CN101949289A - 地层模拟实验用多介质耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层模拟实验用多介质耦合装置，包括底座、底座上设置有支撑架，支撑架上设置有密封料仓，密封料仓上设置有进料口，密封料仓的侧面设置有进气口和进液口，支撑架上设置有带动密封料仓转动的驱动装置；进液口连接有进液系统，进液系统包括水泵、供水箱、比例调节阀一、比例调节阀二、溢流阀和安装在进液口的输水管；进气口连接有进气系统，进气系统包括气源、气泵和安装在进气口的输气管。本发明能够在密封的条件下适应不同倾斜角度地层的实验要求。

Description

地层模拟实验用多介质耦合装置

技术领域

本发明涉及一种多介质耦合实验装置，特别是涉及一种地层模拟实验用多介质耦合装置。

背景技术

对地下煤层进行开采过程中，经常遇到地层中的含水层、煤层内的煤层气等多相介质问题，对含液体和气体的固体地层的运动规律进行科学模拟和预测是进行煤层、水资源、煤层气安全开采前必不可少的程序，现有的用于地层模拟实验的实验装置，都不是密闭的，不能模拟带压的固、液、气多相介质，只能模拟固体介质。有的装置可以模拟简单的两相介质，却不能实现带压模拟，造成实验数据失真，也不能方便地实现各种地层倾角。且现有的介质耦合装置不能方便移动，如实验室光线不好，却不能移动，使用起来非常不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种地层模拟实验用多介质耦合装置。本发明能够在密封的条件下适应不同倾斜角度地层的实验要求，且其结构简单、使用方便、便于推广使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：包括底座、所述底座上设置有支撑架，所述支撑架上设置有密封料仓，所述密封料仓上设置有进料口，所述密封料仓的侧面设置有进气口和进液口，所述支撑架上设置有带动密封料仓转动的驱动装置；所述进液口连接有进液系统，所述进液系统包括水泵、供水箱、比例调节阀一、比例调节阀二、溢流阀和安装在进液口的输水管，所述输水管依次将比例调节阀一、水泵、比例调节阀二和供水箱连接，且在水泵和比例调节阀一之间还设置有与供水箱连接的输水支路，所述溢流阀安装在输水支路上，所述输水管上靠近进液口的部位安装有测试输水管内水压的压力传感器一，所述压力传感器一与控制器连接，所述控制器分别与比例调节阀一和工控机连接；所述进气口连接有进气系统，所述进气系统包括气源、气泵和安装在进气口的输气管，所述输气管上靠近进气口的部位安装有测试进气口内气压的压力传感器二，所述压力传感器二与控制器连接，所述控制器分别与比例调节阀三和工控机连接。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述支撑架包括安装在底座上的前压板和与前压板间隔设置的后压板。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述密封料仓为由多个连接板组成的长方体料仓，且各连接板之间密封安装有透明板，所述进料口设置在密封料仓顶部的透明板上，所述进料口上方密封连接有压板，所述驱动装置包括设置在所述前压板与后压板之间的蜗杆，所述蜗杆通过联轴器连接有转轴，所述转轴一端与蜗杆连接，所述转轴另一端连接有驱动器，所述密封料仓底部固定连接有蜗轮，所述前压板与后压板之间且位于密封料仓下方设置有固定轴，所述蜗轮与蜗杆相配，且所述蜗轮在蜗杆的带动下绕固定轴转动。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述各连接板与透明板之间用橡胶条密封，所述进料口与压板之间用橡胶条密封，所述进气口与密封料仓用橡胶条密封。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述密封料仓底部设置有弹簧，所述弹簧的一端安装在密封料仓的底部，所述弹簧的另一端与底座连接。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述前压板上与蜗轮对应的位置安装有角度显示盘。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述底座的底部安装有移动轮。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述驱动器为手动摇把。

上述的地层模拟实验用多介质耦合装置，所述透明板为玻璃板。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明是在密封的环境下进行实验的，实验液体或/和气体不会外泄，且本发明通过蜗杆带动蜗轮转动，通过蜗轮带动与其固定连接的密封料仓，或其它传动装置带动密封料仓，使密封料仓可转动一定的角度，从而适应不同倾斜角度的地层的实验要求，且本发明的密封料仓各个面为透明板，通过透明板可以方便观测液压渗流、气体运移等现象；且密封料仓通过橡胶条密封，取得良好的密封效果，避免了实验液体或/和气体的外泄造成实验数据的失真。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明的右视结构示意图。

图3为本发明的进气系统原理图。

图4为本发明的进液系统原理图。

附图标记说明：

1-底座；       2-移动轮；           3-密封料仓；

4-进料口；     5-压板；             6-透明板；

7-进气口；     8-蜗轮；             9-轴承座；

10-驱动器；    11-转轴；            12-联轴器；

13-支撑板；    14-蜗杆；            15-前压板；

16-后压板；    17-固定轴；          18-弹簧；

19-进液口；    20-压力传感器一；    21-输水管；

22-控制器；    23-工控机；          24-比例调节阀一；

25-水泵；      26-溢流阀；          27-比例调节阀二；

28-供水箱；      29-压力传感器二；30-输气管；

31-比例调节阀三；32-气泵；        33-气源；

34-输水支路。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种地层模拟实验用多介质耦合装置，包括底座1、所述底座1上设置有支撑架，所述支撑架上设置有密封料仓3，所述密封料仓3上设置有进料口4，所述密封料仓3的侧面设置有进气口7和进液口19，所述支撑架上设置有带动密封料仓3转动的驱动装置；所述进液口19连接有进液系统，所述进液系统包括水泵25、供水箱28、比例调节阀一24、比例调节阀二27、溢流阀26和安装在进液口19的输水管21，所述输水管21依次将比例调节阀一24、水泵25、比例调节阀二27和供水箱28连接，且在水泵25和比例调节阀一24之间还设置有与供水箱28连接的输水支路34，所述溢流阀26安装在输水支路34上，所述输水管21上靠近进液口19的部位安装有测试输水管21内水压的压力传感器一20，所述压力传感器一20与控制器22连接，所述控制器22分别与比例调节阀一24和工控机23连接；所述进气口7连接有进气系统，所述进气系统包括气源33、气泵32和安装在进气口7的输气管30，所述输气管30上靠近进气口7的部位安装有测试进气口7内气压的压力传感器二29，所述压力传感器二29与控制器22连接，所述控制器22分别与比例调节阀三31和工控机23连接。所用的控制器22可以为PID控制器。

所述支撑架包括安装在底座1上的前压板15和与前压板15间隔设置的后压板16。所述密封料仓3为由多个连接板组成的长方体料仓，且各连接板之间密封安装有透明板6，所述进料口4设置在密封料仓3顶部的透明板6上，所述进料口4上方密封连接有压板5，所述驱动装置包括设置在所述前压板15与后压板16之间的蜗杆14，所述蜗杆14通过联轴器12连接有转轴11，所述转轴11一端与蜗杆14连接，所述转轴11另一端连接有驱动器10，由于转轴11较长，在转轴11上设置有安装在轴承座9上的轴承，所述密封料仓3底部固定连接有蜗轮8，所述蜗杆14与蜗轮8相配合的两侧设置有轴承，所述轴承通过支撑板13固定，所述蜗杆14与所述前压板15与后压板16之间且位于密封料仓3下方设置有固定轴17，所述蜗轮8与蜗杆14相配，且所述蜗轮8在蜗杆14的带动下绕固定轴17转动。所述传动装置也可为齿条齿轮结构或其它可以使封闭料仓转动的结构。所述密封料仓3也可以为正方体等封闭形状。

使用时，将不同地质层的模拟材料按实验要求从进料口4装入密封料仓3中，然后将进料口4密封，然后根据实验要求对具有倾斜角度的地层进行模拟，开启驱动器10，让蜗杆14带动蜗轮8转动，从而带动与蜗轮8固定的密封料仓3转动，使密封料仓3转动至与模拟的目标地层一致的角度，供气系统和供液系统分别通过进气口7和进液口19向密封料仓3内的模拟材料内输入气体和液体，当输入液体时(如图4所示)，通过比例调节阀一24、比例调节阀二27和溢流阀26控制液体进入的量，通过压力传感器一20测量输水管21的液压，再通过压力控制器22将测量结果传输到工控机23，由工控机23通过比例调节阀一24对液体的输入量进行控制，获得所需要的液体压力；当输入气体时(如图3所示)，通过比例调节阀三31对与气源33相连的气泵32输出的气体进行调控，利用压力传感器二29测出输气管30的气压，再通过传感器22将测量结果传输到工控机23，由工控机23通过比例调节阀三31对气体的输入量进行控制，获得所需要的气体压力；实验时，在工控机23内预设定好需输入气体的气压值和需输入水的液压值，以便与压力传感器一20和压力传感器二29测出的压力值对比从而控制输入气体和液体的量，利用气体与模拟地层材料的耦合、液体与模拟地层材料的耦合或气体、液体与模拟地层材料的耦合，从而模拟岩、土层(体)内液体渗流、气体运移等规律(如煤层内带压瓦斯的扩散运移动规律、山体泥石流等的发生情况)，也可以再通过对密封料仓3内的材料(如使用遥控机械手臂等)在密封的条件下模拟开挖，从而达到模拟煤层开采后的矿井突水灾害过程或山体受开挖扰动后的滑坡规律、矿井采动后的瓦斯泄漏和流动等变化情况；实验时，该装置是密封的，实验液体和气体不会外泄，通过该装置可以真实的模拟地下的封闭环境，能够达到实验数据的真实性，为实际工程使用提供了准确的科学依据，且该装置能适应地层的角度，能够准确模拟地层的实际情况，得到的实验数据准确可靠。

所述各连接板与透明板6之间用橡胶条密封，所述进料口4与压板5之间用橡胶条密封，所述进气口7与密封料仓3用橡胶条密封。采用橡胶条密封能够使密封料仓3实现良好的密封效果，防止实验气体或/和液体进入密封料仓3从而影响了实验数据的真实性和准确性。

所述密封料仓3底部设置有弹簧18，所述弹簧18的一端安装在密封料仓3的底角上，所述弹簧18的另一端与底座1连接。当密封料仓3在蜗轮8的带动下转动时，弹簧18对密封料仓3具有牵拉作用，防止密封料仓3转动过快，造成密封料仓3内部的实验材料发生相对运动而被破坏。

所述前压板15上与蜗轮8对应的位置安装有角度显示盘。可方便得知密封料仓3转动的角度。所述底座1的底部安装有移动轮2，可以通过移动轮2带动该装置移动，如在实验环境光线较差，可通过移动轮2将该装置移动至光线好的位置。所述驱动器10为手动摇把，通过手摇把人力驱动转轴11，使用起来非常方便，且节约了实验成本。所述透明板6为玻璃板，通过设置玻璃板，既能满足人们观测实验现象的要求，且玻璃板造价低廉。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：包括底座(1)、所述底座(1)上设置有支撑架，所述支撑架上设置有密封料仓(3)，所述密封料仓(3)上设置有进料口(4)，所述密封料仓(3)的侧面设置有进气口(7)和进液口(19)，所述支撑架上设置有带动密封料仓(3)转动的驱动装置；所述进液口(19)连接有进液系统，所述进液系统包括水泵(25)、供水箱(28)、比例调节阀一(24)、比例调节阀二(27)、溢流阀(26)和安装在进液口(19)的输水管(21)，所述输水管(21)依次将比例调节阀一(24)、水泵(25)、比例调节阀二(27)和供水箱(28)连接，且在水泵(25)和比例调节阀一(24)之间还设置有与供水箱(28)连接的输水支路(34)，所述溢流阀(26)安装在输水支路(34)上，所述输水管(21)上靠近进液口(19)的部位安装有测试输水管(21)内水压的压力传感器一(20)，所述压力传感器一(20)与控制器(22)连接，所述控制器(22)分别与比例调节阀一(24)和工控机(23)连接；所述进气口(7)连接有进气系统，所述进气系统包括气源(33)、气泵(32)和安装在进气口(7)的输气管(30)，所述输气管(30)上靠近进气口(7)的部位安装有测试进气口(7)内气压的压力传感器二(29)，所述压力传感器二(29)与控制器(22)连接，所述控制器(22)分别与比例调节阀三(31)和工控机(23)连接。

2.根据权利要求1所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述支撑架包括安装在底座(1)上的前压板(15)和与前压板(15)间隔设置的后压板(16)。

3.根据权利要求2所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述密封料仓(3)为由多个连接板组成的长方体料仓，且各连接板之间密封安装有透明板(6)，所述进料口(4)设置在密封料仓(3)顶部的透明板(6)上，所述进料口(4)上方密封连接有压板(5)，所述驱动装置包括设置在所述前压板(15)与后压板(16)之间的蜗杆(14)，所述蜗杆(14)通过联轴器(12)连接有转轴(11)，所述转轴(11)一端与蜗杆(14)连接，所述转轴(11)另一端连接有驱动器(10)，所述密封料仓(3)底部固定连接有蜗轮(8)，所述前压板(15)与后压板(16)之间且位于密封料仓(3)下方设置有固定轴(17)，所述蜗轮(8)与蜗杆(14)相配，且所述蜗轮(8)在蜗杆(14)的带动下绕固定轴(17)转动。

4.根据权利要求3所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述各连接板与透明板(6)之间用橡胶条密封，所述进料口(4)与压板(5)之间用橡胶条密封，所述进气口(7)与密封料仓(3)用橡胶条密封。

5.根据权利要求4所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述密封料仓(3)底部设置有弹簧(18)，所述弹簧(18)的一端安装在密封料仓(3)的底部，所述弹簧(18)的另一端与底座(1)连接。

6.根据权利要求5所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述前压板(15)上与蜗轮(8)对应的位置安装有角度显示盘。

7.根据权利要求6所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述底座(1)的底部安装有移动轮(2)。

8.根据权利要求7所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述驱动器(10)为手动摇把。

9.根据权利要求8所述的地层模拟实验用多介质耦合装置，其特征在于：所述透明板(6)为玻璃板。

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