CN103114870A - 多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，包括试件箱（1）；所述试件箱（1）的前箱板设置有阶梯状的突出口（9）；所述突出口（9）内通过螺栓固定连接有突出套（10）；所述突出套（10）内设置有外管固定座（11）；所述外管固定座（11）的内孔中螺纹连接有外管（12）；所述外管（12）上设置有抽采外区（12a）；所述抽采外区（12a）上设置有若干抽采外孔（14a）；所述外管（12）设置有内管（15）。本发明可在实验室内模拟现场工况的煤层气抽采，再现实际工况中煤层参数的变化情况，从而研究应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析煤层瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。

Description

多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种模拟多场耦合作用机制下煤层气开采过程的试验系统及方法。

背景技术

煤层气是一种潜在的洁净的能源。在当前能源紧张的局势下,加快煤层气的开发利用,对改善我国能源结构,对能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。从矿产资源的角度讲，煤层气是以甲烷为主要成份（含量＞85%）的、在煤化作用过程中形成的、储集在煤层气及其临近岩层之中的、可以利用开发技术将其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。我国煤层气资源丰富，据煤层气资源评价，我国埋深2000米以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，主要分布在华北和西北地区。其中，华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。

最常见的煤层气开发方式主要有两种，即：井下煤层气抽采和地面钻井开采。井下抽采煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过煤层气泵来抽取煤层中的煤层气。这种开发方式的煤层气产量较小，甲烷浓度不高（20%～50%），而且容易受到煤矿采掘生产的影响，所以它多以煤矿安全生产为目的，煤层气的利用率较低。从20世纪50年代开始，我国就将煤层气抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广。半个世纪以来，我国实施煤层气抽采的矿井数量和瓦斯抽入量逐年稳步上升。然而，我国煤层的主要特点是煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂，我国的煤层赋存条件决定了我国的煤层气抽采应以卸压抽采为主。地面钻井开采煤层气是从地面钻井进入未开采煤层，通过排水降压解吸出煤层中的煤层气，再通过井筒流动到地面。这种开采方式的产气量大、产气时间长，甲烷含量高（大于90%），所以可以支撑大规模的商业化利用，但为了保证煤层气的可采性，并且获得一定的经济效益，这种开发方式对煤层气资源量、煤层地质构造、含气量、渗透率、地理环境等都有较高的要求。

目前，我国总体煤层气抽放效果不佳，具体表现为煤层气抽放率低。导致我国煤矿煤层气抽放率低的原因有2个方面：一方面是客观原因，我国95％以上的高煤层气和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有0.004～0.04m²/（MPa²·d），煤层气抽放（特别是预抽）难度非常大；另一方面是主观原因，主要表现为抽放时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配和管理不到位。因此研究如何对煤层气进行有效的抽采具有极其重要的工程意义。

另一方面，根据矿压理论，煤层开采后其顶板岩层发生冒落移动，当上覆岩层下沉稳定后，上覆岩层采动裂隙区划可分为“竖三带”和“横三区”，即采动区沿垂直方向由下往上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；沿工作面推进方向在工作面风巷和机巷区域分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。随着工作面不断向前推进，沿工作推进方向上的“横三区”随之交替向前移动。在煤层气抽采的过程中，瓦斯在煤岩层中的运移将受到“竖三带”和“横三区”中新产生的裂隙区域分布的影响，而合理的利用“竖三带”和“横三区”中新产生的裂隙对提高抽采效率有着重要的影响。

目前还没有在实验室进行煤层气抽采模拟的试验装置或者方法，实验室所能模拟的状态大都是在假三轴条件下煤层渗透率随着应力、瓦斯压力、温度变化而变化的关系，并在此基础上提出各种提高煤层渗透性的方法。虽然这些渗流模拟试验在一定程度上说明了各种影响因素对煤层煤层气流动的影响作用，但鉴于抽采工作及其制度的复杂性，这些模拟状态与现场实际情况相差较远，并不能说明实际条件下的煤层气抽采受到各因素的作用。

因此本领域技术人员致力于开发一种能够在实验室物理模拟煤层气抽采的试验装置及方法。

发明内容

有鉴于现有技术上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在实验室物理模拟煤层气抽采的试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，包括试件箱；所述试件箱上部设置有至少一个Z向压杆和Z向压板；

所述试件箱的右箱板上设置有至少一个Y向压杆和Y向压板；

所述试件箱的后箱板上设置有至少一个X向压杆和X向压板；

所述Z向压板、Y向压板和X向压板均位于所述试件箱内；

所述试件箱的前箱板设置有阶梯状的突出口；所述突出口内通过螺栓固定连接有突出套；所述突出套与所述前箱板的阶梯面之间设置有第一密封圈；

所述试件箱的底部设置有透气钢板和气道；所述透气钢板覆盖在所述气道上；所述气道的进口设置有内接插头；

所述试件箱的左箱板外部间隔固定连接有第一垫板；所述左箱板在各第一垫板的间隔之间设置有接口；所述接口中设置有传感器接头；

所述突出套的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔内设置有形状与阶梯孔对应的外管固定座；所述突出套的阶梯面与所述外管固定座之间设置有第二密封圈；所述外管固定座的内孔中螺纹连接有外管；所述外管延伸至所述试件箱内；

所述突出套的前端面通过螺栓连接有固定法兰；所述外管固定座与所述固定法兰之间设置有第三密封圈；所述固定法兰的前端设置有法兰凸台；所述法兰凸台的外圆设置有螺纹；

所述外管的后端封闭，前端开口；所述外管上设置有位置与各所述Z向压杆对应的抽采外区；所述抽采外区上设置有若干抽采外孔；

所述外管和固定法兰中设置有内管；所述内管包括第一接管和第三接管，以及可选的一根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺纹连接，且连接螺纹具有互换性；所述第一接管、第二接管和第三接管的结合端面处均设置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外径小于所述外管的内径；

所述第一接管对应所述法兰凸台处设置有限位凸缘；所述第一接管在所述限位凸缘的前端外圆设置有螺纹；所述第一接管的前端内孔中配合有第一接头；

所述限位凸缘和法兰凸台的外螺纹上配合有螺母；

所述第一接管和第二接管沿轴向设置有通孔；所述第三接管沿轴向设置有前端开口后端封闭的盲孔；

所述第三接管设置有抽采内区；所述抽采内区的前后端两端分别设置有第一抽采凸缘和第二抽采凸缘；所述第二抽采凸缘与所述外管配合，并与所述外管之间设置有第四密封圈；所述抽采外区上设置有与所述第二抽采凸缘对应的第一密封区；

所述抽采内区的外径小于所述外管的直径；所述抽采内区沿周向和轴向均布有多个抽采内孔；

所述Z向压杆的中心线可位于与所述第一抽采凸缘和第二抽采凸缘相对端面等距的虚拟面上。

为便于测量计算某一Z向压杆对抽采的影响，所述第一抽采凸缘与所述外管配合，并与所述外管之间设置有第五密封圈；所述抽采外区上设置有与所述第一抽采凸缘对应的第二密封区。

较佳的，所述抽采外孔的孔径大于所述抽采内孔的孔径；所述抽采外孔的分布密度大于所述抽采内孔的分布密度；所述抽采外区内、第一密封区和第二密封区外，各所述抽采外孔之间的第一轴向孔心距不小于5mm；各所述抽采内孔之间的第二轴向孔心距为所述第一轴向孔心距的两倍。

较佳的，所述外管的抽采外区在圆周方向上均布有18个所述抽采外孔；所述第三接管的抽采内区在圆周方向上均布有4个所述抽采内孔；所述抽采外孔的孔径不大于1.5mm；所述抽采内孔的孔径不小于2mm；所述第一轴向孔心距为5mm；所述第二轴向孔心距为10mm。

较佳的，所述第一接头与所述内管的前端面之间设置有组合垫圈。

为便于操作，所述突出套的内孔孔径大于所述外管固定座的外径。

本发明同时公开了一种多场耦合煤层气抽采模拟试验方法，包括以下步骤：

1、前期准备

1a）测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率；

1b）在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和抽采外管，所述抽采外管的后端封闭，前端开口；所述外管上设置有位置与试件箱各Z向压杆对应的抽采外区；所述抽采外区上设置有若干抽采外孔；

1c）盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；

1d）将试件箱置于加载系统中，然后在抽采外管中装配抽采内管；抽采内管包括第一接管和第三接管，以及可选的一根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺纹连接，且连接螺纹具有互换性；所述第一接管、第二接管和第三接管的结合端面处设置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外径小于所述外管的内径；所述第一接管和第二接管沿轴向设置有通孔；所述第三接管沿轴向设置有前端开口后端封闭的盲孔；所述第三接管设置有抽采内区；所述抽采内区的前后端两端分别设置有第一抽采凸缘和第二抽采凸缘；所述第二抽采凸缘与所述外管配合，并与所述外管之间设置有第四密封圈；所述抽采外区上设置有与所述第二抽采凸缘对应的第一密封区；所述抽采内区的外径小于所述外管的直径；所述抽采内区沿周向和轴向均布有多个抽采内孔；

1e)在第一接管的出口并联大量程瓦斯流量计和小量程瓦斯流量计；将试件箱与瓦斯气源连接；

2、瓦斯吸附

关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平，以模拟采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压力达到1×10²Pa；一个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压力为1.2MPa，充气时间为48小时；

3、瓦斯抽采

打开抽采管阀门，全程检测各参数变化及瓦斯流量变化：先打开大量程流量计，待流量降低至小量程瓦斯流量计的量程内，关闭大量程瓦斯流量计，打开小量程瓦斯流量计；这一过程瓦斯源可以关闭，也可以一直稳定于预定输出压力；

4、结束一次试验

有瓦斯源时：关闭瓦斯系统，停止三向加载；继续排放瓦斯，直至试件箱内瓦斯解吸完全，停止数据采集系统，结束试验；

无瓦斯源时：试件箱内瓦斯解吸排出完全则停止三向加载，停止数据采集系统，结束试验。

5、完成同组其他试验

改变模拟采深、抽采长度或抽采点其中的之一试验参数，而保持其他试验参数不变，或同时改变抽采长度和抽采点而保持模拟采深，重复上述步骤2-4。

较佳的，步骤1a）中，煤样含水率为5%。

本发明同时还公开了一种多煤层联合开采过程中煤层气抽采模拟试验，包括步骤如下：

1、前期准备

1a）测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率；将试件制成多煤层试件，并在下煤层铺设多个油压包，油压包连接至箱体左板的数据采集孔；

1b）盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；在试件箱中部与各Y向压杆正对处设置第二接头，各第二接头内侧与胶管接头连接，胶管接头与侧向接管连接，侧向接管上密布有多个侧向抽采孔；

1c）在各第二接头的外端连接第三瓦斯流量计；将试件箱与瓦斯气源连接；将各油压包连接至其外接控制管路；

2、瓦斯吸附

关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平，以模拟采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压力达到1×10²Pa；一个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压力为1.2MPa，充气时间为48小时；

3、瓦斯抽采

同时打开4个第三瓦斯流量计，检测煤层内部瓦斯压力和应力变化及各个抽采点的瓦斯流量变化，待流量稳定后，以1.44h或0.72h或0.48h或0.36h为间隔由前至后逐个排空各油压包，直至所有油压包排空为止，以模拟实际工况中煤层开采速度；在这一过程中不间断监测上煤层和下煤层内的瓦斯压力、煤层应力和各抽采点流量的变化；这一过程中，瓦斯源压力一直稳定于与模拟采深相对应的压力；

4、结束一次试验

关闭瓦斯系统，停止三向加载；继续打开瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱体内煤层气解吸完全，停止数据采集系统，结束实验；

5、改变模拟采深或模型工作面推进速度其中的之一试验参数，而保持其他试验参数不变，重复以上步骤2-4。

本发明的有益效果是：

1、可在实验室内进行煤层煤层气抽采的模拟，从而为现场作业提供理论指导；

2、可以模拟多物理场（应力场、裂隙场、渗流场）耦合时多煤层和单煤层状态下的煤层气抽采情况；

3、可以模拟采动影响下煤层气抽采率的变化规律，特别可以模拟保护层开采方式中，被保护层的抽采效果变化；

3、本模拟试验方法，考虑了多物理场相互耦合时煤层中煤层气流动状态的变化规律，再现了工程扰动情况下煤层参数的变化情况，可以研究应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析煤层气流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。

4、设备操作方便，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是图1的左视结构示意图。

图4是图1中I处的局部放大图。

图5是图1中II处的局部放大图。

图6是图1中III处的局部放大图。

图7是本发明一具体实施方式中内管和外管的另一结构示意图。

图8是图6的A-A剖视图。

图9是本发明一具体实施方式的抽采试验中出气端的管路结构示意图。

图10是本发明一具体实施方式中瓦斯气源的管路结构示意图。

图11是本发明一具体实施方式的抽采试验中抽采点位于第三Z向压头下方的结构示意图。

图12是本发明一具体实施方式的抽采试验中抽采点位于第二Z向压头下方的结构示意图。

图13是本发明一具体实施方式的抽采试验中抽采点位于第一Z向压头下方的结构示意图。

图14是实际工况中工作面前方的煤体应力分布示意图。

图15是本发明一具体实施方式中采动模拟抽采试验示意图。

图16是图15去掉试件后的左视结构示意图。

图17是图16中IV处的局部放大图。

图18是本发明多煤层联合开采过程中煤层气抽采模拟试验中第二接头出气端的管路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图6所示，一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，包括试件箱1，试件箱1的上箱板上从前之后依次设置有第一Z向压杆2a、第二Z向压杆2b、第三Z向压杆2c和第四Z向压杆2d，各Z向压杆均固定有Z向压板3，右箱板上设置有四个Y向压杆4和Y向压板5，后箱板上设置有一个X向压杆6和X向压板7。Z向压板3、Y向压板5和X向压板7均位于试件箱1内。

试件箱1的底部设置有透气钢板25和气道26，透气钢板25覆盖在气道26上，气道25的进口设置有内接插头27。

试件箱1的左箱板外部间隔固定连接有第一垫板28，左箱板在各第一垫板28的间隔之间设置有接口29，接口29中设置有传感器第一接头30。

试件箱1的前箱板设置有阶梯状的突出口9，突出口9内通过螺栓固定连接有突出套10，突出套10与前箱板的阶梯面之间设置有第一密封圈8a。

突出套10的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔内设置有形状与阶梯孔对应的外管固定座11。突出套10的内孔孔径大于所述外管固定座11的外径。

突出套10的阶梯面与外管固定座11之间设置有第二密封圈8b。外管固定座11的内孔中螺纹连接有外管12，外管12延伸至试件箱1内。

突出套10的前端面通过螺栓连接有固定法兰13，外管固定座11与固定法兰13之间设置有第三密封圈8c，固定法兰13的前端设置有法兰凸台13a，法兰凸台13a的外圆设置有螺纹。

外管12的后端封闭，前端开口。外管12上设置有位置与各Z向压杆对应的抽采外区12a，抽采外区12a上设置有若干抽采外孔14a。

外管12和固定法兰13中设置有内管15。内管15包括第一接管15a和第三接管15c，以及可选的一根或多根第二接管15b。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c可前后依次螺纹连接，且连接螺纹具有互换性。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c的结合端面处均设置有密封圈8f。第一接管15a和第二接管15b的外径小于外管12的内径；

第一接管15a对应法兰凸台13a处设置有限位凸缘15a1，第一接管15a在限位凸缘15a1的前端15a2外圆设置有螺纹。第一接管15a的前端内孔中配合有第一接头16，第一接头16与内管15的前端面之间设置有组合垫圈18。

限位凸缘15a1和法兰凸台13a的外螺纹上配合有螺母19。

第一接管15a和第二接管15b沿轴向设置有通孔，第三接管15c沿轴向设置有前端开口后端封闭的盲孔。

第三接管15c设置有抽采内区15c1，抽采内区15c1的前后端两端分别设置有第一抽采凸缘15c2和第二抽采凸缘15c3。

本实施例中，第三接管15c包括两种基本结构，其中I型基本结构为第二抽采凸缘15c3与外管12配合，并与外管12之间设置有第四密封圈8d；同时，第一抽采凸缘15c2与外管12配合，并与外管12之间设置有第五密封圈8e；相应的，抽采外区12a上设置有与第一抽采凸缘15c2对应的第二密封区12b，以及与第二抽采凸缘15c3对应的第一密封区12c。如图6所示。

第三接管15c的II型基本结构为，仅仅是位于后端的第二抽采凸缘15c3与外管配合并设置密封圈，但位于前端的第一抽采凸缘15c2外径小于外管12的内径。如图7所示。

对于I型结构的第三接管15c而言，第一抽采凸缘15c2和第二抽采凸缘15c3相对端面之间距离构成抽采距离L；对于II型结构的第三接管15c而言，其抽采距离根据第二接管15b的数量可调。

抽采内区15c1的外径小于外管12的直径；抽采内区15c1沿周向和轴向均布有多个抽采内孔14b。

各Z向压杆的中心线可位于与第一抽采凸缘15c2和第二抽采凸缘15c3相对端面等距的虚拟面17上。

外管12的抽采外区12a在圆周方向上均布有18个抽采外孔14a，第三接管15c的抽采内区15c1在圆周方向上均布有4个抽采内孔14b，如图8所示。抽采外孔14a的孔径为1.5mm，抽采内孔14b的孔径为2mm。

抽采外区12内、第一密封区12c和第二密封区12b外，各抽采外孔14a之间的第一轴向孔心距为5mm，各抽采内孔14b之间的第二轴向孔心距为10mm。

上述试验系统与cn102621232A公开的多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统中的反力架和机架配合使用，可设计多个抽采模拟方案，以完成多场耦合煤层气开采模拟试验。表一列举了部分可选的试验方案，其中试验方案1、2、3和4组成一组模拟试验，方案3、5、6组成一组模拟试验，方案3、7、8、9组成一组模拟试验。表一所列举的试验参数中，模拟采深和瓦斯压力之间具有对应关系，可通过常规计算获得。

各组模拟试验的试验步骤如下：

1、前期准备

1a）测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率，本次模拟煤层含水率为5%；

1b）在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器、抽采外管12和固定法兰；

1c）盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；

1d）将试件箱推至加载系统的底座预定位置，安装好反力架，然后装配抽采内管；其中，根据不同的抽采点，选用不同数量的第二接管15b，如方案1中内管仅包括第一接管15a和第三接管15c，以使第一Z向压杆2a的中心线2a1位于虚拟面17上，如图13所示；也可选用一个第二接管15b，使其与第一接管15a和第三接管15c连接，以使第二Z向压杆2b的中心线位于虚拟面17上，如图12所示；

1e)在第一接头16的外端依次连接第一气压传感器20、第一阀门21、三通23；三通23的第一通路上连接有第二阀门22、500L/min量程瓦斯流量计41，第二通路上连接有第三阀门24和50L/min量程瓦斯流量计42，如图9所示；在内接插头27处依次连接第二气压传感器31、微调阀门32和瓦斯气瓶33，其中内接插头27与气压传感器31之间的管路长度小于0.2m，气压传感器31与微调阀门32之间的管路长度不小于3m，微调阀门32与瓦斯气瓶33之间的管路长度小于0.5m，如图10所示。

2、瓦斯吸附

关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，施加预定的应力水平，以模拟采深，如表一方案1所示，各Y向压杆4的力均为3.6MPa，X向压杆6的力为1.2MPa，第一Z向压杆2a、第二Z向压杆2b、第三Z向压杆2c和第四Z向压杆2d的力分别为1.6MPa、4.7MPa、3.1MPa和3.1MPa，以模拟1100m采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压力达到1×10²Pa；一个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压力为1.2MPa，充气时间为48小时。

3、瓦斯抽采

打开抽采管阀门，全程检测各参数变化及瓦斯流量变化：先打开500L/min量程流量计，待流量降低至50L/min，关闭500L/min侧的阀门，打开50L/min侧的阀门。这一过程瓦斯源（瓦斯罐）可以关闭，也可以一直稳定于预定输出压力1.2MPa。

4、瓦斯解吸

有瓦斯源时：关闭瓦斯系统，停止三向加载；继续排放瓦斯，直至试件箱内瓦斯解吸完全，停止数据采集系统，结束试验；

无瓦斯源时：试件箱内瓦斯解吸排出完全则停止三向加载，停止数据采集系统，结束试验。

5、完成同组其他试验

改变模拟采深、抽采长度或抽采点其中的之一试验参数，而保持其他试验参数不变，如可通过增减第二接管15b的数量或改变第三接管15c的长度，以改变抽采段位置，即使另一Z向压杆的中心线位于虚拟面17上，如图11、图12和图13所示，重复上述步骤2-4，完成同组的其他试验方案，以模拟不同条件下的抽采过程演化规律。

在实际工况中，工作面前方煤体具有不同的压力区域，如图14所示，图14中，A区域为卸压区，B区域为应力集中区，C区域为原始应力区，δH为原始应力区。抽采试验中，可按照图所示的应力规律，对第一Z向压杆2a、第二Z向压杆2b、第三Z向压杆2c和第四Z向压杆2d施加不同的载荷，以模拟不同的应力区域。如表一所示，第一Z向压杆2a用于模拟卸压区，第二Z向压杆2b用于模拟应力集中区，第三Z向压杆2c和第四Z向压杆2d用于模拟原始应力区。

表一：抽采模拟试验方案

在其他试验方案中，也可进行不同瓦斯压力和不同含水率的试验，以更真实的模拟实际工况，从而得出更准确的抽采规律。

在其他试验方案中，第三接管15c也可采用II型基本结构，通过调整虚拟面17的位置，以实现对一个或几个抽采区12a进行抽采试验，从而改变抽采长度和抽采点。

按照相似理论原则，尺寸长度比例（相似比）不变，即：

$\frac{D}{d}=\frac{H}{h}=c$

其中，D为工作现场抽采管外径；d为模拟的外管管径；H为工作现场煤层厚度或者工作现场的抽采孔间距；h为试件箱的高度；c为相似比，系常数。

因此可按照以上公式，根据具体情况计算试验的外管外径。

在其他试验方案中，可进行同一抽采位置采用不同抽采长度的抽采试验，以研究支撑应力影响区域大小及抽采段长度对抽采过程的影响规律；可进行II型基本结构的不同第一密封区12c位置的抽采试验，以研究工作面顺层孔长度变化对抽采率变化的影响规律。

通过进行以上多组试验方案，对抽采过程中煤层内部瓦斯压力和温度实时监测，结合瓦斯流量变化情况，计算机采集的数据通过软件进行图形化处理，从而可探讨煤层气抽采过程中瓦斯压力和温度的时空演化规律，研究抽采时不同应力区域对抽采效率的影响规律，并构建不同抽采位置时的煤层渗流网络。

同时，上述试验系统与cn102621232A公开的多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统中的反力架和机架配合使用，可设计多个抽采模拟方案，以完成多煤层联合开采过程中煤层气抽采模拟试验。表二中列举了一些可选的试验方案，其中试验方案1、2、3、4组成一组模拟试验，方案3、6、7、8组成一组模拟试验。表一所列举的试验参数中，模拟采深和瓦斯压力之间具有对应关系，可通过常规计算获得。

各组模拟试验的试验步骤如下：

1、前期准备

1a）测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率，本次模拟煤层含水率为5%；将试件制成多煤层试件，如图15所示，从上至下，依次为上岩层42、上煤层43、下岩层44和下煤层45，同时，在下煤层铺设油压包40；上煤层用于模拟被保护层，下煤层用于模拟保护层；

1b）盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；如图16所示，试件箱中部的与各Y向压杆4正对的传感器接头更换为第二接头34，各第二接头34内侧与胶管接头35连接，胶管接头35与侧向接管36连接，侧向接管36上密布有多个侧向抽采孔36a，如图17所示；

1c）在各第二接头34的外端依次连接第三气压传感器37、第四阀门38和第三瓦斯流量计39，如图18所示；在内接插头27处依次连接气压传感器31、微调阀门32和瓦斯气瓶33，其中内接插头27与气压传感器31之间的管路长度小于0.2m，气压传感器31与微调阀门32之间的管路长度不小于3m，微调阀门32与瓦斯气瓶33之间的管路长度小于0.5m；将各油压包连接至其外接控制管路。

2、瓦斯吸附

关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，施加预定的应力水平，以模拟采深，如表二方案1所示，各Y向压杆4的力均为3.6MPa，X向压杆6的力为1.2MPa，各Z向压杆的力均为3.1MPa，以模拟1100m采深采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压力达到1×10²Pa；一个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压力为1.2MPa，充气时间为48小时。

3、瓦斯抽采

同时打开4个第四阀门，检测煤层内部瓦斯压力和应力变化及各个抽采点的瓦斯流量变化，待流量稳定后，以1.44h为间隔由前至后逐个排空各油压包，直至所有油压包排空为止，以模拟实际工况中，煤层1m/天的开采速度；在这一过程中不间断监测上煤层和下煤层内的瓦斯压力、煤层应力和各抽采点流量的变化；这一过程中，瓦斯源压力一直稳定于1.2MPa这一预定输出压力。抽采直至最后一个油压包排空后，4个第三瓦斯流量计39流量都基本稳定。

4、实验结束

关闭瓦斯系统，停止三向加载；继续打开瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱体内煤层气解吸完全，停止数据采集系统，结束实验；

5、改变模拟采深或模型工作面推进速度其中的之一试验参数，而保持其他试验参数不变，重复以上步骤2-4。

表二：采动模拟试验方案

表二中，各试验方案均在与各Y向压杆对应的区域进行抽采，在其他试验方案中，也可设计更多的抽采点，以提高试验精度。

表二中，1m/天、2m/天、3m/天、4m/天推进速度分别对应于每隔1.44h(86.4min)、0.72h(43.2min)、0.48h(28.8min)、0.36h(21.6min)排空一个油压包。

通过进行以上多组试验方案，对抽采过程中煤层内部瓦斯压力和煤层应力的实时监测，结合瓦斯流量变化情况，从而探讨多煤层联合开采过程中，被保护层抽采动态动态演化规律，研究被保护层应力变化规律、瓦斯流向和抽采效率变化规律，构建采动过程中被保护层抽采的煤层渗流网络。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，包括试件箱；所述试件箱（1）上部设置有至少一个Z向压杆和Z向压板（3）；

所述试件箱（1）的右箱板上设置有至少一个Y向压杆（4）和Y向压板（5）；

所述试件箱（1）的后箱板上设置有至少一个X向压杆（6）和X向压板（7）；

所述Z向压板（3）、Y向压板（5）和X向压板（7）均位于所述试件箱（1）内；

所述试件箱（1）的前箱板设置有阶梯状的突出口（9）；所述突出口（9）内通过螺栓固定连接有突出套（10）；所述突出套（10）与所述前箱板的阶梯面之间设置有第一密封圈（8a）；

所述试件箱（1）的底部设置有透气钢板（25）和气道（26）；所述透气钢板（25）覆盖在所述气道（26）上；所述气道（25）的进口设置有内接插头（27）；

所述试件箱（1）的左箱板外部间隔固定连接有第一垫板（28）；所述左箱板在各第一垫板（28）的间隔之间设置有接口（29）；所述接口（29）中设置有传感器接头（30）；

其特征是：所述突出套（10）的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔内设置有形状与阶梯孔对应的外管固定座（11）；所述突出套（10）的阶梯面与所述外管固定座（11）之间设置有第二密封圈（8b）；所述外管固定座（11）的内孔中螺纹连接有外管（12）；所述外管（12）延伸至所述试件箱（1）内；

所述突出套（10）的前端面通过螺栓连接有固定法兰（13）；所述外管固定座（11）与所述固定法兰（13）之间设置有第三密封圈（8c）；所述固定法兰（13）的前端设置有法兰凸台（13a）；所述法兰凸台（13a）的外圆设置有螺纹；

所述外管（12）的后端封闭，前端开口；所述外管（12）上设置有位置与各所述Z向压杆对应的抽采外区（12a）；所述抽采外区（12a）上设置有若干抽采外孔（14a）；

所述外管（12）和固定法兰（13）中设置有内管（15）；所述内管（15）包括第一接管（15a）和第三接管（15c），以及可选的一根或多根第二接管（15b）；所述第一接管（15a）、第二接管（15b）和第三接管（15c）可前后依次螺纹连接，且连接螺纹具有互换性；所述第一接管（15a）、第二接管（15b）和第三接管（15c）的结合端面处均设置有密封圈（8f）；所述第一接管（15a）和第二接管（15b）的外径小于所述外管（12）的内径；

所述第一接管（15a）对应所述法兰凸台（13a）处设置有限位凸缘（15a1）；所述第一接管（15a）在所述限位凸缘（15a1）的前端（15a2）外圆设置有螺纹；所述第一接管（15a）的前端内孔中配合有第一接头（16）；

所述限位凸缘（15a1）和法兰凸台（13a）的外螺纹上配合有螺母（19）；

所述第一接管（15a）和第二接管（15b）沿轴向设置有通孔；所述第三接管（15c）沿轴向设置有前端开口后端封闭的盲孔；

所述第三接管（15c）设置有抽采内区（15c1）；所述抽采内区（15c1）的前后端两端分别设置有第一抽采凸缘（15c2）和第二抽采凸缘（15c3）；所述第二抽采凸缘（15c3）与所述外管（12）配合，并与所述外管（12）之间设置有第四密封圈（8d）；所述抽采外区（12a）上设置有与所述第二抽采凸缘（15c3）对应的第一密封区（12c）；

所述抽采内区（15c1）的外径小于所述外管（12）的直径；所述抽采内区（15c1）沿周向和轴向均布有多个抽采内孔（14b）；

所述Z向压杆的中心线可位于与所述第一抽采凸缘（15c2）和第二抽采凸缘（15c3）相对端面等距的虚拟面（17）上。

2.如权利要求1所述的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，其特征是：所述第一抽采凸缘（15c2）与所述外管（12）配合，并与所述外管（12）之间设置有第五密封圈（8e）；所述抽采外区（12a）上设置有与所述第一抽采凸缘（15c2）对应的第二密封区（12b）。

3.如权利要求1或2所述的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，其特征是：所述抽采外孔（14a）的孔径大于所述抽采内孔（14b）的孔径；所述抽采外孔（14a）的分布密度大于所述抽采内孔（14b）的分布密度；所述抽采外区（12）内、第一密封区（12c）和第二密封区（12b）外，各所述抽采外孔（14a）之间的第一轴向孔心距不小于5mm；各所述抽采内孔（14b）之间的第二轴向孔心距为所述第一轴向孔心距的两倍。

4.如权利要求3所述的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，其特征是：所述外管（12）的抽采外区（12a）在圆周方向上均布有18个所述抽采外孔（14a）；所述第三接管（15c）的抽采内区（15c1）在圆周方向上均布有4个所述抽采内孔（14b）；所述抽采外孔（14a）的孔径不大于1.5mm；所述抽采内孔（14b）的孔径不小于2mm；所述第一轴向孔心距为5mm；所述第二轴向孔心距为10mm。

5.如权利要求1或2所述的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，其特征是：所述第一接头（16）与所述内管（15）的前端面之间设置有组合垫圈（18）。

6.如权利要求1或2所述的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，其特征是：所述突出套（10）的内孔孔径大于所述外管固定座（11）的外径。

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