CN107462472A - 一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置及模拟方法。该装置包括封闭三轴加压装置、温压脉冲复合致裂装置、抽真空及注气装置和监测装置；温压脉冲复合致裂装置包括温度脉冲发生装置和高压脉冲水泵，抽真空及注气装置包括真空抽气泵和瓦斯注气瓶，并通过三通阀与煤体连接；封闭三轴加压装置包括煤样罐，煤样罐的三个内侧面上分别设有压力板，每块压力板外侧垂直设有推力杆；监测装置包括瓦斯浓度监测仪探头、含光源摄像探头及电线，通过煤样罐内的正方体槽与封闭三轴加压装置内的煤样连接。本发明通过模拟井下煤层周围压力和瓦斯赋存情况，利用温压脉冲降低瓦斯吸附能力，促进瓦斯解吸；操作简单、利于安装和布置、降低生产成本。

Description

一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置及模拟方法，具体涉及一种适合煤矿井下的温度脉冲与脉冲水力压裂复合致裂煤体的实验模拟装置及方法。属于煤矿井下开采技术领域。

背景技术

瓦斯是影响煤矿生产安全的重要因素之一。煤矿中煤体会吸附80%~90%的瓦斯，并在开采中释放，随着开采深度的增加及单井产量的提高，瓦斯涌出量日益增大。瓦斯灾害成为制约煤矿安全高效生产的重要难题。抽采瓦斯是解决瓦斯灾害的有效手段之一。目前常用的脉冲水力压裂技术使瓦斯抽采效率取得了明显提高，但是由于煤层含水率高，煤体表面易形成水锁，一定程度上限制了瓦斯解吸，使得抽采效果没有达到预期。

研究表明，温度对瓦斯的吸附解吸有重要影响。温度升高，导致瓦斯体积膨胀，吸附量减少，解吸速率增大。同时煤体温度升高，体积会发生膨胀，产生温度应力。若温度脉冲作用在煤体上，使得煤体不断膨胀收缩，导致煤体产生疲劳损伤，从而使煤体大范围破裂，快速释放瓦斯。

目前国内实验室对温度脉冲与脉冲水力压裂复合致裂煤体的研究较少。煤矿井下环境的复杂性增大了实验成本以及危险性；每个煤矿瓦斯应力、煤质、应力状态不同，也使实验结果存在不确定性。

发明内容

本发明旨在提供一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置及模拟方法，水力压裂作为传统煤体致裂手段，具有工艺流程简单、技术可靠、影响范围广等优点，但水力压裂后煤层含水率升高，而温度脉冲有利于减轻水力压裂后的水锁效应，温度脉冲与脉冲水力压裂复合致裂煤体作为新兴的煤层致裂技术，具有温度脉冲和水力压裂的双重优点。

本发明提供了一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，包括封闭三轴加压装置、温压脉冲复合致裂装置、抽真空及注气装置和监测装置；温压脉冲复合致裂装置包括温度脉冲发生装置和高压脉冲水泵，其中温度脉冲发生装置包括温度传感器、调温装置；抽真空及注气装置包括真空抽气泵和瓦斯注气瓶，并通过三通阀与煤体连接；三轴加压装置包括煤样罐，煤样罐的三个内侧方向设有压力板，压力板外侧垂直设有推力杆；封闭三轴加压装置内放置有煤样，温度脉冲发生装置通过导热性良好的金属板与煤样连接；高压脉冲水泵通过钢管与三轴加压装置内的煤样连接；抽气注气装置中的真空抽气泵和带压力表的瓦斯注气瓶分别与三轴加压装置内的煤样连接；监测装置包括瓦斯浓度监测仪探头、含光源摄像探头及电线，通过煤样罐的单侧槽与三轴加压装置内的煤样连接。

上述装置中，封闭三轴加压装置包括煤样罐、3个压力板及3个推力杆；煤样罐为边长38cm的正方体钢罐；压力板设置在长方体煤样罐的三个相互垂直的内表面；压力板为长35cm，宽35cm，厚3cm的长方体钢块，其中一个压力板与温度脉冲装置中长35cm，宽4cm，厚35cm的金属板底面连接，其余压力板与煤样紧贴，形成内部空间为长35cm，宽31cm，厚35cm的长方体；推力杆分别穿透三个相互垂直的煤样罐侧面并固定在压力板上。

上述装置中，煤样罐的非压力板一侧分别钻有4个通孔，四个通孔中心由上至下分别距离煤样罐底部的距离为32cm，22cm，12cm，5cm，孔径由上到下分别为1cm，3cm，1cm，1cm，四个通孔分别用来连接抽气注气装置、高温脉冲水泵装置、监测装置、温度脉冲致裂装置；在煤样罐内侧第三个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线。

本发明提供了一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟方法，包括以下步骤：

S1：在长35cm，宽31cm，厚35cm的长方体煤样的未设推力杆的面上，沿竖直方向距离煤样上部16cm为圆心，钻一个直径为3cm，深度为10cm的钻孔；该钻孔接近煤样中部，钻孔另一端通过钢管连接高压脉冲水泵；在钻孔上部设有第一通孔，下部依次设有第二通孔、第三通孔，通孔分别用来连接抽气注气装置、监测装置、温度脉冲致裂装置，在煤样罐内侧第二个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线；

S2：将监测装置的探头及电线埋设在预先刻好的煤样罐槽内，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；将煤样放在煤样罐内，将长度为20cm，外径为3cm的钢管一端通过煤样罐第二个孔插入煤体钻孔内，插入深度为5cm，钢管与煤壁间用植筋胶密封和固定；将连接金属板和温度脉冲装置的电线送入钻孔内；

S3：将三个推力杆推向煤样，完成后将3个推力杆与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；

S4：使用真空泵通过煤样罐第一个孔对煤体抽真空10小时，抽气完成后关闭真空泵气阀，根据实验的不同使用带压力表的瓦斯注气瓶通过第一个孔向煤样罐内煤体充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭注气气阀，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；

S5：调节金属板两端的温度和高压脉冲水泵设备对煤体进行复合致裂，并通过监测装置实时采集实验数据。

本发明首次提供一套完善的煤矿井下温度脉冲与脉冲水力压裂复合致裂煤体的实验模拟装置及方法，有益效果为：

（1）克服瓦斯抽采技术的不足，真实模拟煤矿井下温压脉冲复合致裂煤体过程；

（2）本发明是基于温度脉冲与脉冲水力压裂复合致裂煤体的技术，通过模拟井下煤层周围压力和瓦斯赋存情况，利用温压脉冲降低瓦斯吸附能力，促进瓦斯解吸；

（3）操作简单、利于安装和布置、结构紧凑、降低生产成本。

附图说明

图1是煤矿井下温压脉冲复合致裂煤体模拟装置示意图。

图2是温度脉冲发生装置的结构示意图。

图中：1—推力杆、2—压力板、3—煤样、4—高压脉冲水泵、4-1—钢管、5—温度脉冲发生装置、6—抽气注水装置、6-1—带压力表的瓦斯注气瓶、6-2—真空抽气泵、7—监测装置、8—通孔、8-1-第一通孔、8-2-第二通孔、8-3-第三通孔、9—钻孔、10—植筋胶、11—气阀、12—煤样罐；13—温度传感器、14—调温装置、15—低温调节旋钮、16—高温调节旋钮、17—频率调节旋钮、18—显示屏。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1和2所示，一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，包括封闭三轴加压装置、温压脉冲复合致裂装置、抽真空及注气装置和监测装置；温压脉冲复合致裂装置包括温度脉冲发生装置5和高压脉冲水泵4，其中温度脉冲发生装置5包括温度传感器13、调温装置；抽真空及注气装置包括真空抽气泵6-2和带压力表的瓦斯注气瓶6-1，并通过三通阀与煤体连接；三轴加压装置包括煤样罐12，煤样罐12的三个内侧方向设有压力板2，压力板外侧垂直设有推力杆1；封闭三轴加压装置内放置有煤样3，温度脉冲发生装置5通过导热性良好的金属板与煤样3连接；高压脉冲水泵4通过钢管4-1与三轴加压装置内的煤样3连接；抽气注气装置中的真空抽气泵6-2和带压力表的瓦斯注气瓶6-1分别与三轴加压装置内的煤样3连接；监测装置包括瓦斯浓度监测仪探头、含光源摄像探头及电线，通过煤样罐内侧的正方体槽与三轴加压装置内的煤样连接。

上述装置中，封闭三轴加压装置包括煤样罐12、3个压力板2及3个推力杆1；煤样罐12为边长38cm的正方体钢罐；压力板2设置在长方体煤样罐的三个相互垂直的内表面；压力板2为长35cm，宽35cm，厚3cm的长方体钢块，其中一个压力板与温度脉冲装置中长35cm，宽4cm，厚35cm的金属板底面连接，其余压力板2与煤样3紧贴，形成内部空间为长35cm，宽31cm，厚35cm的长方体；推力杆1分别穿透三个相互垂直的煤样罐侧面并固定在压力板2上。

上述装置中，煤样罐12的非压力板一侧分别设有4个通孔，四个通孔中心由上至下分别距离煤样罐底部的距离为32cm，22cm，12cm，5cm，孔径由上到下分别为1cm，3cm，1cm，1cm，四个通孔分别用来连接抽气注气装置、高温脉冲水泵装置、监测装置、温度脉冲致裂装置；在煤样罐内侧第三个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线。

本发明提供了一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟方法，包括以下步骤：

S1：在长35cm，宽31cm，厚35cm的长方体煤样的未设推力杆的面上，沿竖直方向距离煤样上部16cm为圆心，钻一个直径为3cm，深度为10cm的钻孔；该钻孔接近煤样中部，钻孔另一端通过钢管连接高压脉冲水泵；在钻孔上部设有第一通孔，下部依次设有第二通孔、第三通孔，通孔分别用来连接抽气注气装置、监测装置、温度脉冲致裂装置，在煤样罐内侧第二个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线；

S2：将监测装置的探头及电线埋设在预先刻好的煤样罐槽内，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；将煤样放在煤样罐内，将长度为20cm，外径为3cm的钢管一端通过煤样罐第二个孔插入煤体钻孔内，插入深度为5cm，钢管与煤壁间用植筋胶密封和固定；将连接金属板和温度脉冲装置的电线送入钻孔内；

S3：将三个推力杆推向煤样，完成后将3个推力杆与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；

S4：使用真空泵通过煤样罐第一个孔对煤体抽真空10小时，抽气完成后关闭真空泵气阀，根据实验的不同使用带压力表的瓦斯注气瓶通过第一个孔向煤样罐内煤体充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭注气气阀，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；

S5：调节金属板两端的温度和高压脉冲水泵设备对煤体进行复合致裂，并通过监测装置实时采集实验数据。

Claims (5)

1.一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，其特征在于：包括封闭三轴加压装置、温压脉冲复合致裂装置、抽真空及注气装置和监测装置；温压脉冲复合致裂装置包括温度脉冲发生装置和高压脉冲水泵，其中温度脉冲发生装置包括温度传感器、调温装置；抽真空及注气装置包括真空抽气泵和瓦斯注气瓶，并通过三通阀与煤体连接；封闭三轴加压装置包括煤样罐，煤样罐的三个内侧面上分别设有压力板，每块压力板外侧垂直设有推力杆；温度脉冲发生装置通过导热性好的金属板与三轴加压装置内的煤样连接；高压脉冲水泵通过钢管与封闭三轴加压装置内的煤样连接；抽气注气装置中的真空抽气泵和带压力表的瓦斯注气瓶分别与封闭三轴加压装置内的煤样连接；监测装置包括瓦斯浓度监测仪探头、含光源摄像探头及电线，通过煤样罐内的正方体槽与封闭三轴加压装置内的煤样连接。

2.根据权利要求1所述的温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，其特征在于：封闭三轴加压装置的煤样罐为边长38cm的正方体钢罐；压力板设置在长方体煤样罐的三个相互垂直的内表面；压力板为长35cm、宽35cm、厚3cm的长方体钢板，其中一块压力板与温度脉冲装置中长35cm、宽4cm、厚35cm的金属板底面连接，另两块压力板与煤样紧贴，形成内部空间为长35cm、宽31cm、厚35cm的长方体；外置的推力杆分别穿过三个相互垂直的煤样罐侧面并固定在压力板上。

3.根据权利要求1所述的温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，其特征在于：煤样罐未设压力板的一侧分别钻有四个通孔，四个通孔分别用来连接抽气注气装置、高温脉冲水泵装置、监测装置、温度脉冲致裂装置。

4.根据权利要求3所述的温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，其特征在于：四个通孔中心由上至下分别距离煤样罐底部的距离为32cm、22cm、12cm、5cm，孔径由上到下分别为1cm、3cm、1cm、1cm，在煤样罐内侧第三个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线。

5.一种温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟方法，采用权利要求1~4任一项所述的温压脉冲复合致裂煤体的实验模拟装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在长方体煤样的未设推力杆的面上，沿竖直方向中心线的中部为圆心钻孔，钻孔另一端通过钢管连接高压脉冲水泵；在钻孔上部设有第一通孔，下部依次设有第二通孔、第三通孔，通孔分别用来连接抽气注气装置、监测装置、温度脉冲致裂装置，在煤样罐内侧第二个通孔处刻一个边长为1cm的正方体槽用来盛放监测装置所需探头和电线；

S2：将监测装置的探头及电线埋设在预先刻好的煤样罐槽内，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；将煤样放在煤样罐内，高温脉冲水泵装置穿过第二个孔插入煤体的孔内，插入深度为5cm，钢管与煤壁间用植筋胶密封和固定；将连接金属板和温度脉冲装置的电线送入钻孔内；

S3：将三个推力杆推向煤样，完成后将3个推力杆与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；

S4：使用真空泵通过煤样罐第一个孔对煤体抽真空10小时，抽气完成后关闭真空泵气阀，使用带压力表的瓦斯注气瓶通过第一个孔向煤样罐内煤体充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭注气气阀，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；

S5：调节金属板两端的温度和高压脉冲水泵设备对煤体进行复合致裂，并通过监测装置实时采集实验数据。