一种瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置及方法与流程

本发明涉及瓦斯抽采模拟实验的技术领域，特别涉及一种瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置及使用方法。

背景技术：

瓦斯作为煤炭形成过程中的一种伴生气体，在煤层中普遍存在。由于瓦斯本身具有爆炸性和可燃性，导致瓦斯事故发生时，造成巨大的人员伤亡、财产损失，是制约煤矿安全生产的主要因素之一。为此，必须加强瓦斯治理。目前瓦斯治理方法有很多，主要包括地面抽采和井下瓦斯抽采。由于我国煤层的特殊性和采掘布置的紧迫性，我国瓦斯治理主要以井下瓦斯抽采为主。通过巷道向煤层打一系列的抽采钻孔进行瓦斯抽采。

进行瓦斯抽采时，首先向煤层打一系列的平行钻孔，并进行封孔。然后，在孔口给与恒定的负压，使煤层内的瓦斯在压差的作用下，由煤层进入抽采管路，进而将煤层瓦斯抽出。随着瓦斯由煤层流出，导致煤层瓦斯压力降低，有效应力增加。并且随着与抽采孔距离的减小，应力增加值逐渐增大。即：在近孔口附近有效应力增加最大。导致近钻孔区域煤层被压实，孔裂隙闭合，渗透性变差。渗透性的减小，限制了气体压差进一步向煤层深部传递，导致深部瓦斯难以解吸、运移。最终导致瓦斯抽采孔的抽采浓度降低、抽采范围减小、抽采量减少，降低了瓦斯治理效果。

对于不同脆塑性、煤体结构、透气性煤层，在瓦斯抽采时，煤层渗透性在不同阶段受有效应力影响的程度不同。为此，抽采制度的制定要结合研究区实际。但是，目前瓦斯抽采制度，即抽采负压的制定主要是根据抽采经验，且以恒定负压抽采为主，极大的限制了抽采孔的抽采效率。为此，迫切需要一种装置或者方法，能够对抽采制度进行精细化模拟实验，能够得到精准、有效的数据，制定科学有效的瓦斯变负压抽采制度，进而提高抽采效果，尽可能的减少瓦斯事故的发生。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置及使用方法。

本发明的技术方案是：一种瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置，包括底座、放置在底座上的样品缸及填充在样品缸内的煤体，还包括负压泵、气瓶、加压泵和注气管，所述样品缸的一端开口且向煤层内钻有钻孔，所述钻孔内伸入有抽采管，所述抽采管的外部通过连接管与负压泵连接，所述样品缸的外侧固定有位于中部的注气体，所述注气体为包裹样品缸的环形槽，所述样品缸的位于注气体内侧的表面布满圆孔，所述气瓶通过加压泵加压后经过注气管与注气体连接。

优选的，所述连接管上安装有阀门、流量计和压力表。

优选的，所述样品缸的另一端设有位于样品缸内的轴压施加体，所述轴压施加体的中心设有受力柱，所述底座上设有位于样品缸一侧的后支撑体，所述后支撑体的一侧固定有朝向受力柱的千斤顶。

优选的，所述轴压施加体为与样品缸横截面形状相同的圆板。

优选的，所述轴压施加体的边缘设有向外翻折的折边，所述样品缸轴压施加体的外侧设有控制环，所述折边搭接在控制环上，所述控制环的外侧边缘与样品缸一体连接。

优选的，所述样品缸包括上下对接的上缸体和下缸体，所述注气体包括分别与上缸体、下缸体连接的上半体和下半体，所述控制环包括分别与上缸体、下缸体连接的上环体和下环体，所述样品缸的两端通过钢丝绳勒紧，所述下缸体在与上缸体的对接面向上延伸有紧贴上缸体内表面的样品缸内伸缩体，所述下环体在与上环体的对接面向上延伸有紧贴上环体内表面的控制环内伸缩体。

优选的，所述下缸体的下方固定有供钢丝绳穿过的穿绳板，所述上缸体的上方安装有限位槽，所述钢丝绳首尾相连且下方穿过穿绳板、上方位于限位槽内。

优选的，所述上缸体的上方也安装有位于限位槽下方的千斤顶，所述千斤顶的支撑杆端部为安装有应变片的加载头。

优选的，所述限位槽与其下方的千斤顶之间连接有多级伸缩体。

一种如权利要求上述瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）在实验室制成测试用标准圆柱状样品作为煤体；

（2）在圆柱状样品中心钻出与施工时成比例的钻孔；

（3）连接管路，组装模拟装置，并检查装置的完好性、气密性；

（4）将圆柱状样品放入样品缸内；

（5）在抽采管的外表面涂抹聚氨酯材料，送入钻孔，将聚氨酯材料放置至完全膨胀作为密封体；

（6）调节样品缸上方的千斤顶及后支撑体一侧的千斤顶使应变片所受压力为设计应力，使煤体的径向压力和轴向压力达到设计应力；

（7）根据煤体所受压力情况，启动加压泵，使其压力达到煤体压力；

（8）启动负压泵抽取煤体内的气体，测定气体流量和气体压力，计算从注气体到煤体内的气体渗透性；

（9）在步骤（6）中设计不同的设计应力，根据步骤（8）分析煤体受到不同设计应力条件下气体渗透性的变化特征；

（10）在步骤（8）中使负压泵产生不同的负压，根据步骤（8）分析负压泵产生不同负压条件下气体渗透性的变化特征；

（11）在步骤（1）中使用不同特性的圆柱状样品作为煤体，根据步骤（8）分析不同特性煤体的条件下气体渗透性的变化特征。

本发明的有益效果是：

本发明的模拟装置能够模拟抽瓦斯气时煤层所受的压力和瓦斯气的压力，能够为实验提供不同的抽取负压、煤体所受压力，为实验提供充足、精准的数据；

本发明的模拟装置使用时能够为实验提供不同条件下的体渗透性数据，为瓦斯变负压抽采制度提供充足、精准的数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的a向视图；

图3为图1中的b-b剖视图；

图4为应力加载体的放大结构示意图；

图5为多级伸缩体的放大结构示意图；

图中：1.电脑、2.电缆、3.负压泵、4.阀门、5.流量计、6.压力表、7.连接管、8.抽采管、9.密封体、10.煤体、11.橡胶体、12.样品缸、12a.上缸体、12b.下缸体、13.应力加载体、14.注气体、14a.上半体、14b.下半体、15.筛管、16.气瓶、17.加压泵、18.注气管、19.钢丝绳、20.穿绳板、21.底座、211.支撑座、22.控制环、22a.上环体、22b.下环体、23.轴压施加体、231.折边、232.受力柱、24.后支撑体、25.限位槽、26.钻孔、27.控制环内伸缩体、28.千斤顶、29.连接杆、30.固定杆、31.多级伸缩体、31a.滑槽、31b.滑板、31c.固定板、32.样品缸内伸缩体、33.应变片、34.加载头。

具体实施方式

本发明的具体实施方式参见图1-5：

一种瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置，如图1-5，包括底座21、放置在底座21上的样品缸12及填充在样品缸12内的煤体10，底座21上设有支撑座211，支撑座211上方为与样品缸12形状适应的凹槽，煤体10与样品缸12之间的间隙设有橡胶体11，还包括负压泵3、气瓶16、加压泵17和注气管18，所述样品缸12的一端开口且向煤层内钻有钻孔26，所述钻孔26内伸入有抽采管8，所述抽采管8与钻孔26之间填充有位于钻孔26入口处的密封体9，密封体9为聚氨酯材料，所述抽采管8的外部通过连接管7与负压泵3连接，所述样品缸12的外侧固定有位于中部的注气体14，所述注气体14为包裹样品缸12的环形槽，所述样品缸12的位于注气体14内侧的表面布满圆孔形成筛管15，所述气瓶16通过加压泵17加压后经过注气管18与注气体14连接，所述连接管7上安装有阀门4、流量计5和压力表6，所述样品缸12的另一端设有位于样品缸12内的轴压施加体23，所述轴压施加体23的中心设有受力柱232，所述底座21上设有位于样品缸12一侧的后支撑体24，所述后支撑体24的一侧固定有朝向受力柱232的千斤顶28，所述轴压施加体23为与样品缸12横截面形状相同的圆板，所述轴压施加体23的边缘设有向外翻折的折边231，所述样品缸12轴压施加体23的外侧设有控制环22，所述折边231搭接在控制环22上，所述控制环22的外侧边缘与样品缸12一体连接。

在上述模拟装置中，所述样品缸12包括上下对接的上缸体12a和下缸体12b，所述注气体14包括分别与上缸体12a、下缸体12b连接的上半体14a和下半体14b，所述控制环22包括分别与上缸体12a、下缸体12b连接的上环体22a和下环体22b，所述样品缸12的两端通过钢丝绳19勒紧，所述下缸体12b在与上缸体12a的对接面向上延伸有紧贴上缸体12a内表面的样品缸内伸缩体32，所述下环体22b在与上环体22a的对接面向上延伸有紧贴上环体22a内表面的控制环内伸缩体27，样品缸内伸缩体32和控制环内伸缩体27均为弧形薄板，所述下缸体12b的下方固定有供钢丝绳19穿过的穿绳板20，所述上缸体12a的上方安装有限位槽25，所述限位槽25为上方开口的u形槽，所述钢丝绳19首尾相连且下方穿过穿绳板20、上方位于限位槽25内，所述上缸体12a的上方安装有位于限位槽25下方的应力加载体13，所受应力加载体13也包括固定在上缸体12a上的千斤顶28，后支撑体24和上缸体12a上的千斤顶28的支撑杆端部均为安装有应变片33的加载头34，应变片33与通过电缆2连接电脑1，电脑1上能显示应变片33所受的力值，所述限位槽25与其下方的千斤顶28之间连接有多级伸缩体31，所述多级伸缩体31包括外侧的滑槽31a、中间的滑板31b和内部的固定板31c，所述滑槽31a的一侧通过连接杆29固定在限位槽25的侧面，所述滑板31b的下端通过固定杆30固定在上缸体12a的上方，所述滑槽31a的下方开口且边缘设有伸向内侧的挡板甲，所述滑板31b为两个且分布在固定板31c两侧，所述滑板31b的上端设有向外翻折的挡板乙、下端设有向内翻折的挡板丙，所述固定板31c的上端设有向两侧翻折的挡板丁，所述挡板乙位于挡板甲正上方，所述挡板丁位于挡板丙正上方，能够增加限位槽25的活动范围，也就增加了煤体10承受的压力范围。

上述瓦斯变负压抽采制度精细化模拟装置的使用方法包括以下步骤：

（1）查明研究区煤层脆塑性特征、煤体10结构分布特征，有针对性的采集研究区不同脆塑性、煤体10结构煤样，在实验室制成测试用标准圆柱状样品作为煤体10；

（2）在圆柱状样品中心钻出与施工时成比例的钻孔26；

（3）连接管7路，组装模拟装置，并检查装置的完好性、气密性；

（4）将圆柱状样品放入样品缸12内；

（5）在抽采管8的外表面涂抹聚氨酯材料，送入钻孔26，将聚氨酯材料放置至完全膨胀作为密封体9；

（6）调节样品缸12上方的千斤顶28及后支撑体24一侧的千斤顶28使应变片33所受压力为设计应力，使煤体10的径向压力和轴向压力达到设计应力；

（7）根据煤体10所受压力情况，启动加压泵17，使其压力达到煤体10压力；

（8）启动负压泵3抽取煤体10内的气体，测定气体流量和气体压力，计算从注气体14到煤体10内的气体渗透性；

（9）在步骤（6）中设计不同的设计应力，根据步骤（8）分析煤体10受到不同设计应力条件下气体渗透性的变化特征；

（10）在步骤（8）中使负压泵3产生不同的负压，根据步骤（8）分析负压泵3产生不同负压条件下气体渗透性的变化特征；

（11）在步骤（1）中使用不同特性的圆柱状样品作为煤体10，根据步骤（8）分析不同特性煤体10的条件下气体渗透性的变化特征；

最后根据步骤（9）、步骤（10）及步骤（11）的分析结果，结合现场采掘施工方案，制定适合特定煤层的变负压瓦斯抽采制度。

本发明的模拟装置能够模拟抽瓦斯气时煤层所受的压力和瓦斯气的压力，能够为实验提供不同的抽取负压、煤体10所受压力，为实验提供充足、精准的数据；该模拟装置使用时能够为实验提供不同条件下的体渗透性数据，为瓦斯变负压抽采制度提供充足、精准的数据。