CN104535740B - 一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法,其装置包括容器，容器的内壁粘贴有一圈密封胶圈，顶口设有密封盖；容器内设有多个竖向数据采集钻孔钢管，钢管之间的距离由容器的中心向边缘逐渐增大；容器的中心设有测压钻孔钢管；容器内周向均布至少四根长螺栓；数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓的底端均与容器的底面固结，且数据采集钻孔钢管和测压钻孔钢管上布有微小孔洞；密封盖上设有数据采集钻孔、瓦斯压力测定钻孔以及施加应力钻孔；瓦斯压力测定钻孔与高压瓦斯罐相连，数据采集钻孔与数据采集单片机连接，该发明更接近于真实测压条件，不受外力干扰，实验可重复进行，测定结果更准确，结构和工艺简单。

Description

一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种煤层瓦斯压力测定钻孔周围瓦斯压力分布规律的相似模拟实验装置,特别是一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法。

背景技术

煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子热运动撞击所产生的作用力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽放与瓦斯突出问题中，掌握准确可靠的瓦斯压力数据最为重要。

目前，煤层瓦斯压力测定普遍采用的办法是打钻封孔测压，即，从岩巷（或煤巷）向测定煤层打钻，然后，在钻孔前方预留一定长度的瓦斯室，采用封孔器（或封孔材料）密封钻孔，并记录数据，瓦斯室内的最高气体压力就是所测煤层瓦斯压力。根据是否预先向瓦斯室内补充高压气体，又可分为主动式测压和被动式测压。在瓦斯压力测定过程中，测压钻孔周围煤体内的瓦斯压力不断变化，直至瓦斯室内的气体压力达到原始煤层瓦斯压力为止；因此，掌握测压钻孔周围煤体瓦斯压力变化规律有助于提升煤层瓦斯压力测定技术水平。

目前，研究测压钻孔周围煤体瓦斯压力的技术手段主要为理论分析和数值模拟，由于理论分析和数值模拟存在很多理想性假设，与实际煤层测压条件差别较大；煤矿井下打钻现场实测测压钻孔周围煤体瓦斯压力不仅工程量太大，而且钻进施工会影响相邻钻孔的密封性能。因此，为准确掌握煤层瓦斯压力测定钻孔周围瓦斯压力分布规律，设计出一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，并开展相应的相似模拟实验就显得尤为迫切。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够测定测压钻孔周围煤体不同位置、不同时间瓦斯压力的煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，包括用于盛装水泥砂浆和煤体的圆柱形容器，容器的内壁粘贴有一圈密封胶圈，容器顶口设有密封盖；所述容器内沿其半径方向设有多个竖向数据采集钻孔钢管，钢管之间的距离由容器的中心向边缘逐渐增大；所述容器的中心设有竖向测压钻孔钢管；所述容器内周向均布至少四根竖向长螺栓；所述数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓的底端均与容器的底面固结，且数据采集钻孔钢管和测压钻孔钢管上布有微小孔洞；所述密封盖上对应数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓分别设有数据采集钻孔、瓦斯压力测定钻孔以及施加应力钻孔，当密封盖与容器盖合时，数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓分别穿过数据采集钻孔、瓦斯压力测定钻孔以及施加应力钻孔，并通过密封垫圈和螺母连接；所述瓦斯压力测定钻孔通过高压胶管与高压瓦斯罐相连，数据采集钻孔通过温度数据传输线路和压力数据传输线路与数据采集单片机连接。

所述容器的直径为4000mm，高度为1500mm，内径为1990mm。

所述瓦斯压力测定钻孔的直径为75mm。

所述数据采集钻孔的直径为5mm。

所述相邻两个数据采集钻孔之间的距离由内向外依次递增30mm。

所述施加应力钻孔的直径为10mm。

所述数据采集钻孔钢管设置10个，位于测压钻孔钢管和长螺栓之间。

一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验方法包括以下步骤：

（1）将预先制备好的煤体和水泥砂浆放入圆柱形容器，铺好密封盖，并旋转螺母密封瓦斯压力测定钻孔、数据采集钻孔及施加应力钻孔；

（2）用温度数据传输线路和压力数据传输线路连接数据采集钻孔和数据采集单片机，用高压胶管连接瓦斯压力测定钻孔和高压瓦斯罐；

（3）打开单片机和高压瓦斯罐，直至监测数据与从高压瓦斯罐输入的气体压力基本一致，并基本稳定为止；

（4）关闭高压瓦斯罐，打开瓦斯压力测定钻孔，让瓦斯自由排放半个小时左右；将封孔器放置于测压钻孔钢管的上端，并向封孔器内注入高压液体，让封孔器膨胀密封钻孔，连接瓦斯压力表；

（5）如果实施的是被动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则可直接采集数据，分析实验结果；如果实施的是主动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则还需通过封孔器向测压钻孔钢管内注入部分高压瓦斯气体。

本发明具有以下优点：一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置和方法，由于采用相似模拟手段测定测压钻孔周围煤层瓦斯压力，与理论分析和数值模拟相比，更接近于真实测压条件；与现场实测相比，不受外力干扰，而且实验可重复进行；因此，具有测定结果更准确的优点；由于采用压力与温度同时监测的方式来测定数据，而瓦斯渗流过程中的吸附和解吸都能导致温度和压力的变化，因此，监测数据具有相互佐证的优点；由于采用非等间距布置数据采集钻孔，靠近瓦斯压力测定钻孔的间距相对较小，反之，则间距相对较大；这种布置方式充分考虑到了测压钻孔周围煤层瓦斯压力梯度的分布规律，即，在梯度大的区域，数据采集钻孔相对密集；因此，具有减小两个相邻数据采集钻孔之间瓦斯压力估算值误差的优点；由于采用旋转螺丝的方法施加应力，与传统压力机施加应力相比，具有结构和工艺简单的优点；本发明由于采用单片机采集实验数据，因此，具有监测数据信息量大，可以实时、动态显示测压钻孔周围煤层瓦斯压力分布状态。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明；

图1是一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置结构示意图；

图2是一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置俯视图；

图3是一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置内部结构示意图；

图中，1.容器，2.数据采集单片机，3.瓦斯压力测定钻孔，4.数据采集钻孔，5.温度数据传输线路，6.压力数据传输线路，7.高压瓦斯罐，8.高压胶管，9.施加应力钻孔，10.水泥砂浆，11.煤体，12.密封盖，13.密封胶圈，14.长螺栓，15.数据采集钻孔钢管，16.测压钻孔钢管。

具体实施方式

在附图中，一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，包括用于盛装水泥砂浆10和煤体11的圆柱形容器1，容器1的内壁粘贴有一圈密封胶圈13，容器1顶口设有密封盖12；所述容器1内沿其半径方向设有多个竖向数据采集钻孔钢管15，钢管之间的距离由容器1的中心向边缘逐渐增大；所述容器1的中心设有竖向测压钻孔钢管16；所述容器1内周向均布至少四根竖向长螺栓14；所述数据采集钻孔钢管15、测压钻孔钢管16以及长螺栓14的底端均与容器1的底面固结，且数据采集钻孔钢管15和测压钻孔钢管16上布有微小孔洞；所述密封盖12上对应数据采集钻孔钢管15、测压钻孔钢管16以及长螺栓14分别设有数据采集钻孔4、瓦斯压力测定钻孔3以及施加应力钻孔9，当密封盖12与容器1盖合时，数据采集钻孔钢管15、测压钻孔钢管16以及长螺栓14分别穿过数据采集钻孔4、瓦斯压力测定钻孔3以及施加应力钻孔9，并通过密封垫圈和螺母连接；所述瓦斯压力测定钻孔3通过高压胶管8与高压瓦斯罐7相连，数据采集钻孔4通过温度数据传输线路5和压力数据传输线路6与数据采集单片机2连接。

所述容器1的直径为4000mm，高度为1500mm，内径为1990mm。

所述瓦斯压力测定钻孔3的直径为75mm。

所述数据采集钻孔4的直径为5mm。

所述相邻两个数据采集钻孔4之间的距离由内向外依次递增30mm。

所述施加应力钻孔9的直径为10mm。

所述数据采集钻孔钢管15设置10个，位于测压钻孔钢管16和长螺栓14之间。

所述高压胶管8与瓦斯压力测定钻孔3以及高压瓦斯罐7均采用螺纹连接。

所述温度数据传输线路5和压力数据传输线路6与数据采集钻孔4和数据采集单片机2采用螺纹连接。

实验时，将水泥砂浆10和煤体11按水泥砂浆10—煤体11—水泥砂浆10的顺序由下至上放置在圆柱形容器1内部，由于测压钻孔钢管16和数据采集钻孔钢管15与煤层接触的部分有许多微小孔洞，瓦斯可自由出入钢管15，并且可防止煤屑堵孔；由于密封盖12上面敷设有瓦斯压力测定钻孔3、数据采集钻孔4及施加应力钻孔9，长螺栓14、测压钻孔钢管16和数据采集钻孔钢管15分别穿透施加应力钻孔9、瓦斯压力测定钻孔3和数据采集钻孔4，并通过密封垫圈和螺母连接，通过紧拧螺母，可间接向煤体11施加应力，并且密封盖12紧压密封胶圈13，可有效防止气体泄漏；打开高压瓦斯罐7和数据采集单片机2，可实时动态显示测压钻孔周围煤体瓦斯压力。

一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验方法包括以下步骤：

（3）将预先制备好的煤体11和水泥砂浆10放入圆柱形容器1，铺好密封盖12，并旋转螺母密封瓦斯压力测定钻孔3、数据采集钻孔4及施加应力钻孔9；

（4）用温度数据传输线路5和压力数据传输线路6连接数据采集钻孔4和数据采集单片机2，用高压胶管8连接瓦斯压力测定钻孔3和高压瓦斯罐7；

（3）打开单片机2和高压瓦斯罐7，直至监测数据与从高压瓦斯罐7输入的气体压力基本一致，并基本稳定为止；

（4）关闭高压瓦斯罐7，打开瓦斯压力测定钻孔3，让瓦斯自由排放半个小时左右；将封孔器放置于测压钻孔钢管16的上端，并向封孔器内注入高压液体，让封孔器膨胀密封钻孔，连接瓦斯压力表；

（5）如果实施的是被动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则可直接采集数据，分析实验结果；如果实施的是主动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则还需通过封孔器向测压钻孔钢管16内注入部分高压瓦斯气体。

Claims (8)

1.一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，包括用于盛装水泥砂浆和煤体的圆柱形容器，容器的内壁粘贴有一圈密封胶圈，容器顶口设有密封盖；所述容器内沿其半径方向设有多个竖向数据采集钻孔钢管，钢管之间的距离由容器的中心向边缘逐渐增大；所述容器的中心设有竖向测压钻孔钢管；所述容器内周向均布至少四根竖向长螺栓；所述数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓的底端均与容器的底面固结，且数据采集钻孔钢管和测压钻孔钢管上布有微小孔洞；所述密封盖上对应数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓分别设有数据采集钻孔、瓦斯压力测定钻孔以及施加应力钻孔，当密封盖与容器盖合时，数据采集钻孔钢管、测压钻孔钢管以及长螺栓分别穿过数据采集钻孔、瓦斯压力测定钻孔以及施加应力钻孔，并通过密封垫圈和螺母连接；所述瓦斯压力测定钻孔通过高压胶管与高压瓦斯罐相连，数据采集钻孔通过温度数据传输线路和压力数据传输线路与数据采集单片机连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述容器的直径为4000mm，高度为1500mm，内径为1990mm。

3.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述瓦斯压力测定钻孔的直径为75mm。

4.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述数据采集钻孔的直径为5mm。

5.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述相邻两个数据采集钻孔之间的距离由内向外依次递增30mm。

6.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述施加应力钻孔的直径为10mm。

7.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征是，所述数据采集钻孔钢管设置10个，位于测压钻孔钢管和长螺栓之间。

8.一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验方法包括以下步骤：

（1）将预先制备好的煤体和水泥砂浆放入圆柱形容器，铺好密封盖，并旋转螺母密封瓦斯压力测定钻孔、数据采集钻孔及施加应力钻孔；

（2）用温度数据传输线路和压力数据传输线路连接数据采集钻孔和数据采集单片机，用高压胶管连接瓦斯压力测定钻孔和高压瓦斯罐；

（3）打开单片机和高压瓦斯罐，直至监测数据与从高压瓦斯罐输入的气体压力基本一致，并基本稳定为止；

（4）关闭高压瓦斯罐，打开瓦斯压力测定钻孔，让瓦斯自由排放半个小时左右；将封孔器放置于测压钻孔钢管的上端，并向封孔器内注入高压液体，让封孔器膨胀密封钻孔，连接瓦斯压力表；

（5）如果实施的是被动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则可直接采集数据，分析实验结果；如果实施的是主动式瓦斯压力测定相似模拟实验，则还需通过封孔器向测压钻孔钢管内注入部分高压瓦斯气体。