煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置及实验方法

本发明涉及瓦斯抽采模拟实验的，特别是涉及一种煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

1、在煤矿安全生产中，瓦斯抽采是预防瓦斯事故的重要技术手段。由于煤矿生产的特殊性，许多瓦斯抽采实验在现场开展存在一定难度。开展实验室瓦斯抽采实验研究成为必然。现有的实验室内进行瓦斯抽采实验的技术方案有很多种。如授权公告号为cn103089295b的发明专利，多煤层联合开采过程中煤层气抽采试验方法、授权公告号为cn103114827b的发明专利，多场耦合煤层气抽采模拟试验方法，均属于在实验室内进行瓦斯抽采实验的技术方案。现有实验室瓦斯抽采实验与现场情况存在一定偏差，其实验结果的准确性大大降低。实际煤层以不同倾角及厚度赋存；进行顺层钻孔抽采时，钻孔布孔往往以钻孔群形式联合布置、且顺煤层倾角方向布置；现有的实验室瓦斯抽采实验为单一的水平钻孔抽采，且钻孔大多为预设钻孔，没有钻进过程。因此，要开展与现场更为相近的物理模拟研究，急需开发一种既能布置钻孔群又能实施带有一定倾角钻孔的实验装置，进行瓦斯抽采实验。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置及实验方法。

2、本发明的技术方案是：一种煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置包括高强材料所制的实验箱体、外接管路、控制阀、换向阀、真空泵；该实验箱体的顶面、后面、右面均设有施压杆；该实验箱体能够承受施压杆施加的压力；该施压杆垂直贯穿实验箱体表面；施压杆的内端部垂直连接有压板；实验箱体底部设有网状槽和进气管路；网状槽与进气管路连通；进气管路与外接管路连通；外接管路依次串联控制阀、换向阀、真空泵；换向阀还与外部瓦斯气源连通；实验箱体内填充满煤样；顶面、后面、右面从三个方面通过施压杆向煤样施加压力，模拟实际煤层所受地应力；进气管路通入瓦斯，通过网状槽均布在实验箱体内部，模拟实际煤层的瓦斯分布情况；该模拟实验装置还包括钻机组件、数据采集部件、堵孔部件；钻机组件包括升降支架、安装在升降支架上方的操作平台；该操作平台包括前后移动机构、竖向倾斜机构、钻机钻进机构；竖向倾斜机构安装在前后移动机构的输出端；钻机钻进机构安装在竖向倾斜机构的输出端；钻机钻进机构包括安装有钻杆的钻机；钻机朝向实验箱体设置；升降支架与前后移动机构配合，以进行钻孔群的各个钻孔之间切换；竖向倾斜机构则保证钻机钻机机构以一定倾斜角度钻入实验箱体内部的煤样，模拟实际煤层的顺煤层倾角方向钻取；钻机钻进机构能够将钻机向实验箱体送入，模拟钻机的实际钻进过程；

3、实验箱体的正面密布有若干数据采集孔；数据采集部件包括传感器、封堵螺钉；封堵螺钉与数据采集孔螺纹配合包括螺钉甲、螺钉乙；传感器伸入实验箱体内部；传感器的尾线穿过螺钉乙的轴心；螺钉甲为实心结构；封堵螺钉对数据采集孔进行封堵，避免煤样从数据采集孔挤出；螺钉乙则允许传感器进入实验箱内部，对实验箱体内部煤样情况进行实时监测；

4、实验箱体的左侧面设有可拆卸盖板；该可拆卸盖板设有按照一定规律排布的穿杆孔；该穿杆孔的布置规律与实际的钻孔群联合布置情况相关；该穿杆孔的两端均设有球面凹陷，以便于钻杆从穿杆孔穿过，钻杆能够适应一定的倾斜角度；该堵孔部件包括封堵头、连接螺钉；封堵头尾端匹配插入穿杆孔；封堵头中部向外延伸出耳板；耳板设有耳孔；连接螺钉穿过该耳孔后与可拆卸盖板螺纹连接，实现封堵头与可拆卸盖板的可拆卸连接；可拆卸盖板使得实验箱体能够根据需要装配不同分布规律或不同口径大小的穿杆孔，满足瓦斯抽采实验需求；封堵头包括堵头甲、堵头乙；堵头甲为实心结构；堵头乙轴心设有瓦斯抽采孔；封堵头对穿杆孔进行封堵，以规避煤样从穿杆孔挤出；其中堵头乙还能通过瓦斯抽采孔满足瓦斯的抽采。

5、优选的，升降支架包括剪刀式连杆机构、驱动油缸、固定板、升降板；剪刀式连杆机构下端安装在固定板上；剪刀式连杆机构上端安装升降板；剪刀式连杆机构包括底部连杆段、中部连杆段、顶部连杆段；底部连杆段与固定板相接；顶部连杆段与升降板相接；驱动油缸一端与固定板铰接，另一端与中部连杆段铰接；操作台安装在升降板上；固定板顶部的前后侧设有侧板甲；侧板甲右端设有水平长孔甲；底部连杆段的底部左端设有固定轴甲；底部连杆段的底部右端设有同步轴甲；固定轴甲与侧板甲左端铰接；同步轴甲插入水平长孔甲，与水平长孔甲滑动配合；升降板底部的前后侧设有侧板乙；侧板乙右端设有水平长孔乙；顶部连杆段的顶部左端设有固定轴乙；顶部连杆段的顶部右端设有同步轴乙；固定轴乙与侧板乙左端铰接；同步轴乙插入水平长孔乙，与水平长孔乙滑动配合；驱动油缸外伸，驱使剪刀式连杆机构外伸，以改变升降板的高度；同步轴甲与水平长孔甲的配合、同步轴乙与水平长孔乙的配合，使得升降板以水平的状态升降。

6、进一步的，前后移动机构包括与升降支架顶部相接的底部盒体、前后丝杠、前后导杆、移动板、手轮甲；前后丝杠、前后导杆均横向贯穿底部盒体；前后丝杠端部同轴固接有手轮甲；移动板设有与前后丝杠螺纹配合的移动螺母、与前后导杆滑动配合的前后滑块；竖向倾斜机构安装在移动板上；转动手轮甲，使前后丝杠转动；转动的前后丝杠通过移动螺母作用于移动板，使移动板以及竖向倾斜机构的前后移动；前后导杆与前后滑块的配合，为移动板以及竖向倾斜机构的前后移动提供导向。

7、进一步的，前后导杆有两个，对称设置在前后丝杠的两侧，提高移动板以及竖向倾斜机构的前后移动的稳定性。

8、进一步的，竖向倾斜机构包括倾斜板、左右丝杠、倾斜螺母、连杆、手轮乙；倾斜板左端与移动板左端铰接；移动板的左右端设有立板；左右丝杠端部均与立板转动连接；倾斜螺母与左右丝杠中部螺纹配合；左右丝杠端部同轴固接有手轮乙；连杆一端与倾斜螺母铰接，另一端与倾斜板底部铰接；钻机钻进机构安装在倾斜板上；转动手轮乙，使左右丝杠转动；转动的左右丝杠作用于倾斜螺母，使倾斜螺母左右移动；左右移动的倾斜螺母通过连杆作用于倾斜板，使倾斜板以及钻机钻进机构倾斜一定角度；通过手轮乙能够改变钻机钻进机构的倾斜角度。

9、进一步的，钻机钻进机构还包括钻进导轨、钻进滑块、钻进齿条、传动部件、手轮丙；传动部件包括钻进齿轮、横向轴、蜗轮、蜗杆、伞齿轮甲、伞齿轮乙；钻进导轨、钻进齿条安装在倾斜板上；钻进导轨、钻进齿条相互平行，均与前后丝杠垂直；钻进滑块安装在钻机上，与钻进导轨滑动配合；钻进齿轮与钻机转动连接，与蜗轮同轴固接；伞齿轮甲与手轮丙同轴固接，与钻进齿条啮合；横向轴与蜗杆、伞齿轮乙同轴固接，与钻机转动连接；蜗轮与蜗杆啮合；伞齿轮甲、伞齿轮乙啮合；转动手轮丙，使伞齿轮甲转动；转动的伞齿轮甲作用于伞齿轮乙使蜗杆转动；转动的蜗杆作用于蜗轮，使蜗轮转动；转动的蜗轮使钻进齿轮转动；转动的钻进齿轮作用于钻进齿条，使钻机沿着钻进齿条移动，实现钻机的钻进动作；钻机驱使钻杆转动，进行钻取；钻进导轨与钻进滑块配合，为钻机的进给提供导向；蜗轮与蜗杆相配合，保证只能使手轮丙作用于钻进齿轮，不能使钻进齿轮作用于手轮丙。

10、进一步的，钻进轨道为倒梯形，提高钻进轨道和钻进滑块的导向稳定性。

11、优选的，竖向倾斜机构还包括角度仪；该角度仪安装在竖向倾斜机构的输出端；通过角度仪能够获取竖向倾斜机构的倾斜角度，便于进行瓦斯抽采实验。

12、进一步的，钻机钻进机构还包括底部开口的保护壳体；该保护壳体安装在传动部件外部，对传动部件进行保护。

13、优选的，在实验箱体的左侧面设置安装孔；可拆卸盖板外边沿设有外台阶；安装孔设有与外台阶匹配的内台阶；外台阶与内台阶相扣合，实现可拆卸盖板与实验箱体的可拆卸连接；实验箱体内部被挤压的煤样作用于可拆卸盖板，保证可拆卸盖板与实验箱体的稳定密闭连接。

14、进一步的，外台阶、内台阶均设有相互配合的橡胶圈密封，增加外台阶、内台阶扣合的密封效果。

15、优选的，升降支架还包括带刹车的万向轮；该万向轮安装在固定板底部四角；万向轮使得钻机组件能够移动，便于调整钻机组件与实验箱体的位置关系；刹车能够将钻机组件维持与实验箱体的间距。

16、一种使用上述的煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

17、①前期准备

18、实验前，根据实际煤层情况，选择合适的可拆卸盖板；不同的可拆卸盖板在穿杆孔的孔径大小、穿杆孔的布置规律存在不同；所有的穿杆孔均安装有堵头甲；将煤样粉碎至适当粒度；将粉碎后的煤样混合均匀；将均匀混合的煤样均匀放入实验箱体内部；在放入煤样的过程中，煤样逐次分层压实，并根据实验目的在预定位置埋入应力、应变、气压传感器，并选择合适的数据采集孔安装封堵螺钉；根据模拟实验中的预计钻进路线，对相应的数据采集孔使用螺钉乙进行封堵，并对与螺钉乙配合的传感器进行布置，使传感器以及传感器的尾线不会与预计钻进路线干涉；剩余的数据采集孔使用螺钉甲进行封堵；当实验箱体内部的煤样被填满后，所有的数据采集孔均安装有封堵螺钉；

19、②模拟实际煤层所受地应力

20、利用液压缸对箱体内的煤样施压，模拟实际煤层所受地应力，也使得实验箱体内部的煤样被压实；

21、③煤样抽真空及煤样瓦斯吸附

22、打开控制阀、换向阀，使网状槽通过进气管路、外接管路连接通真空泵；用真空泵抽取实验箱体缸体中内的空气，确保模拟煤层接近真空状态；然后改变换向阀的转向，使网状槽通过进气管路、外接管路连通外部瓦斯气源；再通过进气孔控制控制阀充入不同压力梯度的瓦斯气体，使煤样达到饱和吸附状态；

23、④模拟实际钻进过程

24、通过连接螺钉拆除堵头甲；使用竖向倾斜机构将钻机钻进机构倾斜一定角度；使用升降支架将操作平台下降一定高度，直至钻机的钻杆对准最下一层的穿杆孔；使用钻机钻进机构使钻头、钻杆穿过穿杆孔进入实验箱体内部；等钻头钻入实验箱体合适深度后，通过钻机钻进机构使钻杆后退，退出实验箱体；使用堵头乙替换堵头甲；将连接瓦斯抽采管路至各瓦斯抽取孔，进行瓦斯抽采；

25、⑤钻杆穿过其他穿杆孔

26、使用升降支架对操作平台进行抬升；使用前后移动机构对操作平台进行前后移动；依次对准其他穿杆孔后，再使用钻机钻进机构依次钻进；最后对各个相应的瓦斯抽取孔进行瓦斯抽采；穿杆孔的选择是由下而上进行的；

27、⑥获取实验数据

28、通过步骤①中设置的传感器对实验箱体内部进行实施检测并记录数据；该数据包括钻孔孔周应力、应变、瓦斯压力分布、瓦斯抽采流量等。

29、本发明的有益效果是：本发明的煤层钻孔群瓦斯抽采模拟实验装置，具有以下优点：

30、（1）本发明的升降支架与前后移动机构配合，以进行钻孔群的各个钻孔之间切换；竖向倾斜机构则保证钻机钻机机构以一定倾斜角度钻入实验箱体内部的煤样，模拟实际煤层的顺煤层倾角方向钻取；钻机钻进机构能够将钻机向实验箱体送入，模拟钻机的实际钻进过程；可拆卸盖板使得实验箱体能够根据需要装配不同分布规律或不同口径大小的穿杆孔，满足瓦斯抽采实验需求；穿杆孔便于钻杆穿过，能够适应钻杆一定的倾斜角度需求；

31、（2）本发明的封堵螺钉对数据采集孔进行封堵，避免煤样从数据采集孔挤出；螺钉乙则允许传感器进入实验箱内部，对实验箱体内部煤样情况进行实时监测。

32、该实验方法能够模拟钻杆的倾斜钻进、也能模拟不同钻孔群的钻取，更加贴近现场的物理模拟研究方法，所得到瓦斯抽采实验对于现实生产更有指导意义。