CN109030054A - 一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，包括钻机、模拟箱体、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，地应力模拟加载系统包括第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统；瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐、减压阀、瓦斯压力表和进气阀；声发射系统包括声发射前置放大器、声发射采集盒和多个声发射探头；应力应变监测系统包括应变数据采集仪、第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器；本发明还公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验方法。本发明为井下实际钻孔钻进时提供了有利的依据。

Description

一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法

技术领域

本发明属于非开挖煤矿水平钻孔定向钻进技术领域，具体涉及一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法。

背景技术

我国是以煤炭作为主要能源的国家，随着国民经济的发展，煤炭的需求量与日俱增，煤炭的开采力度也越来越大。我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了我国的煤炭开采。生产实践表明，降低煤层中瓦斯含量的方法有很多，目前通过采前施工抽放钻孔预抽煤层瓦斯是较为广泛的方法之一，利用钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合治理与利用的常用且有效措施。

随着机械化程度的提高，采煤工作面较以往相比，宽度、长度都有较大幅度的提高，相应工作面的瓦斯量也随着升高，对采前预抽煤层瓦斯的要求更高。瓦斯抽放钻孔也从最开始的几十米提高到现在普遍都是几百米甚至上千米。钻孔深度和煤层段延伸率是影响瓦斯抽采效果和生产效率的重要因素，钻孔深度增加可大幅度提高钻孔的覆盖面积，减少钻孔数量，提高生产效率；煤层延伸段越长，有效钻孔越多，瓦斯抽采效率越高。煤体本就是一种非均质的岩石，由于煤层裂隙宽度、长度、方向、密度等的差异性，导致同一钻孔内煤层的透气性可能存在很大的差异性，并且随着钻孔深度的增加，瓦斯压力与抽放负压的影响，使钻孔在钻进过程中钻头受力不均而发生偏转，导致钻孔偏离最初的设计轨迹，甚至出现串孔、穿透巷道等情况，难以满足矿井预抽煤层瓦斯的要求，给矿井的安全生产带来严重的隐患。

目前，随着国民经济的迅速提高及城市化建设的迅速发展，水平定向施工技术已经得到广泛的应用。煤矿井下定向钻进技术是高效治理煤矿瓦斯的一箱重大关键技术，近几年也一直是国际社会关注和积极发展的关键技术。我国煤矿井下定向钻进技术近几年虽然取得较大进展，但有些核心技术还受制于国外。因此，迫切需要对煤矿井下钻孔钻进过程中钻孔偏移的各种原因以及钻头与周围煤体的力学机理进行分析，并探寻解决这些问题的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、操作简单、能够全面准确的模拟出钻杆钻进过程中的各种状态、能够记录丰富的试验数据、实用性强、使用效果好的本煤层定向钻进过程模拟试验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机、钻杆、钻头、模拟箱体、计算机、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；

所述模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，所述模拟箱体上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口；

所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域的第一液压加载系统、处于弹塑性区域的第二液压加载系统和处于原始应力区域的第三液压加载系统；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐，所述瓦斯气体罐通过气体输送管以及设置在气体输送管上的减压阀、瓦斯压力表和进气阀与箱体进气口连接；

所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体两侧侧面的两根声发射系统管路，以及设置在模拟箱体外部且连接的声发射前置放大器和声发射采集盒，所述声发射采集盒与计算机连接，所述声发射前置放大器的输入端接有设置在模拟箱体两侧侧面外壁上的多个声发射探头，所述声发射探头的信号线穿过声发射系统管路与声发射前置放大器连接；

所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪，放置于模拟箱体内且处于破碎区域的第一应变环、处于弹塑性区域的第二应变环和处于原始应力区域的第三应变环，以及放置于模拟箱体内底部的多个应力传感器；所述第一应变环、第二应变环、第三应变环和多个应力传感器均与应变数据采集仪连接，所述应变数据采集仪与计算机连接；

所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆上且用于检测钻杆倾角的电子罗盘和与电子罗盘连接并用于显示电子罗盘检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器；

所述回收系统包括回收箱体和接收罐，所述回收箱体套在钻杆上，所述接收罐通过导管与回收箱体连接。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体内部设置有加强钣金。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：多个声发射探头在模拟箱体内呈两排布设，且两排声发射探头相互错位设置。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体内破碎区域设置有用于固定连接第一应变环的第一应变环固定支架，所述模拟箱体内弹塑性区域设置有用于固定连接第二应变环的第二应变环固定支架，所述模拟箱体内原始应力区域设置有用于固定连接第三应变环的第三应变环固定支架。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一应变环固定支架、第二应变环固定支架和第三应变环固定支架均通过螺栓与模拟箱体固定连接。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体上设置有供第一应变环、第二应变环、第三应变环和多个应力传感器的信号线穿出模拟箱体外部与应变数据采集仪连接的布线孔。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括箱体支座和铰接在箱体支座顶部的箱体支撑板，所述模拟箱体安装在箱体支撑板顶部，所述箱体支座上设置有横梁，所述横梁上安装有用于支撑箱体支撑板并调节箱体支撑板的倾斜角度的液压支架，所述箱体支座的底部设置有滚轮和用于固定滚轮的卡子。

上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一液压加载系统包括设置在模拟箱体内破碎区域上部和下部的多个第一液压缸，所述第二液压加载系统包括设置在模拟箱体内弹塑性区域上部和下部的多个第二液压缸，所述第三液压加载系统包括设置在模拟箱体内原始应力区域上部和下部的多个第三液压缸。

本发明还提供了一种操作步骤简单、能够真实的反应实际煤层在钻孔钻进过程中所出现的不同情况、为后续井下精准钻进及精准抽采提供了有力的依据、实用性强的本煤层定向钻进过程模拟试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先，将所述试验装置放置于便于实验操作的位置后，扳下卡子固定滚轮，防止在试验过程中所述试验装置发生移动；然后，安装第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器，将第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器均与应变数据采集仪连接；安装多个声发射探头，将多个声发射探头均与声发射前置放大器连接；

步骤二、按照相似试验要求，在模拟箱体内破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域逐层铺装煤岩体相似模拟材料，模拟煤矿井下巷道煤壁破碎区、弹塑性区、原始应力区不同的状态；铺装完成后自然风干或人为帮助风干，待模拟箱体内的煤岩体相似模拟材料风干后，加入模拟箱体上部的第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸，盖上模拟箱体的顶板；

步骤三、将所述瓦斯压力模拟加载系统的气体输送管连接到箱体进气口上，加装密封圈并涂抹密封胶，瓦斯气体罐内的瓦斯气体通过减压阀降低压力后，通过进气阀和气体输送管进入模拟箱体内，注入瓦斯气体的过程中观察瓦斯压力表，待瓦斯压力表的示数和模拟现场煤层瓦斯压力相同时停止住入瓦斯气体，关闭进气阀，防止气体泄漏；静置2～3天，使瓦斯气体在模拟箱体内扩散；然后再打开进气阀，观察瓦斯压力表示数是否降低，当瓦斯压力表示数降低时，重复步骤三，直到模拟箱体中瓦斯压力与模拟现场煤层瓦斯压力相同；

步骤四、根据所要模拟的现场的煤层赋存情况，调节液压支架，调节箱体支撑板的倾斜角度，使模拟箱体的倾斜角度达到现场煤层的倾角；

步骤五、根据井下巷道煤壁的应力状态分布调节地应力模拟加载系统，分别调节处于破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域中的第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸，使模拟箱体中应力分布状态与井下巷道煤壁所处的应力状态相符合，使模拟箱体中煤体受到瓦斯压力与地应力共同作用的复杂应力状态；

步骤六、根据试验模拟现场钻进情况调节钻机的钻孔方向，将电子罗盘固定在钻杆上，并将回收箱体套在钻杆上，调节钻杆的方向，通过电子罗盘数据读取器观测钻杆的倾角，使钻杆的倾角达到钻孔的设计倾角时停止调节钻杆；

步骤七、开始试验，操作钻机使钻杆匀速向前钻进，当遇到顶钻或卡钻时停止钻进，操作钻机先进行退钻再进行钻进；试验过程中，应变数据采集仪将其采集的第一应变环、第二应变环、第三应变环和多个应力传感器检测到的应力应变数据传输给计算机，声发射采集盒将其采集的声发射数据传输给计算机，计算机记录应力应变数据和声发射数据；

步骤八、重复步骤一到步骤七，并改变步骤七中的钻机，分别对不同钻孔直径、不同材质钻杆、不同质量钻杆、以及钻机在工作时钻杆左旋和右旋进行试验，记录试验数据。

上述的方法，其特征在于：步骤二之后还采用密封胶对模拟箱体周围进行二次密封。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置,能够根据现场煤层赋存情况在模拟箱体中铺装相似材料模拟煤层，并通过在加注有瓦斯的模拟箱体中施工本煤层钻孔，且通过应变环和应力传感器监测钻杆在钻进过程中钻头和周围煤体的受力状态，这样为后续分析钻孔轨迹偏离原因提供了理论依据，能够为钻孔定向钻进、本煤层瓦斯的精准抽采提供强有力的保障。

2、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置,通过将模拟箱体按照井下巷道煤壁应力分布状态分为破碎区域、弹塑性区域以及原始应力区域，根据试验的需要，通过调节这三个区域的模拟地应力加载系统使之达到该区域与现场相似的受力状态，与箱体中所注入的瓦斯气体共同形成复杂的应力场关系；这样，不但增强了模拟装置的实用性，并且能够全面准确的模拟出钻杆钻进过程中的各种状态。

3、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置,通过以应力应变监测系统以及声发射系统共同监测试验过程中的实时数据，通过模拟箱体底部的应力传感器以及第一应变环、第二应变环和第三应变环监测钻杆钻进过程中各个部分的应力应变的变化，通过声发射系统监测模拟箱体中的裂隙演化情况，最后通过模拟箱体中钻头受力及周围煤体受力状况来分析造成钻孔轨迹偏离设计轨迹的原因，并分析煤体中裂隙对钻孔轨迹偏离的影响。

4、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置,通过选取不同的钻机来模拟钻杆钻进过程中各个钻机对钻孔轨迹的影响，还能用于分析不同直径、不同材质、不同质量的钻杆对钻孔轨迹的影响。

5、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置,通过加装在钻杆上的回收箱体及接收罐组成回收系统，将试验过程中钻杆钻进时所排出的煤粉或非废水收集起来，从而保证了整个试验过程中实验室的干净整洁。

6、本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验方法，操作步骤简单，并且能够真实的反应实际煤层在钻孔钻进过程中所出现的不同情况；通过调节模拟箱体的倾角，这样就可模拟处于倾角不同的煤层模拟样本的钻孔施工，且倾角调节方便，适用性强；通过分别布置模拟箱体中的应变环以及模拟箱体底部的应力传感器，并按照模拟煤层的实际赋存情况铺装模拟箱体，可全面模拟井下实际施工过程中本煤层钻孔的施工过程；铺装好模拟箱体后采用地应力模拟加载系统分别对不同区域的煤体施加载荷，使模拟箱体中煤体的受力状态达到煤体实际受力状态，最后密封模拟箱体，使模拟箱体处于完全封闭的空间内；然后充入瓦斯气体，使模拟箱体内瓦斯气体浓度与模拟的实际煤层瓦斯浓度一致，由于瓦斯气体扩散至煤层模拟样本需要时间，所以待瓦斯气体扩散到煤层模拟样本内后进行后续试验，使箱体内部煤体处于近似现场的复杂应力状态，这样能够提高试验的准确性；在钻孔施工过程中实时监测记录钻头、钻头周围煤体、模拟箱体中裂隙情况，实验过程中分别选取不同的钻机及不同钻孔直径、不同材质钻杆、不同质量钻杆、以及钻机在工作时钻杆左旋和右旋进行试验，这样能到全面、准确模拟钻孔钻进过程中的各种情况；试验完成后试验人员根据钻孔施工过程中所测数据分析实验过程中各个因素对钻孔轨迹偏离设计轨迹的影响，为后续井下精准钻进、精准抽采提供了有力的依据。

综上所述，本发明设计的本煤层定向钻进过程模拟试验装置模拟实际煤层结构，模拟煤层在钻孔钻进过程中的各种情况，同时还可模拟在钻孔钻进过程中不同钻具、不同直径、不同孔径、不同材料、不同质量及左右旋对钻孔实际轨迹的影响，这样为井下实际钻孔钻进时提供了有利的依据，也为煤层钻孔精准施工、煤层瓦斯精准抽采提供了保障，有助于提高瓦斯抽采效率及安全系数，且模拟试验方法操作简单、设计合理，能够全面准确模拟现实中煤层钻孔钻进过程中出现的各种情况。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明本煤层定向钻进过程模拟试验装置的结构示意图。

图2为本发明模拟箱体的剖面图。

图3为本发明模拟箱体的底面俯视图。

图4为本发明计算机与其他各单元的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—钻机； 2—电子罗盘； 3—电子罗盘数据读取器；

4—钻杆； 5—回收箱体； 6—导管；

7—接收罐； 8—钻头； 9-1—第一液压缸；

9-2—第二液压缸； 9-3—第三液压缸； 10—破碎区域；

11—螺栓； 12—第一应变环固定支架； 13—第一应变环；

14—弹塑性区域； 15—第二应变环固定支架； 16—第二应变环；

17—原始应力区域； 18—第三应变环固定支架； 19—第三应变环；

20—声发射探头； 21—瓦斯压力表； 22—减压阀；

23—瓦斯气罐； 24—箱体进气口； 25—进气阀；

26—声发射前置放大器； 27—声发射采集盒； 28—计算机；

29—声发射系统管路； 30—布线孔； 31—液压支架；

32—横梁； 33—滚轮； 34—卡子；

35—箱体支座； 36—模拟箱体； 37—应力传感器；

38—气体输送管； 39—应变数据采集仪； 40—箱体支撑板。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置，包括钻机1、钻杆4、钻头8、模拟箱体36、计算机28、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；

所述模拟箱体36内设置有破碎区域10、弹塑性区域14和原始应力区域17，所述模拟箱体36上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口24；

所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域10的第一液压加载系统、处于弹塑性区域14的第二液压加载系统和处于原始应力区域17的第三液压加载系统；其中破碎区域10、弹塑性区域14和原始应力区域17分别可以满足试验过程中按照巷道煤岩体的应力分布去调整所对应区域的液压加载系统，保证实验条件与现场的一致性；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐23，所述瓦斯气体罐23通过气体输送管38以及设置在气体输送管38上的减压阀22、瓦斯压力表21和进气阀25与箱体进气口24连接；所述瓦斯压力模拟加载系统主要用于模拟本煤层含瓦斯煤体，使钻杆4在钻进过程中受到瓦斯压力及地应力等复杂应力场的作用，以便于真实地得到钻杆4在钻进过程中钻头8与周围煤体的受力状态；

所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体36两侧侧面的两根声发射系统管路29，以及设置在模拟箱体36外部且连接的声发射前置放大器26和声发射采集盒27，所述声发射采集盒27与计算机28连接，所述声发射前置放大器26的输入端接有设置在模拟箱体36两侧侧面外壁上的多个声发射探头20，所述声发射探头20的信号线穿过声发射系统管路29与声发射前置放大器26连接；

所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪39，放置于模拟箱体36内且处于破碎区域10的第一应变环13、处于弹塑性区域14的第二应变环16和处于原始应力区域17的第三应变环19，以及放置于模拟箱体36内底部的多个应力传感器37；所述第一应变环13、第二应变环16、第三应变环19和多个应力传感器37均与应变数据采集仪39连接，所述应变数据采集仪39与计算机28连接；所述应力传感器37、第一应变环13、第二应变环16和第三应变环19用于实时监测钻杆4钻进过程中钻头8与周围煤体的应力状态，便于得到应力应变数据，后续对钻孔轨迹偏移因素的影响因素分析；

所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆4上且用于检测钻杆4倾角的电子罗盘2和与电子罗盘2连接并用于显示电子罗盘2检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器3；通过设置钻进角度监测系统，便于第一时间获取钻杆的倾角信息，并及时对钻杆的倾角作出调整；

所述回收系统包括回收箱体5和接收罐7，所述回收箱体5套在钻杆4上，所述接收罐7通过导管6与回收箱体5连接。所述回收系统主要用于钻杆8在钻进过程中所排出的煤屑或利用水钻钻进过程中所排出的带有煤渣的废水，保证实验室的干净整洁。

本实施例中，所述模拟箱体36内部设置有加强钣金。通过在模拟箱体36内部设置加强钣金，能够增强模拟箱体36的强度。

本实施例中，多个声发射探头20在模拟箱体36内呈两排布设，且两排声发射探头20相互错位设置。这样布设的声发射探头20用于监测钻杆4钻进过程中模拟箱体36中应力应变的变化以及裂隙的发育扩展情况。

具体实施时，所述模拟箱体36底面设有布线孔30及充气孔，所述声发射探头20、底面压力传感器与底座的连接处涂有密封胶，所述模拟箱体36与回收系统、各个接口处均设有密封圈，保证模拟箱体36的气密性。

本实施例中，所述模拟箱体36内破碎区域10设置有用于固定连接第一应变环13的第一应变环固定支架12，所述模拟箱体36内弹塑性区域14设置有用于固定连接第二应变环16的第二应变环固定支架15，所述模拟箱体36内原始应力区域17设置有用于固定连接第三应变环19的第三应变环固定支架18。

本实施例中，所述第一应变环固定支架12、第二应变环固定支架15和第三应变环固定支架18均通过螺栓11与模拟箱体36固定连接。

本实施例中，所述模拟箱体36上设置有供第一应变环13、第二应变环16、第三应变环19和多个应力传感器37的信号线穿出模拟箱体36外部与应变数据采集仪39连接的布线孔30。

本实施例中，本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验装置还包括箱体支座35和铰接在箱体支座35顶部的箱体支撑板40，所述模拟箱体36安装在箱体支撑板40顶部，所述箱体支座35上设置有横梁32，所述横梁32上安装有用于支撑箱体支撑板40并调节箱体支撑板40的倾斜角度的液压支架31，所述箱体支座35的底部设置有滚轮33和用于固定滚轮33的卡子34。

本实施例中，所述第一液压加载系统包括设置在模拟箱体36内破碎区域10上部和下部的多个第一液压缸9-1，所述第二液压加载系统包括设置在模拟箱体36内弹塑性区域14上部和下部的多个第二液压缸9-2，所述第三液压加载系统包括设置在模拟箱体36内原始应力区域17上部和下部的多个第三液压缸9-3。

本发明的本煤层定向钻进过程模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一、首先，将所述试验装置放置于便于实验操作的位置后，扳下卡子34固定滚轮33，防止在试验过程中所述试验装置发生移动；然后，安装第一应变环13、第二应变环16、第三应变环19和应力传感器37，将第一应变环13、第二应变环16、第三应变环19和应力传感器37均与应变数据采集仪39连接；安装多个声发射探头20，将多个声发射探头20均与声发射前置放大器26连接；

具体实施时，在布线孔30处和螺栓11处，均加装密封圈并涂有密封胶，以保证整个模拟箱体36的密封性能，从而注入瓦斯气体来模拟煤层瓦斯压力，防止所述试验装置漏气对试验产生的影响，减少不确定因素。

步骤二、按照相似试验要求，在模拟箱体36内破碎区域10、弹塑性区域14和原始应力区域17逐层铺装煤岩体相似模拟材料，模拟煤矿井下巷道煤壁破碎区、弹塑性区、原始应力区不同的状态；铺装完成后自然风干或人为帮助风干，待模拟箱体36内的煤岩体相似模拟材料风干后，加入模拟箱体36上部的第一液压缸9-1、第二液压缸9-2和第三液压缸9-3，盖上模拟箱体36的顶板；

具体实施时，在煤岩体相似模拟材料中加入少量微膨胀剂，以增大煤岩体相似模拟材料与模拟箱体36内壁之间的接触效果。逐层铺装煤岩体相似模拟材料时，材料尽量密实，且要注意第一应变环13、第二应变环16和第三应变环19，防止其变形过大影响后续试验。

本实施例中，步骤二之后还采用密封胶对模拟箱体36周围进行二次密封。防止所述试验装置漏气对试验产生的影响，减少不确定因素。

步骤三、将所述瓦斯压力模拟加载系统的气体输送管38连接到箱体进气口24上，加装密封圈并涂抹密封胶，瓦斯气体罐23内的瓦斯气体通过减压阀22降低压力后，通过进气阀25和气体输送管38进入模拟箱体36内，注入瓦斯气体的过程中观察瓦斯压力表21，待瓦斯压力表21的示数和模拟现场煤层瓦斯压力相同时停止住入瓦斯气体，关闭进气阀25，防止气体泄漏；静置2～3天，使瓦斯气体在模拟箱体36内扩散；然后再打开进气阀25，观察瓦斯压力表21示数是否降低，当瓦斯压力表21示数降低时，重复步骤三，直到模拟箱体36中瓦斯压力与模拟现场煤层瓦斯压力相同；通过设置减压阀22，能够防止瓦斯气体压力过大破坏气体输送管38；

步骤四、根据所要模拟的现场的煤层赋存情况，调节液压支架31，调节箱体支撑板40的倾斜角度，使模拟箱体36的倾斜角度达到现场煤层的倾角；

步骤五、根据井下巷道煤壁的应力状态分布调节地应力模拟加载系统，分别调节处于破碎区域10、弹塑性区域14和原始应力区域17中的第一液压缸9-1、第二液压缸9-2和第三液压缸9-3，使模拟箱体36中应力分布状态与井下巷道煤壁所处的应力状态相符合，使模拟箱体36中煤体受到瓦斯压力与地应力共同作用的复杂应力状态；通过模拟煤体受到瓦斯压力与地应力共同作用，能够最大极限地接近现场实际情况，也能够避免一些不确定因素对试验的影响，从而提高试验结果的精确性；

步骤六、根据试验模拟现场钻进情况调节钻机1的钻孔方向，将电子罗盘2固定在钻杆4上，并将回收箱体5套在钻杆4上，调节钻杆4的方向，通过电子罗盘数据读取器3观测钻杆4的倾角，使钻杆4的倾角达到钻孔的设计倾角时停止调节钻杆4；

步骤七、开始试验，操作钻机1使钻杆4匀速向前钻进，当遇到顶钻或卡钻时停止钻进，操作钻机1先进行退钻再进行钻进；试验过程中，应变数据采集仪39将其采集的第一应变环13、第二应变环16、第三应变环19和多个应力传感器37检测到的应力应变数据传输给计算机28，声发射采集盒27将其采集的声发射数据传输给计算机28，计算机28记录应力应变数据和声发射数据；

步骤八、重复步骤一到步骤七，并改变步骤七中的钻机1，分别对不同钻孔直径、不同材质钻杆4、不同质量钻杆4、以及钻机1在工作时钻杆4左旋和右旋进行试验，记录试验数据。记录的试验数据能够用于后续研究进行数据分析使用。

具体实施时，通过声发射数据能够得到钻机1在钻进过程中模拟箱体36中有无裂隙及裂隙演化情况，还能够通过声发射数据得到钻孔实际钻进时的轨迹，与钻孔设计轨迹进行比较，根据在钻孔实际轨迹偏离设计轨迹处钻头8受力情况及钻头8周围煤体受力情况分析钻孔轨迹偏离的原因，并分别分析不同因素对钻孔钻进时钻孔轨迹偏离的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机(1)、钻杆(4)、钻头(8)、模拟箱体(36)、计算机(28)、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；

所述模拟箱体(36)内设置有破碎区域(10)、弹塑性区域(14)和原始应力区域(17)，所述模拟箱体(36)上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口(24)；

所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域(10)的第一液压加载系统、处于弹塑性区域(14)的第二液压加载系统和处于原始应力区域(17)的第三液压加载系统；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐(23)，所述瓦斯气体罐(23)通过气体输送管(38)以及设置在气体输送管(38)上的减压阀(22)、瓦斯压力表(21)和进气阀(25)与箱体进气口(24)连接；

所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体(36)两侧侧面的两根声发射系统管路(29)，以及设置在模拟箱体(36)外部且连接的声发射前置放大器(26)和声发射采集盒(27)，所述声发射采集盒(27)与计算机(28)连接，所述声发射前置放大器(26)的输入端接有设置在模拟箱体(36)两侧侧面外壁上的多个声发射探头(20)，所述声发射探头(20)的信号线穿过声发射系统管路(29)与声发射前置放大器(26)连接；

所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪(39)，放置于模拟箱体(36)内且处于破碎区域(10)的第一应变环(13)、处于弹塑性区域(14)的第二应变环(16)和处于原始应力区域(17)的第三应变环(19)，以及放置于模拟箱体(36)内底部的多个应力传感器(37)；所述第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)均与应变数据采集仪(39)连接，所述应变数据采集仪(39)与计算机(28)连接；

所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆(4)上且用于检测钻杆(4)倾角的电子罗盘(2)和与电子罗盘(2)连接并用于显示电子罗盘(2)检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器(3)；

所述回收系统包括回收箱体(5)和接收罐(7)，所述回收箱体(5)套在钻杆(4)上，所述接收罐(7)通过导管(6)与回收箱体(5)连接。

2.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)内部设置有加强钣金。

3.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：多个声发射探头(20)在模拟箱体(36)两侧侧面外壁上呈两排布设，且两排声发射探头(20)相互错位设置。

4.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)内破碎区域(10)设置有用于固定连接第一应变环(13)的第一应变环固定支架(12)，所述模拟箱体(36)内弹塑性区域(14)设置有用于固定连接第二应变环(16)的第二应变环固定支架(15)，所述模拟箱体(36)内原始应力区域(17)设置有用于固定连接第三应变环(19)的第三应变环固定支架(18)。

5.按照权利要求4所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一应变环固定支架(12)、第二应变环固定支架(15)和第三应变环固定支架(18)均通过螺栓(11)与模拟箱体(36)固定连接。

6.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)上设置有供第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)的信号线穿出模拟箱体(36)外部与应变数据采集仪(39)连接的布线孔(30)。

7.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括箱体支座(35)和铰接在箱体支座(35)顶部的箱体支撑板(40)，所述模拟箱体(36)安装在箱体支撑板(40)顶部，所述箱体支座(35)上设置有横梁(32)，所述横梁(32)上安装有用于支撑箱体支撑板(40)并调节箱体支撑板(40)的倾斜角度的液压支架(31)，所述箱体支座(35)的底部设置有滚轮(33)和用于固定滚轮(33)的卡子(34)。

8.按照权利要求7所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一液压加载系统包括设置在模拟箱体(36)内破碎区域(10)上部和下部的多个第一液压缸(9-1)，所述第二液压加载系统包括设置在模拟箱体(36)内弹塑性区域(14)上部和下部的多个第二液压缸(9-2)，所述第三液压加载系统包括设置在模拟箱体(36)内原始应力区域(17)上部和下部的多个第三液压缸(9-3)。

9.一种利用如权利要求8所述试验装置进行本煤层定向钻进过程模拟试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先，将所述试验装置放置于便于实验操作的位置后，扳下卡子(34)固定滚轮(33)，防止在试验过程中所述试验装置发生移动；然后，安装第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和应力传感器(37)，将第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和应力传感器(37)均与应变数据采集仪(39)连接；安装多个声发射探头(20)，将多个声发射探头(20)均与声发射前置放大器(26)连接；

步骤二、按照相似试验要求，在模拟箱体(36)内破碎区域(10)、弹塑性区域(14)和原始应力区域(17)逐层铺装煤岩体相似模拟材料，模拟煤矿井下巷道煤壁破碎区、弹塑性区、原始应力区不同的状态；铺装完成后自然风干或人为帮助风干，待模拟箱体(36)内的煤岩体相似模拟材料风干后，加入模拟箱体(36)上部的第一液压缸(9-1)、第二液压缸(9-2)和第三液压缸(9-3)，盖上模拟箱体(36)的顶板；

步骤三、将所述瓦斯压力模拟加载系统的气体输送管(38)连接到箱体进气口(24)上，加装密封圈并涂抹密封胶，瓦斯气体罐(23)内的瓦斯气体通过减压阀(22)降低压力后，通过进气阀(25)和气体输送管(38)进入模拟箱体(36)内，注入瓦斯气体的过程中观察瓦斯压力表(21)，待瓦斯压力表(21)的示数和模拟现场煤层瓦斯压力相同时停止住入瓦斯气体，关闭进气阀(25)，防止气体泄漏；静置2～3天，使瓦斯气体在模拟箱体(36)内扩散；然后再打开进气阀(25)，观察瓦斯压力表(21)示数是否降低，当瓦斯压力表(21)示数降低时，重复步骤三，直到模拟箱体(36)中瓦斯压力与模拟现场煤层瓦斯压力相同；

步骤四、根据所要模拟的现场的煤层赋存情况，调节液压支架(31)，调节箱体支撑板(40)的倾斜角度，使模拟箱体(36)的倾斜角度达到现场煤层的倾角；

步骤五、根据井下巷道煤壁的应力状态分布调节地应力模拟加载系统，分别调节处于破碎区域(10)、弹塑性区域(14)和原始应力区域(17)中的第一液压缸(9-1)、第二液压缸(9-2)和第三液压缸(9-3)，使模拟箱体(36)中应力分布状态与井下巷道煤壁所处的应力状态相符合，使模拟箱体(36)中煤体受到瓦斯压力与地应力共同作用的复杂应力状态；

步骤六、根据试验模拟现场钻进情况调节钻机(1)的钻孔方向，将电子罗盘(2)固定在钻杆(4)上，并将回收箱体(5)套在钻杆(4)上，调节钻杆(4)的方向，通过电子罗盘数据读取器(3)观测钻杆(4)的倾角，使钻杆(4)的倾角达到钻孔的设计倾角时停止调节钻杆(4)；

步骤七、开始试验，操作钻机(1)使钻杆(4)匀速向前钻进，当遇到顶钻或卡钻时停止钻进，操作钻机(1)先进行退钻再进行钻进；试验过程中，应变数据采集仪(39)将其采集的第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)检测到的应力应变数据传输给计算机(28)，声发射采集盒(27)将其采集的声发射数据传输给计算机(28)，计算机(28)记录应力应变数据和声发射数据；

步骤八、重复步骤一到步骤七，并改变步骤七中的钻机(1)，分别对不同钻孔直径、不同材质钻杆(4)、不同质量钻杆(4)、以及钻机(1)在工作时钻杆(4)左旋和右旋进行试验，记录试验数据。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤二之后还采用密封胶对模拟箱体(36)周围进行二次密封。