CN105954117B - 剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，包括前期准备、型煤压制、装载试件准备实验、施加法向应力、抽真空、瓦斯吸附、剪切试验、同组其他试验和整理实验数据等步骤，其中试件装载在内设剪切盒的试验盒内，从而提供了一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，便于研究深度、瓦斯压力、煤岩种类、剪切位移速率等参数对瓦斯抽采的影响。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯抽采研究领域，具体地讲，特别涉及一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法。
背景技术
目前，随着社会的发展，越来越多复杂地质条件下的矿产资源被探测开发，由于地质条件极其复杂，因而在矿产开采过程中的力学问题对于合理选择开采方法及其结构参数，提高开采强度，合理利用矿产资源，保证工人安全作业以及最终提高矿产的开采经济效益都是尤为重要的。由于地质条件的复杂性，计算机数值模拟并不能完整准确的反映具体条件开采过程中各项参数的影响。
因此，目前大多采用相似模拟试验来研究各项参数的影响，因为相似模拟是利用现场真实的物理实体，能更真实准确地模拟矿产的状态。但现有的相似模拟实验不能够进行剪应力作用下的瓦斯抽采模拟，不能研究剪应力对瓦斯抽采的影响，以及剪应力作用下各项物理参数对瓦斯抽采的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，用于研究各项参数对剪应力作用下瓦斯抽采的影响。
本发明的技术方案如下：一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，包括以下步骤，
步骤一、前期准备，将试验原煤破碎筛分后烘干备用；
步骤二、型煤压制，将煤粉混合搅拌、添加粘结剂压制成柱状的型煤试件，并且，在型煤试件中预埋杆件，使型煤试件中预留安装孔；
步骤三、准备实验，取出杆件、将压制的型煤试件放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状，所述剪切盒包括左上壳、右上壳、左下壳和右下壳，所述左上壳和右上壳位于上盒体内，在所述上盒体的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆，所述左上壳与右上壳挂在对应定位杆的内端上，并且，在左右两边定位杆的作用下，左上壳与右上壳将型煤试件的上部夹紧；所述左下壳和右下壳位于下盒体内，所述左下壳和右下壳分别位于左上壳和右上壳的下方，在所述左上壳与左下壳之间留有第一缝隙，在所述右上壳与右下壳之间留有第二缝隙；在所述试验盒下盒体内开有左孔道和右孔道，所述左孔道和右孔道的内孔口分别与第一缝隙和第二缝隙连通，所述左孔道和右孔道的外孔口均贯通试验盒的外壁；
在所述上盒体上插装有压杆，在压杆的下端固定连接有位于左上壳与右上壳之间的压头，所述压头的底面与型煤试件的顶面相抵，在所述压头的下端还固定连接有接头，所述接头伸入型煤试件的安装孔内，并将接头外壁与安装孔内壁粘接密封；在所述接头、压头和压杆内开有上孔道，所述上孔道的内孔口贯通接头的下端，上孔道的外孔口贯通压杆的外侧壁；
在所述压杆与上盒体之间、压杆与压头之间、压头与接头之间均设置有密封圈；
步骤四、施加法向应力，对压杆施加压力，使型煤试件受到法向应力；
步骤五、抽真空，关闭左孔道和右孔道，通过上孔道对型煤试件抽真空，并检查试验盒的密封性；
步骤六、瓦斯吸附，抽真空完成后关闭上孔道，通过左孔道或者右孔道或者左孔道和右孔道同时充入瓦斯进行瓦斯吸附；瓦斯吸附完成之后，继续以恒定的气压充入瓦斯或者关闭瓦斯气源；
步骤七、剪切试验，打开上孔道，通过流量计监测上孔道外孔口气体的流量，同时对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移；
步骤八、同组其他试验，更换型煤试件，改变对压杆施加的压力大小、或者改变瓦斯气源的恒定气压值、或者改变煤粉的粒径大小、或者改变型煤试件中添加粘接剂的比例、或者改变上盒体和下盒体的相对位移速率，重复步骤三至步骤七；
步骤九、整理实验数据。
上述方法提供了一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，对压杆施加的压力大小可以模拟煤层深度，步骤六中继续以恒定的气压充入瓦斯可以模拟有气源情况下的瓦斯压力，步骤六中关闭瓦斯气源可以模拟无气源的情况，煤粉的粒径大小和型煤试件中添加粘接剂的多少可以模拟不同类型的煤岩，上盒体和下盒体的相对位移速率可以模拟剪切位移速率，通过流量计监测上孔道外孔口气体的流量，即可通过多次的试验，研究单一参数或者多个参数对瓦斯抽采气体流量的影响。
所述上盒体包括矩形框状的上框和固定在上框顶部的盖板，所述左上壳和右上壳位于上框的框体内，所述定位杆也穿设在上盒体的上框上。这样设置上盒体，使型煤试件和剪切盒的装配更加方便。
所述下盒体包括矩形框状的下框和固定在下框底部的底板，所述左下壳和右下壳位于下框的框体内，所述左孔道和右孔道均开在下盒体的下框上。这样设置下盒体，使型煤试件和剪切盒的装配更加方便。
在所述左上壳、右上壳、左下壳和右下壳的内壁均刻有网状的凹槽。便于瓦斯气体与型煤试件充分、均匀地接触，有利于更加真实地模拟现实状况。
所述型煤试件为100*100*100mm3的正方体，所述安装孔的深度为50mm。
步骤七中所述上盒体和下盒体的相对位移S≦3mm。
步骤一中的试验原煤破碎筛分后在105-110℃烘干24-48小时。
步骤五中抽真空的时间为24小时。
步骤六中瓦斯吸附的时间为48小时。
有益效果：本发明利用内装剪切盒的试验盒对吸附瓦斯的型煤试件进行剪切，并监测瓦斯的出气流量，从而提供了一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，便于研究深度、瓦斯压力、煤岩种类、剪切位移速率等参数对瓦斯抽采的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为上孔道外孔口气体的流量变化曲线。
图中标记如下：第一缝隙1、底板2、下框3、上框4、盖板5、压杆6、第二缝隙7、定位杆8、左孔道9、右孔道10、压头12、接头11、上孔道13、左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17。
需要说明的是：本发明的描述中，方位词“前”、“后”、“左”、“右”均以实际使用中操作人员站在图1视图的视线方向并面向设备为准，也即图1视图的左为本发明描述中的“左”、图1视图的右为本发明描述中的“右”，图2视图的上为本发明描述中的“后”、图2视图的下为本发明描述中的“前”。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，如有术语“中心”，“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不应理解为限制本发明的具体保护范围。此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。
如图1、图2和图3所示，本发明包括以下步骤，
步骤一、前期准备，将试验原煤破碎筛分后烘干备用；本实施例优选试验原煤破碎筛分后在105-110℃烘干24-48小时。
步骤二、型煤压制，按照实验方案将不同粒径的煤粉按一定比例混合搅拌、添加一定量的粘结剂压制成柱状的型煤试件。本实施例优选将不同粒径的煤粉按照小于40目：40～60目：60～80目：80～100目：大于100目＝61:15:5:4:158的质量比混合，并添加质量比为5％的水作为粘接剂压制成型煤试件。并且，在型煤试件中预埋杆件，使型煤试件中预留安装孔，所述安装孔的中心轴与型煤试件的中心轴平行或者重合。本实施例优选所述型煤试件为100*100*100mm3的正方体，所述安装孔为孔径10mm的圆孔，安装孔的深度为50mm。当然，根据试验需要，型煤试件也可以是直径100mm、高100mm的圆柱体。
步骤三、准备实验，取出杆件、将压制的型煤试件放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状。所述上盒体包括矩形框状的上框4和固定在上框4顶部的盖板5，所述下盒体包括矩形框状的下框3和固定在下框3底部的底板2。在所述盖板5与上框4之间、上框4与下框3之间、下框3与底板2之间均设有密封圈。
所述剪切盒包括左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17，在所述左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17的内壁均刻有网状的凹槽，所述左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17围成的剪切盒内腔与型煤试件的形状相适应。并且，当型煤试件为正方体时，根据试验需要，剪切盒内腔可以是与左右方向呈一定夹角的歪斜正方体腔。所述左上壳14和右上壳15位于上盒体内，并且左上壳14和右上壳15位于上盒体上框4的框体内。在所述上盒体上框4的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆8，所述左上壳14与右上壳15挂在对应定位杆8的内端上。并且，左右两边的定位杆8均与上盒体螺纹配合，转动定位杆8时，定位杆8在上盒体上左右移动；在左右两边定位杆8的作用下，左上壳14与右上壳15将型煤试件的上部夹紧。本实施例优选与左上壳14配合的定位杆8有前后两根，与右上壳15配合的定位杆8也有前后两根。
所述左下壳16和右下壳17位于下盒体内，并且左下壳16和右下壳17位于下框3的框体内，所述左下壳16和右下壳17分别位于左上壳14和右上壳15的下方，在所述左上壳14与左下壳16之间留有第一缝隙1，在所述右上壳15与右下壳17之间留有第二缝隙7。在所述试验盒下盒体内开有左孔道9和右孔道10，所述左孔道9和右孔道10均开在下盒体的下框3上；所述左孔道9和右孔道10的内孔口分别与第一缝隙1和第二缝隙7连通，所述左孔道9和右孔道10的外孔口均贯通试验盒的外壁。本实施例优选所述左孔道9位于试验盒下框3的左前部，左孔道9的内孔口与第一缝隙1的前边段连通；本实施例优选所述右孔道10位于试验盒下框3的右后部，右孔道10的内孔口与第二缝隙7的后边段连通。
在所述上盒体的盖板5上插装有压杆6，在压杆6的下端固定连接有位于左上壳14与右上壳15之间的压头12，所述压头12的底面与型煤试件的顶面相抵。在所述压头12的下端还固定连接有接头11，所述接头11伸入型煤试件的安装孔内，并通过胶水或粘合剂将接头11外壁与安装孔内壁粘接密封。在所述接头11、压头12和压杆6内开有上孔道13，所述上孔道13的内孔口贯通接头11的下端，上孔道13的外孔口贯通压杆6的外侧壁。在所述压杆6与上盒体盖板5之间、压杆6与压头12之间、压头12与接头11之间均设置有密封圈。
步骤四、施加法向应力，对压杆6施加压力，使型煤试件受到法向应力，从而模拟深度。本实施例对压杆6施加的压力为3MPa。
步骤五、抽真空，关闭左孔道9和右孔道10，通过上孔道13对型煤试件抽真空24小时，并检查试验盒的密封性。
步骤六、瓦斯吸附，抽真空完成后关闭上孔道，通过左孔道或者右孔道或者左孔道和右孔道同时充入瓦斯进行瓦斯吸附，本实施例优选瓦斯吸附的时间为48小时。瓦斯吸附完成之后，继续以恒定的气压充入瓦斯或者关闭瓦斯气源。本实施例继续以1MPa的气压充入瓦斯，以模拟有瓦斯气源的情况。当然，根据研究需要，也可以关闭瓦斯气源，用以模拟没有瓦斯气源的情况。
步骤七、剪切试验，打开上孔道，在上孔道外孔口安装流量计，通过流量计监测上孔道外孔口气体的流量，并获取上孔道外孔口气体流量的变化曲线；同时对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移。所述上盒体和下盒体的相对位移S≦3mm，本实施例优选相对位移的最大值为2mm，并且上盒体和下盒体的相对位移速率为0.5mm/min。图4即为整个过程上孔道外孔口气体流量的变化曲线。
步骤八、同组其他试验，更换型煤试件，改变对压杆6施加的压力大小、或者改变瓦斯气源的恒定气压值、或者改变煤粉的粒径大小、或者改变型煤试件中添加粘接剂的多少、或者改变上盒体和下盒体的相对位移速率，重复步骤三至步骤七，获取不同的上孔道外孔口气体流量变化曲线。
步骤九、整理实验数据。
Claims (8)
1.一种剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、前期准备，将试验原煤破碎筛分后烘干备用；
步骤二、型煤压制，将煤粉混合搅拌、添加粘结剂压制成柱状的型煤试件，并且，在型煤试件中预埋杆件，使型煤试件中预留安装孔；
步骤三、准备实验，取出杆件、将压制的型煤试件放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状，所述剪切盒包括左上壳、右上壳、左下壳和右下壳，所述左上壳和右上壳位于上盒体内，在所述上盒体的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆，所述左上壳与右上壳挂在对应定位杆的内端上，并且，在左右两边定位杆的作用下，左上壳与右上壳将型煤试件的上部夹紧；所述左下壳和右下壳位于下盒体内，所述左下壳和右下壳分别位于左上壳和右上壳的下方，在所述左上壳与左下壳之间留有第一缝隙，在所述右上壳与右下壳之间留有第二缝隙；在所述左上壳、右上壳、左下壳和右下壳的内壁均刻有网状的凹槽；在所述试验盒下盒体内开有左孔道和右孔道，所述左孔道和右孔道的内孔口分别与第一缝隙和第二缝隙连通，所述左孔道和右孔道的外孔口均贯通试验盒的外壁；
在所述上盒体上插装有压杆，在压杆的下端固定连接有位于左上壳与右上壳之间的压头，所述压头的底面与型煤试件的顶面相抵，在所述压头的下端还固定连接有接头，所述接头伸入型煤试件的安装孔内，并将接头外壁与安装孔内壁粘接密封；在所述接头、压头和压杆内开有上孔道，所述上孔道的内孔口贯通接头的下端，上孔道的外孔口贯通压杆的外侧壁；
在所述压杆与上盒体之间、压杆与压头之间、压头与接头之间均设置有密封圈；
步骤四、施加法向应力，对压杆施加压力，使型煤试件受到法向应力；
步骤五、抽真空，关闭左孔道和右孔道，通过上孔道对型煤试件抽真空，并检查试验盒的密封性；
步骤六、瓦斯吸附，抽真空完成后关闭上孔道，通过左孔道或者右孔道或者左孔道和右孔道同时充入瓦斯进行瓦斯吸附；瓦斯吸附完成之后，继续以恒定的气压充入瓦斯或者关闭瓦斯气源；
步骤七、剪切试验，打开上孔道，通过流量计监测上孔道外孔口气体的流量，同时对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移；
步骤八、同组其他试验，更换型煤试件，改变对压杆施加的压力大小、或者改变瓦斯气源的恒定气压值、或者改变煤粉的粒径大小、或者改变型煤试件中添加粘接剂的比例、或者改变上盒体和下盒体的相对位移速率，重复步骤三至步骤七；
步骤九、整理实验数据。
2.根据权利要求1所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：所述上盒体包括矩形框状的上框和固定在上框顶部的盖板，所述左上壳和右上壳位于上框的框体内，所述定位杆也穿设在上盒体的上框上。
3.根据权利要求2所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：所述下盒体包括矩形框状的下框和固定在下框底部的底板，所述左下壳和右下壳位于下框的框体内，所述左孔道和右孔道均开在下盒体的下框上。
4.根据权利要求1-3任一所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：所述型煤试件为100*100*100mm3的正方体，所述安装孔的深度为50mm。
5.根据权利要求4所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：步骤七中所述上盒体和下盒体的相对位移S≦3mm。
6.根据权利要求5所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：步骤一中的试验原煤破碎筛分后在105-110℃烘干24-48小时。
7.根据权利要求6所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：步骤五中抽真空的时间为24小时。
8.根据权利要求7所述的剪应力作用下瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于：步骤六中瓦斯吸附的时间为48小时。
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