CN110646583A - 一种煤层注水相似模拟试验的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层注水相似模拟试验的方法及装置，属于煤层注水技术领域，煤层注水相似模拟试验的方法包括以下步骤：S1根据现场煤层注水经验确定经验湿润半径或经验注水压力范围，进而确定实验条件相似比；S2根据实验条件相似比，确定相似模拟实验的煤样尺寸规格；S3制作原煤小样品Ⅰ、型煤小样品Ⅰ和型煤大样品；S4通过对型煤大样品进行相似注水实验，确定实验湿润半径B；S5通过对原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ进行注水实验，确定注水相似比A；S6现场实际注水反演：现场实际注水影响半径C＝B×A。本发明能真实地反映现场实际注水情况，解决了因现场注水效果差引起地抑尘效果差的问题。

Description

一种煤层注水相似模拟试验的方法及装置

技术领域

本发明属于煤层注水技术领域，涉及一种煤层注水相似模拟试验的方法及装置。

背景技术

粉尘危害一直是煤矿开采过程中防治的重点，不仅严重危害煤矿工人的身心健康，而且对煤矿的安全生产有着极大的影响。

煤层注水抑尘是最积极、有效的煤矿综合防尘措施。煤层注水就是在煤层开采前，通过在煤体打若干钻孔，向煤层注入压力水，使水均匀分布与煤的裂隙与孔隙中，使煤体湿润，降低产生浮游粉尘的能力。

目前对于煤层注水的研究主要方法还是通过数值模拟、理论研究等手段，不能真实地反映现场实际注水情况，抑尘效果不太理想，井下粉尘污染问题仍然十分突出。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种煤层注水相似模拟试验的方法及装置，通过对型煤大样品进行相似注水实验，确定实验湿润半径B，通过对原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ进行注水实验，确定注水相似比A，进而确定现场实际注水影响半径C＝B×A，能真实地反映现场实际注水情况，解决了因现场注水效果差引起地抑尘效果差的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤层注水相似模拟试验的方法，包括以下步骤：

S1确定实验条件相似比：根据现场煤层注水经验确定经验湿润半径或经验注水压力范围，进而确定实验条件相似比；

S2根据实验条件相似比，确定相似模拟实验的煤样尺寸规格；

S3煤样制作：

S3.1原煤小样品Ⅰ制作：取现场煤样，采用去料加工的方式制作呈柱形的原煤小样品Ⅰ；

S3.2型煤小样品Ⅰ制作：用现场煤样，采用加料加工的方式制作与原煤小样品Ⅰ尺寸规格一致的型煤小样品Ⅰ，所述型煤小样品Ⅰ的基本参数与现场煤样的相似率不小于95％，其中基本参数指力学参数和孔隙率参数；

S3.3型煤大样品制作：以型煤小样品Ⅰ的组份配比制作型煤大样品，在制作型煤大样品时预埋注水管，所述注水管的出口端位于型煤大样品的中心；

S4相似注水实验：

S4.1根据现场围压和现场注水动力参数对型煤大样品注水，待型煤大样品的表面有水涌出时，停止注水；

S4.2待型煤大样品的表面水流干后，在型煤煤样上钻取钻屑或取圆柱样；

S4.3测定不同钻孔深度的含水率分布，确定实验湿润半径B；

S5确定注水相似比：

S5.1将原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ分别置于核磁共振系统注水单元，施加现场围压和现场注水动力参数，然后测得原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ中的水分扩散速度分别为V₁和V₂；

S5.2计算注水相似比A＝V₁/V₂；

S6现场实际注水反演：现场实际注水影响半径C＝B×A。

可选地，所述型煤小样品Ⅰ的制作包括以下步骤：

S3.21取现场煤样，测试现场煤样的基本参数，并以此作为型煤煤样制作的基本参数；

S3.22将所述现场煤样破碎，添加不同比例的粘合剂和砂子制作多个不同组份配比的小样品；

S3.23测试所述小样品的基本参数；

S3.24选取与现场煤样基本参数相似率不小于95％的小样品作为型煤小样品Ⅰ。

可选地，步骤S3.21中采用力学试验机测试其抗压、抗拉、抗剪力学参数。

可选地，步骤S3.21中采用压汞仪和核磁共振系统测试孔隙率参数。

可选地，步骤S3.1中的原煤小样品Ⅰ的尺寸规格为φ25mm×60mm。

可选地，步骤S3.3中的型煤大样品的尺寸规格为400×400×600mm。

一种煤层注水相似模拟试验的装置，包括型煤压制装置和水力增透系统；所述型煤压制装置包括模具箱、外围支撑箱体、传递梁和埋置在型煤内的注水管；所述模具箱上开有注水管的避让孔，所述模具箱的顶端敞开，所述传递梁设置在模具箱的敞开处；所述外围支撑箱体具有与模具箱周向相匹配的型腔，所述模具箱位于外围支撑箱体的型腔内；所述水力增透系统包括与注水管相连的泵站，所述泵站连接有水箱，在连接泵站和注水管之间的管路上连接有压力检测单元和流量检测单元。

可选地，所述避让孔的中心与模具箱的侧面中心重合。

可选地，所述避让孔为腰型孔。

可选地，所述模具箱的上方设有盖板，所述盖板固定连接在传递梁靠近模具箱的一端。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过煤层注水相似模拟试验方法可以反演现场实际注水湿润半径，获得最佳原煤湿润半径，以此指导现场煤层注水工作，以达到现场最佳抑尘效果，解决了现有技术中的煤层注水效果差的难题。

2.本发明记载的煤层注水相似模拟试验的装置，通过设置具有与模具箱周向相匹配的型腔的外围支撑箱体，使得在压制型煤大样品时模具箱的周向没有膨胀的空间，不会因受到强大的冲击力而受到疲劳破坏的影响，提高了装置的使用寿命。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为煤层注水相似模拟试验的原理图；

图2为煤层注水相似模拟试验装置的结构示意图

图3为型煤压制装置的结构示意图；

图4为模具箱的结构示意图；

图5为外围支撑箱体的结构示意图；

图6为传递梁的结构示意图；

图7为注水管的结构示意图。

附图标记：型煤压制装置1、水力增透系统2、模具箱11、外围支撑箱体12、传递梁13、注水管14、压力检测单元21、流量检测单元22、泵站23、水箱24。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

请参阅图1～图7，一种煤层注水相似模拟试验的方法，首先根据现场煤层注水经验确定经验湿润半径和/或经验注水压力范围，确定相似比例，以此推算实验室注水压力值；为了尽量相似试验的影响误差，相似煤样由现场煤样破碎成粉制作成型煤煤样，并选定现场实际围压大小模拟注水环境，再结合利用核磁共振技术，用原煤煤样和型煤煤样开展相同围压和注水压力参数条件对比试验，测试湿润速度，找到相似模型型煤与原煤相同注水环境下的影响相似比，再以型煤相似模拟注水试验测试结果和注水影响相似比推算现场实际湿润范围，以此模拟现场注水过程。实验原理如图1所示。

具体实验方法如下：

S1确定实验条件相似比：根据现场煤层注水经验确定经验湿润半径或经验注水压力范围，进而确定实验条件相似比；

S2根据实验条件相似比，确定相似模拟实验的煤样尺寸规格；

S3煤样制作：

S3.1原煤小样品Ⅰ制作：取现场煤样，采用去料加工的方式制作呈柱形的原煤小样品Ⅰ；

S3.2型煤小样品Ⅰ制作：用现场煤样，采用加料加工的方式制作与原煤小样品Ⅰ尺寸规格一致的型煤小样品Ⅰ，所述型煤小样品Ⅰ的基本参数与现场煤样的相似率不小于95％，其中基本参数指力学参数和孔隙率参数，所述型煤小样品Ⅰ的制作包括以下步骤：

S3.21取现场煤样，测试现场煤样的基本参数，并以此作为型煤煤样制作的基本参数；

S3.22将所述现场煤样破碎，添加不同比例的粘合剂和砂子制作多个不同组份配比的小样品；

S3.23测试所述小样品的基本参数；

S3.24选取与现场煤样基本参数相似率不小于95％的小样品作为型煤小样品Ⅰ；

S3.3型煤大样品制作：以型煤小样品Ⅰ的组份配比制作型煤大样品，在制作型煤大样品时预埋注水管，所述注水管的出口端位于型煤大样品的中心；

S4相似注水实验：

S4.1根据现场围压和现场注水动力参数对型煤大样品注水，待型煤大样品的表面有水涌出时，停止注水；

S4.2待型煤大样品的表面水流干后，在型煤煤样上钻取钻屑或取圆柱样；

S4.3测定不同钻孔深度的含水率分布，确定实验湿润半径B；

S5确定注水相似比：

S5.1将原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ分别置于核磁共振系统注水单元，施加现场围压和现场注水动力参数，然后测得原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ中的水分扩散速度分别为V₁和V₂；

S5.2计算注水相似比A＝V₁/V₂；

S6现场实际注水反演：现场实际注水影响半径C＝B×A。

本实施例用3000t的压力机模拟深度为5000m的煤层围压环境，模拟比例为1:1，即实验围压应力和深度为5000m的现场实际围压应力相同，相似注水实验的注水动力参数和现场注水动力参数相同。

煤样制作的具体方法如下：

取现场煤样，利用力学试验机测试其抗压抗拉抗剪主要力学参数，利用压汞仪、核磁共振系统测试煤样孔隙率等参数，以此作为煤样制作的基本参数。利用破碎机将现场取样的块煤破碎筛分后，添加一定比例粘合剂、砂子等制作多个不同组份配比的φ25mm×60mm小样品，同样测试力学参数及孔隙率等参数，通过调节砂子和粘合剂多少，调节硬度和孔隙率，选取与现场煤样近似条件的组份配比，以此组份配比制作400×400×600mm大尺寸的型煤大样品。

型煤压制装置如图3～图7所示，外围支撑箱体12采用150×150-16mm矩形钢管焊接制作成框架结构。模具箱11采用50mm厚钢板制作，内空尺寸为400×400×600mm，上表面为开放式，模具箱11放置于外围支撑箱体12内。加压装置采用已有加压系统产生压力，千斤顶活塞杆与模具箱11上表面50mm厚盖板连接，将相似材料填充模具箱11后，通过加压挤压，形成型煤。

用于相似注水实验的装置如下：

参考附图2，在制作型煤过程中，将选取的注水管14放置在型煤材料中，注水管14外侧涂抹黏胶，将注水管14与型煤压制在一起，注水管14外侧预留水管接口，然后通过水管接口与水力增透系统2连接，形成煤层注水系统。试验系统如图3所示。系统主要包括型煤压制装置1、压力检测单元21、流量检测单元22、泵站23、水箱24。相似模拟连接好注水系统后，根据模型围压和实验注水动力参数对型煤大样品注水进行注水试验，利用压力检测单元21与流量检测单元22控制注水压力与流量，待模型上表面有较多水涌出时，停止注水，待表面水流干后，利用手持电钻取钻屑或取圆柱样，利用核磁共振系统测定不同钻孔深度含水率分布，确定确定实验湿润半径B。

确定注水相似比的具体实验过程如下：

对原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ在核磁共振系统注水单元中开展相同注水试验，即对两个小样品均施加模型围压和实验注水压力，然后测得原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ中的水分扩散速度分别为V₁和V₂，其中水分扩散速度指单位时间内的湿润长度，取二者的比值V₁/V₂为注水试验相似比，确定为A。

实施例2

请参阅图2～图7，一种煤层注水相似模拟试验的装置，包括型煤压制装置1和水力增透系统2；型煤压制装置1包括模具箱11、外围支撑箱体12、传递梁13和埋置在型煤内的注水管14；模具箱11上开有注水管14的避让孔，避让孔为腰型孔，避让孔的中心与模具箱11的侧面中心重合，模具箱11的一端敞开，传递梁13设置在模具箱11的敞开处；外围支撑箱体12具有与模具箱11周向相匹配的型腔，模具箱11位于外围支撑箱体12的型腔内，且开口端朝上，外围支撑箱体12上也开有注水管14的避让孔；水力增透系统2包括与注水管14相连的泵站23，泵站23连接有水箱24，在连接泵站23和注水管14之间的管路上连接有压力检测单元21和流量检测单元22。

进一步，模具箱11的上方设有盖板，盖板固定连接在传递梁13靠近模具箱11的一端。

本发明通过煤层注水相似模拟试验方法可以反演现场实际注水湿润范围，获得最佳原煤湿润范围，以此指导现场煤层注水工作，以达到现场最佳抑尘效果，解决了因现场注水效果差引起地抑尘效果差的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1确定实验条件相似比：根据现场煤层注水经验确定经验湿润半径或经验注水压力范围，进而确定实验条件相似比；

S2根据实验条件相似比，确定相似模拟实验的煤样尺寸规格；

S3煤样制作：

S3.1原煤小样品Ⅰ制作：取现场煤样，采用去料加工的方式制作呈柱形的原煤小样品Ⅰ；

S3.2型煤小样品Ⅰ制作：用现场煤样，采用加料加工的方式制作与原煤小样品Ⅰ尺寸规格一致的型煤小样品Ⅰ，所述型煤小样品Ⅰ的基本参数与现场煤样的相似率不小于95％，其中基本参数指力学参数和孔隙率参数；

S3.3型煤大样品制作：以型煤小样品Ⅰ的组份配比制作型煤大样品，在制作型煤大样品时预埋注水管，所述注水管的出口端位于型煤大样品的中心；

S4相似注水实验：

S4.1根据现场围压和现场注水动力参数对型煤大样品注水，待型煤大样品的表面有水涌出时，停止注水；

S4.2待型煤大样品的表面水流干后，在型煤煤样上钻取钻屑或取圆柱样；

S4.3测定不同钻孔深度的含水率分布，确定实验湿润半径B；

S5确定注水相似比：

S5.1将原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ分别置于核磁共振系统注水单元，施加现场围压和现场注水动力参数，然后测得原煤小样品Ⅰ和型煤小样品Ⅰ中的水分扩散速度分别为V₁和V₂；

S5.2计算注水相似比A＝V₁/V₂；

S6现场实际注水反演：现场实际注水影响半径C＝B×A。

2.根据权利要求1所述的一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于，所述型煤小样品Ⅰ的制作包括以下步骤：

S3.21取现场煤样，测试现场煤样的基本参数，并以此作为型煤煤样制作的基本参数；

S3.22将所述现场煤样破碎，添加不同比例的粘合剂和砂子制作多个不同组份配比的小样品；

S3.23测试所述小样品的基本参数；

S3.24选取与现场煤样基本参数相似率不小于95％的小样品作为型煤小样品Ⅰ。

3.根据权利要求2所述的一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于：步骤S3.21中采用力学试验机测试其抗压、抗拉、抗剪力学参数。

4.根据权利要求2所述的一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于：步骤S3.21中采用压汞仪和核磁共振系统测试孔隙率参数。

5.根据权利要求1所述的一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于：步骤S3.1中的原煤小样品Ⅰ的尺寸规格为φ25mm×60mm。

6.根据权利要求1所述的一种煤层注水相似模拟试验的方法，其特征在于：步骤S3.3中的型煤大样品的尺寸规格为400×400×600mm。

7.一种煤层注水相似模拟试验的装置，其特征在于：包括型煤压制装置和水力增透系统；所述型煤压制装置包括模具箱、外围支撑箱体、传递梁和埋置在型煤内的注水管；

所述模具箱上开有注水管的避让孔，所述模具箱的顶端敞开，所述传递梁设置在模具箱的敞开处；

所述外围支撑箱体具有与模具箱周向相匹配的型腔，所述模具箱位于外围支撑箱体的型腔内；

所述水力增透系统包括与注水管相连的泵站，所述泵站连接有水箱，在连接泵站和注水管之间的管路上连接有压力检测单元和流量检测单元。

8.根据权利要求7所述的一种煤层注水相似模拟试验的装置，其特征在于：所述避让孔的中心与模具箱的侧面中心重合。

9.根据权利要求7所述的一种煤层注水相似模拟试验的装置，其特征在于：所述避让孔为腰型孔。

10.根据权利要求7所述的一种煤层注水相似模拟试验的装置，其特征在于：所述模具箱的上方设有盖板，所述盖板固定连接在传递梁靠近模具箱的一端。

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