CN105974084A - 一种本煤层瓦斯抽采实验模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，包括实验箱体，实验箱体内设有煤层，煤层的上部和下部分别设有底板和顶板，煤层的顶板设有多排液压缸，每排液压缸的上部设有液压支柱支撑梁，煤层的四个侧面分别设有施加静载荷的钢板，钢板通过钢支柱固定，在煤层的左侧设置储气箱，在煤层的右侧设置排气箱，储气箱通过阀门与瓦斯气瓶相连接，排气箱通过阀门与气体压缩机的进气口连接，气体压缩机的出气口通过阀门与排气箱连接，排气箱上设有安全阀门，每个阀门处都装有电子流量计和电子测压计，在煤层的前侧设有瓦斯抽采系统模拟箱，在瓦斯抽采系统模拟箱与煤层之间设有铁丝网。可以模拟煤矿开采不同应力环境下不同瓦斯抽采方式方法、不同钻孔长度和封孔材料等参数下瓦斯抽采情况，为钻孔布置和瓦斯抽采优化提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓦斯抽采技术，尤其涉及一种本煤层瓦斯抽采实验模拟装置。
背景技术
由于越来越多煤炭企业开采深部煤层，使得工作面煤层瓦斯涌出量急剧上升，回风巷及上隅角瓦斯频频超限，甚至引发瓦斯燃烧或爆炸等恶性事故，严重威胁着矿井安全生产及可持续性发展。解决以上问题较好的方法是瓦斯抽采，但是目前瓦斯抽采受实验设备的限制实验室实验研究较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种本煤层瓦斯抽采实验模拟装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，包括实验箱体，所述实验箱体内设有煤层，所述煤层的上部和下部分别设有底板和顶板，所述煤层的顶板设有多排液压缸，每排液压缸的上部设有液压支柱支撑梁，所述煤层的四个侧面分别设有施加静载荷的钢板，所述钢板通过钢支柱固定，在煤层的左侧设置储气箱，在煤层的右侧设置排气箱，所述储气箱通过阀门与瓦斯气瓶相连接，所述排气箱通过阀门与气体压缩机的进气口连接，所述气体压缩机的出气口通过阀门与所述排气箱连接，所述排气箱上设有安全阀门，每个阀门处都装有电子流量计和电子测压计，在煤层的前侧设有瓦斯抽采系统模拟箱，在瓦斯抽采系统模拟箱与煤层之间设有铁丝网。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，可以实现本煤层瓦斯抽采模拟，可以模拟煤矿开采不同应力环境下不同瓦斯抽采方式方法、不同钻孔长度和封孔材料等参数下瓦斯抽采情况，为钻孔布置和瓦斯抽采优化提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置的主视结构示意图。
图2为本发明实施例提供的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例提供的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例中可调节孔的圆盘。
图5为本发明实施例中瓦斯抽采模拟箱主视图。
图6为本发明实施例中瓦斯抽采模拟箱侧视图。
图中：
1-液压支柱支撑梁；2-液压缸；3-实验箱体；4-瓦斯抽采系统模拟箱；5-瓦斯气瓶；6-总瓦斯抽采管道；7-储气箱；8-气体压缩机；9-阀门D；10-阀门C；11-阀门B；12-阀门A；13-滑轨；14-阀门F；15-阀门E；16-排气箱；17-可调节孔的圆盘；18-支架；19-与实验箱体连接的钢板；20-螺孔；21-瓦斯抽采管接口；22-考察孔接口；23-把手；24-橡胶圈。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，其较佳的具体实施方式是：
包括实验箱体，所述实验箱体内设有煤层，所述煤层的上部和下部分别设有底板和顶板，所述煤层的顶板设有多排液压缸，每排液压缸的上部设有液压支柱支撑梁，所述煤层的四个侧面分别设有施加静载荷的钢板，所述钢板通过钢支柱固定，在煤层的左侧设置储气箱，在煤层的右侧设置排气箱，所述储气箱通过阀门与瓦斯气瓶相连接，所述排气箱通过阀门与气体压缩机的进气口连接，所述气体压缩机的出气口通过阀门与所述排气箱连接，所述排气箱上设有安全阀门，每个阀门处都装有电子流量计和电子测压计，在煤层的前侧设有瓦斯抽采系统模拟箱，在瓦斯抽采系统模拟箱与煤层之间设有铁丝网。
所述瓦斯抽采系统模拟箱包括箱体，所述箱体设有活塞式前后拉动的箱门，所述箱门的上部末端和下部末端有与箱体固定的螺孔，所述瓦斯抽采系统模拟箱内设有总抽采管道，所述瓦斯抽采系统模拟箱与所述实验箱体接触的部位套有橡胶圈并在四周设有与侧面垂直的钢板，钢板通过螺孔与所述实验箱体连接，所述瓦斯抽采系统模拟箱的内部放置总瓦斯抽采管道，该管的一端封死，另一端为抽气端，与负压泵相连。
所述总瓦斯抽采管道的上端有7个瓦斯抽采管接口，每两个瓦斯抽采管接口之间设有1个考察孔接口，每个瓦斯抽采管接口内安有与数据采集的传输线连接的接头，每个接口上设有螺帽。
还包括钻孔封孔系统，所述的钻孔封孔系统包括钻机、钻杆，所述钻机置于滑轨上，所述滑轨设有高度调节装置，所述钻杆与煤层设有一个用支架支撑的中间有可调节孔的圆盘。
所述顶板和底板材料为现场的砂岩，以石膏为粘结剂；所述煤层采用多种粒径的煤粉作为主要材料，以煤焦油作为粘结剂。
本发明的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，利用相似模拟理论，可以实现本煤层瓦斯抽采模拟，可以模拟煤矿开采不同应力环境下不同瓦斯抽采方式方法、不同钻孔长度和封孔材料等参数下瓦斯抽采情况，为钻孔布置和瓦斯抽采优化提供依据。
具体实施例：
如图1至图6所示，包括含煤岩系模拟系统、气体注入系统、瓦斯抽采系统、应力系统和钻孔封孔系统。含煤岩系模拟系统主要实现实际煤层顶板底板的模拟。气体注入系统主要可以实现煤层的瓦斯赋存状态。瓦斯抽采系统主要模拟瓦斯抽采过程和监测瓦斯抽采过程中的各种参数。应力系统主要模拟煤层的受力状态。钻孔封孔系统主要模拟瓦斯抽采钻孔和封孔过程。
所述的含煤岩系模拟系统包括煤层、底板、顶板，尺寸为4m×3m×2m，能进行与实际煤层相似比为1：5的相似模拟实验。
所述的瓦斯抽采系统包括瓦斯抽采系统模拟箱、抽采管路、气体压缩机等，以实现整个瓦斯抽采的模拟。
所述的煤层垂直应力载荷由48个缸径为300mm液压缸提供，对于四周的围压则采用施加静载荷的办法，用钢板以及钢支柱固定，但在实验仪器左右两侧的煤层部分则采用布满网孔的钢板来施加静载荷，并且在煤层左侧设置储气箱，在右侧设置排气箱，通过往储气箱注气和将排气箱的气体排出来制造煤层两边的压差来实现对煤层进行注气，而模拟煤层的前侧需要放置瓦斯抽采系统模拟箱，在瓦斯抽采系统模拟箱和煤层之间需放置铁丝网，以防止模拟煤层向瓦斯抽采箱内崩塌。
所述的钻孔封孔系统包括钻机、钻杆、滑轨等，通过将钻机安在可调节高度的滑轨上，同时为了防止在钻孔过程中造成孔周围的模型煤层鼓起等破坏，应先在模型煤层前安置一个用支架支撑的中间有可调节孔的圆盘，并使其紧贴模型煤层，在正式钻孔前，调节圆盘中的孔径使其略大于电钻的钻杆，然后调节滑道的高度，使钻杆正对着圆盘中间的孔洞进行打钻。
所述的用于顶板底板材料为现场的砂岩等岩石，以石膏为粘结剂，煤层采用不同粒径的煤粉作为主要材料，以煤焦油作为粘结剂。在实验仪器内的模具中制作模拟煤层和模拟顶底板，模具的四周是可拆卸的钢板，固定好模具四周后，从下到上来依次制作模拟煤层底板，模拟煤层，和模拟煤层顶板。
所述的煤层为了达到与原煤层孔隙率和渗透率相似的效果，首先要通过不同配比制造圆柱成型煤样和成型岩样，测定其孔隙率和渗透率，找到合适的配比，并在实验仪器内用可拆卸的磨具钢板固定好四周从下到上来依次制作煤层底板，煤层，和煤层顶板。
所述的气体注入系统包括储气箱、排气箱、气体压缩机、瓦斯气瓶、管路等。储气箱通过阀门和瓦斯气瓶相连，可以向模拟煤层注入瓦斯气体。气体压缩机通过阀门和排气箱相连接，并将排气箱内的气体通过气体压缩机再注入到储气箱内，可以较快的实现煤层内瓦斯的吸附平衡。排气箱上有安全阀门，它通过管路与大气连接，正常情况下为关闭装态，当排气箱内压力过大时，阀门会自动打开，排放气体，保证实验的安全性。每个阀门处都装有电子流量计和电子测压计可以做到对煤层注气时进行实时观测。
瓦斯抽采系统模拟箱是实验仪器的中用来模拟抽采巷道，放置模拟实验的总抽采管道、瓦斯抽采负压流量等参数测量装置。该模拟箱采用活塞式可前后拉动的箱门，箱门的上部末端和下部末端有与箱体固定的螺孔，防止模拟实验过程箱门发生移动或者弹出。为了达到更好的密封效果，瓦斯抽采系统模拟的另一测的套有橡胶圈，并且其四周有向外延伸10厘米与侧面垂直的钢板，每个上面有螺孔用来与整个实验仪器连接。模拟箱的内部放置总瓦斯抽采管道，该管的一端封死，另一端为抽气端，与负压泵相连。总瓦斯抽采管道上端有7个瓦斯抽采管接口，每两个瓦斯抽采管接口之间会有1个考察孔接口。考察孔是用来测量模拟实验中瓦斯抽采的有效半径。每个接口内安有与数据采集的传输线连接的接头，便于安放在钻孔内部的数据采集装置与电脑连接，并且每个接口上有螺帽，对不用的接口进行密封。
本发明的工作原理是：
当整个模型做好以后，开始在模型煤层前侧设置整个抽采及检测系统，首先设置煤层钻孔，设置钻孔前先确定钻孔的排列形式，钻孔间距，当这些确定好后，再根据钻孔的排列形式和钻孔间距，确定两个钻孔之间考察孔的位置，一般在实际生产中为了有效的测定钻孔的有效半径，会在两个钻孔之间设置一个考察孔，但在实验中为了达到准确度的要求，可以按具体情况可增设考察孔。
用电钻在煤层里打孔，由于人为操作，会有很大的不稳定型，因此将钻机事先安在可调节高度的滑轨上，为了防止在钻孔过程中造成孔周围的模型煤层鼓起等破坏，应先在模型煤层前安置一个用支架支撑的中间有可调节孔的圆盘，并使其紧贴模型煤层，在正式钻孔前，调节圆盘中的孔径使其略大于电钻的钻杆，然后调节滑道的高度，使钻杆正对着圆盘中间的孔洞进行打钻。
当煤层中的钻孔布置好后，将会在钻孔中布置相应的监测仪器，首先确定模拟实验中钻孔的封孔长度，在钻孔内，除了要注入封孔材料的区域，布置一个电子流量计，瓦斯监测探头和每隔200mm布置一个电子测压仪，并将这些数据采集装置的传输线穿过瓦斯抽采管与瓦斯抽采总管接口中的连接接头连接。
安装完数据采集装置后，对钻孔进行封孔，封孔时采用两边堵，中间注浆的工艺，目前现场用封孔材料很多，可以根据本实验来测量各种封孔材料的好坏，封孔长度按照相似比例来确定。
当整个抽采系统布置好后开始对煤层进行充气，并通过测压孔的压力来判断整个煤层是否吸附平衡，平衡后，开始整个瓦斯抽采的模拟。
实验结束后打开总排气阀，将所有实验用到的瓦斯气体排出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，其特征在于，包括实验箱体，所述实验箱体内设有煤层，所述煤层的上部和下部分别设有底板和顶板，所述煤层的顶板设有多排液压缸，每排液压缸的上部设有液压支柱支撑梁，所述煤层的四个侧面分别设有施加静载荷的钢板，所述钢板通过钢支柱固定，在煤层的左侧设置储气箱，在煤层的右侧设置排气箱，所述储气箱通过阀门与瓦斯气瓶相连接，所述排气箱通过阀门与气体压缩机的进气口连接，所述气体压缩机的出气口通过阀门与所述排气箱连接，所述排气箱上设有安全阀门，每个阀门处都装有电子流量计和电子测压计，在煤层的前侧设有瓦斯抽采系统模拟箱，在瓦斯抽采系统模拟箱与煤层之间设有铁丝网。
2.根据权利要求1所述的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，其特征在于，所述瓦斯抽采系统模拟箱包括箱体，所述箱体设有活塞式前后拉动的箱门，所述箱门的上部末端和下部末端有与箱体固定的螺孔，所述瓦斯抽采系统模拟箱内设有总抽采管道，所述瓦斯抽采系统模拟箱与所述实验箱体接触的部位套有橡胶圈并在四周设有与侧面垂直的钢板，钢板通过螺孔与所述实验箱体连接，所述瓦斯抽采系统模拟箱的内部放置总瓦斯抽采管道，该管的一端封死，另一端为抽气端，与负压泵相连；
所述总瓦斯抽采管道的上端有7个瓦斯抽采管接口，每两个瓦斯抽采管接口之间设有1个考察孔接口，每个瓦斯抽采管接口内安有与数据采集的传输线连接的接头，每个接口上设有螺帽。
3.根据权利要求1或2所述的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，其特征在于，还包括钻孔封孔系统，所述的钻孔封孔系统包括钻机、钻杆，所述钻机置于滑轨上，所述滑轨设有高度调节装置，所述钻杆与煤层设有一个用支架支撑的中间有可调节孔的圆盘。
4.根据权利要求1或2所述的本煤层瓦斯抽采实验模拟装置，其特征在于，所述顶板和底板材料为现场的砂岩，以石膏为粘结剂；所述煤层采用多种粒径的煤粉作为主要材料，以煤焦油作为粘结剂。
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