CN111852474A - 一种煤层注水模型试验装置及试验方法 - Google Patents

一种煤层注水模型试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤层注水模型试验装置及试验方法,包括承载框架,其内部用于放置被测煤层试样,并可倾斜的固定在固定支架上;注水机构,安装在所述承载框架外,用于向承载框架内部的被测煤层试样内注水;加载机构,与所述注水机构和所述承载框架内部的承压板连接,用于通过所述承压板对被测煤层试样施加加载力、以及给所述注水机构提供气压以转化为向所述被测煤层试样内注水的水压。本发明的煤层注水模型试验装置的结构合理,操作简单,可根据煤矿的煤层倾角、地应力及煤质等情况进行针对性实验,可模拟出不同注水压力、流速及时间等注水条件下煤层的注水情况,可以得到煤层的最佳注水工艺。

Description

一种煤层注水模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于矿山开采试验的技术领域,尤其涉及一种煤层注水模型试验装置及试验方法。
背景技术
在进行煤层开采过程中,煤层注水技术是保证安全开采至关重要的一部分。在对煤质较坚硬的煤层进行注水时,在水的作用下改变了煤层的整体结构,使其力学强度降低达到弱化效果,进而卸载煤层在地形变动作用下储存的能量,可有效的防止冲击地压、煤与瓦斯突出等重大灾害的发生;在对煤质松软的煤层进行注水时,水在煤层中扩散并充满煤层的裂隙、孔隙等结构,由于水的存在加强煤层结构之间的相互作用,其力学强度提高达到固化效果,进而防止片帮、冒落、冒顶等安全事故的发生。煤层注水还可以降低工作环境的粉尘浓度,预防自燃、粉尘爆炸,同时减小对工作人员的健康危害及工作设备的损耗。
由于不同的煤矿煤层的地质结构及煤质情况的不同,采用的注水工艺也大不相同。采用现场实验测试时往往测试工序复杂、周期长、人力、物力消耗多,管理难度也比较大。
发明内容
基于上述现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题在于提供一种煤层注水模型试验装置及试验方法,通过对现场煤层进行注水模型试验,得出在模型中不同注水工艺下水在煤层中的扩散现象,得到注水效果最佳的注水工艺,得到的结果可以反映现场实际注水情况,进而应用到实际工程中。
为了解决上述技术问题,本发明通过以下技术方案来实现:本发明提供一种煤层注水模型试验装置,包括承载框架,其内部用于放置被测煤层试样,并可倾斜的固定在固定支架上;注水机构,安装在所述承载框架外,用于向承载框架内部的被测煤层试样内注水;加载机构,与所述注水机构和所述承载框架内部的承压板连接,用于通过所述承压板对被测煤层试样施加加载力、以及给所述注水机构提供气压以转化为向所述被测煤层试样内注水的水压。
可选的,所述加载机构包括第一加载机构和第二加载机构,所述第一加载机构包括位于所述承载框架顶部并为试样煤层提供地应力的气缸、固定在所述气缸的活塞杆上的压力传感器;所述压力传感器连接有力值显示控制仪,用于显示试样煤层所受的应力是否达到模拟地应力数值;所述气缸由气泵进行控制。
进一步的,所述气泵和所述气缸之间连接有气源处理装置和手动气控阀。
进一步的,所述气源处理装置包括用于过滤掉气源端压缩空气中的水汽、油气和粉尘杂质的气源过滤器、用于使气泵产生的气压更加稳定的稳压阀和用于对气缸的运动部件起到润滑的作用的油雾器。
可选的,所述注水机构包括承压水箱、位于所述承压水箱顶部的进气口、位于所述承压水箱中下部的出水口,所述进气口通过第一耐压管与所述第二加载机构的气泵连接,所述出水口通过第二耐压管与所述承载框架的注水孔连接;所述进气口和出水口上设有截止阀,所述第二耐压管上安装有转子流量计。
进一步的,所述进气口的数量为两个,其中一个进气口用于与所述第二加载机构连接;另外一个进气口在储存水过程中打开截止阀平衡气压,进行试验时是关闭截止阀维持气压。
可选的,所述固定支架呈L型,其每条边上具有长条形滑动槽,所述承载框架根据试验需要角度通过螺栓和长条形滑动槽固定在该固定支架上。
本发明还提供一种上述的煤层注水模型试验装置的试验方法,包括以下步骤:
S1、煤层物理、力学性质测试:取现场煤层试样并测试其物理、力学参数;
S2、确定实验模型相似比:根据煤层现场情况和模型试验设备确定煤层尺寸,物理、力学性质和注水压力、注水孔深、注水流量、注水时间、注水量等注水条件的相似比;
S3、实验煤样:采用现场煤样或加工成型煤试件进行试验,型煤与现场煤样的相似率不得低于95%;
S4、注水实验:
S4.1、检查并连接实验设备,将承载框架打开水平放置,将被测煤层试样平铺入承载框架的下半部分,放置好后将承载框架的两部分重新组合固定,调整承压板压住模拟煤层的顶部;
S4.2、将承载框架以实验要求角度固定在固定支架上,启动第一加载机构加载至力值显示控制仪显示的应力达到模拟地应力数值;
S4.3、调整第二加载机构至注水压力大小,打开进气口和出水口的截止阀进行加载并控制注水流量;
S4.4、达到注水量、注水时间等注水条件时停止加载并关闭阀门;
S5、打开承载框架,对试验煤样钻取钻屑或取圆柱样并测试含水率分布,最终确定湿润范围;
S6、根据不同注水条件下的扩散范围,确定最佳注水工艺。
由上,本发明的煤层注水模型试验装置的结构合理,操作简单,可根据煤矿的煤层倾角、地应力及煤质等情况进行针对性实验,可模拟出不同注水压力、流速及时间等注水条件下煤层的注水情况,可以得到煤层的最佳注水工艺。
本发明的煤层注水模型试验装置可有效的模拟在不同煤层倾角、地应力及煤质的情况下,不同注水压力、注水流量、注水量等注水条件对扩散范围的影响。与传统的现场实验相比具有测试难度低、周期短、费用低且人力消耗少等优点,在各个条件下相似的情况下可准确还原工程实际中的现象,为工程实际中的注水工艺提供重要参考。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下结合优选实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明优选实施例的煤层注水模型试验装置的结构示意图;
图2为本发明的承压水箱的结构示意图;
图3为本发明的固定支架的结构示意图;
图4为本发明的承载框架的左视图;
图5为本发明的承载框架的俯视图。
图中,1、第一耐压管;2、进气口;3、截止阀;4、出水口;5、承压水箱;6、刻度线;7、转子流量计;8、固定支架;9、螺栓;10、承载框架;11、滑动凹槽;12、气缸;13、法兰板;14、凹型槽;15、压力传感器;16、承压板;17、注水孔;18、注水管;19、封孔螺栓;20、手动气控阀;21、气源处理装置;22、气源过滤器;23、精密稳压阀;24、油雾器;25、气泵;26、力值显示控制仪;27、计算机。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式,其作为本说明书的一部分,通过实施例来说明本发明的原理,本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中,不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
本发明采用模型试验的方法对煤层注水技术进行研究,模型试验是基于相似原理对模型的破坏特征和力学性质进行研究,通过模型试验的表征及现象推断出原型中可能发生的特征及规律,从而解决工程中的实际问题。模型试验方法有效解决了现场实验测试存在的问题,并能准确还原煤层注水的现场情况。
如图1~5所示,本发明的煤层注水模型试验装置包括加载机构、注水机构和承载框架,其中,加载机构主要由气泵25、气源处理装置21、手动气控阀20、气缸12、压力传感器13、力值显示控制仪26和计算机27组成,加载机构通过耐压管1与注水机构相连接提供注水动力,加载机构的气缸12由法兰板13和螺栓固定在承载框架10的顶部,为模拟煤层提供地应力,压力传感器15固定在气缸12的活塞杆上。气源处理装置21由气源过滤器22、精密稳压阀23和油雾器24组成,其中,气源过滤器22可以过滤掉气源端压缩空气中的水气、油气、粉尘杂质,起到空气净化的作用;精密稳压阀23具有稳压的效果,使产生的气压更加稳定,油雾器24可以对气缸等部件起到润滑的作用。
注水机构主要由承压水箱5、截止阀3、进气口2、出水口4、转子流量计7和耐压管组成,承压水箱5顶部的进气口2通过第一耐压管1连接加载机构,加载机构提供的气压转化为出水口4的水压,出水口4通过第二耐压管连接转子流量计7,所述转子流量计7通过第二耐压管与承载框架10的注水孔17连接,注水孔17设置在承载框架10的底部和侧面。
承载框架10根据试验需要角度通过螺栓9固定在固定支架8上,固定支架8呈L型,其每条边上具有长条形滑动槽,承载框架10通过螺栓9和长条形滑动槽的配合固定在该固定支架8上。固定支架8的底部边框要高,以便有充足的空间供承载框架10转动以进行试验。承载框架10由钢板拼接而成且分为上、下两个部分,连接处采用凹型槽14接合固定成封闭的立方体,承载框架10的内部设有承压板16与加载机构的气缸12的活塞杆相连接,承载框架10的内部设有滑动凹槽11,承压板16的两端滑动连接在滑动凹槽11中,通过滑动凹槽11使承压板16的运动状态更加稳定。
本发明中,承载框架10的注水孔17的内壁设置有螺纹,闲置时应用封孔螺栓19进行封孔,使用时采用穿板接头连接注水管18进行注水试验,穿板接头连接处外径等于或略大于注水管18的内径。
承压水箱5的顶部设有两个进气口2和对应的截止阀3,其中一个进气口2用于与加载机构连接,另外一个进气口2在储存水过程中打开阀门平衡气压,进行试验时是关闭阀门维持气压。承压水箱5的表面还设有显示储水量的刻度线6。
本发明还提供一种适用于煤层注水模型试验装置的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、煤层物理、力学性质测试:取现场煤层试样并测试其物理、力学参数;
S2、确定实验模型相似比:根据煤层现场情况和模型试验设备确定煤层尺寸,物理、力学性质和注水压力、注水孔深、注水流量、注水时间、注水量等注水条件的相似比;
S3、实验煤样:采用现场煤样或加工成型煤试件进行试验,型煤与现场煤样的相似率不得低于95%;
S4、注水实验:
S4.1、检查并连接实验设备,将承载框架打开水平放置,将实验煤样平铺入承载框架的下半部分,放置好后将承载框架的两部分重新组合固定,调整承压板压住模拟煤层顶部;
S4.2、将承载框架以实验要求角度固定在固定支架上,启动第一加载机构加载至力值显示控制仪显示的应力达到模拟地应力数值;
S4.3、调整第二加载机构至注水压力大小,打开进气口和出水口的截止阀进行加载并控制注水流量;
S4.4、达到注水量、注水时间等注水条件时停止加载并关闭阀门;
S5、打开承载框架,对试验煤样钻取钻屑或取圆柱样并测试含水率分布,最终确定湿润范围。
S6、根据不同注水条件下的扩散范围,确定最佳注水工艺。
本发明的煤层注水模型试验装置的结构合理,操作简单,可根据煤矿的煤层倾角、地应力及煤质等情况进行针对性实验,可模拟出不同注水压力、流速及时间等注水条件下煤层的注水情况,可以得到煤层的最佳注水工艺。
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤层注水模型试验装置,其特征在于:包括:
承载框架(10),其内部用于放置被测煤层试样,并可倾斜的固定在固定支架(8)上;
注水机构,安装在所述承载框架(10)外,用于向承载框架(10)内部的被测煤层试样内注水;
加载机构,与所述注水机构和所述承载框架(10)内部的承压板(16)连接,用于通过所述承压板(16)对被测煤层试样施加加载力、以及给所述注水机构提供气压以转化为向所述被测煤层试样内注水的水压。
2.如权利要求1所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述加载机构包括第一加载机构和第二加载机构,所述第一加载机构包括位于所述承载框架(10)顶部并为试样煤层提供地应力的气缸(12)、固定在所述气缸(12)的活塞杆上的压力传感器(15);
所述压力传感器(15)连接有力值显示控制仪(26),用于显示试样煤层所受的应力是否达到模拟地应力数值;
所述气缸(12)由气泵(25)进行控制。
3.如权利要求2所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述气泵(25)和所述气缸(12)之间连接有气源处理装置(21)和手动气控阀(20)。
4.如权利要求3所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述气源处理装置(21)包括用于过滤掉气源端压缩空气中的水汽、油气和粉尘杂质的气源过滤器(22)、用于使气泵(25)产生的气压更加稳定的稳压阀(23)和用于对气缸(12)的运动部件起到润滑的作用的油雾器(24)。
5.如权利要求2所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述注水机构包括承压水箱(5)、位于所述承压水箱(5)顶部的进气口(2)、位于所述承压水箱(5)中下部的出水口(4),所述进气口(2)通过第一耐压管(1)与所述第二加载机构的气泵连接,所述出水口(4)通过第二耐压管与所述承载框架的注水孔(17)连接;
所述进气口(2)和出水口(4)上设有截止阀(3),所述第二耐压管上安装有转子流量计(7)。
6.如权利要求5所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述进气口(2)的数量为两个,其中一个进气口(2)用于与所述第二加载机构连接;另外一个进气口(2)在储存水过程中打开截止阀(3)平衡气压,进行试验时是关闭截止阀(3)维持气压。
7.如权利要求1所述的煤层注水模型试验装置,其特征在于,所述固定支架(8)呈L型,其每条边上具有长条形滑动槽,所述承载框架(10)根据试验需要角度通过螺栓(9)和长条形滑动槽固定在该固定支架(8)上。
8.一种采用如权利要求2至7任一项所述的煤层注水模型试验装置的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、煤层物理、力学性质测试:取现场煤层试样并测试其物理、力学参数;
S2、确定实验模型相似比:根据煤层现场情况和模型试验设备确定煤层尺寸,物理、力学性质和注水压力、注水孔深、注水流量、注水时间、注水量等注水条件的相似比;
S3、实验煤样:采用现场煤样或加工成型煤试件进行试验,型煤与现场煤样的相似率不得低于95%;
S4、注水实验:
S4.1、检查并连接实验设备,将承载框架(10)打开水平放置,将被测煤层试样平铺入承载框架(10)的下半部分,放置好后将承载框架(10)的两部分重新组合固定,调整承压板(16)压住模拟煤层的顶部;
S4.2、将承载框架(10)以实验要求角度固定在固定支架(8)上,启动第一加载机构加载至力值显示控制仪(26)显示的应力达到模拟地应力数值;
S4.3、调整第二加载机构至注水压力大小,打开进气口(2)和出水口(4)的截止阀(3)进行加载并控制注水流量;
S4.4、达到注水量、注水时间等注水条件时停止加载并关闭阀门;
S5、打开承载框架(10),对试验煤样钻取钻屑或取圆柱样并测试含水率分布,最终确定湿润范围;
S6、根据不同注水条件下的扩散范围,确定最佳注水工艺。
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