CN105424544A - 一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验装置技术领域，它公开了一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置及方法，该装置包括可容纳圆柱体煤样的圆筒密封腔，所述的圆筒密封腔包括底座、腔体侧壁和封盖，所述的腔体上设有气体压力表和水压力表，该测量装置还包括注水单元、瓦斯注入单元、排水单元和数据采集单元；所述的注水单元通入所述圆筒密封腔内注入水，所述的瓦斯注入单元通入所述圆筒密封腔内注入瓦斯气体，所述排水单元通入所述圆筒密封腔进行排水，所述数据采集单元通入所述密封腔体内对圆柱体煤样采集应变数据。本发明能测量不同瓦斯压力条件下瓦斯和水同时吸附过程煤体应变特征，同时还能监测排水过程煤体应变特征，其结构和方法简单，易于操作。

Description

一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，尤其涉及到一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置及方法。

背景技术

我国多数矿区已进入深部开采，深部煤层的地应力增大、煤层的透气性更低、瓦斯抽采的难度更大。水力化措施已经成为目前深部瓦斯治理的一种有效技术途径，例如水力压裂、水力冲孔、水力掏槽等，具有治理效果明显、费用成本低的优点，并在我国大部分矿区得到应用。

然而，水力化措施是利用水的动力破坏煤体，并在煤层中形成卸压区域，从而提高煤层的透气性，强化瓦斯治理效果。在这个过程中，必然导致水、瓦斯和煤体的相互作用。水进入煤体，强行破坏煤体，而瓦斯则被水推到更远的煤层区域，使煤层明显分成了含水区域、水气交界区域和含气区域。在水气交界区域，水进入煤体会使煤体变形，瓦斯气体由于压力增大也会使煤体吸附量增大诱导变形，煤体的变形则会影响到瓦斯流动的通道，进而影响抽采的效果，井下煤层瓦斯抽采数据均证明了这一点。

在煤体吸附变形的实验研究方面，目前国内已有的研究主要侧重于单纯的瓦斯气体或单纯的水对煤体的吸附或解吸。国内还未有针对瓦斯和水同时吸附诱导煤体变形的测量装置，因而需要研制一种可研究不同压力条件下、瓦斯和水同时吸附时、煤体不同区域变形特征的装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可研究不同压力条件下，瓦斯和水同时吸附时，煤体不同区域变形特征的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明首先提出一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置，其特征在于，它包括可容纳圆柱体煤样的圆筒密封腔，所述的圆筒密封腔包括底座、腔体侧壁和封盖，所述的腔体上设有气体压力表和水压力表，该测量装置还包括注水单元、瓦斯注入单元、排水单元和数据采集单元；所述的注水单元通入所述圆筒密封腔内注入水，所述的瓦斯注入单元通入所述圆筒密封腔内注入瓦斯气体，所述排水单元通入所述圆筒密封腔进行排水，所述数据采集单元通入所述密封腔体内对圆柱体煤样采集应变数据。

优选的，所述注水单元包括注水泵、注水管和回水管，所述注水泵通过注水阀门与注水管连接，所述注水管通过底座通入到所述圆筒密封腔内，所述回水管上设回水阀门，所述回水管通入到所述圆筒密封腔内。

优选的，所述瓦斯注入单元包括注气管、注气阀门、高压瓦斯气瓶、抽气阀门和真空泵，所述高压瓦斯气瓶通过注气阀门与注气管相连，所述注气管通入到所述圆筒密封腔内，所述真空泵通过抽气阀门和三通与注气管连接。

优选的，所述的排水单元包括排水管和量筒，所述的排水管通入到所述圆筒密封腔内，所述的排水管通过高压水减压阀与量筒连接。

优选的，所述的数据采集单元包括数据采集仪、至少四个应变片及其数据传输线，所述应变片分布在腔体内，所述数据传输线分别与所述应变片连接，所述数据传输线另一端与位于腔体外的所述数据采集仪相连。

优选的，所述回水管的水平面高于排水管的水平面，所述排水管的水平面高于所述水压力表的水平面。

本发明同时提出了一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成圆柱体煤样；

(2)、在煤样指定位置粘贴所述应变片，放置于所述圆筒密封腔内；

(3)、关闭测量装置的所有阀门，打开注水阀门和回水阀门，利用注水泵向圆筒密封腔内注水，当回水管流出水时，关闭注水阀门和回水阀门；

(4)、打开抽气阀门，利用真空泵对测量装置抽真空30分钟后，关闭抽气阀门；

(5)、开启数据采集仪，利用数据采集仪采集应变数据；

(6)、打开注气阀门，利用所述高压瓦斯气瓶向圆筒密封腔内注入指定压力的瓦斯气体，注气72小时后关闭注气阀门，利用所述的气体压力表和水压力表监测瓦斯气体和水的压力；

(7)、打开高压水减压阀进行排水，当量筒内水的体积达到V时，关闭高压水减压阀；V按下式计算：

V＝HπR²

式中，V为量筒内水的体积，单位m³；H为回水管水平面和排水管水平面的高度差，单位m；R为圆筒密封腔的内径，单位m。

(8)、关闭高压水减压阀48小时后，再次打开高压水减压阀进行排气。

(9)、关闭数据采集仪，利用采集的数据分析瓦斯和水同时吸附过程中煤样的应变特征。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，本发明能测量不同瓦斯压力条件下瓦斯和水同时吸附过程煤体应变特征，同时还能监测排水过程煤体应变特征，其结构和方法简单，易于操作。

附图说明

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明具体使用的示意图；

图中，1—底座，2—腔体侧壁，3—封盖，4—注水管，5—注水阀门，6—注水泵，7—气体压力表，8—水压力表，9—回水管，10—回水阀门，11—排水管，12—高压水减压阀，13—量筒，14—注气管，15—三通，16—注气阀门，17—高压瓦斯气瓶，18—真空泵，19—抽气阀门，20—数据采集仪，21—数据传输线，22—应变片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

如图1、图2所示，一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置包括可容纳圆柱体煤样的圆筒密封腔，所述的圆筒密封腔包括底座1、腔体侧壁2和封盖3，所述的腔体上设有气体压力表7和水压力表8，该测量装置还包括注水单元、瓦斯注入单元、排水单元和数据采集单元；所述的注水单元通入所述圆筒密封腔内注入水，所述的瓦斯注入单元通入所述圆筒密封腔内注入瓦斯气体，所述排水单元通入所述圆筒密封腔进行排水，所述数据采集单元通入所述密封腔体内对圆柱体煤样采集应变数据。

本实施例中，注水单元包括注水泵6、注水管4和回水管9，所述注水泵6通过注水阀门5与注水管4连接，所述注水管4通过底座1通入到所述圆筒密封腔内，所述回水管9上设回水阀门10，所述回水管9通入到所述圆筒密封腔内。

本实施例中，瓦斯注入单元包括注气管14、注气阀门16、高压瓦斯气瓶17、抽气阀门19和真空泵18，所述高压瓦斯气瓶17通过注气阀门16与注气管14相连，所述注气管14通入到所述圆筒密封腔内，所述真空泵18通过抽气阀门19和三通15与注气管14连接。

本实施例中，排水单元包括排水管11和量筒13，所述的排水管11通入到所述圆筒密封腔内，所述的排水管11通过高压水减压阀12与量筒13连接。

本实施例中，数据采集单元包括数据采集仪22、至少四个应变片20及其数据传输线21，所述应变片20分布在腔体内，所述数据传输线21分别与所述应变片20连接，所述数据传输线21另一端与位于腔体外的所述数据采集仪22相连。

本实施例中，所述回水管的水平面高于排水管的水平面，所述排水管的水平面高于所述水压力表的水平面。

结合图2，本发明的一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量方法，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成Φ50×100mm或Φ100×100mm的圆柱体煤样23；

(2)、在煤样23的侧面分别粘贴四个应变片，其中两个应变片的位置在回水管水平面以上，一个应变片的位置在回水管水平面和排水管水平面之间，一个应变片的位置在排水管水平面以下，将煤样23放置于所述圆筒密封腔内；

(3)、关闭测量装置的所有阀门，打开注水阀门5和回水阀门10，利用注水泵6向圆筒密封腔内注水，当回水管9流出水时，关闭注水阀门5和回水阀门10，此时所述圆筒密封腔内水与回水管9在同一水平面；

(4)、打开抽气阀门19，利用真空泵18对测量装置抽真空30分钟后，关闭抽气阀门19；

(5)、开启数据采集仪22，利用数据采集仪22采集应变数据；

(6)、打开注气阀门16，利用所述高压瓦斯气瓶17向圆筒密封腔内注入指定压力的瓦斯气体，注气72小时后关闭注气阀门16，利用所述的气体压力表7和水压力表8监测瓦斯气体和水的压力；

(7)、打开高压水减压阀12进行排水，当量筒13内水的体积达到V时，关闭高压水减压阀12，此时所述圆筒密封腔内水与排水管在同一水平面；V按下式计算：

V＝HπR²

式中，V为量筒内水的体积，单位m³；H为回水管水平面和排水管水平面的高度差，单位m；R为圆筒密封腔的内径，单位m。

(8)、高压水减压阀12关闭48小时后，再次打开高压水减压阀12进行排气。

(9)、关闭数据采集仪22，利用采集的数据分析瓦斯和水同时吸附过程中煤样23的应变特征。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置，其特征在于，它包括可容纳圆柱体煤样的圆筒密封腔，所述的圆筒密封腔包括底座、腔体侧壁和封盖，所述的腔体上设有气体压力表和水压力表，该测量装置还包括注水单元、瓦斯注入单元、排水单元和数据采集单元；所述的注水单元通入所述圆筒密封腔内注入水，所述的瓦斯注入单元通入所述圆筒密封腔内注入瓦斯气体，所述排水单元通入所述圆筒密封腔进行排水，所述数据采集单元通入所述密封腔体内对圆柱体煤样采集应变数据。

2.根据权利要求1所述的注水单元包括注水泵、注水管和回水管，所述注水泵通过注水阀门与注水管连接，所述注水管通过底座通入到所述圆筒密封腔内，所述回水管上设回水阀门，所述回水管通入到所述圆筒密封腔内。

3.根据权利要求1所述的瓦斯注入单元包括注气管、注气阀门、高压瓦斯气瓶、抽气阀门和真空泵，所述高压瓦斯气瓶通过注气阀门与注气管相连，所述注气管通入到所述圆筒密封腔内，所述真空泵通过抽气阀门和三通与注气管连接。

4.根据权利要求1所述的排水单元包括排水管和量筒，所述的排水管通入到所述圆筒密封腔内，所述的排水管通过高压水减压阀与量筒连接。

5.根据权利要求1所述的数据采集单元包括数据采集仪、至少四个应变片及其数据传输线，所述应变片分布在腔体内，所述数据传输线分别与所述应变片连接，所述数据传输线另一端与位于腔体外的所述数据采集仪相连。

6.根据权利要求2所述的回水管的水平面高于排水管的水平面，所述排水管的水平面高于所述水压力表的水平面。

7.根据权利要求1—6所述的一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成圆柱体煤样；

(2)、在煤样指定位置粘贴所述应变片，放置于所述圆筒密封腔内；

(3)、关闭测量装置的所有阀门，打开注水阀门和回水阀门，利用注水泵向圆筒密封腔内注水，当回水管流出水时，关闭注水阀门和回水阀门；

(4)、打开抽气阀门，利用真空泵对测量装置抽真空30分钟后，关闭抽气阀门；

(5)、开启数据采集仪，利用数据采集仪采集应变数据；

(6)、打开注气阀门，利用所述高压瓦斯气瓶向圆筒密封腔内注入指定压力的瓦斯气体，注气72小时后关闭注气阀门，利用所述的气体压力表和水压力表监测瓦斯气体和水的压力；

(7)、打开高压水减压阀进行排水，当量筒内水的体积达到V时，关闭高压水减压阀；V按下式计算：

V＝HπR²

式中，V为量筒内水的体积，单位m³；H为回水管水平面和排水管水平面的高度差，单位m；R为圆筒密封腔的内径，单位m。

(8)、关闭高压水减压阀48小时后，再次打开高压水减压阀进行排气。

(9)、关闭数据采集仪，利用采集的数据分析瓦斯和水同时吸附过程中煤样的应变特征。