CN108362854A - 一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统及方法 - Google Patents

一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统及方法 Download PDF

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CN108362854A CN201810126259.9A CN201810126259A CN108362854A CN 108362854 A CN108362854 A CN 108362854A CN 201810126259 A CN201810126259 A CN 201810126259A CN 108362854 A CN108362854 A CN 108362854A
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李全贵
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李学龙
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张跃兵
李波
杨尚朋
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Abstract

发明提供一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统及方法。该模拟系统包括加载装置、脱气装置、注气装置、射流装置、数据采集装置、固定装置、实验腔体、煤体和阀门。试验时，脱气装置对实验腔体内腔抽真空。注气装置对实验腔体内充气，煤体吸附瓦斯。射流发生器产生超高压水射流作用于竖向凹槽处煤体。所述应力采集仪和振动加速度采集仪实时采集三向压力值和振动加速度的变化。该系统的使用方法包括放置煤体、抽真空、充气、加载应力和试验等步骤。该装置可以对超高压水射流冲击含瓦斯受载煤体过程中超高压水射流扰动性能和煤体行为特征进行量化表征，这对于揭示超高压水射流割缝增透机理及技术参数优化具有重要的意义。

Description

一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统及 方法
技术领域
本发明涉及含瓦斯煤体增透技术领域，具体涉及一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统。
背景技术
渗透率低是我国深部煤层的显著特征，也是制约深部煤与瓦斯高效共采的关键因素之一。强化增透技术能够显著提高煤层的渗透性能，改善瓦斯抽采效果，实现深部煤与瓦斯共采和瓦斯灾害的有效防控。通过水射流冲击致裂煤体贯通裂隙形成裂隙网是行之有效的强化增透措施之一。目前水力割缝技术仍然存在有效影响范围较小的问题，而增大割缝钻孔有效影响范围的关键是增大缝槽的长度。为了达到这个目的，提高射流压力是一种直接而有效的途径，即采用超高压水射流(喷嘴出口压力100MPa以上)割缝。国内外学者对超高压水射流的冲击能力及其影响因素进行了较为系统的研究，但针对超高压水射流冲击含瓦斯受载煤体过程中，超高压水射流扰动性能和煤体行为特征的量化表征还没有有效的测试装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，包括加载装置、脱气装置、注气装置、射流装置、数据采集装置、实验腔体、煤体和阀门。
所述实验腔体包括箱体和上盖。所述箱体整体为一个矩形箱体。所述箱体的底部设置有支撑座和固定部。所述上盖可扣合在箱体的上端敞口处。所述箱体和上盖合围出实验腔体内腔。所述箱体的侧壁上设置有若干供管道或管线穿过的通孔。所述脱气装置、注气装置和阀门通过箱体侧壁上的孔洞与实验腔体内腔连通。
所述射流装置包括超高压水泵、压力控制装置和射流发生器。所述超高压水泵、压力控制装置和射流发生器通过管道依次连接。所述射流发生器布置在实验腔体内腔中。所述射流发生器通过夹持器活动连接在支撑座上。工作时，所述射流发生器可沿俯仰方向旋转。
所述数据采集装置包括气压采集仪、应力采集仪、转接头、三个压力盒、振动加速度采集仪、振动加速度传感器和计算机。所述气压采集仪、应力采集仪和振动加速度采集仪均与计算机连接。所述气压采集仪通过箱体侧壁上的孔洞与实验腔体内腔连通。所述应力采集仪、转接头和三个压力盒通过管线依次连接。所述振动加速度采集仪、转接头和振动加速度传感器通过管线依次连接。
所述煤体整体呈正方体。所述煤体布置在实验腔体内腔中。所述煤体通过固定部与箱体底部固定连接。加载装置对煤体施加三个方向的围压。所述煤体受压的三个表面均开挖有小孔。所述压力盒放入小孔中。所述煤体面向射流发生器的一侧去除掉一个半圆柱体，形成一个竖向凹槽。所述振动加速度传感器布置在竖向凹槽中。
试验时，脱气装置对实验腔体内腔抽真空。注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体内充气，煤体吸附瓦斯。水经由超高压水泵加压后，通过压力控制装置流向射流发生器。射流发生器产生高压射流作用于竖向凹槽处煤体。所述应力采集仪和振动加速度采集仪实时采集三向压力值和振动加速度的变化。
进一步，模拟系统还包括三通阀。所述三通阀通过箱体侧壁上的通孔与实验腔体内腔气密连接。所述脱气装置包括真空泵。所述真空泵通过管线与三通阀连接。所述注气装置包括气瓶和减压阀。所述气瓶通过管线依次与减压阀和三通阀连接。
进一步，所述压力控制装置上设置有压力表。
进一步，所述加载装置包括布置在实验腔体内腔中的三块压板，及其附属的液压缸和油泵。所述油泵驱动压板，对煤体施加三向均布应力。
进一步，模拟系统还包括固定装置。所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的若干连接杆。所述实验腔体布置在两块钢板之间。
进一步，所述夹持器上设置有表盘。所述支撑座整体为L型钢板。所述支撑座上固定有指针。通过表盘与指针，可精确调节射流发生器产生高压射流的冲击角度值。
进一步，所述支撑座包括竖直板和水平板。所述竖直板和水平板相互连接，共同构成L型钢板。所述水平板的板面上开设有螺纹孔。所述水平板通过紧固螺栓与箱体的底面固定连接。所述竖直板板面上具有矩形缺口。所述竖直板在这个矩形缺口处竖直延伸出两个连接卷边。
所述夹持器包括上抱箍夹片和下抱箍夹片。所述上抱箍夹片包括U形片，以及U形片两端水平弯折出的连接片。所述下抱箍夹片整体为槽形。所述下抱箍夹片包括水平片，以及水平片两端竖直弯折出的弯折片。所述的两个弯折片通过紧固螺栓分别与支撑座的两个连接卷边连接。所述U形片与下抱箍夹片的开口相对。所述连接片与水平片贴合，通过紧固螺栓连接。所述上抱箍夹片和下抱箍夹片形成闭合的闭合抱箍。所述射流发生器被这个闭合抱箍夹持。
进一步，所述固定部包括水平部分和竖直部分。所述水平部分通过紧固螺栓与箱体的底面固定连接。所述竖直部分与煤体的侧面贴合。
本发明还公开一种关于上述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，包括以下步骤：
1)将煤体置于箱体中。调节射流发生器至设计角度。启动并调试数据采集装置。将上盖扣合至箱体的上端敞口处。检查实验腔体内腔气密性。
2)启动脱气装置对实验腔体抽真空。24小时后，关闭脱气装置。打开注气装置，在设定的瓦斯压力下对实验腔体内腔充气，待气压采集仪采集到的压力保持不变时，关闭注气装置。
3)启动加载装置对煤体施加设定的三个方向应力。
4)启动超高压水泵，调节压力控制装置使水射流压力为设定压力。
5)实时记录应力采集仪和振动加速度采集仪采集到的三向压力值和振动加速度。待三向压力值和振动加速度均不变时，关闭超高压水泵，打开阀门，排出实验腔体内腔中的瓦斯和水。待瓦斯和水均排出时，打开上盖，取出煤体。
6)改变射流冲击角度值、初始瓦斯压力、初始三向应力和射流冲击压力，重复实验步骤1)～5)，并对各振动加速度编号，得到不同工况下振动加速度和压力值的变化曲线。
7)按照式(1)计算振动加速度有效值VAe，对不同工况下超高压水射流对煤体的扰动程度进行定量描述。
式中，x(i)为第i个振动加速度值，m2/s。na为总的振动加速度序列数。
8)按照式2)计算三个应力方向上的松弛度RDj，对不同工况下煤体的行为特征进行定量描述。
式中，σj0为三个应力方向上的初始应力值，σjc为三个应力方向上的残余应力值。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可以对超高压水射流冲击含瓦斯受载煤体过程中超高压水射流扰动性能和煤体行为特征进行量化表征；
B.实用性强，可以实现不同射流冲击角度值、初始瓦斯压力、初始三向应力和射流冲击压力作用下，超高压水射流冲击煤体实验，操作方便，安全可靠；
C.对于揭示超高压水射流割缝增透机理及技术参数优化具有重要的意义。
附图说明
图1为模拟系统结构示意图；
图2为实验腔体结构示意图；
图3为加持器结构示意图；
图4为射流发生器连接关系示意图；
图5为煤体示意图。
图中：超高压水泵1、压力控制装置2、加持器3、夹持器3、下抱箍夹片301、水平片3011、弯折片3012、上抱箍夹片302、U形片3021、连接片3022、射流发生器4、真空泵5、三通阀6、气瓶7、减压阀8、实验腔体9、气压采集仪10、应力采集仪11、转接头12、压力盒13、振动加速度采集仪14、振动加速度传感器15、油泵16、压板17、煤体18、竖向凹槽1801、支撑座19、竖直板1901、连接卷边19011、水平板1902、表盘20、指针21、阀门22、计算机23、固定部24。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，包括加载装置、脱气装置、注气装置、射流装置、数据采集装置、固定装置、实验腔体9、煤体18和阀门22。
参见图1，所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的4根连接杆。所述实验腔体9布置在两块钢板之间。
参见图2，所述实验腔体9包括箱体901和上盖902。
所述箱体901整体为一个矩形箱体。所述箱体901的底部设置有支撑座19和固定部24。所述支撑座19包括竖直板1901和水平板1902。所述竖直板1901和水平板1902相互连接，共同构成L型钢板。所述水平板1902的板面上开设有螺纹孔。所述水平板1902通过紧固螺栓与箱体901的底面固定连接。所述竖直板1901板面上具有矩形缺口。所述竖直板1901在这个矩形缺口处竖直延伸出两个连接卷边19011。一侧连接卷边19011上设置有指针21。所述固定部24包括水平部分和竖直部分。所述水平部分通过紧固螺栓与箱体901的底面固定连接。所述上盖902可扣合在箱体901的上端敞口处。所述箱体901和上盖902合围出实验腔体9内腔。所述箱体901的侧壁上设置有供管道或管线穿过的通孔。所述脱气装置、注气装置和阀门22通过箱体901侧壁上的孔洞与实验腔体9内腔连通。
所述射流装置包括超高压水泵1、压力控制装置2和射流发生器4。所述超高压水泵1、压力控制装置2和射流发生器4通过管道依次连接。所述压力控制装置2上设置有压力表，用于实时监测超高压水射流压力。所述射流发生器4布置在实验腔体9内腔中。所述射流发生器4通过夹持器3活动连接在支撑座19上。参见图3和图4，所述夹持器3包括上抱箍夹片302和下抱箍夹片301。所述上抱箍夹片302包括U形片3021，以及U形片3021两端水平弯折出的连接片3022。所述U形片3021上还设置有表盘20。所述下抱箍夹片301整体为槽形。所述下抱箍夹片301包括水平片3011，以及水平片3011两端竖直弯折出的弯折片3012。所述的两个弯折片3012通过紧固螺栓分别与支撑座19的两个连接卷边19011连接。所述U形片3021与下抱箍夹片301的开口相对。所述连接片3022与水平片3011贴合，通过紧固螺栓连接。所述上抱箍夹片302和下抱箍夹片301扣接形成闭合的闭合抱箍。所述射流发生器4被这个闭合抱箍夹持。工作时，所述射流发生器4可随夹持器3沿俯仰方向旋转。通过表盘20与指针21，可精确调节射流发生器4产生超高压水射流的冲击角度值。
所述数据采集装置包括气压采集仪10、应力采集仪11、转接头12、三个压力盒13、振动加速度采集仪14、振动加速度传感器15和计算机23。所述气压采集仪10、应力采集仪11和振动加速度采集仪14均与计算机23连接。所述气压采集仪10通过箱体901侧壁上的孔洞与实验腔体9内腔连通。所述应力采集仪11、转接头12和三个压力盒13通过管线依次连接。所述振动加速度采集仪14、转接头12和振动加速度传感器15通过管线依次连接。
所述煤体18整体呈正方体。所述煤体18布置在实验腔体9内腔中。所述煤体18的侧面与固定部24的竖直部分贴合。加载装置对煤体18施加三个方向的围压。参见图3，所述煤体18受压的三个表面均开挖有小孔。所述压力盒13放入小孔中。所述煤体18面向射流发生器4的一侧去除掉一个半圆柱体，形成一个竖向凹槽1801。所述竖向凹槽1801用于模拟钻孔。所述振动加速度传感器15布置在竖向凹槽1801中。
试验时，脱气装置对实验腔体9内腔抽真空。注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体9内充气，煤体18吸附瓦斯。水经由超高压水泵1加压后，通过压力控制装置2流向射流发生器4。射流发生器4产生超高压水射流作用于竖向凹槽1801处煤体。所述应力采集仪11和振动加速度采集仪14实时采集三向压力值和振动加速度的变化。
值得说明的是，在本实施例中，模拟系统还包括三通阀6。所述三通阀6通过箱体901侧壁上的通孔与实验腔体9内腔气密连接。所述脱气装置包括真空泵5。所述真空泵5通过管线与三通阀6连接。所述注气装置包括气瓶7和减压阀8。所述气瓶7通过管线依次与减压阀8和三通阀6连接。所述加载装置包括布置在实验腔体9内腔中的三块压板17，及其附属的液压缸和油泵16。所述油泵16驱动压板17，对煤体18施加三向均布应力。
实施例2：
本实施例公开一种关于上述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，包括以下步骤：
1)将固定有压力盒13的煤体18置于箱体901中。将振动加速度传感器15固定在竖向凹槽1801中。调节射流发生器4至设计角度，使表盘20上显示为设定的冲击角度值。启动并调试数据采集装置。将上盖902扣合至箱体901的上端敞口处。检查实验腔体9内腔气密性。
2)启动脱气装置对实验腔体9抽真空。24小时后，关闭脱气装置。打开注气装置，在设定的瓦斯压力下对实验腔体9内腔充气，待气压采集仪10采集到的压力保持不变时，关闭注气装置。
3)启动加载装置对煤体18施加设定的三个方向应力。
4)启动超高压水泵1，调节压力控制装置2使水射流压力为设定压力。
5)实时记录应力采集仪11和振动加速度采集仪14采集到的三向压力值和振动加速度。待三向压力值和振动加速度均不变时，关闭超高压水泵1，打开阀门22，排出实验腔体9内腔中的瓦斯和水。待瓦斯和水均排出时，打开上盖902，取出煤体18。
6)改变射流冲击角度值、初始瓦斯压力、初始三向应力和射流冲击压力，重复实验步骤1)～5)，并对各振动加速度编号，得到不同工况下振动加速度和压力值的变化曲线。
7)按照式(1)计算振动加速度有效值VAe，对不同工况下超高压水射流对煤体的扰动程度进行定量描述。
式中，x(i)为第i个振动加速度值，m2/s。na为总的振动加速度序列数。
8)按照式2)计算三个应力方向上的松弛度RDj，对不同工况下煤体的行为特征进行定量描述。
式中，σj0为三个应力方向上的初始应力值，σjc为三个应力方向上的残余应力值。

Claims (9)

1.一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：包括加载装置、脱气装置、注气装置、射流装置、数据采集装置、实验腔体9、煤体(18)和阀门(22)；
所述实验腔体(9)包括箱体(901)和上盖(902)；所述箱体(901)整体为一个矩形箱体；所述箱体(901)的底部设置有支撑座(19)和固定部(24)；所述上盖(902)可扣合在箱体(901)的上端敞口处；所述箱体(901)和上盖(902)合围出实验腔体(9)内腔；所述箱体(901)的侧壁上设置有若干供管道或管线穿过的通孔；所述脱气装置、注气装置和阀门(22)通过箱体(901)侧壁上的孔洞与实验腔体(9)内腔连通；
所述射流装置包括超高压水泵(1)、压力控制装置(2)和射流发生器(4)；所述超高压水泵(1)、压力控制装置(2)和射流发生器(4)通过管道依次连接；所述射流发生器(4)布置在实验腔体(9)内腔中；所述射流发生器(4)通过夹持器(3)活动连接在支撑座(19)上；工作时，所述射流发生器(4)可沿俯仰方向旋转；
所述数据采集装置包括气压采集仪(10)、应力采集仪(11)、转接头(12)、三个压力盒(13)、振动加速度采集仪(14)、振动加速度传感器(15)和计算机(23)；所述气压采集仪(10)、应力采集仪(11)和振动加速度采集仪(14)均与计算机(23)连接；所述气压采集仪(10)通过箱体(901)侧壁上的孔洞与实验腔体(9)内腔连通；所述应力采集仪(11)、转接头(12)和三个压力盒(13)通过管线依次连接；所述振动加速度采集仪(14)、转接头(12)和振动加速度传感器(15)通过管线依次连接；
所述煤体(18)整体为一个正方体；所述煤体(18)布置在实验腔体(9)内腔中；所述煤体(18)通过固定部(24)与箱体(901)底部固定连接；加载装置对煤体(18)施加三个方向的围压；所述煤体(18)受压的三个表面均开挖有小孔；所述压力盒(13)放入小孔中；所述煤体(18)面向射流发生器(4)的一侧去除掉一个半圆柱体，形成一个竖向凹槽(1801)；所述振动加速度传感器(15)布置在竖向凹槽(1801)中；
试验时，脱气装置对实验腔体(9)内腔抽真空；注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体(9)内充气，煤体(18)吸附瓦斯；水经由超高压水泵(1)加压后，通过压力控制装置(2)流向射流发生器(4)；射流发生器(4)产生超高压水射流作用于竖向凹槽(1801)处煤体；所述应力采集仪(11)和振动加速度采集仪(14)实时采集三向压力值和振动加速度的变化。
2.根据权利要求2所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：模拟系统还包括三通阀(6)；所述三通阀(6)通过箱体(901)侧壁上的通孔与实验腔体(9)内腔气密连接；所述脱气装置包括真空泵(5)；所述真空泵(5)通过管线与三通阀(6)连接；所述注气装置包括气瓶(7)和减压阀(8)；所述气瓶(7)通过管线依次与减压阀(8)和三通阀(6)连接。
3.根据权利要求1所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：所述压力控制装置(2)上设置有压力表。
4.根据权利要求1所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：所述加载装置包括布置在实验腔体(9)内腔中的三块压板(17)，及其附属的液压缸和油泵(16)；所述油泵(16)驱动压板(17)，对煤体(18)施加三向均布应力。
5.根据权利要求1所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：模拟系统还包括固定装置；所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的若干连接杆。所述实验腔体(9)布置在两块钢板之间。
6.根据权利要求1所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：所述夹持器(3)上设置有表盘(20)；所述支撑座(19)整体为L型钢板；所述支撑座(19)上固定有指针(21)；通过表盘(20)与指针(21)，可精确调节射流发生器(4)产生超高压水射流的冲击角度值。
7.根据权利要求6所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：所述支撑座(19)包括竖直板(1901)和水平板(1902)；所述竖直板(1901)和水平板(1902)相互连接，共同构成L型钢板；所述水平板(1902)的板面上开设有螺纹孔；所述水平板(1902)通过紧固螺栓与箱体(901)的底面固定连接；所述竖直板(1901)板面上具有矩形缺口；所述竖直板(1901)在这个矩形缺口处竖直延伸出两个连接卷边(19011)；
所述夹持器(3)包括上抱箍夹片(302)和下抱箍夹片(301)；所述上抱箍夹片(302)包括U形片(3021)，以及U形片(3021)两端水平弯折出的连接片(3022)；所述下抱箍夹片(301)整体为槽形；所述下抱箍夹片(301)包括水平片(3011)，以及水平片(3011)两端竖直弯折出的弯折片(3012)；所述的两个弯折片(3012)通过紧固螺栓分别与支撑座(19)的两个连接卷边(19011)连接；所述U形片(3021)与下抱箍夹片(301)的开口相对；所述连接片(3022)与水平片(3011)贴合，通过紧固螺栓连接；所述上抱箍夹片(302)和下抱箍夹片(301)形成闭合的闭合抱箍；所述射流发生器(4)被这个闭合抱箍夹持。
8.根据权利要求1所述的一种超高压水射流冲击受载含瓦斯煤体卸荷松弛模拟系统，其特征在于：所述固定部(24)包括水平部分和竖直部分；所述水平部分通过紧固螺栓与箱体(901)的底面固定连接；所述竖直部分与煤体(18)的侧面贴合。
9.一种关于权利要求1所述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将煤体(18)置于箱体(901)中；调节射流发生器(4)至设计角度；启动并调试数据采集装置；将上盖(902)扣合至箱体(901)的上端敞口处；检查实验腔体(9)内腔气密性；
2)启动脱气装置对实验腔体(9)抽真空；24小时后，关闭脱气装置；打开注气装置，在设定的瓦斯压力下对实验腔体(9)内腔充气，待气压采集仪(10)采集到的压力保持不变时，关闭注气装置；
3)启动加载装置对煤体(18)施加设定的三个方向应力；
4)启动超高压水泵(1)，调节压力控制装置(2)使水射流压力为设定压力；
5)实时记录应力采集仪(11)和振动加速度采集仪(14)采集到的三向压力值和振动加速度；待三向压力值和振动加速度均不变时，关闭超高压水泵(1)，打开阀门(22)，排出实验腔体(9)内腔中的瓦斯和水；待瓦斯和水均排出时，打开上盖(902)，取出煤体(18)；
6)改变射流冲击角度值、初始瓦斯压力、初始三向应力和射流冲击压力，重复实验步骤1)～5)，并对不同工况下的各振动加速度进行编号；绘制不同工况下振动加速度和压力值的变化曲线；
7)按照式(1)计算振动加速度有效值VAe，对不同工况下超高压水射流对煤体的扰动程度进行定量描述；
式中，x(i)为第i个振动加速度值，m2/s；na为总的振动加速度序列数；
8)按照式2)计算三个应力方向上的松弛度RDj，对不同工况下煤体的行为特征进行定量描述；
式中，σj0为三个应力方向上的初始应力值，σjc为三个应力方向上的残余应力值。
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