CN111272633B - 钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，包括试样准备；试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；加瓦斯压力；注水润湿；更换型煤试样，重复步骤二至步骤三，然后单独增加上压头施加的力至新预定值；重复步骤四至步骤五；同组其他试验；更换型煤试样，改变下流体孔孔径，或者改变注水速率、三轴压力参数，重复步骤一至步骤七；整理试验数据。采用带预留钻孔的煤型试样，置于真三轴试验测试装置中，并结合注气孔、上流体孔、下流体孔的巧妙设置，注水、注气的有效控制，能真实反映煤层在原生应力作用下，钻孔变形引起的煤层渗透率及润湿效果演化机制。

Description

钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法

技术领域

本发明属于煤层开采模拟试验方法技术领域，具体涉及一种利用真三轴试验测试装置进行钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法。

背景技术

深部开采的松软煤层具有应力高、力学强度低、瓦斯大且解吸速度快、煤层厚度变化较大等特征，抽采钻孔在松软煤层施工时，经常出现喷孔、顶钻、卡钻等动力现象，常会出现大范围塌孔，形成钻穴；成孔后，钻孔孔壁也会发生变形、冒落、坍塌，导致孔径缩小或者闭合，阻断注水渗流的通道，严重影响了煤层注水润湿效率。

研究高应力松软煤层抽采钻孔变形失稳特征，对解决高应力松软煤层钻孔失稳坍塌问题、有效提高瓦斯抽采效果有着重要的理论指导意义。

已有成果大都是对钻孔失稳前变形特征等进行研究，而对钻孔变形失稳过程及失稳后的相关规律尚未进行研究，尤其未对钻孔失稳过程以及失稳后的煤岩渗流演化机制进行研究，这对优化注水钻孔与抽采钻孔布置、提高煤层润湿效率与抽采效果、有效防治灾害有着重要的理论指导意义。

发明内容

本发明拟提供一种真三轴应力下钻孔变形影响煤岩渗透性与润湿效果的模拟试验方法，用于研究煤层在原生应力作用下，钻孔变形引起的煤层渗透率及润湿效果演化机制，为科学选择相关工艺参数提供科学依据。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样准备；

将原煤破碎研磨至要求粒径范围，通过震动筛将研磨后煤粉筛分并烘干备用，将煤粉按照粒径配比要求进行混合，并按比例添加煤粉粘结剂后搅拌均匀，将煤粉装入模具压制成型煤试样，压制时在型煤试样中心预埋杆件，杆件贯穿试样上、下表面，使型煤试样中预留钻孔，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置型煤试样，型煤试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；

将型煤试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将型煤试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；

首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移，使上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面，其中，前、后、左、右压头及对应的试样垫块上均布置有注气孔，上压头及对应的试样垫块上设置有上流体孔，下压头及对应的试样垫块上设置有下流体孔，且上、下流体孔正对型煤试样的预留钻孔；

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对型煤试样施加应力至预定值；

步骤四、加瓦斯压力；

关闭下流体孔，通过前、后、左、右四个注气孔同时向型煤试样注瓦斯，由上流体孔作为出气孔，记录瓦斯流量变化，待瓦斯流速稳定后，通过径向渗流渗透率计算公式计算煤岩试样渗透率k：

其中

Q_i是注入流量，μ是注入流体粘度，L是钻孔注水段长度，P_u与P_d分别为进出水孔的流体压力，r_i为钻孔内径，l₁与l₂分别为试样的长和宽；

步骤五、注水润湿；

关闭前、后、左、右四个注气孔，同时开启上、下流体孔，由下流体孔注水，当上流体孔有水流出后，关闭上流体孔，打开前、后、左、右四个注气孔，以预定注水速率由下流体孔向型煤试样中注水，同时记录前、后、左、右四个注气孔的气体流量变化，直至前、后、左、右四个注气孔之一有水流出，此时的时间记为注水完成时间；

步骤六、更换型煤试样，重复步骤二至步骤三，然后单独增加上压头施加的力至新预定值；

步骤七、重复步骤四至步骤五；

步骤八、同组其他试验；更换型煤试样，改变下流体孔孔径，或者改变注水速率、三轴压力参数，重复步骤一至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

作为上述方案的优选，所述前、后、左、右试样垫块的注气孔包括靠近外侧的主注气孔和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔，且所有小注气孔与主注气孔通过纵横交错设置的注气连通沟槽连通。优化前、后、左、右试样垫块上注气孔的结构，实现对试样的均匀注气。

进一步优选为，所述型煤试样为正方体，型煤试样尺寸为200×200×200mm。

进一步优选为，所述预留钻孔长200mm，直径为10mm。

本发明的有益效果：

(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；

(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；

(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；

(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；

(5)采用带预留钻孔的煤型试样，置于真三轴试验测试装置中进行真三轴应力下钻孔变形影响煤岩渗透性与润湿效果的模拟试验，并结合注气孔、上流体孔、下流体孔的巧妙设置，注水、注气的有效控制，能真实反映煤层在原生应力作用下，钻孔变形引起的煤层渗透率及润湿效果演化机制，为科学选择相关工艺参数提供科学依据。

附图说明

图1为本发明所采用的真三轴试验测试装置的结构示意图(含试样装入和取出两种状态)。

图2为图1中主机和主机支撑组件的左视图。

图3为六块试样垫块围成的试样密封垫的立体图。

图4为图3的剖视状态的正视图。

图5为图3的剖视状态的俯视图。

图6为前、后、左、右试样垫块上注气孔的透视图。

图7为试样垫块棱边密封采用硅橡胶固化后的状态。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样准备；

将原煤破碎研磨至要求粒径范围，通过震动筛将研磨后煤粉筛分并烘干备用，将煤粉按照粒径配比要求进行混合，并按比例添加煤粉粘结剂后搅拌均匀，将煤粉装入模具压制成型煤试样，压制时在型煤试样中心预埋杆件，杆件贯穿试样上、下表面，使型煤试样中预留钻孔18(如图4所示)，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用。

最好是，型煤试样为正方体，型煤试样尺寸为200×200×200mm。预留钻孔18最好长200mm，直径为10mm。但不限于此。

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

如图1—图5所示，真三轴试验测试装置主要由主机A、主机支撑组件B、滑轨C、滑轨支撑组件D和伺服油缸E组成。主机A通过主机支撑组件B支撑在地面上，六套伺服油缸E布置在主机A外的上下、左右、前后方向(即XYZ三个方向)。滑轨C在主机A下方前后延伸设置，且滑轨C穿过主机A后通过滑轨支撑组件D支撑在地面上。

整体环形框架1采用铸造成型，整体环形框架1的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板2。整体环形框架1和两个盖板2共同围成主机壳。主机内腔用于放置型煤试样3，型煤试样3的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块4，共需六个试样垫块4。位于下侧的试样垫块4下方设置有能在滑轨C上前后移动的试样移动支架5。

前后侧的伺服油缸E设置在对应侧的盖板2外，且前后侧的伺服油缸E下均设置有能在滑轨C上前后移动的油缸移动支架6，盖板2能随着对应侧的伺服油缸E一起移动。上下左右侧的伺服油缸E设置在整体环形框架对应侧外。

伺服油缸E的活塞杆7前端居中位置处设置有载荷传感器8，载荷传感器8最好采用嵌入安装。载荷传感器8的前端设置有压头9，载荷传感器8的前端穿过主机壳后安装有压头9。对型煤试样3加载时，压头9直接抵在对应侧的试样垫块4上。在进行试验前，将试样垫块4安装在型煤试样3外，再在试样垫块4连接处进行密封，完成密封后，将型煤试样3放置在试样移动支架5上，并将试样移动支架5及后侧的油缸移动支架6依次推入到主机内腔内并固定，使所有压头9均直接抵在对应侧的试样垫块4之后再进行试验。

将型煤试样放入六块试样垫块4围成的腔体内并通过快锁14组合安装后，再结合试样垫块4接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将型煤试样3密封其中；棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块4之间的密封(如图7所示)。在硅橡胶固化后实现预密封，在试验时，通过主机内腔的围压，使硅橡胶紧贴试样，不仅能实现试样垫块4相邻表面之间的密封，还能减弱棱边处的边界效应。最好是，伺服油缸E内设置有油缸位移传感器10，上下左右侧的伺服油缸E通过端盖11固定安装在整体环形框架1上，前后侧的伺服油缸E通过盖板2固定安装在整体环形框架1上，所有活塞杆7穿过主机壳的位置处均设置有衬套，以保证主机内腔的密封性。

最好是，在六个试样垫块4围成的密封腔外的XYZ方向上，成对配备有试样变形位移传感器12，试样变形位移传感器12通过位移传感器加长杆13安装在试样垫块4的棱边外，且同一方向上的一对试样变形位移传感器12呈对角错开设置，能实现真三轴条件下不平衡不均匀变形的测量。

最好是，还配备有两套电液伺服增压器，分别为主机内腔提供围压、为试样提供注水压或渗透压，让围压、注水压或渗透压分别控制，可完成复杂的试验条件。电液伺服增压器内的控制高压阀门的工作压力大于增压最高输出的压力，为了保证工作的高可靠性和长使用寿命。

最好是，还配备有轴向柱塞泵液压源，且液压源带高低压转换，便于试验时，高低压的顺利切换。

先将型煤试样装入六块试样垫块4围成的试样密封垫内，再在棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后，通过试样移动支架5将试样推入到主机内腔中，最后通过油缸移动支架6将前后侧的盖板2安装在整体环形框架1上，安装时保证主机内腔的密封，之后开始试验。

首先将试样密封垫安装在下压头9上，再控制上压头9下移，使上压头9与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头9移动，使对应的压头9分别贴合到试样密封垫的对应表面，其中，前、后、左、右压头9及对应的试样垫块4上均布置有注气孔15，上压头9及对应的试样垫块4上设置有上流体孔16，下压头9及对应的试样垫块4上设置有下流体孔17，且上、下流体孔正对型煤试样的预留钻孔18。注气孔15、上流体孔16、下流体孔17的安装位置处均采用密封圈。

最好是，如图6所示，前、后、左、右试样垫块4的注气孔15包括靠近外侧的主注气孔15a和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔15b，且所有小注气孔15b与主注气孔15a通过纵横交错设置的注气连通沟槽15c连通。

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头9对型煤试样施加应力至预定值。

步骤四、加瓦斯压力；

关闭下流体孔17，通过前、后、左、右四个注气孔15同时向型煤试样注瓦斯，由上流体孔16作为出气孔，记录瓦斯流量变化，待瓦斯流速稳定后，通过径向渗流渗透率计算公式计算煤岩试样渗透率。通过径向渗流渗透率计算公式计算煤岩试样渗透率k：

其中

Q_i是注入流量，μ是注入流体粘度，L是钻孔注水段长度，P_u与P_d分别为进出水孔的流体压力，r_i为钻孔内径，l₁与l₂分别为试样的长和宽。

步骤五、注水润湿；

关闭前、后、左、右四个注气孔15，同时开启上、下流体孔，由下流体孔17注水，当上流体孔16有水流出后，关闭上流体孔16，打开前、后、左、右四个注气孔15，以预定注水速率由下流体孔17向型煤试样中注水，同时记录前、后、左、右四个注气孔15的气体流量变化，直至前、后、左、右四个注气孔15之一有水流出，此时的时间记为注水完成时间。

步骤六、更换型煤试样，重复步骤二至步骤三，然后单独增加上压头9施加的力至新预定值。

步骤七、重复步骤四至步骤五。

步骤八、同组其他试验；更换型煤试样，改变下流体孔17孔径，或者改变注水速率、三轴压力参数，重复步骤一至步骤七。

步骤九、整理试验数据。下表为试验过程中的记录数据。

Claims (4)

1.一种钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、试样准备；

将原煤破碎研磨至要求粒径范围，通过震动筛将研磨后煤粉筛分并烘干备用，将煤粉按照粒径配比要求进行混合，并按比例添加煤粉粘结剂后搅拌均匀，将煤粉装入模具压制成型煤试样，压制时在型煤试样中心预埋杆件，杆件贯穿试样上、下表面，使型煤试样中预留钻孔(18)，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置型煤试样(3)，型煤试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服油缸(E)一起移动，上下左右侧的伺服油缸(E)固设在整体环形框架(1)的对应侧外，伺服油缸(E)的活塞杆(7)前端居中位置处设置有载荷传感器(8)，所述载荷传感器(8)的前端穿过主机壳后安装有压头(9)；

将型煤试样放入六块试样垫块(4)围成的腔体内并通过快锁(14)组合安装后再结合试样垫块(4)接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将型煤试样(3)密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块(4)之间的密封；

首先将试样密封垫安装在下压头(9)上，再控制上压头(9)下移，使上压头(9)与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头(9)移动，使对应的压头(9)分别贴合到试样密封垫的对应表面，其中，前、后、左、右压头(9)及对应的试样垫块(4)上均布置有注气孔(15)，上压头(9)及对应的试样垫块(4)上设置有上流体孔(16)，下压头(9)及对应的试样垫块(4)上设置有下流体孔(17)，且上、下流体孔(16、17)正对型煤试样的预留钻孔(18)；

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头(9)对型煤试样施加应力至预定值；

步骤四、加瓦斯压力；

关闭下流体孔(17)，通过前、后、左、右四个注气孔(15)同时向型煤试样注瓦斯，由上流体孔(16)作为出气孔，记录瓦斯流量变化，待瓦斯流速稳定后，通过径向渗流渗透率计算公式计算煤岩试样渗透率k：

其中

Q_i是注入流量，μ是注入流体粘度，L是钻孔注水段长度，P_u与P_d分别为进出水孔的流体压力，r_i为钻孔内径，l₁与l₂分别为试样的长和宽；

步骤五、注水润湿；

关闭前、后、左、右四个注气孔(15)，同时开启上、下流体孔(16、17)，由下流体孔(17)注水，当上流体孔(16)有水流出后，关闭上流体孔(16)，打开前、后、左、右四个注气孔(15)，以预定注水速率由下流体孔(17)向型煤试样中注水，同时记录前、后、左、右四个注气孔(15)的气体流量变化，直至前、后、左、右四个注气孔(15)之一有水流出，此时的时间记为注水完成时间；

步骤六、更换型煤试样，重复步骤二至步骤三，然后单独增加上压头(9)施加的力至新预定值；

步骤七、重复步骤四至步骤五；

步骤八、同组其他试验；更换型煤试样，改变下流体孔(17)孔径，或者改变注水速率、三轴压力参数，重复步骤一至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

2.按照权利要求1所述的钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，其特征在于：所述前、后、左、右试样垫块(4)的注气孔(15)包括靠近外侧的主注气孔(15a)和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔(15b)，且所有小注气孔(15b)与主注气孔(15a)通过纵横交错设置的注气连通沟槽(15c)连通。

3.按照权利要求1所述的钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，其特征在于：所述型煤试样为正方体，型煤试样尺寸为200×200×200mm。

4.按照权利要求1所述的钻孔变形影响煤层渗透性与润湿效果的试验方法，其特征在于：所述预留钻孔(18)长200mm，直径为10mm。

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