CN106640043B - 一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置，所述模拟装置包括井筒、结构模拟装置、侧盖、密封垫圈、水泵、水管、废液处理箱、集水箱、进气管和空压机，所述井筒上端设有上开口，下侧端有侧接头，所述结构模拟装置一侧与井筒侧接头连接，另一侧与所述侧盖可拆卸的固定连接，所述密封垫圈和侧盖密封结构模拟装置的侧面，所述水泵通过水管输送液体，所述空压机通过进气管输送气体。所述一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置从煤粉产生的源头开始，对煤层扰动下煤粉产生过程及运动状态进行模拟，并方便观察。

Description

一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，尤其涉及一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置。

背景技术

煤层气作为一种清洁能源，具有巨大的开发潜能，其排采过程中存在许多问题，其中煤粉问题是影响设备正常排采的关键问题，而了解煤粉的产生是解决煤粉问题的重要一环。

常见的煤粉大部分是由于扰动煤层而产生的，不同的煤体结构产生煤粉的量不同，而且煤粉的颗粒大小和形态也是不同的。现有的装置没能对煤粉产生过程进行模拟，理论研究也是通过取煤粉样进行观察，因此十分需要发明一种装置，对不同煤体结构的煤层进行扰动，观察煤粉产生运移的规律，从而佐证现有的关于煤粉的研究结果。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能模拟煤层扰动下煤粉产生过程及运动状态的模拟装置。

本发明提供了一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置，其包括结构模拟装置、侧盖、密封垫圈、进气管和空压机，所述结构模拟装置中部设有一容纳腔，所述容纳腔上下两侧依从外向内顺序对称的设置有气囊、第一隔层、装样腔、第二隔层和孔隙转换层，所述气囊、第一隔层、装样腔、第二隔层和孔隙转换层固定在结构模拟装置内，所述侧盖可拆卸的固定在结构模拟装置侧面，所述密封垫圈位于侧盖和结构模拟装置之间，所述密封垫圈和侧盖一起密封结构模拟装置的侧面，所述侧盖上设有两个气体进口，所述气体进口各与一气囊连接，所述进气管一端连接气体进口，另一端连接空压机，所述气体进口和气囊连通，所述空压机提供气体，气体经所述进气管进入气囊，所述第二隔层设置有多个开孔，所述孔隙转换层设有与第二隔层开孔对应的开孔，所述容纳腔上下两侧设有与孔隙转换层开孔对应的设有多个开孔，打开第二隔层和孔隙转换层的开孔，所述容纳腔与第二隔层相通。

进一步地，所述模拟装置还包括井筒、第一水管、第二水管、第三水管、水泵、水管、废液处理箱和集水箱，所述井筒上端设有上开口，下侧端设有侧接头，所述侧接头与容纳腔固定连接，所述侧盖上设有液体进口，所述第一水管一端连接集水箱，另一端固定在液体进口上，所述液体进口和容纳腔连通，所述容纳腔和侧接头连通，所述第二水管一端穿过上开口连接井筒底部，另一端连接水泵，所述第三水管一端连接水泵，另一端连接废液处理箱。

进一步地，所述结构模拟装置是透明材质构成，便于观测模拟结果。

进一步地，所述进气管上设有气体压力计和气体控压阀，所述气体控压阀控制气体的气量大小，气体压力计显示气体压力的大小。

进一步地，所述第一水管上设有液体压力计、液体流量计、液体控压阀，所述液体控压阀控制液体的流量大小，所述液体压力计显示液体压力的大小，液体流量计显示流量的大小。

进一步地，所述侧盖通过螺栓可拆卸的固定在所述结构模拟装置侧面。

进一步地，所述侧接头以螺纹连接的方式与容纳腔固定连接。

进一步地，所述第二隔层是刚性耐压材料构成，所述第二隔层的开孔中嵌有平板状薄片，所述平板状薄片通过杠杆与螺旋小钮相连，所述螺旋小钮固定在侧盖上，所述螺旋小钮控制第二隔层的开孔的开闭。

进一步地，所述孔隙转换层由厚的刚性材料组成，所述孔隙转换层的开孔内嵌有圆环状薄片，所述圆环状薄片通过杠杆与螺旋大钮相连，所述螺旋大钮控制孔隙转换层开孔孔径的大小。

进一步地，螺旋大钮套设在螺旋小钮的外周，且安装在侧盖上，所述螺旋小钮以推拉的方式来控制第二隔层开孔的开闭，所述螺旋大钮用旋转的方式调节孔隙转换层开孔孔径的大小。

本发明的煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置，通过原位煤储层和井筒有机的结合在一起，通过装置对煤储层进行不同条件的扰动，从煤粉产生的源头开始，对煤粉的产出运移过程进行模拟的，方便观察煤粉在不同压力条件下以及在液相中运动状态的模拟情况，能够定量分析煤储层的合适的扰动状态以及和合适的煤体结构（煤储层孔隙类型），从而制定合适的排采制度，达到管控煤粉的效果。

附图说明

图1是本发明煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置的一示意图。

图2是本发明煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置的结构模拟装置内结构示意图。

图3是本发明煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置的侧盖的一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的实施例提供了一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置，包括井筒18、结构模拟装置27、侧盖10、密封垫圈12、水泵19、第一水管2601、第二水管2602、第三水管2603、底座21、废液处理箱22、集水箱1、进气管20和空压机17；所述结构模拟装置27中间设有一容纳腔24，所述井筒18上端设有上开口23，下部侧端有侧接头2，所述侧接头2与容纳腔24固定连接，在一实施例中，所述侧接头2以螺纹连接的方式与容纳腔24连接。

所述结构模拟装置27一侧与井筒18连接，另一侧与侧盖10可拆卸的固定连接。

所述密封垫圈12位于侧盖10和结构模拟装置27之间，所述密封垫圈12和侧盖10一起密封结构模拟装置27的侧面。

请参阅图3，所述侧盖10上设有螺栓11、气体进口101、液体进口102、螺旋小钮9和螺旋大钮8。

在本实施例中，所述螺栓11有多个，所述侧盖10通过螺栓11可拆卸的固定在所述结构模拟装置27侧面。

所述第一水管2601一端连接集水箱1，另一端固定在液体进口102上，所述液体进口102和容纳腔24连通，容纳腔24与侧接头2连通，所述第二水管2602一端穿过上开口23连接井筒18底部，另一端连接水泵19，所述第三水管2603一端连接水泵19，另一端连接废液处理箱22，所述水泵19提供动力使液体从集水箱1经第一水管2601流入容纳腔24，液体在容纳腔24内形成一定的压力差经侧接头2流入井筒18，从井筒18经第二水管2602流到水泵19，从水泵19经第三水管2603流到废液处理箱22，此时液体在某一恒定的压力下循环流动。

所述第一水管2601上设有液体压力计7、液体流量计4、液体控压阀3，所述液体控压阀3控制液体的流量大小，所述液体压力计7显示液体压力的大小，液体流量计4显示流量的大小。

所述井筒18设置在底座21上，所述底座21是三角底座。

请参阅图2，容纳腔24上下两侧依从外向内的顺序对称的设置有气囊13、第一隔层28、装样腔14、第二隔层16和孔隙转换层15，所述气囊13、第一隔层28、装样腔14、第二隔层16和孔隙转换层15固定在结构模拟装置27内，所述结构模拟装置27是透明材质构成，便于观测模拟结果。

请参阅图3，所述气体进口101有两个，分别与容纳腔24上下两侧的气囊13连通，所述进气管20一端经过气体进口101连接气囊13，另一端连接空压机17，空压机17提供气体，气体经进气管20进入气囊13，在本实施例中所述容纳腔24上侧气囊13模拟上覆地层压力，所述容纳腔24下侧气囊13模拟围岩压力。

所述第一隔层28是耐压的柔性材料构成，第一隔层28减缓气囊13对装样腔14的压力冲击。

所述第二隔层16是刚性耐压材料构成，所述第二隔层16上布设有多个开孔1601，每个开孔1601中嵌入平板状薄片（图未示），这些平板状薄片通过杠杆（图未示）与侧盖10上的螺旋小钮9相连，所述螺旋小钮9通过杠杆使平板状薄片移动，从而控制开孔1601的开闭。

所述孔隙转换层15由厚的刚性材料组成，所述孔隙转换层15对应开孔1601设有开孔1501，所述开孔1501与开孔1601的大小和位置相同，开孔1501内嵌有圆环状薄片（图未示），通过杠杆（图未示）与侧盖10上的螺旋大钮8相连，所述螺旋大钮8通过杠杆使圆环状薄片移动，从而调整开孔1501的孔径大小。

请参阅图3，螺旋大钮8安装在侧盖10上并套设在螺旋小钮9的外周，螺旋大钮8和螺旋小钮9结合在一起，便于调节开孔1501的孔径大小和开孔1601的开闭。

在本实施例中所述螺旋小钮9以推拉的方式来控制开孔1601的开闭，所述螺旋大钮8用旋转的方式调节开孔1501孔径的大小。

所述容纳腔24上下两侧对应孔隙转换层15的位置设有开孔2401；所述开孔2401与开孔1501对应，所述开孔1501和开孔1601对应，当开孔1501打开，所述容纳腔24与孔隙转换层15相通，进一步将开孔1601打开，所述容纳腔24与第二隔层16相通。

所述进气管20上设有气体压力计5和气体控压阀6，所述气体控压阀6控制气体的气量大小，气体压力计5显示气体压力的大小。

在实际模拟过程中，先将煤体样品做成规定规格的尺寸，将煤样送入装样腔14，在装样腔14中装入煤样而形成煤体后，先推动螺旋小钮9，在杠杆作用下移动方形薄片，关闭第二隔层16的开孔1601。启动空压机17，所述空压机17提供气体，所述气体控压阀6控制气体的气量大小，所述气体压力计5显示气体压力的大小，所述气囊13模拟煤层扰动情况经第一隔层28减压缓冲后，均匀的对装样腔14内的煤体施加一定的压力，煤体在压力下产生煤粉，煤粉从装样腔14进入到第二隔层16。此时，可观察煤体结构的煤样产生煤粉的量。

然后，拉动螺旋小钮9，通过杠杆作用，移动方形薄片，打开开孔1601，再旋转所述螺旋大钮8，在杠杆作用下移动圆环状薄片，调整孔隙转换层15的开孔1501孔径，从而观察煤粉从煤层掉落的的运动状态。

启动水泵19，所述述液体控压阀3控制液体的流量大小，所述液体压力计7显示液体压力的大小，液体流量计4显示流量的大小，当所述容纳腔24中液体在某一恒定的压力下经侧接头2进入井筒18，再由井筒18经第二水管2602流入水泵19，从水泵19经第三水管2603流入废液处理箱22，保持循环流动时，旋转所述螺旋大钮8，在杠杆作用下移动圆环状薄片，进一步调整开孔1501的孔隙，并通过所述气体控压阀6控制气体的气量大小，调控恒压气囊层13的压力，模拟排采生产中，煤储层在不同压差扰动下，煤储层产生煤粉的情况，以及观察在不同煤储层（干、湿）扰动下，煤粉的产生和运移规律。

同时可以在相同扰动状态（水压、气压相同）下，通过调节可调孔隙板15的开孔1501的孔径大小，模拟不同煤储层孔隙大小，从而观察在不同煤储层孔隙下，煤粉的产生和在液体中的运移规律。

本发明装置对煤储层在不同扰动及不同煤体孔隙煤粉的产生和运动状态进行了模拟，基本还原了煤粉的原始运动状态，能够定量分析煤储层的合适的扰动状态以及和合适的煤体结构（煤储层孔隙类型），从而制定合适的排采制度，达到管控煤粉的效果。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层扰动下煤粉运动状态的模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括结构模拟装置、侧盖、密封垫圈、进气管和空压机，所述结构模拟装置中部设有一容纳腔，所述容纳腔上下两侧依从外向内顺序对称的设置有气囊、第一隔层、装样腔、第二隔层和孔隙转换层，所述气囊、第一隔层、装样腔、第二隔层和孔隙转换层固定在结构模拟装置内，所述侧盖可拆卸的固定在结构模拟装置侧面，所述密封垫圈位于侧盖和结构模拟装置之间，所述密封垫圈和侧盖一起密封结构模拟装置的侧面，所述侧盖上设有两个气体进口，所述气体进口各与一气囊连接，所述进气管一端连接气体进口，另一端连接空压机，所述气体进口和气囊连通，所述空压机提供气体，气体经所述进气管进入气囊，所述第二隔层设置有多个开孔，所述孔隙转换层设有与第二隔层开孔对应的开孔，所述容纳腔上下两侧设有与孔隙转换层开孔对应的多个开孔，打开第二隔层和孔隙转换层的开孔，所述容纳腔与第二隔层相通，所述第一隔层是耐压的柔性材料构成。

2.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：所述模拟装置还包括井筒、第一水管、第二水管、第三水管、水泵、水管、废液处理箱和集水箱，所述井筒上端设有上开口，下侧端设有侧接头，所述侧接头与所述容纳腔固定连接，所述侧盖上设有液体进口，所述第一水管一端连接集水箱，另一端固定在液体进口上，所述液体进口和容纳腔连通，所述容纳腔和侧接头连通，所述第二水管一端穿过上开口连接井筒底部，另一端连接水泵，所述第三水管一端连接水泵，另一端连接废液处理箱。

3.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于：所述结构模拟装置是透明材质构成。

4.如权利要求3所述的模拟装置，其特征在于：所述进气管上设有气体压力计和气体控压阀，所述气体控压阀控制气体的气量大小，气体压力计显示气体压力的大小。

5.如权利要求4所述的模拟装置，其特征在于：所述第一水管上设有液体压力计、液体流量计、液体控压阀，所述液体控压阀控制液体的流量大小，所述液体压力计显示液体压力的大小，液体流量计显示流量的大小。

6.如权利要求5所述的模拟装置，其特征在于：所述侧盖通过螺栓可拆卸的固定在所述结构模拟装置侧面。

7.如权利要求6所述的模拟装置，其特征在于：所述侧接头以螺纹连接的方式与容纳腔固定连接。

8.如权利要求7或6所述的模拟装置，其特征在于：所述第二隔层是刚性耐压材料构成，所述第二隔层的开孔中嵌有平板状薄片，所述平板状薄片通过杠杆与螺旋小钮相连，所述螺旋小钮固定在侧盖上，所述螺旋小钮控制第二隔层的开孔的开闭。

9.如权利要求8所述的模拟装置，其特征在于：所述孔隙转换层由厚的刚性材料组成，所述孔隙转换层的开孔内嵌有圆环状薄片，所述圆环状薄片通过杠杆与螺旋大钮相连，所述螺旋大钮控制孔隙转换层开孔孔径的大小。

10.如权利要求9所述的模拟装置，其特征在于：螺旋大钮套设在螺旋小钮的外周，且安装在侧盖上，所述螺旋小钮以推拉的方式来控制第二隔层开孔的开闭，所述螺旋大钮用旋转的方式调节孔隙转换层开孔孔径的大小。

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