CN113376034B - 模拟岩层钻孔co2致裂岩样破坏机制的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体冲击测试技术领域，尤其涉及一种模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统，包括岩层模拟钻孔筒体，岩层模拟钻孔筒体两端均设有焊接法兰和密封法兰，位于同一端的焊接法兰和密封法兰之间由六角头螺栓紧固连接，右侧的密封法兰设有穿线孔，岩层模拟钻孔筒体内设置有CO2致裂管和用于将CO2致裂管定位居中在岩层模拟钻孔筒体内的定心居中控制组件，岩层模拟钻孔筒体外壁上设置有内部设有岩样的岩样盒机构，本发明实现了沿钻孔不同深度处岩样的CO2气体冲击测试，同时能够完整保存CO2气体冲击后岩样破碎块和裂缝破坏形态，用于后期岩样的各种实验室测试和研究。
Description
技术领域
本发明属于气体冲击测试技术领域，尤其涉及一种模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统。
背景技术
液态二氧化碳在致裂过程中，不会产生高温和火花，不会引起瓦斯及煤尘爆炸，是常用于煤岩动力灾害的安全型治理技术，具有其他现有技术不可替代的安全性优势。
CO2致裂是一种新兴的煤矿开采技术，CO2致裂与传统的炸药爆破不同，具有前期气体冲击与后期气体静压作用的效果，CO2致裂形成的高压射流致裂煤体，在煤层中形成裂缝卸压圈，造成煤体一定范围内的卸压增透，改善区域应力场、瓦斯压力场，实现瓦斯的高效抽采，同时，能有效的降低突出煤层发生煤与瓦斯突出的危险性。
为研究CO2致裂岩体的机制、孔裂隙发育特征与致裂压力、距离、作用时间、定压剪切片强度、CO2灌装量等因素之间的关系，揭示岩层钻孔内CO2致裂作用后岩层裂缝的发育规律及孔裂隙发育规律，为现场应用提供理论基础，而在矿井巷道内进行实验时，需要施工钻孔、推送CO2致裂管、封孔等工作，给现场生产带来巨大的人力、物力消耗，影响矿井的正常生产，同时岩样裂缝的发育规律也无法直接观察计算。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、便于操作、安全可靠、为CO2致裂破岩技术较精确的提供理论支撑的岩层钻孔CO2致裂致裂岩样机制的测试系统及其测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统，包括岩层模拟钻孔筒体，岩层模拟钻孔筒体内设置有CO2致裂管，以及用于将CO2致裂管定位居中在岩层模拟钻孔筒体内的定心居中控制组件，岩层模拟钻孔筒体外壁上还设置有用于保证岩样完整性的岩样盒机构，岩层模拟钻孔筒体两端均设有焊接法兰和密封法兰，位于同一端的焊接法兰和密封法兰之间由六角头螺栓紧固连接，右侧的密封法兰设有穿线孔；
岩样盒机构包括外部均设有装卸卡槽的岩样盒体和岩样盒盖，岩样盒体内设有岩样，岩样盒盖外端设有用于释放气体压力的泄压孔。
进一步地，定心居中控制组件包括圆筒状的管体连接器，管体连接器的左端与CO2致裂管连接，右端与圆饼状的定心居中圆盘和定位螺栓连接。
进一步地，定心居中圆盘的直径与模拟钻孔的内径数值相同。
进一步地，装卸卡槽为凹陷的倒棱锥型。
进一步地，岩样盒机构通过螺纹连接在模拟钻孔筒体外部，在模拟钻孔筒体上等距分布。
进一步地，岩样盒体为圆筒状，直径为50mm，长度为80～100mm。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
(1)定心居中控制组件能够将CO2致裂管固定在岩层模拟钻孔筒体的中心，通过定位螺栓实现大喷气孔或者小喷气孔两种试验方案。
(2)岩样盒盖中心的泄压孔设置，使得CO2致裂后岩层模拟钻孔筒体内部压力释放，提高试验安全性。
(3)分别设置在岩层模拟钻孔筒体左、中、右3个位置的岩样盒机构，能够模拟沿钻孔不同深度处岩样的CO2气体冲击测试。
(4)岩样盒机构采用不同高度的岩样盒体，满足不同长度岩样的冲击测试，同时能够完整保存CO2冲击后岩样破碎块和裂缝破坏形态，方便后期岩样的工业分析和工业CT扫描。
(5)岩样盒机构样盒盖与岩样盒体均设置装卸卡槽，不仅方便安装和取出岩样，而且能紧密的使得岩样盒机构与岩层模拟钻孔筒体结合在一起。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例1的结构侧视图。
其中：1-六角头螺栓；2-密封法兰；3-焊接法兰；4-岩层模拟钻孔筒体；5- 岩样盒盖；6-泄压孔；7-岩样；8-岩样盒体；9-CO2致裂管；10-装卸卡槽；11- 定心居中圆盘；12-定位螺栓；13-控制线；14-穿线孔；15-管体连接器；16-CO2； 17-小喷气孔；18-大喷气孔。
具体实施方式
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1和2所示，模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统，包括岩层模拟钻孔筒体4，岩层模拟钻孔筒体4两端均设有焊接法兰3和密封法兰2，位于同一端的焊接法兰3和密封法兰2之间由六角头螺栓1紧固连接，右侧的密封法兰2设有穿线孔14，岩层模拟钻孔筒体4内设置有CO2致裂管9，CO2 致裂管9的控制线14从穿线孔13处引出，岩层模拟钻孔筒体4相当于岩层中 CO2致裂管9的工作钻孔，CO2致裂管9两端均设有用于将CO2致裂管9定位居中在岩层模拟钻孔筒体4内的定心居中控制组件，定心居中控制组件包括圆筒状的管体连接器15，管体连接器15的左端与CO2致裂管9连接，右端与圆饼状的定心居中圆盘11和定位螺栓12连接，定心居中圆盘11的直径与岩层模拟钻孔筒体4的内径数值相同，这样可以起到防止CO2致裂管飞出的作用，并且还可以通过调整定位螺栓12的转向来调整大喷气孔18和小喷气孔17的位置，岩层模拟钻孔筒体4外壁上还设置有用于保证岩样完整性的岩样盒机构，岩样盒机构包括外部均设有装卸卡槽的岩样盒体8和岩样盒盖5，装卸卡槽10为凹陷的倒棱锥型，使用工具能够快速的装卸岩样盒体8和岩样盒盖5，岩样盒体尺寸为Φ50×100mm，岩样盒体8内设有岩样7，岩样的尺寸略小于岩样盒体8，保证岩样能够放入岩样盒体8中，岩样盒盖5外端设有用于释放气体压力的泄压孔6，这样可以使致裂岩样的CO216从泄压孔处逸出，大大提高试验的安全性，岩样盒机构通过螺纹连接在岩层模拟钻孔筒体4外部，在岩层模拟钻孔筒体4 上等距分布有12个，左、中、右每个剖面设有4个岩样盒机构。
模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的使用方法，包含以下步骤：
(1)岩样盒机构的组装：首先使用取芯机钻取圆柱岩样7，岩样两端打磨平整后放入岩样盒体8中，再使用扳手通过装卸卡槽10将岩样盒盖5和岩样盒体8紧紧相扣；
(2)定心居中控制组件的组装：通过定位螺栓12将管体连接器15和定心居中圆盘11连接在一起，组成定心居中控制组件，通过螺栓将定心居中控制组件和CO2致裂管9连在一起；
(3)调整喷气孔位置：将连接在一起的定心居中控制组件和CO2致裂管9 放入岩层模拟钻孔筒体4，通过定位螺栓12的旋转伸缩可改变大喷气孔18或小喷气孔17正对岩样7的位置；
(4)岩层模拟钻孔筒体的密封：先将左侧的密封法兰2通过六角头螺栓1 与焊接法兰3连接，接着将CO2致裂管的控制线13从穿线孔14引出，再将右侧的焊接法兰3和密封法兰2通过六角头螺栓1连接；
(5)将岩样盒机构通过螺纹连接在岩层模拟钻孔筒体4上，使用扳手将每个岩样盒机构安装在岩层模拟钻孔筒体4中；
(6)上述步骤完成后，通过控制线13引爆CO2致裂管9，CO2气体从喷气孔中喷出冲击岩样7；
(7)CO2致裂结果观测：实验完成后，将岩样盒机构拆下，分解岩样盒机构，将岩样7取出，记录岩层模拟钻孔筒体左、中、右三个位置上岩样的破环结果。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统，包括岩层模拟钻孔筒体，其特征在于：所述岩层模拟钻孔筒体内设置有CO2致裂管，用于将CO2致裂管定位居中在岩层模拟钻孔筒体内的定心居中控制组件，所述岩层模拟钻孔筒体外壁上还设置有用于保证岩样完整性的岩样盒机构，所述岩层模拟钻孔筒体两端均设有焊接法兰和密封法兰，位于同一端的焊接法兰和密封法兰之间由六角头螺栓紧固连接，右侧的密封法兰设有穿线孔；所述岩样盒机构包括外部均设有装卸卡槽的岩样盒体和岩样盒盖，所述岩样盒体内设有岩样，所述岩样盒盖外端设有用于释放气体压力的泄压孔；
所述定心居中控制组件包括圆筒状的管体连接器，管体连接器的左端与CO2致裂管连接，右端与圆饼状的定心居中圆盘和定位螺栓连接；
所述定心居中圆盘的直径与模拟钻孔的内径数值相同；
所述装卸卡槽为凹陷的倒棱锥型；
所述岩样盒机构通过螺纹连接在模拟钻孔筒体外部，在模拟钻孔筒体上等距分布；
所述模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统的使用方法，包含以下步骤：
(1)岩样盒机构的组装：首先使用取芯机钻取圆柱岩样，岩样两端打磨平整后放入岩样盒体中，再使用扳手通过装卸卡槽将岩样盒盖和岩样盒体紧紧相扣；
(2)定心居中控制组件的组装：通过定位螺栓将管体连接器和定心居中圆盘连接在一起，组成定心居中控制组件，通过定位螺栓将定心居中控制组件和CO2致裂管连在一起；
(3)调整喷气孔位置：将连接在一起的定心居中控制组件和CO2致裂管放入岩层模拟钻孔筒体，通过定位螺栓的旋转伸缩改变大喷气孔或小喷气孔正对岩样的位置；
(4)岩层模拟钻孔筒体的密封：先将左侧的密封法兰通过六角头螺栓与焊接法兰连接，接着将CO2致裂管的控制线从穿线孔引出，再将右侧的焊接法兰和密封法兰通过六角头螺栓连接；
(5)将岩样盒机构通过螺纹连接在岩层模拟钻孔筒体上，使用扳手将每个岩样盒机构安装在岩层模拟钻孔筒体上；
（6)上述步骤完成后，通过控制线引爆CO2致裂管，CO2气体从喷气孔中喷出冲击岩样；
(7)CO2致裂结果观测：实验完成后，将岩样盒机构拆下，分解岩样盒机构，将岩样取出，记录岩层模拟钻孔筒体左、中、右三个位置上岩样的破环结果。
2.根据权利要求1所述的模拟岩层钻孔CO2致裂岩样破坏机制的测试系统，其特征在于：所述岩样盒体为圆筒状，直径为50mm，长度为80～100mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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