CN105606773B - 一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法 - Google Patents
一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法,包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统,密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管,橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室,花管和橡胶筒之间构成煤粉室,花管内构成注浆室;煤粉室内填充煤粉,注水装置和注水室连通,注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室,轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室,注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料,气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。本发明通过对煤粉施加轴向压力和围压,来模拟井下煤层所处的真实地应力环境,解决了因忽略地应力,而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料密封性能测试技术领域,特别涉及一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法。
背景技术
瓦斯作为煤矿井下五大灾害之一,同样也是一种清洁能源。目前,治理瓦斯问题的关键是瓦斯抽采,而井下封孔质量是瓦斯抽采的关键。井下封孔是利用胶囊、聚氨酯形成一段封闭空间,然后利用注浆泵将封孔材料注入钻孔内。然而,实验室进行封孔材料密封性能测试时,浆液往往是注入到钢管或者PVC管内,利用钢管或者PVC管来代替钻孔,进而把浆液注入的管内,再利用真空泵抽气,进而检测材料的密封性能。在这方面,相关学者进行了研究。
现有文献中有记载,通过在PVC管内壁粘涂一层煤粉,模拟瓦斯抽采钻孔,进而进行聚氨酯的密封性能(李敏, 煤矿聚氨酯封孔的实验研究, 中国地质大学(北京),2011);利用内壁粗糙的无缝钢管模拟钻孔,钢管两端设置堵头,在堵头之间注入封孔材料,进而进行封孔参数的确定(倪冠华, 脉动水力压裂钻孔密封参数的测定及分析, 中国矿业大学学报, 2013, 42(2));利用PVC管模拟钻孔,通过在PVC管上直径不同的孔来模拟裂隙,采用“两堵一注”的方法进行材料的封孔性能测试(成艳英, 本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究, 中国矿业大学, 2014年)。
通过以上分析可以发现,在密封材料密封性能测试方面,大多忽略了地应力的影响。因此,需继续研究出一种考虑地应力影响的技术方案以解决上述问题。鉴于此,本发明人为此研制出一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法,有效的解决了上述问题,本案由此产生。
发明内容
本发明提供的一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法,通过对煤粉施加轴向压力和围压,来模拟井下煤层所处的真实地应力环境,解决了因忽略地应力,而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种矿用封孔材料性能测试装置,包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统,密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管,橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室,花管和橡胶筒之间构成煤粉室,花管内构成注浆室;煤粉室内填充煤粉,注水装置和注水室连通,注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室,轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室,注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料,气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。
所述注水装置包括水泵、注水管、水压表和注水阀门,水泵通过注水管和注水室连通,注水管上安装有水压表。
所述轴向加压装置包括压实板、加压杆、液压装置、液压管和液压控制系统,液压控制系统通过液压管和液压装置相连,液压装置上安装有加压杆,加压杆前端安装压实板,压实板呈环形,压实板套设在花管外并压置在煤粉室的一端,加压杆推动压实板轴向压缩煤粉,压实板将该煤粉室的一端密封。
所述注浆系统包括注浆端、注浆泵、注浆管和注浆压力表,注浆端密封安装在花管的一端,注浆端具有和花管连通的进浆管和出浆管,进浆管和出浆管分别安装有注浆阀门和回浆阀门,注浆泵通过注浆管和进浆管连通,注浆管上安装有注浆压力表。
所述注浆系统和气密性检测系统分别安装在花管的两端,气密性检测系统包括抽真空端、真空泵、真空管、真空管阀门和真空表,抽真空端密封安装在花管的一端,花管在靠近该端的内侧安装有隔板,隔板将花管分隔成两段,一段为注浆室,另一段和抽真空端共同构成真空室,真空管一端通过抽真空端和花管连通,真空管另一端和真空泵连接,真空管上安装有真空管阀门和真空表。
所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端密封,在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖,封口盖的内孔壁开设密封槽,密封槽用于和花管保持密封,封口盖上开设通气孔,通气孔通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气。
所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端安装有煤粉的加料装置,加料装置包括送料管、加料斗和加料阀门,加料斗通过送料管和煤粉室连通,加料斗下方安装有加料阀门。
一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法,使用步骤如下:
(1)实验准备:清理密封筒,保证花管、橡胶筒内壁干净没有残余物后,进行设备的安装;
(2)形成模拟钻孔:将煤粉装入煤粉室内,直至煤粉装满煤粉室;
(3)加载围压、轴压:利用轴向加压装置对煤粉加载轴压,利用注水装置向注水室加高压水推动橡胶筒压缩煤粉室以加载围压,待煤粉所处压力达到矿井实际条件时,保持此压力至规定时间;
(4)注浆:利用注浆系统向注浆室内注由封孔材料构成的浆液,待浆液压力达到设定压力时,停止注浆,保持该压力;
(5)封孔性能检测:带浆液凝固后,利用气密性检测系统检测注浆室的密封性能;
(6)仪器整理:实验结束后,放掉注水室内的水和煤粉室内的煤粉,将各部件拆除,清理仪器设备。
所述设备安装的步骤为:将外筒固定,将封口盖安装到煤粉室的一端,同时把封口盖上的通气孔利用螺栓密封,并将花管通过封口盖内孔送入密封筒内,将压实板套设于煤粉室另一端的花管上,压实板与轴向加压装置的加压杆连接在一起,通过轴向加压装置将压实板退至最右端,形成最大煤粉室,把注浆系统的注浆端与花管一端安装在一起,把气密性检测系统的抽真空端与花管另一端安装在一起,把注水装置的注水管和注水室连通,将加料装置的送料管和煤粉室连通;
形成模拟钻孔的具体步骤为:利用轴向加压装置将压实板退至煤粉室最右端,将送料管送入煤粉室,打开加料阀门,通过加料斗将煤粉装入煤粉室内,装入过程中,利用捣棒将煤粉捣入煤粉室,再利用轴向加压装置推动压实板将煤粉送入煤粉室内部,然后将压实板退至最右端,循环按照此步骤,直至煤粉装满煤粉室;
注浆的具体步骤为:打开注浆阀门、回浆阀门,通过注浆管向注浆室内注浆,待出浆管内有浆液流出时,关闭回浆阀门,并继续向注浆室内注浆,待浆液压力达到设定压力时,关闭注浆阀门,保持该压力;
封孔性能检测的具体步骤为:利用真空泵对真空室抽真空,待真空表示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门和真空泵,观察真空表示数变化,以确定封孔材料的密封性能;
仪器整理的具体步骤为:实验结束后,首先缓缓打开注水阀门,把注水室内的水放出来,待水放完之后,打开真空管阀门,将水压表、注浆压力表和真空表取下,打开封口盖,利用轴向加压装置将煤粉推出煤粉室,将花管取出来,清理仪器设备。
在步骤(4)之前,还进行整个装置的气密性检查,步骤为:
安装封口盖上的螺栓,关闭注浆阀门、回浆阀门、注水阀门、加料阀门,利用真空泵对真空室抽负压,待真空表示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门和真空泵,保持1h,观察真空表示数变化,示数无变化,则装置气密性良好,否则对装置进行检查重新安装,再重新测试;
煤粉室连通大气:将封口盖上的螺栓取下,使煤粉室、注浆室和真空室与大气相通。
采用上述方案后,本发明的密封筒分为三层,增加煤粉室和注水室,煤粉室用于填充更多的煤粉,然后通过注水装置向注水室加高压水,推动橡胶筒径向压缩煤粉室,从而对煤粉加载围压,通过轴向加压装置轴向压缩煤粉室,从而对煤粉加载轴压,来模拟井下煤层所处的真实地应力环境,因此通过气密性检测系统检测出的封孔材料的密封性能,更加接近真实使用时的封孔材料密封性能,解决了因忽略地应力,而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图;
图2是本实施例封口盖的主视图;
图3是图2的A-A向剖视图。
标号说明
密封筒1,外筒11,橡胶筒12,花管13,隔板14,封口盖15,密封槽151,通气孔152,轴向加压装置2,压实板21,加压杆22,液压装置23,液压管24,液压控制系统25,注水装置3,水泵31,注水管32,水压表33,注水阀门34,注浆系统4,注浆端41,进浆管411,出浆管412,注浆阀门413,回浆阀门414,注浆泵42,注浆管43,注浆压力表44,气密性检测系统5,抽真空端51,真空泵52,真空管53,真空管阀门54,真空表55,注水室6,煤粉室7,注浆室8,加料装置9,送料管91,加料斗92,加料阀门93,真空室10。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案,下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图1所示,是本发明揭示的一种矿用封孔材料性能测试装置,包括密封筒1、轴向加压装置2、注水装置3、注浆系统4和气密性检测系统5。
密封筒1由外至内包括外筒11、橡胶筒12和花管13,橡胶筒12和外筒11之间构成封闭的注水室6,花管13和橡胶筒12之间构成煤粉室7,花管13内构成注浆室8。煤粉室7内填充煤粉。在本行业,花管指具有很多小孔的钢管。
注水装置3和注水室6连通,注水装置3用于向注水室6加高压水推动橡胶筒12径向压缩煤粉室7。本实施例的注水装置3包括水泵31、注水管32、水压表33和注水阀门34,水泵31通过注水管32和注水室6连通,注水管32上安装有水压表33,通过水压表33显示的示数来控制加载的围压大小。
轴向加压装置2安装于煤粉室7一端,用于轴向压缩煤粉室7。本实施例的轴向加压装置2包括压实板21、加压杆22、液压装置23、液压管24和液压控制系统25。液压控制系统25通过液压管24和液压装置23相连,液压装置23上安装有加压杆22。加压杆22前端通过U型夹和压实板21固定连接,压实板21呈环形,压实板21套设在花管13外并压置在煤粉室7的一端,压实板21将该煤粉室7的一端密封。液压控制系统25为液压装置23提供压力,液压装置23带动加压杆22推动压实板21轴向压缩煤粉,通过液压控制系统25来控制加载的轴压大小。
通过调节围压和轴压即可模拟不同环境下的真实煤层。
注浆系统4和气密性检测系统5分别安装在花管13的两端。
注浆系统4和注浆室8连通,用于向注浆室8内注入封孔材料。本实施例的注浆系统4包括注浆端41、注浆泵42、注浆管43和注浆压力表44。注浆端41密封安装在花管13的一端,注浆端41具有和花管13连通的进浆管411和出浆管412,进浆管411和出浆管412分别安装有注浆阀门413和回浆阀门414。注浆泵42通过注浆管43和进浆管411连通,注浆管43上安装有注浆压力表44。通过该注浆压力表44即可读取注浆的压力,以便确定不同煤层下,注浆压力多大时才能具备良好的封孔性能。
气密性检测系统5用于检测整个装置的气密性,从而间接检测封孔材料的密封性能。本实施例的气密性检测系统5包括抽真空端51、真空泵52、真空管53、真空管阀门54和真空表55,抽真空端51密封安装在花管13异于注浆系统4的一端。花管13在靠近该端的内侧安装有隔板14,隔板14将花管13分隔成两段,一段为注浆室8,另一段和抽真空端51共同构成真空室10。真空管53一端通过抽真空端51和花管13连通,真空管53另一端和真空泵52连接,真空管53上安装有真空管阀门54和真空表55。通过将真空室10抽真空,然后观察真空表55的示数变化即可确定密封性能
在安装完整个装置后,最好进行整个装置的气密性检测,以保证试验的准确性。为此煤粉室7在位于轴向加压装置2的一端密封,可通过压实板21进行密封,在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖15(如图2-3所示)。封口盖15的内孔壁开设密封槽151,密封槽151用于和花管13保持密封。封口盖15上开设通气孔152,通气孔152通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气,即安装上螺栓后完成密封,拆下螺栓后煤粉室7即可连通大气。
为了方便加料,煤粉室7在位于轴向加压装置2的一端安装有煤粉的加料装置9,加料装置9包括送料管91、加料斗92和加料阀门93,加料斗92通过送料管91和煤粉室7连通,加料斗92下方安装有加料阀门93。
本实施例的矿用封孔材料性能测试装置的使用方法,使用步骤如下:
(1)实验准备:清理密封筒1,保证花管13、橡胶筒12内壁干净没有残余物后,进行设备的安装。
设备安装的步骤为:将外筒11固定,将封口盖15安装到煤粉室7的一端,同时把封口盖15上的通气孔152利用螺栓密封,并将花管13通过封口盖15的内孔送入密封筒1内,将压实板21套设于煤粉室7另一端的花管13上,压实板21与轴向加压装置2的加压杆22连接在一起,通过轴向加压装置2将压实板21退至最右端,形成最大煤粉室7。把注浆系统4的注浆端41与花管13一端安装在一起,把气密性检测系统5的抽真空端51与花管13另一端安装在一起。把注水装置3的注水管32和注水室6连通。将加料装置9的送料管91和煤粉室7连通。
(2)形成模拟钻孔:将煤粉装入煤粉室7内,直至煤粉装满煤粉室7;
形成模拟钻孔的步骤为:利用轴向加压装置2将压实板21退至煤粉室7最右端,将送料管91送入煤粉室7,打开加料阀门93,通过加料斗92将煤粉装入煤粉室7内,装入过程中,利用捣棒将煤粉捣入煤粉室7,再利用轴向加压装置2推动压实板21将煤粉送入煤粉室7内部,然后将压实板21退至最右端,循环按照此步骤,直至煤粉装满煤粉室7。
(3)加载围压、轴压:利用轴向加压装置2对煤粉加载轴压,利用注水装置3向注水室6加高压水推动橡胶筒12压缩煤粉室7以加载围压,待煤粉所处压力达到矿井实际条件时,保持此压力至规定时间。
进行整个装置的气密性检查,步骤为:
安装封口盖15上的螺栓,关闭注浆阀门413、回浆阀门414、注水阀门34、加料阀门93,利用真空泵52对真空室10抽负压,待真空表55示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门54和真空泵52,保持1h,观察真空表55示数变化,示数无变化,则装置气密性良好,否则对装置进行检查重新安装,再重新测试。
煤粉室7连通大气:将封口盖15上的螺栓取下,使煤粉室7、注浆室8和真空室10与大气相通。
(4)注浆:利用注浆系统4向注浆室8内注由封孔材料构成的浆液,待浆液压力达到设定压力时,停止注浆,保持该压力;
注浆的具体步骤为:打开注浆阀门413、回浆阀门414,通过注浆管43向注浆室8内注浆,待出浆管412内有浆液流出时,关闭回浆阀门414,并继续向注浆室8内注浆,待浆液压力达到设定压力时,关闭注浆阀门413,保持该压力。
(5)封孔性能检测:带浆液凝固后,利用气密性检测系统5检测注浆室8的密封性能;
封孔性能检测的具体步骤为:利用真空泵52对真空室10抽真空,待真空表55示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门54和真空泵52,观察真空表55示数变化,以确定封孔材料的密封性能。
(6)仪器整理:实验结束后,首先缓缓打开注水阀门34,把注水室6内的水放出来,待水放完之后,打开真空管阀门54,将水压表33、注浆压力表44和真空表55取下,打开封口盖15,利用轴向加压装置2将煤粉推出煤粉室7,将花管13取出来,清理仪器设备。
本发明的密封筒1分为三层,增加煤粉室7和注水室6,煤粉室7用于填充更多的煤粉,然后通过注水装置3向注水室6加高压水,推动橡胶筒12径向压缩煤粉室7,从而对煤粉加载围压,通过轴向加压装置2轴向压缩煤粉室7,从而对煤粉加载轴压,来模拟井下煤层所处的真实地应力环境,因此通过气密性检测系统5检测出的封孔材料的密封性能,更加接近真实使用时的封孔材料密封性能,避免因忽略地应力,而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。
以上仅为本发明的较佳实施例,并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化,均落入本案的保护范围。
Claims (10)
1.一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统,密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管,橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室,花管和橡胶筒之间构成煤粉室,花管内构成注浆室;煤粉室内填充煤粉,注水装置和注水室连通,注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室,轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室,注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料,气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。
2.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述注水装置包括水泵、注水管、水压表和注水阀门,水泵通过注水管和注水室连通,注水管上安装有水压表。
3.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述轴向加压装置包括压实板、加压杆、液压装置、液压管和液压控制系统,液压控制系统通过液压管和液压装置相连,液压装置上安装有加压杆,加压杆前端安装压实板,压实板呈环形,压实板套设在花管外并压置在煤粉室的一端,加压杆推动压实板轴向压缩煤粉,压实板将该煤粉室的一端密封。
4.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述注浆系统包括注浆端、注浆泵、注浆管和注浆压力表,注浆端密封安装在花管的一端,注浆端具有和花管连通的进浆管和出浆管,进浆管和出浆管分别安装有注浆阀门和回浆阀门,注浆泵通过注浆管和进浆管连通,注浆管上安装有注浆压力表。
5.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述注浆系统和气密性检测系统分别安装在花管的两端,气密性检测系统包括抽真空端、真空泵、真空管、真空管阀门和真空表,抽真空端密封安装在花管的一端,花管在靠近该端的内侧安装有隔板,隔板将花管分隔成两段,一段为注浆室,另一段和抽真空端共同构成真空室,真空管一端通过抽真空端和花管连通,真空管另一端和真空泵连接,真空管上安装有真空管阀门和真空表。
6.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端密封,在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖,封口盖的内孔壁开设密封槽,密封槽用于和花管保持密封,封口盖上开设通气孔,通气孔通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气。
7.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置,其特征在于:所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端安装有煤粉的加料装置,加料装置包括送料管、加料斗和加料阀门,加料斗通过送料管和煤粉室连通,加料斗下方安装有加料阀门。
8.一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法,其特征在于,采用如权利要求1所述的矿用封孔材料性能测试装置,使用步骤如下:
(1)实验准备:清理密封筒,保证花管、橡胶筒内壁干净没有残余物后,进行设备的安装;
(2)形成模拟钻孔:将煤粉装入煤粉室内,直至煤粉装满煤粉室;
(3)加载围压、轴压:利用轴向加压装置对煤粉加载轴压,利用注水装置向注水室加高压水推动橡胶筒压缩煤粉室以加载围压,待煤粉所处压力达到矿井实际条件时,保持此压力至规定时间;
(4)注浆:利用注浆系统向注浆室内注由封孔材料构成的浆液,待浆液压力达到设定压力时,停止注浆,保持该压力;
(5)封孔性能检测:带浆液凝固后,利用气密性检测系统检测注浆室的密封性能;
(6)仪器整理:实验结束后,放掉注水室内的水和煤粉室内的煤粉,将各部件拆除,清理仪器设备。
9.如权利要求8所述的一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法,其特征在于:
所述设备安装的步骤为:将外筒固定,将封口盖安装到煤粉室的一端,同时把封口盖上的通气孔利用螺栓密封,并将花管通过封口盖内孔送入密封筒内,将压实板套设于煤粉室另一端的花管上,压实板与轴向加压装置的加压杆连接在一起,通过轴向加压装置将压实板退至最右端,形成最大煤粉室,把注浆系统的注浆端与花管一端安装在一起,把气密性检测系统的抽真空端与花管另一端安装在一起,把注水装置的注水管和注水室连通,将加料装置的送料管和煤粉室连通;
形成模拟钻孔的具体步骤为:利用轴向加压装置将压实板退至煤粉室最右端,将送料管送入煤粉室,打开加料阀门,通过加料斗将煤粉装入煤粉室内,装入过程中,利用捣棒将煤粉捣入煤粉室,再利用轴向加压装置推动压实板将煤粉送入煤粉室内部,然后将压实板退至最右端,循环按照此步骤,直至煤粉装满煤粉室;
注浆的具体步骤为:打开注浆阀门、回浆阀门,通过注浆管向注浆室内注浆,待出浆管内有浆液流出时,关闭回浆阀门,并继续向注浆室内注浆,待浆液压力达到设定压力时,关闭注浆阀门,保持该压力;
封孔性能检测的具体步骤为:利用真空泵对真空室抽真空,待真空表示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门和真空泵,观察真空表示数变化,以确定封孔材料的密封性能;
仪器整理的具体步骤为:实验结束后,首先缓缓打开注水阀门,把注水室内的水放出来,待水放完之后,打开真空管阀门,将水压表、注浆压力表和真空表取下,打开封口盖,利用轴向加压装置将煤粉推出煤粉室,将花管取出来,清理仪器设备。
10.如权利要求8所述的一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法,其特征在于:在步骤(4)之前,还进行整个装置的气密性检查,步骤为:
安装封口盖上的螺栓,关闭注浆阀门、回浆阀门、注水阀门、加料阀门,利用真空泵对真空室抽负压,待真空表示数达到-0.1MPa时,关闭真空管阀门和真空泵,保持1h,观察真空表示数变化,示数无变化,则装置气密性良好,否则对装置进行检查重新安装,再重新测试;
煤粉室连通大气:将封口盖上的螺栓取下,使煤粉室、注浆室和真空室与大气相通。
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