CN109164104B - 一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，属于废弃矿井采空区模拟试验系统的技术领域，包括用于模拟废弃矿井采空区裂隙网络的模拟装置、瓦斯供气系统和水压自控系统；模拟装置包括透明的观察箱和设置在观察箱内的岩层材料；瓦斯供气系统包括供气管以及为供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器。该系统可用于对废弃矿井采空区裂隙网络气液两相逆流进行模拟，并对其实现逆流可视化的试验，以揭示闭坑矿井在长期废弃过程中积水演化和瓦斯富集情况。

Description

一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统

技术领域

本发明涉及废弃矿井采空区模拟试验系统的技术领域，特别是涉及一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统。

背景技术

随着我国煤炭资源开采强度的不断增加，将会有越来越多的矿井被开采完成为废弃矿井，预计2020年我国废弃矿井数量将达到1.2万个，到2030年将达到1.5万个，其中废弃矿井采空区中蕴含有丰富的资源，初步估计其中赋存的煤炭资源高达420亿吨，煤层气资源近5000亿m³，我国废弃矿井数量多、资源量丰富、开发潜力巨大，开发利用好这部分煤层气资源，不仅能够弥补我国在天然气资源上的不足，优化能源结构，还能够消除瓦斯从地面逸出对大气环境的污染，可以看出对废弃矿井内瓦斯的利用具有可观的经济效益和环保效益。

但是废弃矿井采空区内的环境十分复杂，煤炭开采后采空区上方覆岩垮落形成“三带”（垮落带、裂隙带和弯曲下沉带），同时由于煤炭采出率相对较低采空区内遗留大量残煤，这些残留的煤块不断向外解吸释放瓦斯，释放出来的瓦斯不断向冒落带和裂隙带浮动，同时采空区内普遍存在积水，积水的来源主要是上部含水层通过裂隙带向采空区不断渗透，瓦斯-水-岩石构成了废弃矿井采空区内固-液-气三相共存的复杂环境，复杂的环境对废弃矿井内瓦斯和水的运移产生影响。目前我国主要通过地面打钻井的方式抽采废弃矿井内的瓦斯，其中首要的问题是要搞清楚废弃矿井内瓦斯和水的赋存情况，特别是要搞清楚高瓦斯含积水矿井在闭坑后长期过程中积水演化和瓦斯富集情况。

但是，由于地质构造的复杂性和采矿条件的多样性，闭坑后长期时间内废弃矿井瓦斯与水的运移赋存情况变得更加复杂，采空区内遗留的煤体为瓦斯的主要来源，水源主要存在于采空区上方的含水层内，采空区形成的裂隙网络为瓦斯和水的渗流通道，瓦斯的上浮运移和水的向下渗透形成了采空区气液两相逆流，它们的运移决定了采空区内的积水演化和瓦斯富集情况。针对废弃矿井采空区内瓦斯与水气液两相逆流这一问题，目前存在的单一裂隙模拟装置和传统的相似模拟系统已经不符合实际的工程背景，不能满足采空区裂隙网络和气液逆流的试验要求，所以急需设计一种废弃矿井采空区裂隙气液逆流模拟试验系统，在试验室开展废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验研究。

发明内容

本发明提供一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，用于对废弃矿井采空区裂隙网络气液两相逆流进行模拟，并对其实现逆流可视化的试验，以揭示闭坑矿井在长期废弃过程中积水演化和瓦斯富集情况。

为实现上述目的，本发明提供一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，包括用于模拟废弃矿井采空区裂隙网络的模拟装置、瓦斯供气系统和水压自控系统；模拟装置包括透明的观察箱和设置在观察箱内的岩层材料；观察箱的箱壁上和/或岩层材料上根据所需模拟废弃矿井采空区的破裂形态和裂隙网络，分为上覆含水层、弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、煤层支撑区、离层区和重新压实区；瓦斯供气系统包括供气管以及为所述供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；供气管设置在观察箱内，位于岩层材料的下方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头；水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器；稳压罐的顶部与四通接头的第一接口连接，底部与三通接头的第一接口连接；压力传感器与四通接头的第二接口连接；调压气瓶内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头的第三接口连接；试压水泵的进水口通过水管与供水箱连接，出水口通过水管与三通接头的第二接口连接；供水管设置在观察箱内，位于岩层材料的上方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头，通过水管与三通接头的第三接口连接；供水管和三通接头之间的水管上安装有截止阀I；电子控制器分别与压力传感器和试压水泵的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵的开闭。

进一步地，观察箱包括两个透明板、设置在两个所述透明板之间的密封圈以及连接两个所述透明板的螺栓。

进一步地，瓦斯供气系统还包括储气罐；储气罐设置在供气管和瓦斯瓶之间的气管上，且罐口连接有压力表；供气管和储气罐之间的气管上安装有截止阀II。

进一步地，瓦斯供气系统还包括气体流量计；气体流量计设置在瓦斯瓶和储气罐之间的气管上。

进一步地，瓦斯供气系统还包括瓦斯减压阀；瓦斯减压阀设置在瓦斯瓶和气体流量计之间的气管上。

进一步地，水压自控系统还包括调压气减压阀；调压气减压阀设置在调压气瓶和四通接头之间的气管上。

进一步地，水压自控系统还包括为压力传感器、试压水泵和电子控制器供电的配电箱。

进一步地，四通接头的第四接口上设置有排气管；排气管上设置有排气阀。

进一步地，压力传感器和电子控制器集成在智能数显压力表内；智能数显压力表安装在四通接头上；断路器为空气断路器。

进一步地，供气管通过进气管与安装有截止阀II的气管连接；供水管通过进水管与安装有截止阀I的水管连接；供气管、供水管、进气管和进水管均为软管。

与现有的技术相比，本发明提供的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统具有以下的优点与积极效果：

（1）本发明提供的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，在透明的观察箱内根据地质情况铺设岩层材料，并根据所需模拟废弃矿井采空区的破裂形态和裂隙网络，在观察箱的箱壁上和/或岩层材料上设置上覆含水层、弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、煤层支撑区、离层区和重新压实区，在保证地层渗流介质的基础上模拟了废弃矿井采空区的裂隙网络，更加接近现场的实际情况，模拟更加真实；

（2）水压自控系统由发明人自主研发，依靠压力传感器和电子控制器控制试压水泵的启停从而稳定水压力达到水压自控的目的，实现了闭环自动控制，节省了人力，与其他加压方式相比更加的稳定可靠，不受环境的影响，并且可以满足不同水压的要求；

（3）透明的观察箱可以实现可视化，不仅可以模拟废弃矿井水气赋存的最终状态，而且可以将从渗流开始到赋存稳定的整个过程记录下来，从而可以辨别主渗流通道和赋存的空间；

（4）采用上述废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统进行试验，可以探究废弃矿井瓦斯和地下水运移及赋存稳定的问题，揭示高瓦斯矿井从闭坑开始到瓦斯和水赋存稳定的过程和最终的状态，为瓦斯抽采和地下水处理提供参考；

（5）采用上述废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统进行试验，并以试验结果作为参考，可以极大降低废弃矿井瓦斯抽采企业的成本，尤其是通过地面打钻井的方式抽采深部高瓦斯矿井的企业的施工成本，提高企业的经济效益，缓解企业压力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统的结构示意图；

图2为图1所示废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统中观察箱内岩层材料的布置图。

图中：1-观察箱；1.1-透明板；1.2-密封圈；1.3-螺栓；2.1-供气管；2.2-瓦斯瓶；2.3-储气罐；2.4-截止阀II；2.5-气体流量计；2.6-瓦斯减压阀；2.7-进气管；3.1-稳压罐；3.2-调压气瓶；3.3-供水箱；3.4-试压水泵；3.5-供水管；3.6-四通接头；3.7-三通接头；3.8-截止阀I；3.9-调压气减压阀；3.10-球阀I；3.11-配电箱；3.12-输电线；3.13-排气阀；3.14-球阀II；3.15-智能数显压力表；3.16-空气断路器；3.17-进水管；101-上覆含水层；102-弯曲下沉带；103-裂隙带；104-垮落带；105-煤层支撑区；106-离层区；107-重新压实区。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，包括用于模拟废弃矿井采空区裂隙网络的模拟装置、瓦斯供气系统和水压自控系统；模拟装置包括透明的观察箱1和设置在观察箱1内的岩层材料；观察箱1的箱壁上和/或岩层材料上根据所需模拟废弃矿井采空区的破裂形态和裂隙网络，分为上覆含水层101、弯曲下沉带102、裂隙带103、垮落带104、煤层支撑区105、离层区106和重新压实区107；瓦斯供气系统包括供气管2.1以及为所述供气管2.1提供瓦斯的瓦斯瓶2.2；供气管2.1设置在观察箱1内，位于岩层材料的下方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头，以保证气体在水平方向分布的均匀性，同时防止堵塞；水压自控系统包括稳压罐3.1、压力传感器、调压气瓶3.2、供水箱3.3、试压水泵3.4、供水管3.5和电子控制器；稳压罐3.1的顶部与四通接头3.6的第一接口连接，底部与三通接头3.7的第一接口连接；压力传感器与四通接头3.6的第二接口连接；调压气瓶3.2内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头3.6的第三接口连接；试压水泵3.4的进水口通过水管与供水箱3.3连接，出水口通过水管与三通接头3.7的第二接口连接；供水管3.5设置在观察箱1内，位于岩层材料的上方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头，以保证液体在水平方向分布的均匀性，同时防止堵塞，供水管3.5通过水管与三通接头3.7的第三接口连接；供水管3.5和三通接头3.7之间的水管上安装有截止阀I3.8；电子控制器分别与压力传感器和试压水泵3.4的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵3.4的开闭。

其中，如何在观察箱1内设置岩层材料以及如何在观察箱1的箱壁上和/或岩层材料上设置上覆含水层101、弯曲下沉带102、裂隙带103、垮落带104、煤层支撑区105、离层区106和重新压实区107，是本领域技术人员根据所需模拟矿井的地层条件进行设计和操作的，具体过程不再赘述。将整个系统的管道连接好后，检测整个系统密封性（可通过涂肥皂沫的方式检验），瓦斯供气系统和水压自控系统向观察箱1内提供瓦斯和水，透过观察箱1可观察记录瓦斯和水在岩层材料内的流动。水压自控系统的具体运行过程如下所述：在电子控制器内输入压力的预设值，将调压气瓶3.2内的气体按照预设压力导入稳压罐3.1内，切断气体的供给，试压水泵3.4向稳压罐3.1中注水，稳压罐3.1内部上面是气体而下面是水，气体被水压缩后压力逐渐增大，通过稳压罐3.1上方的压力传感器监测控制，当压力传感器的检测值达到电子控制器的预设值时，电子控制器控制试压水泵3.4的断路器断开，试压水泵3.4不再向稳压罐3.1中注水，打开截止阀I3.8，稳压罐3.1内的水在气压的作用下，沿着水管进入到供水管3.5内，随着稳压罐3.1内的水位的降低，水面上方气体空间增大，压力传感器的检测值降低，低于电子控制器的预设值时，电子控制器控制试压水泵3.4的断路器闭合，试压水泵3.4重新向稳压罐3.1内注水，直至压力传感器的检测值再次达到电子控制器的预设值，如此往复，依靠压力传感器和电子控制器控制试压水泵3.4的启停从而稳定水压达到水压自控的目的。

在本实施例中，优选地，调压气瓶3.2中所装的气体为氮气。

进一步地，如图2所示，观察箱1包括两个透明板1.1、设置在两个透明板1.1之间的密封圈1.2以及连接两个透明板1.1的螺栓1.3。在本实施例中，优选地，透明板1.1为有机玻璃板，厚度范围在10mm-20mm之间；设置在两个有机玻璃板之间的岩层材料的厚度为2 mm左右，废弃矿井采空区破裂形态以及其裂隙网络由雕刻机在透明板1.1和/或岩层材料上刻蚀而成；在两个透明板1.1之间通过柔性密封胶形成密封圈1.2，以保证密封性；螺栓1.3为高强螺栓。

进一步地，如图1所示，瓦斯供气系统还包括储气罐2.3；储气罐2.3设置在供气管2.1和瓦斯瓶2.2之间的气管上，且罐口连接有用于测试罐内压力的压力表；供气管2.1和储气罐2.3之间的气管上安装有截止阀II2.4。储气罐2.3用于暂存瓦斯气体，试验前先把瓦斯注入到储气罐2.3内，当储气罐2.3内瓦斯气体达到一定的压力后关闭瓦斯瓶2.2上的阀门，试验时将储气罐2.3与观察箱1之间的截止阀II2.4打开，使储气罐2.3内的瓦斯通过供气管2.1进入到采空区中，由此来提供瓦斯气源。

进一步地，如图1所示，瓦斯供气系统还包括用于计量瓦斯流量的气体流量计2.5；为了防止观察箱1内的水分进入气体流量计2.5，气体流量计2.5设置在瓦斯瓶2.2和储气罐2.3之间的气管上。

进一步地，如图1所示，瓦斯供气系统还包括瓦斯减压阀2.6；瓦斯减压阀2.6设置在瓦斯瓶2.2和气体流量计2.5之间的气管上，以调节瓦斯的压力。

进一步地，如图1所示，水压自控系统还包括调压气减压阀3.9；调压气减压阀3.9设置在调压气瓶3.2和四通接头3.6之间的气管上，以调节调压气的压力。

进一步地，如图1所示，四通接头3.6和调压气减压阀3.9之间的气管上设置有球阀I3.10，以切断或连通稳压罐3.1和调压气瓶3.2之间的气路。

进一步地，如图1所示，水压自控系统还包括为压力传感器、试压水泵3.4和电子控制器供电的配电箱3.11，配电箱3.11通过输电线3.12分别与压力传感器、电子控制器和试压水泵3.4的断路器连接。

进一步地，如图1所示，四通接头3.6的第四接口上设置有排气管；排气管上设置有排气阀3.13，打开排气阀3.13即可将稳压罐3.1内的调压气排出。在本实施例中，排气阀3.13为球阀。

进一步地，如图1所示，试压水泵3.4和三通接头3.7之间的水管上设置有球阀II3.14，以切断或连通稳压罐3.1和试压水泵3.4之间的水路。

进一步地，如图1所示，压力传感器和电子控制器集成在智能数显压力表3.15内；智能数显压力表3.15安装在四通接头3.6上；断路器为空气断路器3.16；四通接头3.6、三通接头3.7和球阀均为卡套式的，卡套式接头通过四氟垫来保证其密封性。

进一步地，如图1所示，供气管2.1通过进气管2.7与安装有截止阀II2.4的气管连接；供水管3.5通过进水管3.17与安装有截止阀I3.8的水管连接；供气管2.1、供水管3.5、进气管2.7和进水管3.17均为软管，以方便安装，其他管路为不锈钢管。

以上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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，包括用于模拟废弃矿井采空区裂隙网络的模拟装置、瓦斯供气系统和水压自控系统；

所述模拟装置包括观察箱和岩层材料；

所述观察箱包括两个透明板、设置在两个所述透明板之间的密封圈以及连接两个所述透明板的螺栓；

所述岩层材料设置在两个透明板之间；

所述透明板的箱壁上和/或岩层材料上刻蚀所需模拟废弃矿井采空区的破裂形态和裂隙网络，分为上覆含水层、弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、煤层支撑区、离层区和重新压实区；

所述瓦斯供气系统包括供气管以及为所述供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；

所述供气管设置在观察箱内，位于岩层材料的下方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头；

所述水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器；

所述稳压罐的顶部与四通接头的第一接口连接，底部与三通接头的第一接口连接；

所述压力传感器与四通接头的第二接口连接；

所述调压气瓶内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头的第三接口连接；

所述试压水泵的进水口通过水管与供水箱连接，出水口通过水管与三通接头的第二接口连接；

所述供水管设置在观察箱内，位于岩层材料的上方，管体上均匀设置有朝向岩层材料的多个喷头，通过水管与三通接头的第三接口连接；

所述供水管和三通接头之间的水管上安装有截止阀I；

所述电子控制器分别与压力传感器和试压水泵的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵的开闭。

2.根据权利要求1所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述瓦斯供气系统还包括储气罐；

所述储气罐设置在供气管和瓦斯瓶之间的气管上，且罐口连接有压力表；

所述供气管和储气罐之间的气管上安装有截止阀II。

3.根据权利要求2所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述瓦斯供气系统还包括气体流量计；

所述气体流量计设置在瓦斯瓶和储气罐之间的气管上。

4.根据权利要求3所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述瓦斯供气系统还包括瓦斯减压阀；

所述瓦斯减压阀设置在瓦斯瓶和气体流量计之间的气管上。

5.根据权利要求1所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述水压自控系统还包括调压气减压阀；

所述调压气减压阀设置在调压气瓶和四通接头之间的气管上。

6.根据权利要求5所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述水压自控系统还包括为压力传感器、试压水泵和电子控制器供电的配电箱。

7.根据权利要求1或5所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述四通接头的第四接口上设置有排气管；

所述排气管上设置有排气阀。

8.根据权利要求1所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述压力传感器和电子控制器集成在智能数显压力表内；

所述智能数显压力表安装在四通接头上；

所述断路器为空气断路器。

9.根据权利要求2所述的废弃矿井采空区气液两相逆流可视化模拟试验系统，其特征在于，所述供气管通过进气管与安装有截止阀II的气管连接；

所述供水管通过进水管与安装有截止阀I的水管连接；

所述供气管、供水管、进气管和进水管均为软管。

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