CN108645775A - 一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征是:通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向及横向应力,实现对试验架中煤层的非均布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。在煤层合适位置布设1个注水孔和若干个观测孔(本文以6个为例),安装注水装置和观测装置,通过稳定的压力下一定横截面积的水流量,监测注水煤层的渗流变化。同时,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位安装有传感器,监测煤体周边的润湿情况,再根据计算机采集的数据分析推断渗流场变化趋势。通过上述的伺服非均布加载、布孔监测渗流变化以及传感器三维信息采集,本发明能够为应力场及水压作用下煤层渗流及润湿的研究提供强有力的帮助。
Description
技术领域
本发明涉及煤层注水渗流润湿技术领域,特别是涉及一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统。
背景技术
随着煤层开采深度增加,煤层地应力、瓦斯压力逐渐增大,煤层渗透率急剧降低,煤层冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害愈发严重,尤其是构造作用破坏的极度松软煤层,煤尘灾害危险性增加。目前,我国常采用煤层注水技术进行冲击地压、煤与瓦斯突出及煤矿粉尘等灾害的防治;针对不同的灾害特征,所采用的注水压力及方式不同,包括中低压注水润湿、高压注水、超高压注水致裂等不同压力下的注水技术,还包括静压注水、动压注水(脉动压裂)等不同方式下的注水技术。现场采取各项注水措施后,往往需要考察煤层注水的效果,在粉尘防治领域尤其是要确定煤层注水润湿的范围。目前,现有的考察方法,主要是通过注水后现场采集煤样测定含水率,来确定煤层注水润湿范围,该方法测试含水率时,受考察钻孔影响,测点区域煤体裂隙水分提前流失,煤体含水率测试误差较大,同时该方法在注水完成之后进行取样测试,无法反映煤层注水动态渗流过程,进而无法为煤层注水参数的优化提供充分的科学参考,为此进行了一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统的研究。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,以解决上述煤层注水渗流润湿技术所存在的缺陷与不足。
为解决上述技术问题,本发明方案包括:
本发明公开了一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,该系统由试验台系统、伺服加载系统、注水系统、渗流系统以及润湿系统组成,其中所述的试验台系统由试验架组成;所述的伺服加载系统由力值传感器、纵向加载装置、横向加载装置、伺服控制装置、加载板、侧板以及底板组成;所述的注水系统由注水装置、注水泵以及数据监测装置组成;所述的渗流系统由观测装置组成;而所述的润湿系统则由传感器和所连接的计算机组成。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,试验架(1)由龙门架、反力架、安全外壳等组成。龙门架采用框架钢结构形式,结构对接面焊接而成,拥有足够的刚度和强度,对液压加载器加载载荷的反作用及试验架中煤层自重提供有效的支撑,保证试验台整体的稳定性。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,试验架(1)的顶部设置有纵向加载装置(5),其包括7组独立纵向加压的液压加载器,试验架的左右两侧设置有2组相向布置的横向加载装置(6),其由横向加压的液压加载器组成,纵向加载装置(5)和横向加载装置(6)通过线路分别与伺服控制器中的垂直控制装置(10)和侧向控制装置(11)相连接,伺服控制系统中的力值传感器与计算机内的专业软件对接,实现全伺服数字操控,为液压加载装置提供稳定动力。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,该纵向加载装置(5)下设置有水平布置且与液压加载器一一对应的加载板(2),从左至右依次编号为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,该横向加载装置(6)处设置有竖直布置的侧板(3),其与上方的加载板(2)相接触,同时,侧板(3)压在底板(4)的上边。加载板(2)、侧板(3)以及底板(4)共同围成一个用来放置试验煤层的腔室。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,在④号加载板下方设置有1个注水孔,孔内布设注水装置(7),其内部安装有用于封孔的封孔器,注水装置(7)通过管路与注水泵(12)相连。数据监测装置通过线路与计算机相连,监测记录注水过程中的数据并对其进行反馈。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,在①、②、③、⑤、⑥、⑦号加载板下方设置有6个观测孔,内部安装有观测装置(8),其由压力发生装置(13)、密封介质储能器(14)、密封胶囊(15)、压力计(16)、流量计(17)、度量观测腔室(18)以及水仓(19)组成。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,压力发生装置(13)通过管路、压力计(16)与密封介质储能器(14)相连接,后者再通过管路、流量计(17)与密封胶囊(15)相连。度量观测腔室(18)通过压力计(16)、流量计(17)与位于装置前端的水仓(19)相连。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位共安装有96个传感器(9),均可使用湿度传感器用以监测煤体周边润湿情况,根据计算机采集的数据即可分析推断渗流场变化趋势。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,7组独立纵向加压的液压加载器可采用7个独立的千斤顶,伺服控制器通过线路控制液压加载器,同时向加载板(2)及侧板(3)施加相同或者不同的纵向应力,以实现对试验煤层的轴向及侧向非匀布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,在④号加载板下方进行注水钻孔施工,之后便可安设注水装置(7)。向钻孔内送入封孔器,以实现对注水钻孔的封孔,之后开启注水泵,完成注水操作。
所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其中,在①、②、③、⑤、⑥、⑦号加载板下方进行观测钻孔施工,之后便可安设观测装置(8)。利用观测装置(8)中的压力发生装置(13)将密封介质储能器(14)中的介质压入密封胶囊(15)实现观测装置(8)后端的密封,观测装置(8)周边煤层中的水进入水仓(19),水仓(19)所收拢的水通过压力计(16)、流量计(17)进入度量观测腔室(18),通过本过程检验观测装置在稳定的压力下一定横截面积的水流量,利用相关公式求得一定范围内的煤层渗透率
通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,实现对试验架中煤层的非均布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。在煤层合适位置布设1个注水孔和若干个观测孔(本文以6个为例),安装注水装置和观测装置,通过稳定的压力下一定横截面积的水流量,监测注水煤层的渗流变化。同时,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位安装有传感器,监测煤体周边的润湿情况,再根据计算机采集的数据分析推断渗流场变化趋势。通过上述的伺服非均布加载、布孔监测渗流变化以及传感器三维信息采集,本发明能够为应力场及水压作用下煤层渗流及润湿的研究提供强有力的帮助。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明:
图1为本发明中一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统的结构简图;
图2为本发明中观测装置的结构简图;
图3为本发明中传感器布设设计简图。
其中
1、试验架;2、加载板;3、侧板;4、底板;5、纵向加载装置;6、横向加载装置;7、注水装置;8、观测装置;9、传感器;10、垂直控制装置;11、侧向控制装置;12、注水泵;13、压力发生装置;14、密封介质储能器;15、密封胶囊;16、压力计;17、流量计;18、度量观测腔室;19、水仓。
具体实施方式
本发明提供了一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确,以下将结合附图,对本发明进一步详细说明。
通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,实现对试验架中煤层的非均布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。在煤层合适位置布设1个注水孔和若干个观测孔(本文以6个为例),安装注水装置和观测装置,通过稳定的压力下一定横截面积的水流量,监测注水煤层的渗流变化。同时,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位安装有传感器,监测煤体周边的润湿情况,再根据计算机采集的数据分析推断渗流场变化趋势。通过上述的伺服非均布加载、布孔监测渗流变化以及传感器三维信息采集,本发明能够为应力场及水压作用下煤层渗流及润湿的研究提供强有力的帮助。该一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统包括试验台系统、伺服加载系统、注水系统、渗流系统以及润湿系统,其中所述的试验台系统由试验架组成;所述的伺服加载系统由力值传感器、纵向加载装置、横向加载装置、伺服控制装置、加载板、侧板以及底板组成;所述的注水系统由注水装置、注水泵以及数据监测装置组成;所述的渗流系统由观测装置组成;而所述的润湿系统则由传感器和所连接的计算机组成。
具体实施方式为:
试验架顶部设置有7组独立的纵向加载装置,其下方设置有7块与其一一对应的加载板,从左至右依次编号为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。相向设置的横向加载装置通过对应的左右侧板对底板施加不同的横向应力。其加载板、侧板以及底板共同围成了一个用来放置试验煤层的腔室。纵向加载装置以及横向加载装置通过线路分别与伺服控制器中的垂直控制装置和侧向控制装置相连,伺服控制系统中的力值传感器与计算机内的专业软件对接,实现全伺服数字操控,为液压加载装置提供稳定动力,同时实现对试验煤层的非均布加载。
在试验架内部围成的腔室中铺设煤层,在④号加载板下方合适位置进行钻孔操作,安装注水装置,同样在①、②、③、⑤、⑥、⑦号加载板下方相应位置设置观测孔,之后将观测装置插入钻孔中,(孔径、孔长、倾角可根据具体试验煤层条件设计)。另一方面,在铺设煤层与设置钻孔的同时,在煤层内部、钻孔的周边不同方位设置安装湿度传感器,(此时应注意传感器位置不能与钻孔预设位置相同)。
上述过程完成之后,首先通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,布孔监测渗流系统方面,首先利用封孔器对注水装置进行封孔密封,开启注水泵向煤层中注水,并通过数据监测系统和与其相连的计算机控制其流量与压力于稳定状态。同时利用观测装置中的压力发生装置将密封介质储能器中的介质压入密封胶囊实现观测装置后端的密封,通过检测度量观测腔室在稳定的压力下一定横截面积水流量,利用下列公式求得一定范围内的煤层渗透率。
其中:K为渗透率;Q为流体通过煤体的流量(立方厘米/秒);μ为流体的黏度(帕·秒);L为流过煤体的长度(厘米);A为流过煤体的横截面积(平方厘米);t为流过煤体的时间(秒);△p为煤体两端的压差。
湿度传感器用以监测煤体周边的湿度变化,分析其注水润湿情况,再根据计算机采集的数据分析推断渗流场变化趋势。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (12)
1.本发明公开了一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,该系统由试验台系统、伺服加载系统、注水系统、渗流系统以及润湿系统组成,其中所述的试验台系统由试验架组成;所述的伺服加载系统由力值传感器、纵向加载装置、横向加载装置、伺服控制装置、加载板、侧板以及底板组成;所述的注水系统由注水装置、注水泵以及数据监测装置组成;所述的渗流系统由观测装置组成;而所述的润湿系统则由传感器和所连接的计算机组成。
2.根据权利要求书1所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:试验架(1)由龙门架、反力架、安全外壳等组成。龙门架采用框架钢结构形式,结构对接面焊接而成,拥有足够的刚度和强度,对液压加载器加载载荷的反作用及试验架中煤层自重提供有效的支撑,保证试验台整体的稳定性。
3.根据权利要求书1所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:试验架(1)的顶部设置有纵向加载装置(5),其包括7组独立纵向加压的液压加载器,试验架的左右两侧设置有2组相向布置的横向加载装置(6),其由横向加压的液压加载器组成,纵向加载装置(5)和横向加载装置(6)通过线路分别与伺服控制器中的垂直控制装置(10)和侧向控制装置(11)相连接,伺服控制系统中的力值传感器与计算机内的专业软件对接,实现全伺服数字操控,为液压加载装置提供稳定动力。
4.根据权利要求书1、3所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:该纵向加载装置(5)下设置有水平布置且与液压加载器一一对应的加载板(2),从左至右依次编号为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。
5.根据权利要求书1、3所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:该横向加载装置(6)处设置有竖直布置的侧板(3),其与上方的加载板(2)相接触,同时,侧板(3)压在底板(4)的上边。加载板(2)、侧板(3)以及底板(4)共同围成一个用来放置试验煤层的腔室。
6.根据权利要求书1、4所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:在④号加载板下方设置有1个注水孔,孔内布设注水装置(7),其内部安装有用于封孔的封孔器,注水装置(7)通过管路与注水泵(12)相连。数据监测装置通过线路与计算机相连,监测记录注水过程中的数据并对其进行反馈。
7.根据权利要求书1、4所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:在①、②、③、⑤、⑥、⑦号加载板下方设置有6个观测孔,内部安装有观测装置(8),其由压力发生装置(13)、密封介质储能器(14)、密封胶囊(15)、压力计(16)、流量计(17)、度量观测腔室(18)以及水仓(19)组成。
8.根据权利要求书1、7所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:压力发生装置(13)通过管路、压力计(16)与密封介质储能器(14)相连接,后者再通过管路、流量计(17)与密封胶囊(15)相连。度量观测腔室(18)通过压力计(16)、流量计(17)与位于装置前端的水仓(19)相连。
9.根据权利要求书1所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位共安装有96个传感器(9),均可使用湿度传感器用以监测煤体周边润湿情况,根据计算机采集的数据即可分析推断渗流场变化趋势。
10.根据权利要求书1、3、4、5所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:7组独立纵向加压的液压加载器可采用7个独立的千斤顶,伺服控制器通过线路控制液压加载器,同时向加载板(2)及侧板(3)施加相同或者不同的纵向应力,以实现对试验煤层的轴向及侧向非匀布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。
11.根据权利要求书1、4、6所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:在④号加载板下方进行注水钻孔施工,之后便可安设注水装置(7)。向钻孔内送入封孔器,以实现对注水钻孔的封孔,之后开启注水泵,完成注水操作。
12.根据权利要求书1、4、7、8所述的一种非均布应力煤层注水渗流润湿三维试验系统,其特征在于:在①、②、③、⑤、⑥、⑦号加载板下方进行观测钻孔施工,之后便可安设观测装置(8)。利用观测装置(8)中的压力发生装置(13)将密封介质储能器(14)中的介质压入密封胶囊(15)实现观测装置(8)后端的密封,观测装置(8)周边煤层中的水进入水仓(19),水仓(19)所收拢的水通过压力计(16)、流量计(17)进入度量观测腔室(18),通过本过程检验观测装置在稳定的压力下一定横截面积的水流量,利用相关公式求得一定范围内的煤层渗透率。
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