关闭煤矿水淹煤层瓦斯解吸动态行为模拟实验系统与方法

本发明属于关闭煤矿水淹煤层模拟实验，具体涉及关闭煤矿水淹煤层瓦斯解吸动态行为模拟实验系统与方法。

背景技术：

1、关闭煤矿是指由于煤炭资源枯竭、不符合安全开采条件或政策等原因而被关闭和废弃的煤矿。煤矿关闭后在地下水位、地面降雨等影响下，矿井水逐步淹没煤层。煤矿关闭，造成井下煤层受到积水淹没，形成复杂的水压环境，此过程中煤体内部的瓦斯解吸行为对关闭煤矿安全具有重要意义。现有技术中，虽然有一定的研究针对水淹煤层的瓦斯解吸问题，但缺乏能真实模拟水淹煤层瓦斯解吸过程的实验设备。

2、经检索，还没有本发明类似的技术方案公开。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种关闭煤矿水淹煤层瓦斯解吸动态行为模拟实验系统，本发明的第二个目的是提供一种基于前述实验系统的实验方法。

2、为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：关闭煤矿水淹煤层瓦斯解吸动态行为模拟实验系统，包括实验腔体、甲烷供气模块、注水模块、瓦斯解吸测试装置、监测单元和控制系统；实验腔体中安装有用于固定煤样的夹持器，夹持器连接有用于对煤样施加地应力的应力加载装置；甲烷供气模块与实验腔体的注气口相连，用于向实验腔体中注入甲烷气体以供煤样吸附甲烷气体；注水模块与实验腔体的注水口相连，用于向实验腔体中注入水以淹没煤样，注水模块的使能端与控制系统相连；瓦斯解吸测试装置与实验腔体的采样口相连，分离水汽后的甲烷气体进入瓦斯解吸测试装置中，由瓦斯解吸测试装置监测解吸的瓦斯浓度及流量，瓦斯解吸测试装置的信号输出端与控制系统相连；监测单元包括设在实验腔体中的压力传感器、设在实验腔体中用于监测水位变化的水位传感器、以及设在煤样外壁上的沿其高度和周向分布的若干湿度传感器，压力传感器的信号输出端与控制系统压力输入端相连，水位传感器的信号输出端与控制系统相连，若干湿度传感器组成湿度传感器阵列，湿度传感器阵列用于监测煤样表面的湿润程度，湿度传感器阵列的信号输出端与控制系统湿度输入端相连。

3、上述技术方案，通过应力加载装置对煤样施加轴向应力，以真实模拟关闭煤矿中煤层的地应力情况；通过设置甲烷供气模块向实验腔体中注入甲烷气体，以使煤样吸附甲烷气体；通过水注水模块向实验腔体中注水，以模拟关闭煤矿水淹煤层；通过设置瓦斯解吸测试装置，以监测解吸过程瓦斯浓度及流量变化，并传输至控制系统；通过监测单元的各传感器，监测实验腔体水位情况、实验腔体内水压和煤样表面的湿润程度，并传输至控制系统。利用数据分析算法，建立水位—水压—瓦斯解吸量—湿度动态关联模型，并实时生成曲线。

4、本发明提供一种煤矿关闭背景下，能够模拟含瓦斯煤层水淹过程瓦斯解吸的实验系统通过该实验系统能够更真实地还原煤层水淹情况下瓦斯解吸的情况，在实验中准确模拟水淹过程中的瓦斯解吸规律，并提供有效的数据支持，从而为煤矿关闭后的瓦斯排放管理与安全监测提供科学依据。

5、在本发明的一种优选实施方式中，注水口包括设在实验腔体底部的底部注水口，底部注水口的位置低于煤样的底部，注水模块具有用于控制每个注水口开闭的注水阀。

6、上述技术方案，通过设置底部注水口，采用底部单点注水的方式模拟水淹煤层。

7、在本发明的一种优选实施方式中，实验腔体的底部具有位于煤样下方的注水缓冲区，注水缓冲区中设有注水缓冲隔板，注水缓冲隔板上设有若干通水孔，从底部注水口排出的水经注水缓冲隔板后进入其上方的实验腔体中。

8、上述技术方案，从底部注水口注水的过程中，注水缓冲隔板将注水时引起甲烷气体直接向上运移，导致顶部甲烷浓度高的影响降到最低，使得实验结果更准确。

9、在本发明的一种优选实施方式中，注水口还包括沿实验腔体高度方向间隔设置的多个侧部注水口，注水模块具有用于控制每个注水口开闭的注水阀。

10、上述技术方案，通过增设多个侧部注水口，除了采用底部单点注水，还可进行逐层注水，模拟关闭矿井中裂隙水渗入，临近采空区矿井水流入；对比逐层注水和底部单点注水的瓦斯解吸行为，分析逐层注水对煤体湿润程度和瓦斯解吸行为的影响，评估逐层注水对煤层瓦斯排放效率的效果影响。

11、在本发明的一种优选实施方式中，实验腔体中沿高度方向间隔设有与多个注水口对应的多个水位传感器，水位传感器的位置高于对应的注水口，最上方的水位传感器的位置高于煤样的顶部，控制系统根据水位传感器的信号控制对应注水口的注水阀的关闭。

12、上述技术方案，水位传感器与注水口的注水阀联动，在研究逐层注水对瓦斯吸附解吸的影响时，水位到达水位传感器的时候会联动注水阀关闭对应注水口，保持稳定一段时间后，联动开启下一注水口的注水阀，往实验腔体注水，实现自动逐级注水。

13、为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：关闭煤矿水淹煤层瓦斯解吸动态行为模拟实验系统的实验方法，包括如下步骤：

14、s1、煤样准备：选择标准煤柱作为煤样，放入烘干箱干燥，确保煤样完全干燥，将煤样安装至实验腔体的夹持器中，通过应力加载装置对煤样施加轴向应力，将湿度传感器阵列贴附于煤样表面；

15、s2、煤样瓦斯吸附：通过甲烷供气模块向实验腔体内注入甲烷气体，施加设定值的静态压力，持续一段时间，使煤样达到瓦斯吸附饱和状态，关闭甲烷供气模块供气，完成煤样瓦斯吸附；

16、s3、向实验腔体注水：打开注水口，向实验腔体中缓慢注水，至水位上升至第一层监测点，保持稳定一段时间，继续注水至第二层监测点，重复稳定过程，持续逐层注水，直至水完全淹没煤样，保持稳定一段时间；

17、s4、瓦斯解吸：完成煤样瓦斯吸附后，打开采样口的阀门，将煤样解吸的甲烷气体引入瓦斯解吸测试装置；

18、s5、数据采集：利用水位传感器采集实验腔体内水位变化，生成水位上升速率数据；利用湿度传感器阵列采集煤样表面湿润程度的实时变化，记录煤体浸润扩展速率；利用瓦斯解吸测试装置监测解吸瓦斯的浓度和流量，并结合时间生成瓦斯解吸速率曲线；利用压力传感器实时监测实验腔体内部压力，在瓦斯解吸过程中，记录压力变化对解吸行为的影响；

19、s6、数据分析处理：包括水淹动态模拟分析、湿润扩散动态分析和瓦斯解吸行为建模；

20、水淹动态模拟分析：根据水位传感器数据，计算实验腔体内水位随时间的上升速率曲线；建立实验腔体内水压-水位动态模型，评估不同水压条件下瓦斯解吸的响应特征；

21、湿润扩散动态分析：将湿度传感器阵列分布数据映射到煤样表面，生成三维湿润扩展图；通过曲线拟合，计算煤样吸水速率与浸润深度的关系；分析煤体内部湿润过程对瓦斯解吸速率的滞后性影响；

22、瓦斯解吸行为建模：将瓦斯浓度与流量数据结合生成解吸量-时间曲线，为瓦斯解吸速率曲线；根据实验过程中实验腔体内的水位变化，划分解吸行阶段；拟合解吸速率与水压、煤样表面湿润程度的关系，建立解吸动力学模型；

23、s7、结果输出：根据数据分析处理，输出实验报告。

24、在本发明的另一种优选实施方式中，沿试验腔体的高度方向间隔设置n个压力传感器，所有压力传感器均能够被水淹没，通过如下方式获取实验腔体内水压pavg：

25、

26、其中，n是压力传感器的个数，pi是第i个传感器的检测值。

27、上述技术方案，在高度方向设置多个压力传感器来监测水压，计算多个压力传感器检测值的平均值来得到实验腔体内水压，结果更准确。

28、在本发明的另一种优选实施方式中，步骤s3中，注水方式包括底部单点注水和逐层注水两种；其中，底部单点注水为仅通过底部注水口向实验腔体内注水；逐层注水为先通过底部注水口向实验腔体内注水，至水位上升至第一层监测点，保持稳定一段时间，之后通过与第一层监测点高度位置对应的侧部注水口继续注水至第二层监测点，重复稳定过程，之后通过与第二层监测点高度位置对应的侧部注水口继续注水至第三层监测点，重复稳定过程，持续逐层注水，直至水完全淹没煤样，保持稳定一段时间；对比逐层注水和底部单点注水的瓦斯解吸行为，分析逐层注水对煤体湿润程度和瓦斯解吸行为的影响，评估逐层注水对煤层瓦斯排放效率的效果影响。

29、在本发明的另一种优选实施方式中，数据分析处理过程中，使用多变量回归分析，将瓦斯解吸量与水位上升速率、湿润扩展速率、水压进行耦合，建立“水位-水压-湿润-解吸”的动态关联模型；分析不同注水速率对瓦斯解吸量的影响规律，形成对比图。

30、在本发明的另一种优选实施方式中，湿润扩展速率采用如下方式获取：

31、w(t)＝w0·(1-e-αt)

32、其中，w(t)为时刻t的水分含量，w0为最终饱和水分含量，α为拟合常数，t为时间。

33、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。