤(岩)样的上端面进行密封，防止煤(岩)样透气系数测定过程

中，试验气体经上端面流出而影响试验测定结果；

[0091] S72：所述渗透缸体顶板与渗透缸体底板尺寸相同，所述渗透缸体顶板上部开设有进气口，用于为试验气体的流动提供通道；用螺栓将渗透缸体顶板与环形密封桶用螺栓连

接并紧固。

[0092] 步骤S8具体包括以下步骤：[0093] S81：所述进气端的阀门安设于进气管路上，进气管路与渗透缸体顶板上的进气口连接；打开进气端的阀门，并连接高压氦气气源；所述高压氦气气源与煤(岩)体无任何物理

化学反应，故应用该气体进行煤(岩)体渗透系数的测试反映其自身对介质的阻流属性；

[0094] S82：所述高压氦气气源与进气管路通过减压阀连接，其作用在于控制煤(岩)样进气端的氦气气体压力数值；

[0095] S83：调节减压阀，使进气端的氦气气体压力数值满足试验要求，而后打开出气端的阀门，并记录出气端流量计的数值；所述出气端流量计为质量流量计，但不仅限于该种类

型的流量计；

[0096] S84：待出气端流量计示数在连续1h内，相对偏差小于1％时，表示氦气的流动已达到了稳定状态，随即记录下此时的氦气气体流量，进而获取相应的渗透系数数值；所述煤

(岩)样渗透系数按下式进行计算：

[0097][0098] 式中：q为单位面积氦气流量，m3/(m2.d)；R1为煤(岩)样的内径，m；R0为煤(岩)样的外径，m；p0为煤(岩)样进气端的氦气气体压力，MPa；p1为煤(岩)样出气端的氦气气体压力，

2 2

MPa；λ为煤(岩)样渗透系数，m/(MPa .d)。

[0099] 步骤S9具体包括以下步骤：[0100] S91：待煤(岩)样渗透系数测试完毕后，卸下渗透缸体顶板与底板的螺栓、环形密封桶，应用刀片刮除密封胶垫；

[0101] S92：将煤(岩)样放置在钢制底板上，并将放置有煤(岩)样的钢制底板安设于加压装置下方，而后开启加压装置，重复S3，直至煤(岩)样应力?应变曲线达到峰值后随即停止

加压，并记录下此时的轴向应力；

[0102] S93：通过对比注入反应型高分子材料前后的煤(岩)样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力，判断该种高分子材料对加固的作用效果；若注入反应型高分子材料后的煤

(岩)样应力?应变曲线达到峰值时的轴向应力大于注入前，则表明该种高分子材料对加固

有明显的有效效果，反之则无。

[0103] 另一方面，如图1所示，本发明提供一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定装置，包括圆柱形煤(岩)样1，所述圆柱形煤(岩)样1中心沿轴向方向贯

穿开设有钻孔，所述煤(岩)样1底部设置有钢制底板6，顶部设有钢制顶盖板5，所述钻孔内

设置有弹簧3，还灌有高分子材料浆液以及对其边界进行约束的硬纸板；还包括用于包裹煤

(岩)样1外壁的保温圆筒2，所述保温圆筒2上设有多个温度测量端口4，以及与温度测量端

口4连接的温度传感器，还包括用于向所述煤(岩)样1施加轴向应力的压力机，所述压力机

能够显示轴向应力数值和应力?应变曲线。

[0104] 通过本装置，可检测矿用高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度和强度特性，具体如下：

[0105] 通过开启压力机对煤(岩)样逐步施加轴向应力，通过观测煤(岩)样的应力?应变曲线到达峰值后，即可停止加压，并记录下此时的轴向应力数值，以检测强度特性。

[0106] 在注入高分子材料浆液后，开启温度传感器，并每间隔10s记录下每个温度传感器的示数与对应的时刻；直至连续120min内温度传感器的示数变化小于0.5℃时，可停止记录

温度传感器的示数。观测煤(岩)样中各个测试点的温度是否超过了AQ1089?2011中规定的

140℃，若超过了该温度，则该反应型高分子材料不满足工程应用的要求。

[0107] 再一方面，如图2所示，本发明提供一种矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的特性连续测定装置，包括环形密封桶8，以及环形密封桶8内的圆柱形煤(岩)样1，所述

圆柱形煤(岩)样1中心沿轴向方向贯穿开设有钻孔，所述煤(岩)样上端面和下端面均设有

环氧树脂层9，且在两面环氧树脂层9上均粘合有密封胶垫10，所述下端面的密封胶垫10连

接有渗透缸体底板7，所述上端面连接有渗透缸体顶板11，所述环形密封桶与渗透缸体底板

7、渗透缸体顶板11密封连接；所述环形密封桶包括内层和外层，所述内层上设有筛孔，所述

外层上设有出气口18，所述出气口上连接有出气管路12，所述出气管路12上设有出气端阀

门及出气端流量计16；所述渗透缸体底板7中部设有穿过钻孔的圆柱管道，所述圆柱管道上

开设有密集的开孔；所述渗透缸体顶板11中心设有连通钻孔和外部的进气口17，连接进气

管路13，所述进气管路13上设置有进气端阀门14及减压阀15，所述进气管路13连接高压氦

气气源。

[0108] 通过本装置，可检测矿用高分子材料注浆后与煤岩混合体的渗透特性，具体如下：[0109] 高压氦气气源与煤(岩)体无任何物理化学反应，故应用该气体进行煤(岩)体渗透系数的测试可真实客观的反映其自身对介质的阻流属性；所述高压氦气气源与进气管路通

过减压阀连接，其作用在于控制煤(岩)样进气端的氦气气体压力数值；调节减压阀，使进气

端的氦气气体压力数值满足试验要求，而后打开出气端的阀门，并记录出气端流量计的数

值；所述出气端流量计为质量流量计，但不仅限于该种类型的流量计；待出气端流量计示数

在连续1h内，相对偏差小于1％时，可认为氦气的流动已达到了稳定状态，随即记录下此时

的氦气气体流量，进而可获取相应的渗透系数数值；所述煤(岩)样渗透系数按下式进行计

算：

[0110][0111] 式中：q为单位面积氦气流量，m3/(m2.d)；R1为煤(岩)样的内径，m；R0为煤(岩)样的外径，m；p0为煤(岩)样进气端的氦气气体压力，MPa；p1为煤(岩)样出气端的氦气气体压力，

2 2

MPa；λ为煤(岩)样渗透系数，m/(MPa .d)。

[0112] 本发明提供的煤矿用反应型高分子材料注浆后与煤岩混合体的温度、渗透特性、强度连续测定方法及装置，通过加载使煤(岩)体发生塑性变形后，将反应型高分子材料浆

液注入到煤(岩)样的中心孔内，模拟反应型高分子材料浆液在煤(岩)体次生裂隙内的流动

情况，并通过设置于保温圆筒上的温度测量端口全方位测试注入高分子材料后煤(岩)体的

温度变化情况，可为矿用反应型高分子材料安全应用可行性分析提供可靠的技术手段；通

过测定注入反应型高分子材料后煤(岩)体的渗透系数，准确表征注入反应型高分子材料对

煤(岩)体堵水作业的应用效果；通过对注入反应型高分子材料前后煤(岩)体单轴抗压强度

的对比测试，能真实客观的反映注入反应型高分子材料前后对发生塑性变形煤(岩)体的加

固效果，为评价注入反应型高分子材料实施顶板加固、堵水等作业的安全性能与应用效果

提供技术支撑。

[0113] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技

术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明

的权利要求范围当中。