CN102253179B - 煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，包括底座、主体框架、侧护板、开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路。监测结果准确，其为的综合监测手段，充分发挥系统优势，适时、实地、科学的监测，进行准确的预测预报，为设计和生产实践提供可靠的理论依据和指导。

Description

煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，涉及固体力学、渗流力学、构造地质、地球物理、岩石力学、地下工程、石油工程和环境工程等学科“固-液-气”三相介质耦合作用影响问题。

背景技术

在物理模拟试验中，选择合适的模型材料是定量模拟的关键环节之一。根据模拟岩石的相似理论，即模拟岩石材料在多相耦合状态下应遵循的相似准则及应具有的性质，适合用作地下工程相似模型试验的材料必须具有容重大、强度低和性能稳定等特点。对于与“固-液-气”三相有关的如在富含水沙层下、水体下、水体上和含有气体岩层等条件下开采的研究课题有必要开展“固-液-气”三相相似模拟研究。不少研究单位曾试图采用模拟试验进行相关课题研究，但因没有找到合适模拟材料和解决试验的关键技术而未能成功。固态模拟试验通常主要采用沙、石膏和大白粉等模拟材料，但这些材料遇水易崩解，模拟试验首先要研制非亲水的模拟材料，即模型材料需选择非亲水性材料进行制模，含气岩层还需要进行透气不透水材料进行制模，又增加了制模难度。且许多模拟结果不能很好反映成岩地质体在工程状态下的实际情况，并且常常出现某些定性错误，而在试验方面研究甚少。由于开挖引起位移场的模型试验，大都是以自重体积力为主要外力条件的模拟试验，事实上在“固-液-气”三相介质耦合作用的情况下与该模拟试验条件是有很大差别的。如果仍采用一般原始的模拟方法，的确不能反映岩体在工程状态下的实际情况，也不是真正的“固-液-气”耦合相似模拟，不能实现“固-液-气”三相模拟的原因主要是没有找到合适的三相相似模拟材料来制作“固-液-气”耦合相似模型，因此研究“固-液-气”试验材料是必要的，也为进一步进行“固-液-气”耦合研究打下了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，采用如下技术方案：

一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，包括底座、主体框架、侧护板、开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路；模拟材料层自上而下依次是模拟黄土层、模拟砂岩、模拟细砂岩、模拟页岩、模拟基本顶、模拟直接顶、模拟煤层、模拟直接底、模拟含水层、模拟泥岩。

所述的模拟实验装置，所述模拟黄土层采用黄土、石膏、大白粉按比例637配比而成；所述模拟砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟细砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例355配比而成；所述模拟页岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例555配比而成；所述模拟基本顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟直接顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例673配比而成；所述模拟煤层采用煤粉、石膏和大白粉按照比例473配比而成；所述模拟直接底采用河沙、石膏和大白粉按照比例673配比而成，模拟直接底上表面涂熔融石蜡；所述模拟含水层采用河沙、石膏和大白粉按照比例355配比而成，所述模拟含水层下表面涂熔融石蜡。

所述的模拟实验装置，还包括示踪液体注入装置、注气装置、通风装置，示踪液体注入装置向模拟含水层内注示踪液体；注气装置向模拟煤层内注入示踪气体；通风装置向外抽气。

所述的模拟实验装置，所述监测装置包括：压力控制装置、声发射设备、气相色谱仪、便携式氧气测定仪、应变检测仪、流量计和钻孔窥视仪。

所述的模拟实验装置，还包括加压装置，进行压力调节。

所述的模拟实验装置，所述底座装有角度指示仪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、能够充分发挥系统性的优势，在监测信息反馈下，利用综合手段的相互作用、相互补充，弥补了单一手段的不足。2、根据实际情况地进行科学合理设计，根据现场实际需要，即在特定的时-空-地范围内，形成采场“固-液-气”三相介质耦合作用形式，有效模拟过程。3、利用综合监测手段，监测“固-液-气”三相介质耦合作用规律，防止安全事故发生。4、推广应用价值高，可以在采矿工程、环境工程、土木工程、石油工程等领域广泛应用。5、监测结果准确，其为的综合监测手段，充分发挥系统优势，适时、实地、科学的监测，进行准确的预测预报，为设计和生产实践提供可靠的理论依据和指导。

实验结束后综合分析模拟和监测结果，得出采场“固-液-气”三相介质耦合作用规律，为现场工业化生产提供安全保障和技术支持。

附图说明

图1为本发明“固-液-气”三相介质耦合作用实验设计布局(正视图)。

图2为本发明根据模拟实验装置瓦斯分布规律。

图3为本发明“固-液-气”耦合作用下模拟支架载荷检测结果，(a)两端和中间支架载荷，(b)平均载荷。

图4为本发明“固-液-气”耦合作用下采动过程AE特征，(a)事件统计，(b)能率-时间关系。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

表1给出了工程现场物理原型相关开采技术参数。模拟实验采用的相似比＝1∶100；煤层厚度32.9cm，采高3.5cm，放煤高度26.5cm。实验设计及相关参数如图4所示。

表1现场开采基本参数

如图1所示，1-1为本发明煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置的正视图，1-2为其立体图，本发明所述的煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置包括：底座1、主体框架2、侧护板3、开采组件、模拟材料层(20至29)和监测装置。

底座1：结构为四足框架结构，在底座1上表面中轴位置安装有一个轴承结构，底座装有角度指示仪，可以调节主体框架角度。主体框架2：结构为框架结构，顶部开有1200mm×120mm装填孔，底部通过轴承与底座1连接。侧护板3：由δ15mm-20mm有机玻璃四边打磨而成，参考图1-1，侧护板3安装在主体框架2的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口。开采组件包括开采工作面内支架模型4和通风装置的进风管路19和回风管路31，回风管路31安装在主体框架2左侧，进风管路19安装在主体框架2右侧。

模拟材料层(20至29)：参考图1，模型比例为1∶100。自上而下依次是模拟黄土层20、模拟砂岩21、模拟细砂岩22、模拟页岩23、模拟基本顶24、模拟直接顶25、模拟煤层26、模拟直接底27、模拟含水层28、模拟泥岩29。

参考表1，试验中模拟黄土层20采用黄土、石膏、大白粉按比例637(6∶0.3∶0.7)配比而成；模拟砂岩21采用河砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；模拟细砂岩22采用河砂、石膏和大白粉按照比例355配比而成；模拟页岩23采用河砂、石膏和大白粉按照比例555配比而成；模拟基本顶24采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例337(3∶0.3∶0.7)配比而成；模拟直接顶25采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例673(6∶0.3∶0.7)配比而成；模拟煤层26采用煤粉、石膏和大白粉按照比例473(4∶0.3∶0.7)配比而成；模拟直接底27采用河沙、石膏和大白粉按照比例673配比而成，模拟直接底27上表面涂熔融石蜡；模拟含水层28采用河沙、石膏和大白粉按照比例355配比而成，模拟含水层28下表面涂熔融石蜡。模拟泥岩29采用黄土、石膏和大白粉按照比列655(6∶0.5∶0.5)配比而成。

表1

加压装置5：进行压力调节，根据原型实际比例进行压力调节，保证模型处于相同的围岩压力环境。

示踪液体注入装置8、注气装置10(存放安全稳定指示气体，本实验采用氮气作为示踪气体)、通风装置17，为了使模型的含水量和含水压力与原型一致，采用示踪液体注入装置8向含水层28内注示踪液体(例如染色的水)，液压由压力控制装置6进行控制。为了使模型的含气量和含气压力与原型一致，采用注气装置10向模拟煤层26内注入示踪气体，气体压力由压力控制装置6进行控制。为了保证模拟工作面通风条件与原型一致，采用通风装置17向外抽气，设置抽气流量，形成整体模拟条件。

监测装置包括：压力控制装置6：用于控制液池8和气罐10的水气压力，包括两路供水控制信号，两路供气控制信号，控制高精度PID比例调节阀，动态调节水气压力。压力传感器将反馈信号通过A/D采集卡7送回压力控制装置6，与控制波形做比较，形成闭环控制回路，从而达到精确控制压力的目的。

声发射设备12：声发射监测是一种实时的动态监测技术，可以监测材料承载破坏全过程的细观损伤演化特征。通过分析材料内部聚集的弹性能量释放或断裂卸压而产生的AE信号，判断材料内部发生的动力现象，预测材料所产生的损伤演化、断裂破坏等过程。AE主要特征(定量)参数包括：总事件数(AE频率)、大事件数(AE幅度)和能率。其中总事件数是单位时间内的AE累计总数(个/min)，它是岩体出现破坏的重要标志。大事件数是单位时间内振幅超过阈值的AE数(个/min)，在总事件中大事件所占比例预示了岩体破坏的趋势。能率是单位时间内AE能量的相对累计值，是岩体破坏速度和大小变化程度的重要标志。参考图1，5个声发射传感器11按三角形分别分布于：两个分布在模拟煤层26上方模拟基本顶，两个分布在模拟细砂岩26内，砂岩层21内布置1个传感器作为三角形顶点，三角形两腰上的声发射传感器11等距。

气相色谱仪(图中未示出)：分析气体监测孔32(模拟基本顶24和模拟页岩23内各四个气体监测孔32)中冒落采空区空间气体成分和含量；

便携式氧气测定仪(图中未示出)：测出气体监测孔32中冒落采空区空间气体中氧气含量，换算出示踪气体含量，进而显示示踪气体空间分布情况；

应变检测仪13：记录模型内部岩体变形，应变传感器33布置于典型岩层内部；

流量计16：监测气体、液体流量，满足实验需要。

钻孔窥视仪14，，沿钻孔15内壁从钻孔口到钻孔底部观测钻孔，记录模型破坏情况。

实施例2

采场“固-液-气”三相介质耦合作用模拟实验包括以下步骤：

步骤一、在主体框架2内将模拟材料层(20至29)按比列要求装填，使与原型地质、结构、水文和力学特征等相似。

步骤二、在模型中开挖出采场条件，形成工作环境。

步骤三、进行采场正规作业循环、加载预设压力、注入示踪液体和气体和启动通风装置17抽气，进行实验模拟。

①采场正规作业循环：按照现场作业模式进行模拟作业。

②调节压力：根据原型实际比例进行压力调节，保证模型处于相同的围岩压力环境。

③在含水层内。通过水泵9将液池中的示踪液体(带颜色的水，常用红色)注入含水层，由于采动影响，模型内含水层的承压水会涌出，模拟矿井中承压水突出情况(即矿井透水)。压注示踪液体：根据原型含水特征，使模型的含水量和含水压力与原型一致。

④在含气层内(煤层)，通过气泵11将气罐中的示踪气体(N2)注入含气层，由于采动影响，模型内含气层(模拟煤层26)损伤破坏使示踪气体释放，模拟矿井中瓦斯等有害气体释放、突出等现象(矿井瓦斯、瓦斯突出等)压注示踪气体：根据原型含气特征，使模型的含气量和含气压力与原型一致。

⑤调节抽气流量：根据原型通风条件，设置抽气泵抽气流量，保证模拟工作面通风条件与原型一致，形成整体模拟条件。

步骤四、实时监测

①模型压力监测，记录模型加载压力和传递压力；

②模型岩层位移监测，记录模型岩层的运动情况；

③模型内部变形监测，传感器布置于典型岩层内部，记录模型内部变形情况；

④模型声发射监测，记录模型动力破坏与声发射信号之间的关系，进行动力破坏预测预报；

⑤模型液体流量和压力监测，记录模型液体渗流运动情况；

⑥模型气体流量和压力监测，记录模型气体渗流迁移、浓度分布情况；

⑦模型钻孔窥视监测，沿钻孔内壁从钻孔口到钻孔底部观测钻孔，记录模型破坏情况；

⑧模型采出量监测，记录模型采出率。

综合分析模拟和监测结果，得出采场“固-液-气”三相介质耦合作用规律，为现场工业化生产提供安全保障和技术支持。

从图2可以测量出采空区内瓦斯含量，从而可以判断出瓦斯涌出量和瓦斯释放浓度。从图3可以测量出工作面来压强度和来压规律，指导现场作出支护参数调整。从图4可以看出，采煤过程和顶板垮落与声发射AE信号之间的关联程度，可以预测顶板时间，为工作面安全生产提供预警作用。

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化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，其特征在于，包括底座、主体框架、侧护板、开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路；模拟材料层自上而下依次是模拟黄土层、模拟砂岩、模拟细砂岩、模拟页岩、模拟基本顶、模拟直接顶、模拟煤层、模拟直接底、模拟含水层、模拟泥岩；所述模拟黄土层采用黄土、石膏、大白粉按比例637配比而成；所述模拟砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟细砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例355配比而成；所述模拟页岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例555配比而成；所述模拟基本顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟直接顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例673配比而成；所述模拟煤层采用煤粉、石膏和大白粉按照比例473配比而成；所述模拟直接底采用河沙、石膏和大白粉按照比例673配比而成，模拟直接底上表面涂熔融石蜡；所述模拟含水层采用河沙、石膏和大白粉按照比例355配比而成，所述模拟含水层下表面涂熔融石蜡。

2.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，还包括示踪液体注入装置、注气装置、通风装置，示踪液体注入装置向模拟含水层内注示踪液体；注气装置向模拟煤层内注入示踪气体；通风装置向外抽气。

3.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，所述监测装置包括：压力控制装置、声发射设备、气相色谱仪、便携式氧气测定仪、应变检测仪、流量计和钻孔窥视仪。

4.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，还包括加压装置，进行压力调节。

5.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，底座装有角度指示仪。

Images