CN108088718A - 井下煤层软分层模拟复制的方法及小型软分层压制装置 - Google Patents
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Abstract
一种井下煤层软分层模拟复制的方法，即采集井下煤层软分层的原煤样，保湿处理后，在实验室测定其视密度及水分；将软分层煤样加入到小型软分层压制装置中，施加不同压力压制成型，并施加该煤层平均地应力；取出煤样后测定其无应力状态的视密度，与实际软分层视密度进行比较，可得该软分层的成型压应力；从井下采集软分层煤样，筛分至预设尺寸后测定水分；加入定量的水搅拌，在大型软分层压制成型装置中加压成型，再施加该煤层的平均地应力；抽真空，充上不同压力的瓦斯，即得到不同突出危险的软分层模拟复制煤层，为检测该煤层对突出预测指标的敏感性及突出临界值提供了有利的条件。本发明方法简单方便，容易操作，可靠准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下煤层软分层模拟复制的方法，是一种根据现场煤层实测参数复制模拟实际煤层软分层的方法。
背景技术
众所周知,煤与瓦斯突出是煤矿井下的主要动力灾害之一，发生突出的后果十分严重，目前突出的机理、预测指标及其临界值都在不断的探索中，特别是在机理研究未取得重大突破之前，预测指标及其临界值的研究就显得尤为重要，需要大量的现场实测数据，而目前的法律法规已经不允许煤矿井下发生突出，矿井和研究机构都无法承担发生突出的后果，没有条件直接对突出进行观测，所以目前主要在实验室开展突出预测指标及其临界值的研究工作，以便把研究得到的预测指标及其临界值直接用于现场。
实验室研究突出预测指标及其临界值离不开突出模拟实验，即从现场采集突出煤层的煤样，加水搅拌在压力机下压制成型，然后在此基础上进行各种突出参数测定及突出模拟的实验。但是煤样中的水分和成型压力对参数测定及突出模拟的结果影响很大，成型压力会影响煤样的孔隙结构分布，孔隙结构分布在很大程度反映着煤吸附和解吸瓦斯的能力，孔隙越多，吸附和解吸瓦斯的能力越强，反之则越小，水分的大小同样影响煤吸附和解吸瓦斯的能力。
目前实验室进行突出模拟实验时煤样添加的水分和成型压力并没有明确的规定，往往是凭经验和估计。从现场采集来的煤样一般破碎到2mm以下，加入不同的水分搅拌均匀后在不同成型压力下压制，微结构发生了很大的改变。这种模拟主要用于掌握参数与突出之间的一般规律，由此获得的规律及突出临界值能否直接用于煤矿现场，需要大量的实践检验。但是，如果能够在实验室内模拟复制一种在密度、水分及微结构与某个现场软分层性质相近的煤层。在这种软分层上进行试验，获得参数与突出之间的规律及临界值，就能够保证这种临界值可以直接用于指导现场的突出预测工作。
在现场以往的突出预测过程中也常常遇到一种预测指标在一个煤层中敏感，而在另一个煤层中又不敏感的情况，它表明这些煤层之间差异较大，这些预测指标与煤层的特性相关，其敏感性及临界值会随着煤层的不同而变化。因此，要检测哪个预测指标在某个实际煤层是否敏感，以及获得该指标在该煤层的突出临界值，就必须对该煤层中的软分层进行准确有效的模拟复制，获得与实际煤层软分层性质相同的模拟煤层，在此基础上进行突出预测指标及其临界值的测定。这样的预测指标及临界值可以直接用于该煤层的突出预测，为避免突出的危害、保证煤矿的安全生产奠定基础。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、操作简便的模拟复制实际煤层软分层的方法。
本发明按以下技术方案实现：
一种井下煤层软分层模拟复制的方法，包括如下步骤：
步骤一：在现场采集煤层软分层的原煤样，保湿处理后，在实验室测定其视密度及水分；再将软分层煤样，加入到小型软分层压制装置中，施加不同压力压制成型后，并施加该煤层平均地应力；取出煤样，测定其无应力状态的视密度，将其与实际软分层煤样进行比较，可得该软分层的成型压应力；
步骤二：从现场采集大量的软分层煤样，运到实验室后，筛分至预设尺寸以下，测定其水分，再洒入定量的水搅拌；根据水分和视密度与现场软分层一致的原则，在大型软分层压制成型装置加压成型，再施加该煤层的平均地应力；抽真空，充上不同压力的瓦斯，就能够得到不同突出危险的软分层模拟复制煤层。
优选的是，步骤一具体方法如下：
a.先在煤矿现场采集煤层软分层表层之下的团块状煤样，置于保湿的容器中，边上用松散煤样充填，带上地面；
b.用全自动密度仪和水分测定仪测定团块状煤样的视密度ρ1和水分Mad1；
c.将剩余煤样在密闭环境下筛分到6mm以下(尽量保留原软分层的微结构)，加入到小型软分层压制装置的缸体中，用千斤顶顶在压柱上对该煤样施加一定的压应力压制成型，并保持半小时；
d.再根据该煤层在煤矿现场的赋存深度，计算出平均地应力，由千斤顶向缸体中的煤样施加平均地应力，稳定4～8小时；在保持压力稳定时拧下缸体侧面的封堵螺栓，通过卡簧带出定向堵头，从取样口用皮带冲子旋转取样，测定其无应力状态煤样的视密度ρ2；
e.重复c和d步骤，施加不同的压应力成型，能够得到成型压应力不同但地应力相同时的各无应力状态煤样的视密度ρ2；
将这些测得的煤样视密度ρ2与现场的原煤样的视密度ρ1进行比较，与其视密度ρ1最接近时煤样的成型压应力P就是最佳的压制该软分层的成型压应力。
优选的是，加入到小型软分层压制装置的缸体中煤样重量以加压成型后超过取样口高度为限，为保证煤样成型的均匀性，可以分次加入煤样，每次煤样的成型高度控制在10mm以内。
优选的是，步骤二具体方法如下：
a.从煤矿现场采集该煤层软分层煤样，运到实验室后筛至6mm以下(尽量保留原软分层的微结构)；再测定其水分Mad2，与原煤样的水分Mad1比较，将所缺失的水撒入煤样中，充分搅拌后装入密封桶中备用；
b.分次定量称取密封桶中的煤样，将一次定量称取的煤样放入大型软分层压制成型装置中，将整个装置推入到大型压力机内，确保整个装置的受力中心与压力机的中心一致；
c.通过压力机向突出模拟实验装置内的煤样加压，所加的压应力就是根据前面由步骤e得到的成型压应力P，将突出模拟实验装置中一次加入的煤样压实，稳压半小时，确保压制的煤体中空气完全逸出，继续向突出模拟实验装置内添加等量的煤样并压实，如此反复多次，直至将突出模拟实验装置内逐次压实的煤样达到设定的厚度；
d.对突出模拟实验装置内的煤样抽真空，之后将压力机施加在煤层上的压应力设为该煤层的平均地应力，这时，突出模拟实验装置中压实的煤样就成为一块与现场软分层相似的煤体，再向煤样中充入一定压力的瓦斯气体，持续吸附平衡48小时后，即可供测定其突出参数及进行突出模拟(或将其与已被试验证明的敏感指标进行比较)。
优选的是，分次定量称取加入到大型软分层压制成型装置中煤样为10-16kg。
优选的是，对突出模拟实验装置内的煤样抽真空，抽真空的时间为12小时。
一种小型软分层压制装置，该装置包括底座、缸体和压柱；所述底座与缸体螺纹连接，压柱插入到缸体中，并与之形成动配合；在缸体径向面靠近底座处设有两个相互对应的取样口，每一个取样口中均设有一个定向堵头，该定向堵头通过封堵螺栓实现固定及向缸体内的轴向运动；压制煤样前将封堵螺栓拧上，以保证定向堵头紧贴压柱。
优选的是，所述定向堵头从封堵螺栓穿出，并向外延伸出预定长度，在该预定长度的定向堵头上穿插一根径向的卡簧；取样前将封堵螺栓松动，通过卡簧能够将定向堵头直接拉出。
本发明有益效果：
由于采用了上述方案，本发明可以在实验室内确定不同矿井的实际煤层软分层模拟复制的成型压力等参数，在大型突出模拟装置上模拟复制一种在视密度、水分及微结构上与现场一致的软分层，以供煤层突出参数的测定及突出模拟实验使用，在此基础上进行的突出模拟实验准确度高，得到的突出敏感指标及临界值可以直接用于现场的突出预测。通过这种方法得到的预测指标能够确保在实际煤层中对突出敏感，预测临界值与现场实际煤层相同。经过山西阳泉等煤矿的大量测定和实验，效果很显著。试验得到的突出预测指标及临界值直接用于煤矿现场的突出预测，预测结果与现场实际状况吻合，确保了煤矿现场的安全。与现有技术相比，这种方法模拟出的突出煤层与实际煤层相似度高，能够保证实验室进行突出参数测定及突出模拟实验的准确性，试验装置结构简单，操作方便，测试结果准确，安全可靠，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的小型软分层压制装置示意图。
图中：1－底座；2－缸体；3－压柱；4-封堵螺栓，5-卡簧，6-定向堵头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。
本发明的井下煤层软分层模拟复制的方法，首先在现场采集煤层软分层的原煤样，保湿处理后，在实验室测定其视密度及水分。再将软分层煤样，加入到小型软分层压制装置中，施加不同压力压制成型后，并施加该煤层平均地应力。取出煤样，测定其无应力状态的视密度。将其与实际软分层煤样进行比较，可得该软分层的成型压力。再从现场采集大量的软分层煤样，运到实验室后，筛分至6mm以下，测定其水分，再洒入定量的水搅拌。根据水分和视密度与现场软分层一致的原则，在大型软分层压制成型装置加压成型，再施加该煤层的平均地应力。抽真空，充上不同压力的瓦斯，就可以得到不同突出危险的软分层模拟复制煤层。为试验室测定实际煤层软分层的突出参数及模拟突出从而得到对实际煤层敏感的突出预测指标及临界值提供条件。
具体步骤如下：
a.先在煤矿现场采集煤层软分层表层之下的团块状煤样，置于保湿的容器中，边上用松散煤样充填，带上地面。
b.用全自动密度仪和水分测定仪测定团块状煤样的视密度ρ1和水分Mad1。
c.将剩余煤样在密闭环境下筛分到6mm以下(尽量保留原软分层的微结构)，加入到小型软分层压制装置的缸体2中，用千斤顶顶在压柱3上对该煤样施加一定的压应力压制成型，并保持半小时。
d.再根据该煤层在煤矿现场的赋存深度，计算出平均地应力，由千斤顶向缸体2中的煤样施加平均地应力，稳定4～8小时；在保持压力稳定时拧下缸体2侧面的封堵螺栓4，通过卡簧5带出定向堵头6，从取样口用皮带冲子旋转取样，测定其无应力状态煤样的视密度ρ2。
e.重复c和d步骤，施加不同的压应力成型，能够得到成型压应力不同但地应力相同时的各无应力状态煤样的视密度ρ2；将这些测得的煤样视密度ρ2与现场的原煤样的视密度ρ1进行比较，与其视密度ρ1最接近时煤样的成型压应力P就是最佳的压制该软分层的成型压应力。
f.从煤矿现场采集该煤层软分层煤样，运到实验室后筛至6mm以下(尽量保留原软分层的微结构)；再测定其水分Mad2，与原煤样的水分Mad1比较，将所缺失的水撒入煤样中，充分搅拌后装入密封桶中备用。
g.分次定量称取密封桶中的煤样，将一次定量称取的煤样放入大型软分层压制成型装置中，将整个装置推入到大型压力机内，确保整个装置的受力中心与压力机的中心一致。
h.通过压力机向突出模拟实验装置内的煤样加压，所加的压应力就是根据前面由步骤e得到的成型压应力P，将突出模拟实验装置中一次加入的煤样压实，稳压半小时，确保压制的煤体中空气完全逸出，继续向突出模拟实验装置内添加等量的煤样并压实，如此反复多次，直至将突出模拟实验装置内逐次压实的煤样达到设定的厚度。
i.对突出模拟实验装置内的煤样抽真空，之后将压力机施加在煤层上的压应力设为该煤层的平均地应力，这时，突出模拟实验装置中压实的煤样就成为一块与现场软分层相似的煤体，再向煤样中充入一定压力的瓦斯气体，持续吸附平衡48小时后，即可供测定其突出参数及进行突出模拟(或将其与已被试验证明的敏感指标进行比较)。
如图1所示，一种小型软分层压制装置，该装置包括底座1、缸体2和压柱3；所述底座1与缸体2螺纹连接，压柱3插入到缸体2中，并与之形成动配合；在缸体2径向面靠近底座1处设有两个相互对应的取样口，每一个取样口中均设有一个定向堵头6，该定向堵头6通过封堵螺栓4实现固定及向缸体2内的轴向运动；所述定向堵头6从封堵螺栓4穿出，并向外延伸出预定长度，在该预定长度的定向堵头6上穿插一根径向的卡簧5。压制煤样前将封堵螺栓4拧上，以保证定向堵头6紧贴压柱3。取样前将封堵螺栓4松动，通过卡簧5能够将定向堵头6直接拉出。采用皮带冲子通过取样口可以旋转取样。
实施例：
如山西阳泉某矿3#煤层，实测原煤层中软分层煤样的视密度为1.36t/m3，原煤水分为2.7％；取样地点埋深为470m，平均地应力11.75MPa。采用上述步骤一的方法测得该煤层软分层的成型压力为31.78MPa。在现场采集了600多公斤软分层煤样，在实验室采用6mm的筛子筛分，除去煤块，测得水分只有2.3％。我们通过喷雾洒水的方式向煤样中加水2.4升左右，搅拌均匀后，测得煤样的水分为2.72％。放入密封桶中保存备用。再按照上述步骤二的方法，以成型压力31.78MPa压制煤样，再保持11.75MPa的应力。每次充入不同压力的甲烷，吸附平衡后，测定各种煤巷突出预测参数，同时测定不同瓦斯压力下煤样的初始释放瓦斯膨胀能。根据以往测得的初始释放瓦斯膨胀能与突出的关系及突出临界值，画出各个煤巷突出预测参数与初始释放瓦斯膨胀能的关系曲线，以此判明各个煤巷突出预测参数是否对突出敏感。试验证明，阳泉某矿3#煤层对单位长度钻孔涌出的瓦斯流量非常敏感，其临界值为47.13L/m。而其它的预测指标敏感度较低。在试验矿井，我们直接将这一指标及临界值直接用于煤巷的突出预测，预测结果与现场实际状况吻合，确保了煤矿现场的安全。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在现场采集煤层软分层的原煤样，保湿处理后，在实验室测定其视密度及水分；
再将软分层煤样，加入到小型软分层压制装置中，施加不同压力压制成型后，并施加该煤层平均地应力；
取出煤样，测定其无应力状态的视密度，将其与实际软分层煤样进行比较，可得该软分层的成型压应力；
步骤二：从现场采集大量的软分层煤样，运到实验室后，筛分至预设尺寸以下，测定其水分，再洒入定量的水搅拌；
根据水分和视密度与现场软分层一致的原则，在大型软分层压制成型装置加压成型，再施加该煤层的平均地应力；
抽真空，充上不同压力的瓦斯，就能够得到不同突出危险的软分层模拟复制煤层。
2.根据权利要求1所述的井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于，
步骤一具体方法如下：
a.先在煤矿现场采集煤层软分层表层之下的团块状煤样，置于保湿的容器中，边上用松散煤样充填，带上地面；
b.用全自动密度仪和水分测定仪测定团块状煤样的视密度ρ1和水分Mad1；
c.将剩余煤样在密闭环境下筛分到6mm以下，加入到小型软分层压制装置的缸体(2)中，用千斤顶顶在压柱(3)上对该煤样施加一定的压应力压制成型，并保持半小时；
d.再根据该煤层在煤矿现场的赋存深度，计算出平均地应力，由千斤顶向缸体(2)中的煤样施加平均地应力，稳定4～8小时；在保持压力稳定时拧下缸体(2)侧面的封堵螺栓(4)，通过卡簧(5)带出定向堵头(6)，从取样口用皮带冲子旋转取样，测定其无应力状态煤样的视密度ρ2；
e.重复c和d步骤，施加不同的压应力成型，能够得到成型压应力不同但地应力相同时的各无应力状态煤样的视密度ρ2；
将这些测得的煤样视密度ρ2与现场的原煤样的视密度ρ1进行比较，与其视密度ρ1最接近时煤样的成型压应力P就是最佳的压制该软分层的成型压应力。
3.根据权利要求2所述的井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于，
加入到小型软分层压制装置的缸体中煤样重量以加压成型后超过取样口高度为限，为保证煤样成型的均匀性，可以分次加入煤样，每次煤样的成型高度控制在10mm以内。
4.根据权利要求1所述的井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于，
步骤二具体方法如下：
a.从煤矿现场采集该煤层软分层煤样，运到实验室后筛至6mm以下；再测定其水分Mad2，与原煤样的水分Mad1比较，将所缺失的水撒入煤样中，充分搅拌后装入密封桶中备用；
b.分次定量称取密封桶中的煤样，将一次定量称取的煤样放入大型软分层压制成型装置中，将整个装置推入到大型压力机内，确保整个装置的受力中心与压力机的中心一致；
c.通过压力机向突出模拟实验装置内的煤样加压，所加的压应力就是根据前面由步骤一中第e步得到的成型压应力P，将突出模拟实验装置中一次加入的煤样压实，稳压半小时，确保压制的煤体中空气完全逸出，继续向突出模拟实验装置内添加等量的煤样并压实，如此反复多次，直至将突出模拟实验装置内逐次压实的煤样达到设定的厚度；
d.对突出模拟实验装置内的煤样抽真空，之后将压力机施加在煤层上的压应力设为该煤层的平均地应力，这时，突出模拟实验装置中压实的煤样就成为一块与现场软分层相似的煤体，再向煤样中充入一定压力的瓦斯气体，持续吸附平衡48小时后，即可供测定其突出参数及进行突出模拟。
5.根据权利要求4所述的井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于：分次定量称取加入到大型软分层压制成型装置中煤样为10-16kg。
6.根据权利要求4所述的井下煤层软分层模拟复制的方法，其特征在于：对突出模拟实验装置内的煤样抽真空，抽真空的时间为12小时。
7.一种用于权利要求1所述井下煤层软分层模拟复制的方法的小型软分层压制装置，其特征在于：
该装置包括底座(1)、缸体(2)和压柱(3)；
所述底座(1)与缸体(2)螺纹连接，压柱(3)插入到缸体(2)中，并与之形成动配合；
在缸体(2)径向面靠近底座(1)处设有两个相互对应的取样口，每一个取样口中均设有一个定向堵头(6)，该定向堵头(6)通过封堵螺栓(4)实现固定及向缸体(2)内的轴向运动；
压制煤样前将封堵螺栓(4)拧上，以保证定向堵头(6)紧贴压柱(3)。
8.根据权利要求7所述的一种小型软分层压制装置，其特征在于：所述定向堵头(6)从封堵螺栓(4)穿出，并向外延伸出预定长度，在该预定长度的定向堵头(6)上穿插一根径向的卡簧(5)；
取样前将封堵螺栓(4)松动，通过卡簧(5)能够将定向堵头(6)直接拉出。
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