CN107478541B - 一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置及方法 - Google Patents
一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高压注水‑煤‑瓦斯耦合扰动的模拟实验装置及方法。该装置包括注水装置、注气装置、控制台、监测装置、抽真空装置和扰动控制装置。实验方法包括以下步骤：由抽真空装置对装样后的釜体进行抽真空，通过注气装置注入氦气测试釜体中煤粉的死空间，打开温度调节控制开关和扰动调节控制开关进行恒温扰动抽真空注水、注瓦斯，由计算机进行釜体中瓦斯吸附解吸速率以及流量和压强的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置及方法，属于煤矿井下开采技术领域。
背景技术
目前市面上对于煤在采掘过程中对于钻井机械钻孔打眼以及采掘机械对煤在高压和水，以及不同速度下煤层中瓦斯的扰动没有很好的监测以及实验方案。在煤层开采过程中由于瓦斯赋存状态的改变会给煤矿开采带来极大的影响。其突出体现在煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出给矿井安全生产带来了极大的危害，尤其是井下工人的生命财产安全安全。为了防止煤与瓦斯突出这类安全事故的发生，保证矿井井下安全生产和高效率开采，我们必须投入大量的人力、物力和技术设备来研究煤与瓦斯突出的机理。到现在为止，人们对于煤与瓦斯突出的研究还停留在定性的基础之上，对于煤与瓦斯的检测存在着较大的缺陷，对于煤层中瓦斯的吸附解吸状况监测存在着较大的空洞。
煤层中瓦斯的吸附解吸状况与高温高压、含水量、钻井掘进速度有着较大的关系。现在市场和实验中，对于煤炭中瓦斯的监测存在不足而且监测可靠性低。在开采过程中，由于开采钻孔和掘进，煤层水量对煤层中瓦斯吸附解吸的影响，现在还没有很好的检测手段。
发明内容
本发明旨在提供一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置及方法，可以检测煤粉在不同温度、压力、不同含水量及不同扰动速度作用下瓦斯吸附解吸状况，本发明实验装置和方法能够系统的、定量的分析高压注水-煤-瓦斯耦合扰动下的煤粉中瓦斯的吸附解吸状况，对研究煤粉的空隙中瓦斯赋存情况有极大的意义，且结构简单，易于操作。
本发明设备主要侧重于模块化设计，可以自由拆分组合不同的连接流程。
本发明提供了一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，包括注水装置、注气装置、控制台、监测装置、抽真空装置和扰动控制装置；
注水装置由注水阀门、注水管、注水泵组成；注水装置通过阀门控制，将水体经管道输送注入釜体中，调节釜体中煤粉的含水量；
注气装置由注气阀门、气压泵、减压阀、管路组成；注气装置分为注瓦斯装置和注氦气装置；其中注瓦斯装置包括瓦斯储气罐、减压阀和充气管路 ；注氦气装置包括氦气储气罐、减压阀和充气管路。本发明中注氦气装置用于测量釜体中煤粉的死空间；注瓦斯装置用于附体中煤粉吸附解吸检测；
抽真空装置由真空泵和真空阀门组成，用于清除釜体中气体，最大限度还原煤层开采的环境。
控制台可以监控釜体结构中搅拌片搅动速率、附体中温度、压强、水含量等。
监测装置包括计算机，计算机可以很清晰的显示出不同含水量、不同速率的煤粉中瓦斯吸附解吸速率、釜体压强和流量，达到定量控制。
扰动控制装置为高压注瓦斯耦合扰动吸附/解吸装置中的扰动控制装置；其结构大致可以分为搅拌装置、釜体上盖和釜体主体；釜体内设有煤粉，搅拌机构包括搅拌电机、搅拌磁极、搅拌棒和搅拌片，搅拌棒和搅拌片对釜体内部的煤粉进行搅拌。
上述装置中，所述搅拌装置，采用磁力搅拌的方式，有效避免因煤粉卡转造成的搅拌装置损坏；搅拌电机与搅拌装置采用直连的方式，方便整体釜体的移动的拆卸，也可以方便移动到水浴当中；搅拌转速为50rpm-70rpm，模拟现场实际的钻井速度。
所述的搅拌片，根据需要调整更换，从而在叶片搅拌效果、剪切效果依据一定的相似性模拟现场；釜体留有充分的后期扩展空间，可根据需要进行后期的应用进行扩展。
所述的釜体上盖设有通气孔、快开卡箍、精密滤垫。所述的通气孔对于釜体内部，煤粉搅拌过程中产生的热能使气体膨胀，通气孔用于维持釜体内部与外界大气压压强稳定。快开卡箍用于连接釜体上盖和釜体，使釜体上盖更严密的封盖住釜体。机密滤垫主要用于过滤釜体空气中漂浮于釜体内部上方的煤粉微粒与膨胀气体，使通过通气孔的气体中不含有煤粉。进一步地，所述的釜体上盖上部通有两个通气孔，在通气孔下方，釜体上盖下部有两个凹槽，用于放置精密滤垫。凹槽与上部的进出气路口通过一个细长的连接通道连接。
所述的釜体主体是釜体外壳，在釜体内部拥有极大的空间可以加入煤粉进行搅拌实验，对釜体的密封性和耐压性具有良好的要求。
所述的温度传感器探头与釜体内腔相连，控制釜体内部的气体温度，能够极为快捷方便的显示釜体内部的温度情况，便于控制研究不同的温度下，釜体中搅拌片搅拌煤粉过程中，煤粉中瓦斯的吸附情况。
本发明提供了一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验方法，包括以下步骤：由抽真空装置对装样后的釜体进行抽真空，通过注气装置注入氦气测试釜体中煤粉的死空间，打开温度控制开关和扰动控制开关进行恒温扰动抽真空注水、注瓦斯，由计算机进行釜体中瓦斯吸附解吸速率以及流量和压强的监测。
本发明所述高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验方法，具体包括以下步骤：
（1）打开釜体上盖装样，打开监测装置对釜体内部各种因素：温度，扰动速度，气体压力，瓦斯浓度进行监测；
（2）打开真空阀门、真空泵，对装样完成的釜体进行抽真空处理，控制抽真空时间为8小时；
（3）打开注气装置的氦气部分，打开注气阀门，对釜体内部进行死空间测试，记录，电脑监测气体流量；
（4）打开温控开关、扰动开关和真空泵阀门，对釜体进行二次抽真空处理，控制时间为2小时；
（5）对二次抽真空后的釜体进行注水处理，记录注水流量，注水结束后关闭注水阀门，对釜体进行注气处理，打开瓦斯气部分注气阀门向釜体内部注瓦斯气；
（6）关闭注气阀门和注水阀门，打开开气口在监测装置的检测下进行吸附平衡，监测釜体内部压强和流量。
本发明的有益效果：
（1）可以对釜体进行搅拌，保证内部物质与瓦斯的充分接触；
（2）可以模拟不同温度、压力等状况的反应情况；
（3）可以测试不同扰动情况下的瓦斯吸附解吸情况；
（4）可以通过注水、加压等手段，控制釜体内部的不同条件，得出不同条件下的煤与瓦斯突出的情况。
附图说明
图1为本发明实验的整体布局图。
图2为本发明装置的整体连接关系图。
图3为本发明中釜体上盖的结构示意图。
图中1为搅拌电机，2为磁力搅拌，3为通气孔，4为釜体上盖，5为精密滤垫，6为搅拌片，7为煤粉，8为釜体，9为注气装置，10为控制装置，11为监控装置，12为抽真空装置，13为扰动控制装置，14为注水装置，15为阀门，16为温度传感器，17为瓦斯端，18为氦气端。
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1~3所示，一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，包括注水装置、注气装置、控制台、监测装置、抽真空装置和扰动控制装置；
注水装置由注水阀门、注水管、注水泵组成；注水装置通过阀门控制，将水体经管道输送注入釜体中，调节釜体中煤粉的含水量；
注气装置由注气阀门、气压泵、减压阀、管路组成；注气装置分为注瓦斯装置和注氦气装置；其中注瓦斯装置包括瓦斯储气罐、减压阀和充气管路；注氦气装置包括氦气储气罐、减压阀和充气管路。本发明中注氦气装置用于测量釜体中煤粉的死空间；注瓦斯装置用于附体中煤粉吸附解吸检测；
抽真空装置由真空泵和真空阀门组成，用于清除釜体中气体，最大限度还原煤层开采的环境。
控制台可以监控釜体8中搅拌片6的搅动速率、釜体中温度、压强、水含量等。
监测装置包括计算机，计算机可以很清晰的显示出不同含水量、不同速率的煤粉中瓦斯吸附解吸速率、釜体压强和流量，达到定量控制。
扰动控制装置为高压注瓦斯耦合扰动吸附/解吸装置中的扰动控制装置；其结构大致可以分为搅拌装置、釜体上盖和釜体主体；釜体内设有煤粉，搅拌机构包括搅拌电机、搅拌磁极、搅拌棒和搅拌片，搅拌棒和搅拌片对釜体内部的煤粉进行搅拌。
上述装置中，所述搅拌装置，采用磁力搅拌的方式，有效避免因煤粉卡转造成的搅拌装置损坏；搅拌电机与搅拌装置采用直连的方式，方便整体釜体的移动的拆卸，也可以方便移动到水浴当中；搅拌转速为50rpm-70rpm，模拟现场实际的钻井速度。
所述的搅拌片，根据需要调整更换，从而在叶片搅拌效果、剪切效果依据一定的相似性模拟现场；釜体留有充分的后期扩展空间，可根据需要进行后期的应用进行扩展。
所述的釜体上盖4设有通气孔3、快开卡箍、精密滤垫5。所述的通气孔3对于釜体内部，煤粉搅拌过程中产生的热能使气体膨胀，通气孔3用于维持釜体内部与外界大气压压强稳定。上盖端部设置的快开卡箍用于连接釜体上盖4和釜体8，使釜体上盖4更严密的封盖住釜体8。精密滤垫5主要用于过滤釜体空气中漂浮于釜体内部上方的煤粉微粒与膨胀气体，使通过通气孔3的气体中不含有煤粉7。进一步地，所述的釜体上盖上部通有两个通气孔，在通气孔下方，釜体上盖下部有两个凹槽，用于放置精密滤垫5。凹槽与上部的进出气路口通过一个细长的连接通道连接。
所述的釜体8内部拥有极大的空间可以加入煤粉7进行搅拌实验，对釜体的密封性和耐压性具有良好的要求。
所述的温度传感器探头与釜体内腔相连，控制釜体内部的气体温度，能够极为快捷方便的显示釜体内部的温度情况，便于控制研究不同的温度下，釜体中搅拌片搅拌煤粉过程中，煤粉中瓦斯的吸附情况。
本发明提供了一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验方法，包括以下步骤：由抽真空装置对装样后的釜体进行抽真空，通过注气装置注入氦气测试釜体中煤粉的死空间，打开温度控制开关和扰动控制开关进行恒温扰动抽真空注水、注瓦斯，由计算机进行釜体中瓦斯吸附解吸速率以及流量和压强的监测。
如图1说明高压注水-煤-瓦斯耦合扰动实验装置包括仪器搅拌装置、釜体上盖构件、釜体主体、温度传感器；
图2说明本发明装置的连接关系，由注水装置14、注气装置9、控制装置10、监控装置11、抽真空装置12、和扰动控制装置13组成。
图3为本发明中釜体上盖的俯视图，可以看出，本发明釜体上盖中，最中心与电动机连接，在釜体上留有四个开关阀门，分别对应注水设备阀门、抽真空设备阀门、扰动控制总阀门、注气设备阀门，其中还有氦气端阀门和瓦斯端阀门、，以及与监测设备相连接的温度传感器和两个小孔径的进出气孔，在进出气孔的下方为精密滤垫槽避免在扰动过程中，煤粉纷飞堵塞进出气孔。
本发明所述高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验方法，具体包括以下步骤：
（1）打开釜体上盖装样，打开监测装置对釜体内部各种因素：温度，扰动速度，气体压力，瓦斯浓度进行监测；
（2）打开真空阀门、真空泵，对装样完成的釜体进行抽真空处理，控制抽真空时间为8小时；
（3）打开注气装置的氦气部分，打开注气阀门，对釜体内部进行死空间测试，记录，电脑监测气体流量；
（4）打开温控开关、扰动开关和真空泵阀门，对釜体进行二次抽真空处理，控制时间为2小时；
（5）对二次抽真空后的釜体进行注水处理，记录注水流量，注水结束后关闭注水阀门，对釜体进行注气处理，打开瓦斯气部分注气阀门向釜体内部注瓦斯气；
（6）关闭注气阀门和注水阀门，打开开气口在监测装置的检测下进行吸附平衡，监测釜体内部压强和流量。
本发明所述实验装置的结构参数是：釜体耐压：15Mpa；釜体尺寸：内径Ф100×192mm，搅拌方式：磁力搅拌；搅拌转速：60rpm内可调（调速范围为50rpm-70rpm）；油浴温度范围：室温~95℃、精度±0.1℃。
Claims (4)
1.一种高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，其特征在于：包括注水装置、注气装置、控制台、监测装置、抽真空装置和扰动控制装置；
注水装置由注水阀门、注水管、注水泵组成；注水装置通过注水阀门控制，将水体经注水管输送注入釜体中，调节釜体中煤粉的含水量；
注气装置由注气阀门、气压泵、减压阀、管路组成；注气装置分为注瓦斯装置和注氦气装置；其中注瓦斯装置包括瓦斯储气罐、减压阀和充气管路 ；注氦气装置包括氦气储气罐、减压阀和充气管路；
抽真空装置由真空泵和真空阀门组成；控制台能监控釜体结构中搅拌片搅动速率、釜体中温度、压强、水含量；
监测装置包括计算机，计算机能显示出不同含水量、不同速率的煤粉中瓦斯吸附解吸速率、釜体压强和流量，达到定量控制；扰动控制装置的结构分为搅拌装置、釜体上盖和釜体主体；釜体内设有煤粉，搅拌机构包括搅拌电机、搅拌磁极、搅拌棒和搅拌片，搅拌棒和搅拌片对釜体内部的煤粉进行搅拌；所述搅拌装置，采用磁力搅拌的方式，有效避免因煤粉卡转造成的搅拌装置损坏；搅拌电机与搅拌装置采用直连的方式，搅拌转速为50rpm-70rpm，模拟现场实际的钻井速度；
采用上述装置进行的模拟实验方法，包括以下步骤：由抽真空装置对装样后的釜体进行抽真空，通过注气装置注入氦气，测试釜体中煤粉的死空间，打开温度控制开关和扰动控制开关进行恒温扰动，打开真空泵阀门抽真空，打开注水装置和注气装置向釜体内注水、注瓦斯，由计算机进行釜体中瓦斯吸附解吸速率以及流量和压强的监测。
2.根据权利要求1所述的高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，其特征在于：所述的釜体上盖设有通气孔、快开卡箍、精密滤垫；所述的釜体上盖上部通有两个通气孔，在通气孔下方，釜体上盖下部有两个凹槽，用于放置精密滤垫；凹槽与上部的通气孔通过一个细长的连接通道连接。
3.根据权利要求1所述的高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，其特征在于：所述的温度传感器探头与釜体内腔相连，控制釜体内部的气体温度，以控制研究不同的温度下，釜体中搅拌片搅拌煤粉过程中，煤粉中瓦斯的吸附情况。
4.根据权利要求1所述的高压注水-煤-瓦斯耦合扰动的模拟实验装置，其特征在于：所述模拟实验方法包括以下步骤：
（1）打开釜体上盖装样，打开监测装置对釜体内部各种因素：温度，扰动速度，气体压力，瓦斯浓度进行监测；
（2）打开真空阀门、真空泵，对装样完成的釜体进行抽真空处理，控制抽真空时间为8小时；
（3）打开注气装置的氦气部分，打开注气阀门，对釜体内部进行死空间测试，记录，电脑监测气体流量；
（4）打开温控开关、扰动开关和真空泵阀门，对釜体进行二次抽真空处理，控制时间为2小时；
（5）对二次抽真空后的釜体进行注水处理，记录注水流量，注水结束后关闭注水阀门，对釜体进行注气处理，打开瓦斯气部分注气阀门向釜体内部注瓦斯气；
（6）关闭注气阀门和注水阀门，打开通气孔在监测装置的检测下进行吸附平衡，监测釜体内部压强和流量。
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