CN104792616B - 一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿瓦斯灾害防治及煤层气抽采技术领域。一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法，包括真三轴压力试验装置、光学钻孔变形观测装置、煤体裂隙演化观测装置和主机，本发明通过真三轴压力试验装置改变不同方向的应力大小，并通过光学钻孔变形观测装置可以研究不同强度煤体在不同应力状态下的孔径变化规律；通过煤体裂隙演化观测装置的显微镜和摄像机，可以对抽采钻孔周围煤体的裂隙演化进行实时观测和拍摄图像。本发明对于确定合理的瓦斯抽采时间和有效抽采半径，以及优化钻孔布置方式都具有重要意义。

Description

一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯灾害防治及煤层气抽采技术领域，具体涉及一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法。

背景技术

钻孔预抽煤层瓦斯是最主要的瓦斯灾害防治措施。瓦斯抽采工程实践表明，软硬煤层瓦斯抽采效果差别很大，硬煤层中的钻孔在抽采半年以上时，瓦斯抽采浓度仍能维持在20%以上，而软煤层中的钻孔仅抽采十几天，瓦斯抽采浓度就很快衰减到5%以下，即使延长抽采时间，也很难提高瓦斯抽采效果；此外，同样是硬煤层中的钻孔，在煤层浅部可以长时间抽取高浓度的瓦斯，而到井田深部，瓦斯抽采浓度衰减速度大幅度的提高，很快降低到5%以下。分析其原因认为，由于含瓦斯煤的流变特性，钻孔施工完毕后孔径会随时间发生缩孔现象，由于软煤层的强度较低，抵抗破坏的能力较弱，蠕变变形更为剧烈，在短时间内就可能发生失稳破坏，阻塞瓦斯抽采通道，致使瓦斯抽采浓度迅速下降；硬煤层抵抗破坏的能力较强，钻孔孔径虽有缩小但仍处于稳定状态，并不产生堵孔现象，可以长时间的抽取高浓度的瓦斯；但是到井田深部，由于地应力和瓦斯压力增大，蠕变变形加剧，就有可能发生失稳破坏。因此，研究抽采钻孔的孔径变化规律，对于确定合理的瓦斯抽采时间、优化钻孔布置方式及提高瓦斯抽采效果都具有重要意义,目前，国内外已公开的专利文献尚未有抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置及模拟方法，通过改变煤体试样的强度和不同方向的应力大小，可以研究不同强度煤体在不同应力状态下的孔径变化规律；通过显微镜和摄像机，可以对抽采钻孔周围煤体的裂隙演化进行实时观测和拍摄图像。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，包括真三轴压力试验装置、光学钻孔变形观测装置、煤体裂隙演化观测装置和主机，所述的真三轴压力试验装置包括放置煤体试样的压力盒、分别作用于压力盒其中三个相互垂直的侧面上的三个垂直加压机构、以及在压力盒另一侧面上后期加工的观测孔，所述的压力盒包括盒体和填设在煤体试样与垂直加压机构之间的加压板，所述的垂直加压机构与加压板之间设置有压力传感器，所述的光学钻孔变形观测装置包括探针、探头和孔径测量仪，所述的煤体裂隙演化观测装置包括显微镜、摄像机和三维移动显微观察架，所述的压力传感器、孔径测量仪、摄像机均与主机连接。

所述的压力盒的盒体包括底座、上端盖和侧挡板，所述的底座和上端盖均呈凹槽结构，所述的侧挡板插设在底座和上端盖之间。

所述的开设有观测孔的压力盒盒体侧面为高强度透明塑料板。

所述的三个垂直加压机构中，与观测孔对应侧面上设置的垂直加压机构包括手动加压泵和加压活塞，其另外两垂直加压机构包括依次连接设置的加压伺服电机、加压油缸和加压活塞，所述的加压伺服电机与主机连接。

所述的煤体试样的各个侧面上还设置有应力传导层，所述的各个侧面上的应力传导层均包括多块呈矩阵排列的刚性垫板、和设置在相邻两刚性垫板之间的弹性填充层，且各个侧面上的刚性垫板的行数和列数均至少为两排。

所述的各个加压板的长度和宽度尺寸较对应的煤体试样侧面的长度和宽度尺寸大，且加压板超出煤体试样的各个侧边的尺寸较刚性垫块的厚度尺寸小。

所述的刚性垫板为铝板，所述的弹性填充层为填充在两铝板之间的橡皮管，所述的显微镜为体视显微镜，所述的摄像机为CCD型摄像机。

一种利用上述任一所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

①煤体采集：在井下采集典型地质单元的煤体，运送到地面后进行蜡封，装箱；

②煤体试样制作：将采集到的煤体进行加工切割成300mm×300mm的立方体煤体试样，在煤体试样表面用密封胶进行均匀涂抹，且胶体固化后的胶体厚度大于1mm；

③煤体试样的固定和应力加压：将煤体试样放入真三轴压力试验装置中，并通过调节三个垂直加压机构，在各个方向上施加不同的应力；

④待煤体试样上施加的应力恒定后，由电钻在压力盒预先设计的侧面上相应位置开设观测孔，并在煤体试样上开设瓦斯抽采钻孔，将光学钻孔变形观测装置的探针和探头插入试样孔内，进行自动观测孔径变化情况，并进行绘制孔径变化曲线；

⑤在光学钻孔变形观测装置自动观测孔径变化的同时，由显微镜和摄像机观测钻孔周围煤体裂隙演变情况，分析钻孔周围煤体裂隙的演化规律。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

本发明搭建真三轴压力试验装置，通过改变煤体强度和不同方向的应力大小，可以研究不同强度煤体在不同应力状态下的孔径变化规律；通过显微镜和摄像机，可以对抽采钻孔周围煤体的裂隙演化进行实时观测和拍摄图像。

本发明通过研究抽采钻孔的孔径变化规律，对于确定合理的瓦斯抽采时间、优化钻孔布置方式及提高瓦斯抽采效果都具有重要意义，研究钻孔周围煤体的裂隙发育规律，对于研究抽采钻孔周围煤体渗透率的时空演化规律，确定有效抽采半径和抽采时间都具有重要意义。

附图说明

图1为本发明瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置的结构示意图。

图2为图1的左视结构示意图。

图中序号：1为底座、2为上端盖、3为侧挡板、4为加压伺服电机、5为加压油缸、6为加压活塞、7为加压压力传感器、8为手动加压泵、9为煤体试样、10为主机、11为探针、12为探头、13为孔径测量仪、14为体视显微镜、15为CCD型摄像机、16为三维移动显微观察架、17为加压板、18为高强度透明塑料板、19为铝板、20为橡皮管、21为观测孔、22为抽采钻孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例一：参见图1、图2，一种煤层瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，包括真三轴压力试验装置、光学钻孔变形观测装置、煤体裂隙演化观测装置和主机10。

所述的真三轴压力试验装置包括放置煤体试样的压力盒、分别设置在压力盒的顶部、前部和左部三个相互垂直的侧面上的三个垂直加压机构、以及在压力盒后部的侧面上后期加工的观测孔21，当垂直加压机构对煤体试样施加恒定的应力后，在压力盒后部侧面和煤体试样上分别开设对应的观测孔21和抽采钻孔22，用于模拟观测；所述的压力盒包括底座1、上端盖2、侧挡板3和填设在煤体试样9与垂直加压机构之间的加压板17，压力盒内部尺寸能够放置300mm×300mm×300mm的大块煤样，能够有效提高实验精度，所述的底座1和上端盖2均呈凹槽结构，所述的侧挡板3插设在底座1和上端盖2之间，压力盒后部的侧挡板为高强度透明塑料板18。所述的三个垂直加压机构中，前部的垂直加压机构包括依次连接设置的手动加压泵8、加压活塞6和压力传感器7，顶部和左部侧面上的两垂直加压机构均包括依次连接设置的加压伺服电机4、加压油缸5、加压活塞6和压力传感器7，通过加压伺服电机能够对煤体试样在不同方向施加不同的恒定应力，从而模拟井下煤层受力的真实情况。

所述的光学钻孔变形观测装置包括探针11、探头12和孔径测量仪13，当在压力盒的后部侧面和煤体试样上开设完观测孔21和抽采钻孔22后，将探针11和探头12插入抽采钻孔22中，实现抽采钻孔22的钻孔孔径的实时测量，并将观测到的数据传送到主机10中，自动绘制孔径变化曲线。

所述的煤体裂隙演化观测装置包括体视显微镜14、CCD型摄像机15和三维移动显微观察架16，进行观测和记录钻孔变形过程中周围煤体裂隙演变情况。

实施例二：参见图1、图2，本实施例的结构与实施例一基本相同，相同之处不再重述，其不同之处在于：所述的煤体试样的各个侧面上还设置有应力传导层，所述的各个侧面上的应力传导层均包括多块呈矩阵排列的铝板19、和设置在相邻两铝板19之间的弹性橡皮管20，且各个侧面上的铝板19的行数和列数均至少为两排，所述的各个加压板17的长度和宽度尺寸较对应的煤体试样9侧面的长度和宽度尺寸大，且加压板17超出煤体试样21的各个侧边的尺寸较铝板19的厚度尺寸小，其铝板19为刚性，能够进行良好的应力传导，橡皮管20能够产生弹性收缩变形，从而使得煤体试样21在各个方向上的受力互不干扰，且煤体试样9的各个侧面整体受力分布稳定。

实施例三：参见图1、图2，一种利用上述任一所述的煤层瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

①煤体采集：在井下采集典型地质单元的煤体，运送到地面后进行蜡封，装箱；

②煤体试样制作：将采集到的煤体进行加工切割成300mm×300mm的立方体煤体试样，在煤体试样表面用密封胶进行均匀涂抹，且胶体固化后的胶体厚度大于1mm；

③煤体试样的固定和应力加压：将煤体试样放入真三轴压力试验装置中，并通过调节三个垂直加压机构，在各个方向上施加不同的应力；

④待煤体试样上施加的应力恒定后，由电钻在压力盒预先设计的侧面上相应位置开设观测孔，并在煤体试样上开设瓦斯抽采钻孔，将光学钻孔变形观测装置的探针和探头插入试样孔内，进行自动观测孔径变化情况，并进行绘制孔径变化曲线；

⑤在光学钻孔变形观测装置自动观测孔径变化的同时，由显微镜和摄像机观测钻孔周围煤体裂隙演变情况，分析钻孔周围煤体裂隙的演化规律。

Claims (8)

1.一种瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，该装置包括真三轴压力试验装置、光学钻孔变形观测装置、煤体裂隙演化观测装置和主机，所述的真三轴压力试验装置包括放置煤体试样的压力盒、分别设置在压力盒其中三个相互垂直的侧面上的三个垂直加压机构、以及在压力盒另一侧面上后期加工的观测孔，所述的压力盒包括盒体和填设在煤体试样与垂直加压机构之间的加压板，所述的垂直加压机构与加压板之间设置有压力传感器，所述的光学钻孔变形观测装置包括探针、探头和孔径测量仪，所述的煤体裂隙演化观测装置包括显微镜、摄像机和三维移动显微观察架，所述的压力传感器、孔径测量仪、摄像机均与主机连接。

2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，所述的压力盒的盒体包括底座、上端盖和侧挡板，所述的底座和上端盖均呈凹槽结构，所述的侧挡板插设在底座和上端盖之间。

3.根据权利要求1或2所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，开设有观测孔的压力盒盒体侧面为高强度透明塑料板。

4.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，所述的三个垂直加压机构中，与观测孔所在侧面对应的侧面上设置的垂直加压机构包括依次连接设置的手动加压泵和加压活塞，其另外两垂直加压机构包括依次连接设置的加压伺服电机、加压油缸和加压活塞，所述的加压伺服电机与主机连接。

5.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，所述的煤体试样的各个侧面上还设置有应力传导层，所述的各个侧面上的应力传导层均包括多块呈矩阵排列的刚性垫板、和设置在相邻两刚性垫板之间的弹性填充层，且各个侧面上的刚性垫板的行数和列数均至少为两排。

6.根据权利要求5所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，各个所述的加压板的长度和宽度尺寸较对应的煤体试样侧面的长度和宽度尺寸大，且加压板超出煤体试样的各个侧边的尺寸较刚性垫块的厚度尺寸小。

7.根据权利要求5所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置，其特征在于，所述的刚性垫板为铝板，所述的弹性填充层为填充在两铝板之间的橡皮管，所述的显微镜为体视显微镜，所述的摄像机为CCD型摄像机。

8.一种利用上述任一所述的瓦斯抽采钻孔孔径变化规律模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

①煤体采集：在井下采集典型地质单元的煤体，运送到地面后进行蜡封，装箱；

②煤体试样制作：将采集到的煤体进行加工切割成300mm×300mm的立方体煤体试样，在煤体试样表面用密封胶进行均匀涂抹，且胶体固化后的胶体厚度大于1mm；

③煤体试样的固定和应力加压：将煤体试样放入真三轴压力试验装置中，并通过调节三个垂直加压机构，在各个方向上施加不同的应力；

④待煤体试样上施加的应力恒定后，由电钻在压力盒预先设计的侧面上相应位置开设观测孔，并在煤体试样上开设瓦斯抽采钻孔，将光学钻孔变形观测装置的探针和探头插入试样孔内，自动观测孔径变化情况，并进行绘制孔径变化曲线；

⑤在光学钻孔变形观测装置自动观测孔径变化的同时，由显微镜和摄像机观测钻孔周围煤体裂隙演变情况，分析钻孔周围煤体裂隙的演化规律。