【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿开采，具体地，涉及一种模拟石门揭煤装置及方法。
技术介绍
1、在煤矿开采过程中，石门揭煤是一项复杂而危险的工程。由于煤层中通常含有大量的瓦斯气体，在石门揭煤过程中，煤体的突然暴露会导致瓦斯瞬间涌出，极易引发瓦斯突出事故，严重威胁着煤矿工人的生命安全和矿井的正常生产。为了降低瓦斯突出风险，提高石门揭煤的安全性和效率，通常需要在揭煤前进行瓦斯抽采。然而，传统的瓦斯抽采方法存在抽采效率低、抽采时间长等问题，难以满足快速揭煤的需求。此外，随着煤矿开采深度的不断增加，煤层的地质条件变得更加复杂，瓦斯压力和含量也不断增大，这给石门揭煤和瓦斯抽采工作带来了更大的挑战。相关技术中，石门揭煤需要在现场逐步尝试得到石门揭煤方案的各相关参数，安全风险大，效率较低，因此，为了有效地模拟实际工况，为现场的石门揭煤方案提供验证的模型，并对所提供的石门揭煤方案进行效果分析，有必要提供一种可在实验室实施的模拟石门揭煤装置与模拟方法。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种模拟石门揭煤装置及方法，针对石门揭煤需要在现场逐步尝试得到石门揭煤方案的各相关参数，安全风险大，效率较低的问题提出解决方案，能够在实验室中实施模拟石门揭煤的实验。
2、为实现上述目的，第一方面本专利技术提供了一种模拟石门揭煤装置，包括：
3、环境模拟系统，所述环境模拟系统用于模拟地层环境；
4、试样组，所述试样组设置于所述环境模拟系统内，包括岩层试样、煤层试样；
5、瓦斯预处理系统
6、采探系统，所述采探系统对应所述试样组设置，所述采探系统用于模拟石门揭煤；
7、监控系统，所述监控系统用于监控所述环境模拟系统的瓦斯流量以及应力、瓦斯预处理系统工作过程中的流量以及压力以及所述采探系统工作过程中的作用力以及瓦斯浓度。本专利技术的模拟石门揭煤装置，所述试样组设置于所述环境模拟系统内部，所述环境模拟系统通过向所述试样组通入瓦斯、施加压力等手段模拟所述试样组在地层中的环境，并使所述煤层试样吸附足够的瓦斯，模拟实际的工作环境的煤层中瓦斯的含量。所述瓦斯预处理系统作用于所述试样组，促进瓦斯解吸，并对瓦斯进行抽采，模拟实际工作中进行石门揭煤前的预处理。随后将所述瓦斯预处理系统拆下，并安装所述采探系统，所述采探系统沿所述岩层试样至所述煤层试样的方向，向所述试样组内部钻探，直至取出部分煤层试样。所述监控系统对所述环境模拟系统的瓦斯流量以及应力、瓦斯预处理系统工作过程中的流量以及压力以及所述采探系统工作过程中的作用力以及瓦斯浓度等因素进行监控，通过分析上述项目的数据，能够判断所述瓦斯预处理系统是否能够充分发挥作用、瓦斯突出发生的可能性大小等，为实际的工程开采提供可靠依据，为优化现场开采工艺提供大量数据支撑，为煤矿安全生产提供科学参考。
8、作为一种可选的技术方案，所述环境模拟系统包括环境模拟箱、瓦斯注入机构以及压力模拟机构，所述试样组以及所述压力模拟机构设置于所述环境模拟箱内，所述压力模拟机构对应所述试样组设置，所述瓦斯注入机构连接于所述环境模拟箱，所述瓦斯注入机构用于向所述环境模拟箱内的所述煤层试样注入瓦斯；
9、所述环境模拟箱上设有预留孔，所述预留孔对应所述试样组设置，所述瓦斯预处理系统、所述采探系统通过所述预留孔连接于所述试样组。所述试样组可以直接在所述环境模拟箱中预先制成，通过更换容纳有不同特性的所述试样组的所述环境模拟箱，可以便捷地对不同特性的所述试样组进行实验，有利于提高实验效率。
10、作为一种可选的技术方案，所述环境模拟箱包括内箱、外箱以及封闭板，所述外箱套设于所述内箱之外，所述预留孔自所述外箱贯穿至所述内箱，所述封闭板设置于所述外箱或所述内箱内部且覆盖于所述预留孔，所述试样组设置于所述内箱内部。预留孔的设置可以对所述瓦斯预处理系统以及所述采探系统的安装起到指示作用，并可以提前在预留孔附近布置所述监控系统的部件，以便所述监控系统获得及时准确的数据，但在所述瓦斯注入机构向所述煤层试样中加注瓦斯时，瓦斯易从所述预留孔中泄露，不仅降低了瓦斯加注的效率还会对实验人员的安全造成威胁。使用封闭板能够在所述瓦斯注入机构向所述煤层试样中加注瓦斯的过程中封闭所述预留孔，完成瓦斯加注后，再破坏所述封闭板以安装所述瓦斯预处理系统和所述采探系统，从而降低瓦斯泄漏的风险，保护实验人员的安全。
11、作为一种可选的技术方案，所述内箱为柔性材质，所述压力模拟机构包括第一水囊以及第二水囊，所述第一水囊设置于所述内箱与所述外箱之间，且与所述预留孔相对设置，所述第二水囊设置于所属于内箱与所述外箱之间，所述第二水囊与所述第一水囊相邻设置且与所述第一水囊位于所述内箱的不同侧。将所述第一水囊以及所述第二水囊安装于上述位置后，再封闭所述外箱，所述第一水囊以及所述第二水囊由于所述外箱内壁的挤压作用可以对所述内箱表面形成压力，由于所述内箱为柔性材质，压力会传递至所述试样组，通过调整所述第一水囊以及所述第二水囊充水的体积可以控制所述试样组受到的压力。
12、作为一种可选的技术方案，所述监控系统包括第一流量计以及应力传感器，所述第一流量计设置于所述瓦斯注入机构；
13、所述应力传感器设置于所述试样组表面，且对应所述第一水囊和所述第二水囊设置。所述应力传感器能够获取所述第一水囊以及所述第二水囊对所述试样组的压力数据，便于实验人员对实验的精准控制。
14、作为一种可选的技术方案，所述瓦斯预处理系统包括水力割缝机构、超声波发生机构以及瓦斯抽采机构，所述水力割缝机构用于自所述环境模拟系统外部贯穿至所述试样组内部；所述超声波发生机构安装于所述煤层试样；所述瓦斯抽采机构用于自所述环境模拟系统外部插入至所述煤层试样。通过水力割缝以及超声波促进煤层对瓦斯的吸附是石门揭煤作业中的常用手段，使用所述水力割缝机构以及所述超声波发生机构对所述试样组进行预处理能够还原实际生产中石门揭煤的过程，有助于提高实验结果与实际生产的匹配程度，从而提升实验的指导性作用。
15、作为一种可选的技术方案，所述监控系统包括第一压力计、第二压力计、第二流量计以及第三流量计，所述第一压力计以及所述第二流量计设置于所述水力割缝机构，所述第二压力计以及所述第三流量计设置于所述瓦斯抽采机构。本技术方案能够对所述水力割缝机构以及所述瓦斯抽采机构实现量化监控，便于实验人员调控所述水力割缝机构以及所述瓦斯抽采机构。
16、作为一种可选的技术方案，所述采探系统包括电钻、支架以及轨道，所述轨道平行于所述预留孔轴线设置，所述支架滑动连接于所述轨道，所述电钻对应所述预留孔设置，且所述电钻连接于所述支架；
17、沿所述预留孔轴线方向，所述岩层试样相较所述煤层试样更靠近所述外箱。所述采探系统工作时，使用人力或其他驱动器件沿所述轨道匀速推动所述支架，使所述电钻穿过所述预留孔，并从所述岩层试样贯穿至所述煤层试样，从而模拟石门揭煤过程。
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【技术保护点】
1.一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述环境模拟系统包括环境模拟箱、瓦斯注入机构以及压力模拟机构，所述试样组以及所述压力模拟机构设置于所述环境模拟箱内，所述压力模拟机构对应所述试样设置，所述瓦斯注入机构连接于所述环境模拟箱，所述瓦斯注入机构用于向所述环境模拟箱内的所述煤层试样注入瓦斯；
3.根据权利要求2所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述环境模拟箱包括内箱、外箱以及封闭板，所述外箱套设于所述内箱之外，所述预留孔自所述外箱贯穿至所述内箱，所述封闭板设置于所述外箱或所述内箱内部且覆盖于所述预留孔，所述试样设置于所述内箱内部。
4.根据权利要求3所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述内箱为柔性材质，所述压力模拟机构包括第一水囊以及第二水囊，所述第一水囊设置于所述内箱与所述外箱之间，且与所述预留孔相对设置，所述第二水囊设置于所属于内箱与所述外箱之间，所述第二水囊与所述第一水囊相邻设置且与所述第一水囊位于所述内箱的不同侧。
5.根据权利要求4所述的一种模拟石门
6.根据权利要求1所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述瓦斯预处理系统包括水力割缝机构、超声波发生机构以及瓦斯抽采机构，所述水力割缝机构用于自所述环境模拟系统外部贯穿至所述试样组内部；所述超声波发生机构安装于所述煤层试样；所述瓦斯抽采机构自所述环境模拟系统外部插入至所述煤层试样。
7.根据权利要求6所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述监控系统包括第一压力计、第二压力计、第二流量计以及第三流量计，所述第一压力计以及所述第二流量计设置于所述水力割缝机构，所述第二压力计以及所述第三流量计设置于所述瓦斯抽采机构。
8.根据权利要求2所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述采探系统包括电钻、支架以及轨道，所述轨道平行于所述预留孔轴线设置，所述支架滑动连接于所述轨道，所述电钻对应所述预留孔设置，且所述电钻连接于所述支架；
9.根据权利要求8所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述监控系统包括测力计以及瓦斯传感器，所述测力计设置于所述电钻与所述支架的连接处，所述瓦斯传感器对应所述预留孔设置。
10.一种模拟石门揭煤的方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意一项中所述的模拟石门揭煤装置实现，所述方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述环境模拟系统包括环境模拟箱、瓦斯注入机构以及压力模拟机构，所述试样组以及所述压力模拟机构设置于所述环境模拟箱内，所述压力模拟机构对应所述试样设置，所述瓦斯注入机构连接于所述环境模拟箱，所述瓦斯注入机构用于向所述环境模拟箱内的所述煤层试样注入瓦斯；
3.根据权利要求2所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述环境模拟箱包括内箱、外箱以及封闭板，所述外箱套设于所述内箱之外，所述预留孔自所述外箱贯穿至所述内箱，所述封闭板设置于所述外箱或所述内箱内部且覆盖于所述预留孔，所述试样设置于所述内箱内部。
4.根据权利要求3所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述内箱为柔性材质，所述压力模拟机构包括第一水囊以及第二水囊，所述第一水囊设置于所述内箱与所述外箱之间，且与所述预留孔相对设置，所述第二水囊设置于所属于内箱与所述外箱之间，所述第二水囊与所述第一水囊相邻设置且与所述第一水囊位于所述内箱的不同侧。
5.根据权利要求4所述的一种模拟石门揭煤装置，其特征在于，所述监控系统包括第一流量计以及应力传感器，所述第一流量计设置于所述瓦斯注入机...
【专利技术属性】
技术研发人员：左少杰，王坤，文志杰，赵康，葛兆龙，张亮，姜志忠，沈晓莹，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：
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