一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置及方法，其模拟试验装置包括支座、位于支座上方的模拟箱、设置在支座和模拟箱之间用于调节模拟箱倾角的倾角调节机构，以及探测模拟箱内模拟样本裂缝情况的裂缝探测系统；其模拟试验方法包括步骤：一、模拟箱倾角的调节；二、钻孔瓦斯抽采中最优钻孔的获取；三、钻孔瓦斯抽采中最优封孔结构的获取。本发明专利技术模拟煤层处于不同倾角钻孔瓦斯抽采，还可模拟钻孔结构的性能以及封孔结构的性能，确定最优的钻孔结构和封孔结构，为实际煤层钻孔瓦斯抽采提供了有利的钻孔布置方案，也为煤层钻孔瓦斯抽采提供了保障，有助于提高瓦斯抽采效率及安全系数。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置及方法
本专利技术属于煤矿瓦斯抽采
，具体涉及一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置及方法。
技术介绍
我国是以煤炭作为主要能源的国家，随着国民经济的发展，煤炭的需求量与日俱增，煤炭的开采力度也越来越大，矿井逐步向深部延伸，煤层出现高瓦斯、松软性、低透性、易突出等特点，尤其瓦斯问题日益突出，治理瓦斯问题的根本方法是瓦斯抽采，而决定瓦斯抽采效果的关键环节是封孔，钻孔密封的好坏直接决定着采掘接替周期和整个矿井是否能够安全生产。我国目前大多矿井瓦斯抽采量不达标，究其原因除了煤层瓦斯基础工作做得不够、抽放瓦斯方法选择不当外，瓦斯抽采钻孔封孔效果满足不了工程要求也是一个重要原因，因此封孔效果与质量检测是煤层瓦斯抽采的关键。但是，现有技术中还缺乏结构简单、设计新颖合理、使用操作方便、实用性强的煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置。而为了研制出合适的煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，首先就需要在实验室内进行研究，为抽采钻孔的轴向瓦斯运移规律研究、合理封孔深度、封孔方法和钻孔结构、提高抽采效率研究提供理论和现实依据，为瓦斯抽采提供保障；但是，现有技术中，还缺乏切实可行的在实验室内进行煤矿瓦斯抽采钻孔的模拟试验装置和模拟试验方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，该模拟试验装置通过向模拟箱中加注瓦斯、钻孔瓦斯抽采来模拟在钻孔瓦斯抽采时煤层模拟样本中出现的裂缝位置以及抽采的瓦斯浓度变化情况，还可根据实际煤层结构模拟顺层钻孔抽采、穿层钻孔抽采以及煤层处于不同倾角时的钻孔瓦斯抽采，同时还可模拟在钻孔瓦斯抽采过程中，所设计的钻孔结构的性能以及封孔结构的性能，从而确定结构合理的钻孔结构和封孔结构，这样为实际煤层钻孔瓦斯抽采提供了有利的钻孔封孔布置方案，也为煤层钻孔瓦斯抽采提供了保障，有助于提高瓦斯抽采效率及安全系数。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：包括支座、位于支座上方的模拟箱和用于探测模拟箱内煤层模拟样本内裂缝位置的裂缝探测单元，支座上设置有用于调节模拟箱倾角的倾角调节机构；所述模拟箱通过进气管与瓦斯气罐连通，所述模拟箱上开设有多个漏气测量孔，所述漏气测量孔上安装有可拆卸的堵塞件，模拟箱的底部钻设有多个延伸至煤层模拟样本内部的钻孔和用于抽采煤层模拟样本内部瓦斯的抽采管，所述抽采管延伸至钻孔内，所述钻孔与抽采管之间设置有防止瓦斯气体溢出的封孔结构，所述抽采管与抽采泵连通，所述抽采管上安装有抽气控制阀和浓度传感器，所述模拟箱内设置有加载件；所述裂缝探测单元包括设置在模拟箱上用于跟踪所述煤层模拟样本内裂缝位置的声发射探头、与声发射探头连接的声发射采集盒和与所述声发射采集盒连接的计算机；所述倾角调节机构包括第一组液压支架和朝所述第一组液压支架方向滑动的第二组液压支架，所述第一组液压支架的底端固定在支座上，所述第一组液压支架的顶端铰接在模拟箱上，所述第二组液压支架的底端滑动安装在支座上，所述第二组液压支架的顶端铰接在模拟箱上。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第一组液压支架由第一液压支架和第二液压支架组成，所述第二组液压支架由第三液压支架和第四液压支架组成，第三液压支架和第四液压支架设置在第一液压支架和第二液压支架之间。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述支座包括两根相互平行的第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和第二横梁之间连接有四根连接梁，所述四根连接梁分别为固定第一液压支架的第一连接梁、固定第二液压支架的第二连接梁、滑动安装第三液压支架的第三连接梁和滑动安装第四液压支架的第四连接梁，所述第一液压支架和第二液压支架设置在靠近第二横梁的位置处。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第三液压支架的底部和第四液压支架的底部均设置有滑轨，第三连接梁和第四连接梁上均开设有供滑轨滑动的滑槽。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第二横梁上设置有防止倾斜至竖直状态的模拟箱翻倒的挡板。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述进气管与瓦斯气罐连通的管道上设置有流量传感器和进气控制阀，所述流量传感器与计算机的输入端连接，所述进气控制阀与计算机的输出端连接。上述一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述加载件为液压加载件，所述液压加载件上安装有压力传感器和压力控制阀，所述压力传感器与计算机的输入端连接，所述压力控制阀与计算机的输出端连接。同时，本专利技术还公开了一种步骤简单、实施方便、能够准确模拟钻孔瓦斯抽采、煤层处于不同倾角钻孔瓦斯抽采、顺层钻孔瓦斯抽采、穿层钻孔瓦斯抽采、钻孔瓦斯抽采时结构不同的钻孔的合理性以及钻孔瓦斯抽采时结构不同的封孔结构的合理性的模拟试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、模拟箱倾角的调节：滑动所述第二组液压支架，使所述模拟箱的底面与水平面之间具有倾角α；步骤二、钻孔瓦斯抽采中最优钻孔的获取:模拟在相同结构的封孔结构，不同结构的钻孔的情况下进行瓦斯抽采，进而筛选最优钻孔，具体模拟过程如下：步骤201、根据钻孔的孔径d、孔深H和方位倾角φ数值的不同设置N种结构不同的钻孔，其中，N为不小于2的正整数；步骤202、在模拟箱中铺装模拟样本，再采用加载件向所述模拟样本施加加载力，最后密封模拟箱,其中，所述模拟样本由煤层模拟样本和位于煤层模拟样本两侧的裂隙煤岩层模拟样本组成,所述煤层模拟样本与实际煤层抗压强度、硬度、弹性模量和剪切模量均相等，所述裂隙煤岩层模拟样本与实际裂隙煤岩层抗压强度、硬度、弹性模量和剪切模量也均相等；步骤203、通过进气管向模拟箱内充入瓦斯气体，直至模拟箱内的瓦斯浓度达到实际煤层中的瓦斯浓度时，停止瓦斯气体的充入，充入到模拟箱内的瓦斯气体扩散到煤层模拟样本内；步骤204、在模拟箱底部钻设孔径为di、孔深为Hi和方位倾角为φi的第i种钻孔，直至所述第i种钻孔延伸至煤层模拟样本内，将抽采管安装在第i种钻孔内，再在所述第i种钻孔与抽采管之间灌注封孔材料，待所述封孔材料凝固后形成封孔结构，其中1≤i≤N；步骤205、打开抽气控制阀，通过抽采管进行瓦斯抽采，并采用声发射探头探测煤层模拟样本内的裂缝，通过计算机识别煤层模拟样本的裂缝位置，再拆卸所述裂缝位置处的堵塞件，根据公式获取T时段内抽采的瓦斯浓度均值xi，其中，xit为浓度传感器测量的第i种钻孔在t时刻时抽采的瓦斯浓度实时值，计算机记录并存储该抽采的瓦斯浓度均值xi，并将抽采的瓦斯浓度均值xi作为瓦斯抽采第i组模拟试验数据；步骤206、移除模拟箱内的煤层模拟样本、裂隙煤岩层模拟样本、所述封孔材料和抽采管；步骤207、N次重复步骤202～步骤206，得到N组瓦斯抽采模拟试验数据；步骤208、比较并筛选N组瓦斯抽采模拟试验数据中抽采的瓦斯浓度均值xi中的最大值xmax，则抽采的瓦斯浓度均值中的最大值xmax相对应的钻孔为N种钻孔中的最优钻孔；步骤三、钻孔瓦斯抽采中最优封孔结构的获取：模拟在相同结构的钻孔，不同结构的封孔结构的情况下进行瓦斯抽采，进而筛选最优封孔结构，具体模拟过程如下：步骤301、根据封孔结构的封孔深度h和封孔材料强度σ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：包括支座(3)、位于支座(3)上方的模拟箱(4)和用于探测模拟箱(4)内煤层模拟样本(27‑1)内裂缝位置的裂缝探测单元，支座(3)上设置有用于调节模拟箱(4)倾角的倾角调节机构；所述模拟箱(4)通过进气管(5)与瓦斯气罐(6)连通，所述模拟箱(4)上开设有多个漏气测量孔(4‑2)，所述漏气测量孔(4‑2)上安装有可拆卸的堵塞件(9)，模拟箱(4)的底部钻设有多个延伸至煤层模拟样本(27‑1)内部的钻孔(4‑3)和用于抽采煤层模拟样本(27‑1)内部瓦斯的抽采管(11)，所述抽采管(11)延伸至钻孔(4‑3)内，所述钻孔(4‑3)与抽采管(11)之间设置有防止瓦斯气体溢出的封孔结构(10)，所述抽采管(11)与抽采泵(12)连通，所述抽采管(11)上安装有抽气控制阀(13)和浓度传感器(30)，所述模拟箱(4)内设置有加载件(26)；所述裂缝探测单元包括设置在模拟箱(4)上用于跟踪所述煤层模拟样本(27‑1)内裂缝位置的声发射探头(14)、与声发射探头(14)连接的声发射采集盒(16)和与所述声发射采集盒(16)连接的计算机(17)；所述倾角调节机构包括第一组液压支架和朝所述第一组液压支架方向滑动的第二组液压支架，所述第一组液压支架的底端固定在支座(3)上，所述第一组液压支架的顶端铰接在模拟箱(4)上，所述第二组液压支架的底端滑动安装在支座(3)上，所述第二组液压支架的顶端铰接在模拟箱(4)上。...

【技术特征摘要】
1.一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：包括支座(3)、位于支座(3)上方的模拟箱(4)和用于探测模拟箱(4)内煤层模拟样本(27-1)内裂缝位置的裂缝探测单元，支座(3)上设置有用于调节模拟箱(4)倾角的倾角调节机构；所述模拟箱(4)通过进气管(5)与瓦斯气罐(6)连通，所述模拟箱(4)上开设有多个漏气测量孔(4-2)，所述漏气测量孔(4-2)上安装有可拆卸的堵塞件(9)，模拟箱(4)的底部钻设有多个延伸至煤层模拟样本(27-1)内部的钻孔(4-3)和用于抽采煤层模拟样本(27-1)内部瓦斯的抽采管(11)，所述抽采管(11)延伸至钻孔(4-3)内，所述钻孔(4-3)与抽采管(11)之间设置有防止瓦斯气体溢出的封孔结构(10)，所述抽采管(11)与抽采泵(12)连通，所述抽采管(11)上安装有抽气控制阀(13)和浓度传感器(30)，所述模拟箱(4)内设置有加载件(26)；所述裂缝探测单元包括设置在模拟箱(4)上用于跟踪所述煤层模拟样本(27-1)内裂缝位置的声发射探头(14)、与声发射探头(14)连接的声发射采集盒(16)和与所述声发射采集盒(16)连接的计算机(17)；所述倾角调节机构包括第一组液压支架和朝所述第一组液压支架方向滑动的第二组液压支架，所述第一组液压支架的底端固定在支座(3)上，所述第一组液压支架的顶端铰接在模拟箱(4)上，所述第二组液压支架的底端滑动安装在支座(3)上，所述第二组液压支架的顶端铰接在模拟箱(4)上。2.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第一组液压支架由第一液压支架(18)和第二液压支架(19)组成，所述第二组液压支架由第三液压支架(20)和第四液压支架(21)组成，第三液压支架(20)和第四液压支架(21)设置在第一液压支架(18)和第二液压支架(19)之间。3.根据权利要求2所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述支座(3)包括两根相互平行的第一横梁(3-1)和第二横梁(3-2)，所述第一横梁(3-1)和第二横梁(3-2)之间连接有四根连接梁，所述四根连接梁分别为固定第一液压支架(18)的第一连接梁(3-3)、固定第二液压支架(19)的第二连接梁(3-4)、滑动安装第三液压支架(20)的第三连接梁(3-5)和滑动安装第四液压支架(21)的第四连接梁(3-6)，所述第一液压支架(18)和第二液压支架(19)设置在靠近第二横梁(3-2)的位置处。4.根据权利要求3所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第三液压支架(20)的底部和第四液压支架(21)的底部均设置有滑轨(22)，第三连接梁(3-5)和第四连接梁(3-6)上均开设有供滑轨(22)滑动的滑槽(23)。5.根据权利要求3所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述第二横梁(3-2)上设置有防止模拟箱(4)翻倒的挡板(25)。6.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述进气管(5)与瓦斯气罐(6)连通的管道上设置有进气控制阀(8)和流量传感器(7)，所述流量传感器(7)与计算机(17)的输入端连接，所述进气控制阀(8)与计算机(17)的输出端连接。7.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置，其特征在于：所述加载件(26)为液压加载件，所述液压加载件上安装有压力传感器(28)和压力控制阀(29)，所述压力传感器(28)与计算机(17)的输入端连接，所述压力控制阀(29)与计算机(17)的输出端连接。8.一种利用如权利要求1所述的煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验装置进行煤层钻孔瓦斯抽采模拟试验的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、模拟箱倾角的调节：滑动所述第二组液压支架，使所述模拟箱(4)的底面与水平面之间具有倾角α；步骤二、钻孔瓦斯抽采中最优钻孔的获取:模拟在相同结构的封孔结构(10)，不同结构的钻孔(4-3)的情况下进行瓦斯抽采，进而筛选最优钻孔，具体模拟过程如下：步骤201、根据钻孔(4-3)的孔径d、孔深H和方位倾角φ数值的不同设置N种结构不同的钻孔(4-3)，其中，N为不小于2的正整数；步骤202、在模拟箱(4)中铺装模拟样本，再采用加载件(26)向所述模拟样本施加加载力，最后密封模拟箱(4),其中，所述模拟样本由煤层模拟样本(27-1)和位于煤层模拟样本(27-1)两侧的裂隙煤岩层模拟样本(27-2)组成,所述煤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天军，蒋兴科，包若羽，张磊，宋爽，羽玥，郭海龙，庞明坤，陈智云，彭文清，纪翔，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61