一种模拟测试钻孔变形的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模拟测试钻孔变形的装置及方法，尤其适用于模拟瓦斯抽采钻孔变形过程。
【背景技术】
[0002]煤炭在我国能源结构中依旧占据主体地位。随着经济发展，煤炭的需求持续增长，煤炭产量逐年增加，煤矿开采深度逐年向深部延伸，煤层瓦斯含量、瓦斯压力也逐渐增大。煤与瓦斯突出等动力灾害的危险性也因此而增大。瓦斯治理已是保障煤矿安全生产的第一要务。
[0003]瓦斯抽采是治理高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井瓦斯问题的有效措施。瓦斯抽采的方法以钻孔抽采为主，然而由于我国大多矿井煤层透气性低，要保证瓦斯浓度降低至安全浓度以下就需足够的抽采时间。同时由于我国煤层赋存条件复杂，构造复杂多变，煤体强度低，这使得钻孔在成孔后的短时间内很容易变形颈缩，甚至塌孔报废，无法保证足够的瓦斯抽采时间，影响煤层瓦斯治理的效果。因此，瓦斯抽采过程迫切需要一种能够及时监测钻孔变形的装置及方法，实时了解钻孔的颈缩和垮落状况，为钻孔瓦斯抽采活动提供保障。
[0004]目前专门针对瓦斯抽采钻孔变形的测试尚没有实用的装置和方法。主要以瓦斯抽采参数来间接反映钻孔状态，然而由于影响瓦斯抽采参数的因素有很多且具有很多不确定性，通过计算抽采参数的变化，无法准确判断钻孔是否正常工作。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对煤矿瓦斯抽采过程中存在的钻孔变形、垮塌问题，提供一种测试钻孔变形量及是否塌孔的装置及方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的模拟测试钻孔变形的装置，包括内设煤岩体相似材料的模拟箱、设在模拟箱上的上压板，模拟箱的前后侧板上对称开有一圆孔，前后侧板上的圆孔经钻孔模具连通，形成模拟钻孔环境，在模拟钻孔内设置连有导压管的胶囊压力感应器，导压管的外露端经三通分别连有单向阀和压力表。
[0007]所述的胶囊压力感应器外部设有柔性保护套。
[0008]所述模拟箱的前侧板与模拟箱箱体螺栓固定，可拆卸。
[0009]所述模拟箱的箱体周围均设有三角加固梁。
[0010]所述的上压板包括平板和设在平板上呈H形的加固梁。
[0011]使用上述装置的模拟测试钻孔变形的方法，包括如下步骤:
[0012]I)将前侧板通过螺栓与模拟箱箱本固定在一起，用钻孔模具穿套于模拟箱前后两侦贩的圆孔内，在模拟箱内侧和钻孔模具外侧涂抹脱模剂，用沙子、石膏、水泥和水混合而成的煤岩体相似材料充填于模拟箱内并压实，待相煤岩体似材料凝固后，取出钻孔模具静置达到预定强度，模拟出钻孔环境；
[0013]2)把与导压管相连的胶囊压力感应器送入模拟钻孔内，对胶囊压力感应器加压，使得胶囊压力感应器直径膨胀略小于模拟钻孔直径；
[0014]3)在前侧板的模拟钻孔一侧贴上标尺，通过上压板对模拟箱箱体内的煤岩体相似材料施加垂直应力，隔时间记录压力表中的压力值，并测量与压力值相对应的模拟钻孔变形量，直至模拟钻孔内完全塌孔为止；
[0015]4)重复步骤I)、2)、3)，进行多组实验，根据测试数据拟合求出相对压力-变形曲线图，模拟出实际钻孔变形与胶囊压力的变化关系，以此利用胶囊的压力反算出实际钻孔的变形量。
[0016]有益效果:由于采用了上述技术方案，本发明可以在实验室模拟钻孔变形的全过程，在钻孔旁贴上标尺便于观测确定钻孔变形量。同时通过记录相对压力数据，可得出钻孔变形量与相对压力的对应关系，利用相对压力间接准确反映钻孔变形量。可在现场测试中，对煤层打钻，根据实际情况和钻孔长度，布置多个相对压力-变形测试装置。根据实测的相对压力数据实现对现场钻孔变形量的测试。胶囊压力感应器为圆柱形，加压膨胀后能够感应钻孔各个方向的变形量。胶囊压力感应器的初始膨胀直径略小于钻孔直径，可以有效避免多点测试时，导管和导压管对施加初试压力时造成的误差。导管在胶囊安放处有凹槽开口，使得胶囊膨胀后能与钻孔直接接触。本发明结构简单、易于操作、稳定性好，能够准确实时监测钻孔变形量。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的模拟钻孔变形装置和相对压力-变形测试装置的整体图。
[0018]图2是本发明的模拟钻孔变形装置的立体图。
[0019]图3是本发明的模拟钻孔变形装置的俯视图图。
[0020]图4是本发明的模拟钻孔变形装置的侧视图。
[0021]图5是本发明的模拟钻孔变形装置的上方盖板立体图。
[0022]图6是本发明的模拟钻孔变形装置的钻孔模具示意图。
[0023]图7是本发明的相对压力-变形测试装置的结构示意图。
[0024]图8是本发明的现场测试时布置多个相对压力-变形测试装置的示意图。
[0025]图中:1、模拟箱；2、三角加固梁；3、螺栓；4、前侧板；5、圆孔；6、上压板；7、相似材料；8、钻孔模具；9、胶囊压力感应器；10、导压管；11、单向阀；12、压力表；13、三通；14、柔性保护套；15、导管。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
[0027]如图1所示，本发明的模拟测试钻孔变形的装置，主要由内设煤岩体相似材料的模拟箱1、前侧板4、上压板6、胶囊压力感应器9、导压管10、单向阀11和压力表12构成；模拟箱I为长方开，上压板6设置在模拟箱I上，模拟箱I的前后侧板上对称开有一圆孔，前后侧板上的圆孔经钻孔模具8连通，形成模拟钻孔环境，钻孔模具8如图6所示；所述模拟箱I的前侧板4与模拟箱箱体经螺栓3固定，可拆卸，如图2所示；模拟箱I的箱体周围均设有三角加固梁2，如图3、4所示；在模拟钻孔内设置连有导压管10的胶囊压力感应器9，所述的胶囊压力感应器9外部设有柔性保护套14。导压管10的外露端经三通13分别连有单向阀11和压力表12，如图7所示。所述的上压板6包括平板和设在平板上呈H形的加固梁，如图5所示。
[0028]本发明的模拟测试钻孔变形的方法，包括如下步骤:
[0029]I)将前侧板4通过螺栓3与模拟箱箱本固定在一起，用钻孔模具8穿套于模拟箱前后两侧板的圆孔内，在模拟箱I内侧和钻孔模具8外侧涂抹脱模剂，用沙子、石膏、水泥和水混合而成的煤岩体相似材料充填于模拟箱I内并压实，待相煤岩体似材料凝固后，取出钻孔模具静置达到预定强度，模拟出钻孔环境；
[0030]2)把与导压管10相连的胶囊压力感应器9送入模拟钻孔内，对胶囊压力感应器9加压，使得胶囊压力感应器9直径膨胀略小于模拟钻孔直径；
[0031]3)在前侧板4的模拟钻孔一侧贴上标尺，通过上压板6对模拟箱箱体内的煤岩体相似材料施加垂直应力，隔时间记录压力表12中的压力值，并测量与压力值相对应的模拟钻孔变形量，直至模拟钻孔内完全塌孔为止；
[0032]4)重复步骤I)、2)、3)，进行多组实验，根据测试数据拟合求出相对压力-变形曲线图，模拟出实际钻孔变形与胶囊压力的变化关系，以此利用胶囊的压力反算出实际钻孔的变形量。
[0033]图8所示，为应用于实际钻孔内的测试，可根据现场实际情况确定钻孔长度，将多个胶囊压力感应器9间隔设在导管15内，每个胶囊压力感应器9分别连接有导压管10，各导压管10外露端分别经三通13连接有压力表12和单向阀11，胶囊压力感应器9为圆柱形，外侧套有柔性保护套14，柔性保护套的直径略小于导管15直径，将导管15送入钻孔内，通过布置的多个胶囊压力感应器9实现钻孔内变形的多点同时测试。
【主权项】
1.一种模拟测试钻孔变形的装置，其特征在于:它包括内设煤岩体相似材料的模拟箱、设在模拟箱上的上压板，模拟箱的前后侧板上对称开有一圆孔，前后侧板上的圆孔经钻孔模具连通，形成模拟钻孔环境，在模拟钻孔内设置连有导压管的胶囊压力感应器，导压管的外露端经三通分别连有单向阀和压力表。
2.根据权利要求1所述的一种模拟测试钻孔变形的装置，其特征在于:所述的胶囊压力感应器外部设有柔性保护套。
3.根据权利要求1所述的一种模拟测试钻孔变形的装置，其特征在于:所述模拟箱的前侧板与模拟箱箱体螺栓固定，可拆卸。
4.根据权利要求1所述的一种模拟测试钻孔变形的装置，其特征在于:所述模拟箱的箱体周围均设有三角加固梁。
5.根据权利要求1所述的一种模拟测试钻孔变形的装置，其特征在于:所述的上压板包括平板和设在平板上呈H形的加固梁。
6.一种使用权利要求1所述装置的模拟测试钻孔变形的方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将前侧板通过螺栓与模拟箱箱本固定在一起，用钻孔模具穿套于模拟箱前后两侧板的圆孔内，在模拟箱内侧和钻孔模具外侧涂抹脱模剂，用沙子、石膏、水泥和水混合而成的煤岩体相似材料充填于模拟箱内并压实，待相煤岩体似材料凝固后，取出钻孔模具静置达到预定强度，模拟出钻孔环境； 2)把与导压管相连的胶囊压力感应器送入模拟钻孔内，对胶囊压力感应器加压，使得胶囊压力感应器直径膨胀略小于模拟钻孔直径； 3)在前侧板的模拟钻孔一侧贴上标尺，通过上压板对模拟箱箱体内的煤岩体相似材料施加垂直应力，隔时间记录压力表中的压力值，并测量与压力值相对应的模拟钻孔变形量，直至模拟钻孔内完全塌孔为止； 4)重复步骤I)、2)、3)，进行多组实验，根据测试数据拟合求出相对压力-变形曲线图，模拟出实际钻孔变形与胶囊压力的变化关系，以此利用胶囊的压力反算出实际钻孔的变形量。
【专利摘要】一种模拟测试钻孔变形的装置及方法，装置包括内设煤岩体相似材料的模拟箱、设在模拟箱上的上压板，模拟箱的前后侧板上对称开有一圆孔，前后侧板上的圆孔经钻孔模具连通，形成模拟钻孔环境，在模拟钻孔内设置连有导压管的胶囊压力感应器，导压管的外露端经三通分别连有单向阀和压力表。测试方法：将胶囊压力感应器送入箱体内的钻孔中，对钻孔施加应力，同步记录钻孔形变和压力表读数，够动态记录钻孔变形与发展规律，得到变化关系，以此实测的胶囊压力演算钻孔变形量，其结构简单，易于操作，模拟效果好。
【IPC分类】E21B47-00, G01N3-08
【公开号】CN104535422
【申请号】CN201510001971
【发明人】李忠辉, 蔡冠楠, 钮月, 娄全
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月4日