一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置及方法，该装置包括煤岩体气?固耦合渗透性试验系统、煤岩体试件加载系统、加气系统、煤岩体试件钻孔系统；煤岩体气?固耦合渗透性试验系统包括箱体容器，箱体容器的顶部及一侧敞开，箱体容器另一侧开设导气管孔；煤岩体试件加载系统包括加载机压头和加载机底盘；加气系统包括瓦斯气源和导气管，导气管一端与瓦斯气源相连，导气管另一端伸入箱体容器的导气管孔，煤岩体试件钻孔系统包括钻杆，钻杆设置在箱体容器敞开的一侧并与钻杆推进机构相连。本发明可用于研究不同应力条件下深部煤岩体瓦斯运移规律、不同岩性试件对钻杆钻进参数影响规律以及不同应力及瓦斯压力条件下瓦斯抽采效率。
【专利说明】
一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤炭开采过程中瓦斯抽采技术领域，尤其是一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国煤矿瓦斯灾害突出，高瓦斯和突出矿井所占比例高，且矿井瓦斯灾害是我国煤矿伤亡和损失最大、发生最频繁的矿井事故。近些年，为了治理煤矿瓦斯问题，世界各国普遍采用瓦斯抽采的方法来降低矿井瓦斯灾害事故的发生几率。但是，由于对煤岩体与瓦斯之间的相互作用机理还不是很清楚，目前世界各国对瓦斯的捕获与利用率不高。特别是我国绝大多数矿区存在煤层赋存地质条件复杂，煤层渗透率低、煤层瓦斯吸附能力强以及抽采钻孔围岩岩性变化大等特点，从而导致瓦斯抽采效率低下。
[0003]查阅现有相关研究文献得知，国内外已公开的专利及文献对于煤层瓦斯渗透规律及抽放钻孔等做了一定研究。申请号为201510156337.6的中国发明专利公开了一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法。该发明通过真三轴压力试验装置改变不同方向的应力大小，并通过光学钻孔变形观测装置研究不同强度煤体在不同应力状态下的孔径变化规律;通过煤体裂隙演化观测装置的显微镜和摄像机，可以对抽采钻孔周围煤体的裂隙演化进行实时观测和拍摄图像。申请号为201510055670.8的中国发明专利公开了一种恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置及方法。该装置包括用于对试件的定量充气、三轴加压卸压以及整个过程的可视化实时监测的可视化加载系统、用于实现轴向加压过程的容积恒定的恒容系统以及用于实现对围压的定量卸载以及试件吸附解吸过程的可视化监测的常压可视化气体体积测量系统。上述装置及方法均存在不足之处，材料一(201510156337.6)研究了煤体在不同应力条件下钻孔孔径的变化规律，未能加气研究孔径变化造成瓦斯抽采效率的差异，也未能进一步研究加压条件下改变钻孔参数对抽采效率的影响；材料二( 201510055670.8)仅对定量加压条件下煤体试件瓦斯吸附、解析规律进行了研究，未能进一步对煤岩应力变化、瓦斯压力变化及抽放钻孔三者之间相互作用关系进行研究。
[0004]因此，为了进一步研究深部煤岩体与瓦斯的相互作用机理，不同应力作用下瓦斯解析、渗流规律，以及获得瓦斯抽采过程中最佳的钻进、钻孔参数，亟需研制出一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明目的是提供一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置及方法，以获得不同钻孔参数和不同应力条件下煤岩体中瓦斯运移规律及瓦斯抽采效率。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，包括用于模拟研究煤岩层瓦斯运移规律的煤岩体气-固耦合渗透性试验系统、用于模拟深部煤层不同采动应力的煤岩体试件加载系统、用于模拟瓦斯压力变化的加气系统、用于模拟瓦斯抽放钻孔的煤岩体试件钻孔系统；
[0007]所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统包括箱体容器，箱体容器的顶部及一侧敞开，箱体容器另一侧开设导气管孔，箱体容器内设置煤岩试件，煤岩试件上部设置压板;所述煤岩体试件加载系统包括加载机压头和加载机底盘，加载机底盘上放置箱体容器，加载机压头设置在压板上方;所述加气系统包括瓦斯气源和导气管，导气管一端与瓦斯气源相连，导气管另一端伸入箱体容器的导气管孔，导气管上设有气体压力传感器、气体质量流量计和减压稳压阀，气体压力传感器和气体质量流量计通过数据采集仪连接计算机;所述煤岩体试件钻孔系统包括钻杆，钻杆设置在箱体容器敞开的一侧并与钻杆推进机构相连，钻杆上设有钻杆扭矩传感器和钻杆压力传感器，钻杆扭矩传感器和钻杆压力传感器通过数据采集仪连接计算机。
[0008]进一步的，所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统还包括密封材料层和透气板，透气板与煤岩试件正对导气管孔一侧表面紧贴，透气板内部为中空，透气板紧贴煤岩试件一侧均布有多个透气孔，透气板另一侧设置进气孔，进气孔与导气管密封连接;密封材料层包括在透气板外表面和煤岩试件除了正对钻杆一侧的其他表面涂抹的一层聚氨酯密封胶，以及包裹在聚氨酯密封胶外侧的高弹性抗撕拉硅胶板。
[0009]进一步的，所述加载机压头设有与压板尺寸相匹配的垫块。
[0010]进一步的，所述钻杆推进机构包括推进油缸、推进导轨、电机和钻机固定台，钻机固定台设置在推进导轨上并与推进油缸相连，电机设置在钻机固定台上并通过减速器、联轴器与钻杆相连。
[0011]—种如上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力下深部煤岩体瓦斯运移规律，包括以下步骤:
[0012]①将制好的煤岩试件放入箱体容器中；
[0013]②把箱体容器置于加载机底盘上；
[0014]③将瓦斯气源通过导气管与箱体容器相连接；
[0015]④根据试验方案选择一组瓦斯压力，通过减压稳压阀控制并向箱体容器内的煤岩试件通气一段时间，直至气体压力传感器数值基本稳定，然后开始通过加载机压头对煤岩试件加压，同时观测记录的气体压力传感器数值变化，观测加载压力变化及煤岩试件变形，当加载机压头加压至设定的压力值时停止加压与通气，接着取出煤岩试件并更换新煤岩试件，另取一组瓦斯压力值，继续下一组实验，试验全部完成后，最后分析在不同瓦斯压力及不同加载条件下通过煤岩试件的瓦斯气体压力值的变化规律。
[0016]—种如上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同岩性试件对钻杆钻进参数影响规律，包括以下步骤:
[0017]①从制备的不同岩性的煤岩试件中拿出一块放入箱体容器中，然后调节好加载机压头对煤岩试件进行加载，直至压力达到试验设定值停止并维持该压力不变；
[0018]②根据试验方案，调节好钻杆推进机构，通过钻杆(6)对煤岩试件标好的位置进行钻孔，同时观察钻杆扭矩传感器及钻杆压力传感器记录的数值变化；
[0019]③一组煤岩试件钻孔结束后，停止钻孔及加载，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始状态，更换煤岩试件进行下一组试验，全部试验完成后，分析对比不同岩性下煤岩试件钻孔过程中对钻杆受力参数的影响规律。
[0020]—种如上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力及瓦斯压力条件下瓦斯抽采效率，包括以下步骤:
[0021]①从制备好的几个岩性相同的煤岩试件中取一个放入箱体容器中，通过导气管将瓦斯气源与箱体容器相连，打开瓦斯气源向煤岩试件通入瓦斯气体，调节减压稳压阀使瓦斯压力值为设定的第一组值，然后通气一段时间直至气体压力传感器数值稳定。
[0022]②接着调节好加载机压头和钻杆推进机构，通过加载机压头对煤岩试件加压，与此同时通过钻杆对煤岩试件钻孔，并观测此过程中气体压力传感器所记录的数值变化，煤岩试件钻孔过程中对煤岩试件加载的力不超过煤岩试件破坏载荷；
[0023]③一组煤岩试件钻孔结束后，停止对煤岩试件加压和加气，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始位置，接着通过改变瓦斯压力、增加钻孔数目、改变钻孔角度和钻杆直径，完成多组煤岩试件的钻孔；
[0024]④最后对比并分析不同瓦斯压力、不同应力及钻孔参数条件下瓦斯压力值变化规律。
[0025]有益效果:本发明的试验系统能够实现对煤岩体试件加载、钻孔和加气同步进行，可以更好模拟不同采动影响条件下瓦斯抽采的全过程，可用于研究:不同应力条件下深部煤岩体中瓦斯运移规律、不同钻孔参数下煤层瓦斯抽采效率、不同应力和瓦斯压力下瓦斯钻孔参数、煤与瓦斯突出机理以及不同应力下钻机钻进参数与围岩岩性之间的关系。
【附图说明】
[0026]图1为本发明试验装置的结构示意图；
[0027]图2为密封材料层和透气板的安装结构示意图。
[0028]图中:1-推进油缸，2-推进导轨，3-电机，4-钻机固定台，5-钻杆扭矩传感器，6_钻杆，7-箱体容器，8-透气板，9-加载机压头，10-气体压力传感器，11-气体质量流量计，12-减压稳压阀，13-数据采集仪，14-计算机，15-加载机底盘，16-瓦斯气源，17-导气管，18-钻杆压力传感器，19-煤岩试件，20-透气孔，21-进气孔，22-聚氨酯密封胶，23-硅胶板。
【具体实施方式】
:
[0029]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0030]如图1所示，本发明的一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，包括用于模拟研究煤岩层瓦斯运移规律的煤岩体气-固耦合渗透性试验系统、用于模拟深部煤层不同采动应力的煤岩体试件加载系统、用于模拟瓦斯压力变化的加气系统、用于模拟瓦斯抽放钻孔的煤岩体试件钻孔系统；
[0031]所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统包括箱体容器7，箱体容器7的顶部及一侧敞开，箱体容器另一侧开设导气管孔，箱体容器7内设置煤岩试件，煤岩试件上部设置压板。
[0032]所述煤岩体试件加载系统包括加载机压头9和加载机底盘15，加载机底盘15上放置箱体容器7，加载机压头9设置在压板上方，所述加载机压头9设有与压板尺寸相匹配的垫块，确保煤岩试件均匀受力。
[0033]所述加气系统包括瓦斯气源16和导气管17，导气管17—端与瓦斯气源16相连，导气管17另一端伸入箱体容器7并与进气孔21密封连接，导气管17上设有气体压力传感器10、气体质量流量计11和减压稳压阀12，气体压力传感器10和气体质量流量计11通过数据采集仪13连接计算机14。
[0034]所述煤岩体试件钻孔系统包括钻杆6，钻杆6设置在箱体容器7敞开的一侧并与钻杆推进机构相连，所述钻杆推进机构包括推进油缸1、推进导轨2、电机3和钻机固定台4，钻机固定台4设置在推进导轨2上并与推进油缸I相连，电机3设置在钻机固定台4上并通过减速器、联轴器与钻杆6相连。钻杆6上设有钻杆扭矩传感器5和钻杆压力传感器18，钻杆扭矩传感器5和钻杆压力传感器18通过数据采集仪13连接计算机14。
[0035]如图2所示，所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统还包括密封材料层和透气板8，透气板8与煤岩试件正对导气管孔一侧表面紧贴，透气板8内部为中空，透气板8紧贴煤岩试件一侧均布有多个透气孔，透气板8另一侧设置进气孔，进气孔与导气管17密封连接;密封材料层包括在透气板8外表面和煤岩试件除了正对钻杆6—侧的其他表面涂抹的一层聚氨酯密封胶，以及包裹在聚氨酯密封胶外侧的高弹性抗撕拉硅胶板。
[0036]本发明的一种上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力下深部煤岩体瓦斯运移规律，包括以下步骤:
[0037]①将制好的煤岩试件放入箱体容器中；
[0038]②把箱体容器置于加载机底盘上；
[0039]③将瓦斯气源通过导气管与与箱体容器中的透气板进气孔相连，；
[0040]④根据试验方案选择一组瓦斯压力，通过减压稳压阀控制并向箱体容器内的煤岩试件通气一段时间，直至气体压力传感器数值基本稳定，然后开始通过加载机压头对煤岩试件加压，同时观测记录的气体压力传感器数值变化，观测加载压力变化及煤岩试件变形，当加载机压头加压至设定的压力值时停止加压与通气，接着取出煤岩试件并更换新煤岩试件，另取一组瓦斯压力值，继续下一组实验，试验全部完成后，最后分析在不同瓦斯压力及不同加载条件下通过煤岩试件的瓦斯气体压力值的变化规律。
[0041]本发明的一种上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同岩性试件对钻杆钻进参数影响规律，包括以下步骤:
[0042]①从制备的不同岩性的煤岩试件中拿出一块放入箱体容器中，然后调节好加载机压头对煤岩试件进行加载，直至压力达到试验设定值停止并维持该压力不变；
[0043]②根据试验方案，调节好钻杆推进机构，通过钻杆6对煤岩试件标好的位置进行钻孔，同时观察钻杆扭矩传感器及钻杆压力传感器记录的数值变化；
[0044]③一组煤岩试件钻孔结束后，停止钻孔及加载，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始状态，更换煤岩试件进行下一组试验，全部试验完成后，分析对比不同岩性下煤岩试件钻孔过程中对钻杆受力参数的影响规律。
[0045]本发明的一种上述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力及瓦斯压力条件下瓦斯抽采效率，包括以下步骤:
[0046]①从制备好的几个岩性相同的煤岩试件中取一个放入箱体容器中，通过导气管将瓦斯气源与箱体容器中的透气板进气孔相连，打开瓦斯气源向煤岩试件通入瓦斯气体，调节减压稳压阀使瓦斯压力值为设定的第一组值，然后通气一段时间直至气体压力传感器数值稳定。
[0047]②接着调节好加载机压头和钻杆推进机构，通过加载机压头对煤岩试件加压，与此同时通过钻杆对煤岩试件钻孔，并观测此过程中气体压力传感器所记录的数值变化，煤岩试件钻孔过程中对煤岩试件加载的力不超过煤岩试件破坏载荷；
[0048]③一组煤岩试件钻孔结束后，停止对煤岩试件加压和加气，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始位置，接着通过改变瓦斯压力、增加钻孔数目、改变钻孔角度和钻杆直径，完成多组煤岩试件的钻孔；
[0049]④最后对比并分析不同瓦斯压力、不同应力及钻孔参数条件下瓦斯压力值变化规律。
[0050]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，其特征在于:包括用于模拟研究煤岩层瓦斯运移规律的煤岩体气-固耦合渗透性试验系统、用于模拟深部煤层不同采动应力的煤岩体试件加载系统、用于模拟瓦斯压力变化的加气系统、用于模拟瓦斯抽放钻孔的煤岩体试件钻孔系统； 所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统包括箱体容器(7)，箱体容器(7)的顶部及一侧敞开，箱体容器(7)另一侧开设导气管孔，箱体容器(7)内设置煤岩试件，煤岩试件上部设置压板;所述煤岩体试件加载系统包括加载机压头(9)和加载机底盘(15)，加载机底盘(15)上放置箱体容器(7)，加载机压头(9)设置在压板上方;所述加气系统包括瓦斯气源(16)和导气管(17)，导气管(17)—端与瓦斯气源(16)相连，导气管(17)另一端伸入箱体容器(7)的导气管孔，导气管(17)上设有气体压力传感器(10)、气体质量流量计(11)和减压稳压阀(12)，气体压力传感器(10)和气体质量流量计(11)通过数据采集仪(13)连接计算机(14);所述煤岩体试件钻孔系统包括钻杆(6)，钻杆(6)设置在箱体容器(7)敞开的一侧并与钻杆推进机构相连，钻杆(6)上设有钻杆扭矩传感器(5)和钻杆压力传感器(18)，钻杆扭矩传感器(5)和钻杆压力传感器(18)通过数据采集仪(13)连接计算机(14)。2.根据权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，其特征在于:所述煤岩体气-固耦合渗透性试验系统还包括密封材料层和透气板(8)，透气板(8)与煤岩试件正对导气管孔一侧表面紧贴，透气板(8)内部为中空，透气板(8)紧贴煤岩试件一侧均布有多个透气孔，透气板(8)另一侧设置进气孔，进气孔与导气管(17)密封连接;密封材料层包括在透气板(8)外表面和煤岩试件除了正对钻杆(6)—侧的其他表面涂抹的一层聚氨酯密封胶，以及包裹在聚氨酯密封胶外侧的高弹性抗撕拉硅胶板。3.根据权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，其特征在于:所述加载机压头(9)设有与压板尺寸相匹配的垫块。4.根据权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置，其特征在于:所述钻杆推进机构包括推进油缸(I)、推进导轨(2)、电机(3)和钻机固定台(4)，钻机固定台(4)设置在推进导轨(2)上并与推进油缸(I)相连，电机(3)设置在钻机固定台(4)上并通过减速器、联轴器与钻杆(6)相连。5.—种如权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力下深部煤岩体瓦斯运移规律，其特征在于，包括以下步骤: ①将制好的煤岩试件放入箱体容器中； ②把箱体容器置于加载机底盘上； ③将瓦斯气源通过导气管与箱体容器相连接； ④根据试验方案选择一组瓦斯压力，通过减压稳压阀控制并向箱体容器内的煤岩试件通气一段时间，直至气体压力传感器数值基本稳定，然后开始通过加载机压头对煤岩试件加压，同时观测记录的气体压力传感器数值变化，观测加载压力变化及煤岩试件变形，当加载机压头加压至设定的压力值时停止加压与通气，接着取出煤岩试件并更换新煤岩试件，另取一组瓦斯压力值，继续下一组实验，试验全部完成后，最后分析在不同瓦斯压力及不同加载条件下通过煤岩试件的瓦斯气体压力值的变化规律。6.—种如权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同岩性试件对钻杆钻进参数影响规律，其特征在于，包括以下步骤: ①从制备的不同岩性的煤岩试件中拿出一块放入箱体容器中，然后调节好加载机压头对煤岩试件进行加载，直至压力达到试验设定值停止并维持该压力不变； ②根据试验方案，调节好钻杆推进机构，通过钻杆对煤岩试件标好的位置进行钻孔，同时观察钻杆扭矩传感器及钻杆压力传感器记录的数值变化； ③一组煤岩试件钻孔结束后，停止钻孔及加载，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始状态，更换煤岩试件进行下一组试验，全部试验完成后，分析对比不同岩性下煤岩试件钻孔过程中对钻杆受力参数的影响规律。7.—种如权利要求1所述的深部煤层瓦斯钻孔抽放效果气固耦合试验装置的试验方法，该试验方法用于研究不同应力及瓦斯压力条件下瓦斯抽采效率，其特征在于，包括以下步骤: ①从制备好的几个岩性相同的煤岩试件中取一个放入箱体容器中，通过导气管将瓦斯气源与箱体容器相连，打开瓦斯气源向煤岩试件通入瓦斯气体，调节减压稳压阀使瓦斯压力值为设定的第一组值，然后通气一段时间直至气体压力传感器数值稳定。 ②接着调节好加载机压头和钻杆推进机构，通过加载机压头对煤岩试件加压，与此同时通过钻杆对煤岩试件钻孔，并观测此过程中气体压力传感器所记录的数值变化，煤岩试件钻孔过程中对煤岩试件加载的力不超过煤岩试件破坏载荷； ③一组煤岩试件钻孔结束后，停止对煤岩试件加压和加气，将钻杆推进机构和加载机压头恢复初始位置，接着通过改变瓦斯压力、增加钻孔数目、改变钻孔角度和钻杆直径，完成多组煤岩试件的钻孔； ④最后对比并分析不同瓦斯压力、不同应力及钻孔参数条件下瓦斯压力值变化规律。
【文档编号】G01N33/00GK105823854SQ201610162122
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】吴宇, 李盼, 张立强, 郝阳, 彭敏
【申请人】中国矿业大学