【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤层气及煤矿瓦斯抽采和消突领域，具体涉及一种模拟空气动力造穴的实验装置及实验方法。
技术介绍
1、空气动力造穴技术在煤层气开采中的应用已经得到广泛关注和应用。它是一种通过利用高压空气或其他气体来激荡煤层，增强煤与瓦斯解吸、渗流的技术。在煤层气裸眼洞穴完井方面，空气动力造穴技术可以通过向钻孔中注入高压空气，产生冲击波和压力效应，从而扩大煤层裸露面积，提高瓦斯解吸速率和抽采效率。这样可以有效减少煤炭开采过程中的瓦斯积聚和压力积累，降低瓦斯或煤与瓦斯突出事故的风险。在井下钻孔气体介质掏煤方面，空气动力造穴技术可以通过注入高压空气来破坏煤体结构，提高煤层渗透性，促进煤与瓦斯的解吸和流动。这样可以提高煤层的产气速率和总量，加快煤层气的开采进程。空气动力造穴技术的优点在于操作简单、成本较低、安全可靠。它可以与其他煤层气开发技术相结合，如水力压裂、水平井等，共同提高煤层气开发效果。
2、目前，世界许多国家针对空气动力造穴的现场装置改造和数值模拟进行大量了研究，为现场的工程实践提供了一定的参考。
3、在现有技术中：中国专利(cn 108533173a)提供一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及方法，实验装置包括多气体高压注气子装置、主体装置和煤粉收集子装置，所述主体装置至少包括模拟钻杆和压力室，压力室的内部腔体放有煤样，模拟钻杆设置于内部腔体，所述多气体高压注气子装置通过注气管路连接至主体装置，所述注气管路伸入压力室，所述煤粉收集子装置包含除尘器、煤粉收集池和汇水池，所述煤粉收集池通过放喷管路连接至
4、现有的研究技术主要是针对空气动力造穴相关的现场仪器研究，关于空气动力造穴技术的实验室模拟较为稀少，相关的研究在模拟煤层和造穴后煤层裂缝及应力分布的改变方面也缺乏一定的解释。
5、为此本专利技术提出一种模拟空气动力造穴的实验装置及实验方法。针对碎软突出煤层矿区的“双突”难题，为深入研究空气动力造穴、扩孔效果并优化工艺参数，为气体介质动力造穴施工工艺及其关键参数的选取提供模拟情况和理论依据。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是如何实现空气动力造穴技术的实验室模拟。
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种模拟空气动力造穴的实验装置，包括样品容器、加载控制系统、气体压力控制系统、煤粉收集系统、实时ct监测系统和应变采集系统，煤样的一端具有沉孔，所述煤样放置于所述样品容器的样品腔内，且所述沉孔朝向所述样品腔的一端，
3、所述加载控制系统与所述样品容器的围压腔和轴压腔连通，
4、所述气体压力控制系统与所述样品腔连通，
5、所述煤粉收集系统与所述样品腔一端连通，
6、所述实时ct监测系统用于实时获取所述煤样的实时ct扫描图像、第一渗透范围ct图像和第二渗透范围ct图像，并将所述ct扫描图像、所述第一渗透范围ct图像和所述第二渗透范围ct图像传给控制器，
7、所述应变采集系统与所述煤样连接，所述应变采集系统用于实时获取所述煤样的应变数据，并将所述应变数据传输给控制器。
8、本专利技术的有益效果是：本方案中，在煤样一端预制一个沉孔，模拟实际钻井的钻孔，沉孔的几何尺寸可根据设计进行调整。沉孔不完全贯通煤样，煤样另一端预留的未掏空部分来模拟空气造穴的实际煤层。实际制得的沉孔周围有一些裂隙，这符合实际钻井的情况，不会影响实验结果。而且沉孔可保证实验后空气从样品腔的一端流出，减少煤粉损失，贴近实际工程情况，实验准确性高。
9、加载控制系统与样品容器的围压腔和轴压腔连通，用于控制向围压腔和轴压腔注入液体的量，从而控制样品腔的围压和轴压，以此模拟煤层在地下的地应力环境。
10、气体压力控制系统与样品容器的样品腔连通，用于将样品腔抽真空、向样品腔注入气体和排出气体。
11、在放喷煤样时，使煤粉收集系统与样品腔连通，让造穴过程中产生的煤粉随气体一同从样品腔进入煤粉收集系统内，并称重。
12、实时ct监测系统用于获取煤样ct扫描图像以便进行三维重构，实时ct监测系统连接在样品腔，利于实时追踪煤样内部闭合、扩展及微破裂情况，为确定空气造穴增透范围提供依据。
13、应变采集系统用于实时获取煤样在造穴过程中的各方向的应变数据。
14、本实验装置可实现煤层空气动力造穴的实验模拟，从而直观的对空气动力造穴效果及其对煤层改造结果进行观测研究，增进对煤层增透消突的认识、优化工艺参数、验证理论模型、评估安全性，并提高煤层消突的社会经济效益。声发射的引入更有利于对空气动力造穴过程中对煤储层的改造和消突效果的分析。
15、在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
16、进一步，所述煤样为圆柱形或棱柱形，所述沉孔为圆柱形孔或棱柱形孔。
17、进一步，所述加载控制系统包括轴压伺服泵和围压伺服泵，所述轴压伺服泵通过轴压管道与所述轴压腔连通，所述围压伺服泵通过围压管道与所述围压腔连通。
18、采用上述进一步方案的有益效果是：轴压伺服泵用于控制向轴压腔注入液体的量，从而控制样品腔的轴压。围压伺服泵用于控制向围压腔注入液体的量，从而控制样品腔的围压。
19、进一步，所述气体压力控制系统包括气源、排气系统和真空泵，所述气源、所述排气系统和所述真空泵均与所述样品腔连通。
20、采用上述进一步方案的有益效果是：真空泵用于将样品腔抽真空，气源用于向样品腔注入气体，排气系统用于排出样品腔内的气体。
21、进一步，所述气体压力控制系统还包括气源管道、减压阀、第一阀门、排气系统管道、真空管道、排气主管道、第二阀门、第三阀门和第五阀门，所述气源通过所述气源管道与所述样品腔连通，所述气源管道上设有所述减压阀和所述第一阀门；所述排气系统与所述排气系统管道的一端连通，所述真空泵与所述真空管道的一端连通，所述排气系统管道的另一端和所述真空管道的另一端均与所述排气主管道的一端连通，所述排气主管道的另一端与所述样品腔连通，所述排气主管道上设有所述第二阀门，所述真空管道上设有所述第三阀门，所述排气系统管道上设有所述第五阀门。
22、采用上述进一步方案的有益效果是：减压阀用于限制进入样品腔的气体压力，第一阀门控制气源管道的连通和断开。
23、第二阀门和第三阀门开启时，真空泵通过真空管道和排气主管道与样品腔连通，可将样品腔抽真空。
24、第二阀门和第五阀门开启时，排气系统通过排气系统管道和排气主管道与样品腔连通，此时样品腔内的气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，包括样品容器(1)、加载控制系统、气体压力控制系统、煤粉收集系统、实时CT监测系统和应变采集系统，煤样(100)的一端具有沉孔(200)，所述煤样(100)放置于所述样品容器(1)的样品腔内，且所述沉孔(200)朝向所述样品腔的一端，
2.根据权利要求1所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述煤样(100)为圆柱形或棱柱形，所述沉孔(200)为圆柱形孔或棱柱形孔。
3.根据权利要求1所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述加载控制系统包括轴压伺服泵(2)和围压伺服泵(3)，所述轴压伺服泵(2)通过轴压管道与所述轴压腔连通，所述围压伺服泵(3)通过围压管道与所述围压腔连通。
4.根据权利要求3所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气体压力控制系统包括气源(4)、排气系统(5)和真空泵(6)，所述气源(4)、所述排气系统(5)和所述真空泵(6)均与所述样品腔连通。
5.根据权利要求4所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气体压力控
6.根据权利要求5所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气体压力控制系统还包括流量计(12)，所述流量计(12)安装于所述排气系统管道上；所述轴压管道、所述围压管道、所述气源管道和所述排气系统管道上均设有压力传感器(13)。
7.根据权利要求5所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气源管道与所述样品腔连通的一端端部设有滤纸。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述煤粉收集系统包括天平(14)和收集仓(15)，所述收集仓(15)放置于所述天平(14)上，所述收集仓(15)与所述样品腔连通。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述应变采集系统包括多个应变片(16)和应变采集仪(17)，多个所述应变片(16)均与所述应变采集仪(17)通讯连接，所述应变采集仪(17)与所述控制器通讯连接，多个所述应变片(16)分为两组应变片组，其中一组所述应变片组固定于所述煤样(100)外壁，另一组所述应变片组固定于所述沉孔(200)内。
10.一种实验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的模拟空气动力造穴的实验装置实现，包括以下步骤:
...【技术特征摘要】
1.一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，包括样品容器(1)、加载控制系统、气体压力控制系统、煤粉收集系统、实时ct监测系统和应变采集系统，煤样(100)的一端具有沉孔(200)，所述煤样(100)放置于所述样品容器(1)的样品腔内，且所述沉孔(200)朝向所述样品腔的一端，
2.根据权利要求1所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述煤样(100)为圆柱形或棱柱形，所述沉孔(200)为圆柱形孔或棱柱形孔。
3.根据权利要求1所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述加载控制系统包括轴压伺服泵(2)和围压伺服泵(3)，所述轴压伺服泵(2)通过轴压管道与所述轴压腔连通，所述围压伺服泵(3)通过围压管道与所述围压腔连通。
4.根据权利要求3所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气体压力控制系统包括气源(4)、排气系统(5)和真空泵(6)，所述气源(4)、所述排气系统(5)和所述真空泵(6)均与所述样品腔连通。
5.根据权利要求4所述的一种模拟空气动力造穴的实验装置，其特征在于，所述气体压力控制系统还包括气源管道、减压阀(7)、第一阀门(8)、排气系统管道、真空管道、排气主管道、第二阀门(9)、第三阀门(10)和第五阀门(11)，所述气源(4)通过所述气源管道与所述样品腔连通，所述气源管道上设有所述减压阀(7)和所述第一阀门(8)；所述排气系统(5)与所述排气系统管道的一端连通，所述真空泵(6)与所述真空管道的一端连通，所述排气系统管道...
【专利技术属性】
技术研发人员：王勃，祝捷，屈争辉，刘轩，张宇博，王鹏晓，杨卫华，
申请(专利权)人：应急管理部信息研究院煤炭信息研究院，
类型：发明
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