CN113447633A - 一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿瓦斯治理或煤层气抽采技术领域，尤其是一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，现提出如下方案，其包括高压电脉冲发生装置，所述高压电脉冲发生装置电性连接有电压监测器和电流监测器，所述发生釜箱体上设有多个压力装置，所述压力装置均可对放置于发生釜箱体内部的实验煤体施加压力，所述高压电脉冲发生装置通过同轴电缆与所述实验煤体相连。本发明可以满足更加符合矿井实际环境条件的实验研究，将地应力和瓦斯气体压力两方面的因素同时考虑在内，对高压电脉冲的工程实际应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及到煤矿瓦斯治理或煤层气抽采领域，尤其是一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置。
背景技术
现有煤层增渗技术往往存在一定的局限性，需要进一步研究高效安全的新方法将煤体卸压增渗，高压电脉冲技术是近些年提出，是用于煤矿瓦斯治理的新方法，该方法利用液电效应，在特殊电极上瞬间施加高电压，产生等离子体，利用能量转化的规律，使电能转化为机械能将煤体致裂，现在实验室中已经开展了很多相关实验，但是，同时考虑地应力和瓦斯气体压力双重影响因素的实验鲜有报道，对真实情况下的高压电脉冲作用煤体的相关研究需要进一步开展。
针对上述情况，需要对存在地应力和瓦斯气体压力的双重因素进行实验研究，为实际工程的应用奠定重要理论基础，同时在不同实验条件下，采取致裂措施和检测致裂效果同步进行较难实现，且以往的实验装置中，大多数不方便移动，不能满足需要移动实验装置的需求，为此，本发明提出了一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置。
本实验装置采用同步监测实验煤体内部的应变和通过特殊的设计可以实现对煤体渗透率的同步测量，通过测量高压电脉冲放电致裂实验的电学参数，研究不同脉冲能量、脉冲功率下煤体的致裂增渗效果，对实际工程应用具有重要的指导意义，本实验装置设计为一体化车体可移动式，可以满足需要移动实验场所或需要改变特殊实验环境的情况。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，包括高压电脉冲发生装置，所述高压电脉冲发生装置电性连接有电压监测器和电流监测器，所述发生釜箱体上设有多个压力装置，所述压力装置均可对放置于发生釜箱体内部的实验煤体施加压力，所述高压电脉冲发生装置通过同轴电缆与所述实验煤体相连。
进一步地，所述实验装置还包括甲烷高压钢瓶，所述甲烷高压钢瓶与发生釜箱体之间连通有流量计，所述甲烷高压钢瓶上设有减压阀。
进一步地，多个所述压力装置分别可对发生釜箱体内部的实验煤体施加水平方向上和竖直方向上的压力。
进一步地，所述压力装置的伸长端均延伸至发生釜箱体中并固定连接有第一板。
进一步地，所述压力装置均包括液压缸，多个所述液压缸连接有液压泵，所述液压泵通过电磁溢流阀控制液压缸。
进一步地，所述发生釜箱体的外部设有动态应变仪，所述动态应变仪通过应变数据测量导线与实验煤体相连接，所述动态应变仪能够测量实验煤体内部特征点的应变数据。
进一步地，所述流量计能够测量由甲烷高压钢瓶进入实验煤体的气体含量，所述减压阀能够调节由甲烷高压钢瓶进入实验煤体的气体压力。
进一步地，所述发生釜箱体的底部设有车体。
本发明的有益效果：
1、本发明可以满足更加符合矿井实际环境条件的实验研究，将地应力和瓦斯气体压力两方面的因素同时考虑在内，对高压电脉冲的工程实际应用具有重要意义；
2、本发明对高压电脉冲致裂煤体的实验过程和测量实验效果的同步进行提供了可行的实施方案。可以方便的在该实验系统上进行实验的同时，分析相关数据规律，节省了实验的人力、物力；
3、本发明可以对高压电脉冲作用不同岩体进行研究，可以分析针对不同性质的煤体进行致裂实验，分析不同条件下，不同性质的煤体，其最佳的高压电脉冲能量和最佳的高压电脉冲功率，为煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采工程现场的应用提供进一步的数据支撑和奠定重要的理论基础；
4、本发明可以满足特定的改变实验环境的要求，可以随时移动实验装置满足特殊实验的需要，可以开展在复杂多变实验条件下的基础研究工作，不仅可以满足高压电脉冲在煤矿安全应用的基础研究中，还可以拓展高压电脉冲的应用领域，提高其应用效果。
附图说明
图1为本发明的本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明的实施例中发生釜箱体剖视图；
图3为本发明的实施例中发生釜箱体的右视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本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。
参照图1-3，一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，包括实验煤体23，所述实验煤体23放置在发生釜箱体3中，通过发生釜箱体3右侧预留孔，将同轴电缆2穿入，同轴电缆2前端安装特殊电极作用煤体，另一端连接高压电脉冲发生装置1提供高压电能；
所述发生釜箱体3可以对其内部的实验煤体23施加水平和竖直方向作用力及且发生釜箱体3能够密封气体；
在一些实施例中，发生釜箱体3中放置实验煤体23，通过在发生釜箱体3右侧预留孔将同轴电缆2与实验煤体23接触，在发生釜箱体3外由所述同轴电缆2连接高压电脉冲发生装置1，当进行高压电脉冲致裂实验煤体23时，由高压电脉冲发生装置1提供能量作用煤体；
通过对实验煤体23施加水平和竖直方向作用力，可以模拟煤体在实际地层中所承受的地应力，发生釜箱体3能够密封气体，在其中充入瓦斯气体后能够模拟煤层中所含有的瓦斯气体压力；
在一些实施例中，发生釜箱体3对其内部实验煤体23施加水平方向和竖直方向的作用力可以通过在发生釜箱体3上安装压力装置，安装的位置例如可以是发生釜箱体3的左、右两侧和顶侧，所述压力装置的伸长端均延伸至发生釜箱体3中并固定连接有第一板22，第一板22的材质可以为高强度钢板；
压力装置可以是液压缸、电动推杆或气缸等能够产生推力的伸缩装置，其中发生釜箱体3每侧的压力装置所选的具体实物可以相同，也可以不同；
例如，可以在发生釜箱体3的左、右两边和上边安装有三个特殊的液压缸，根据所选的液压缸，再通过液压泵10经由高压油管9推动液压缸产生强大的两个方向的作用力，通过液压泵10上的电磁溢流阀11调节液压缸水平和竖直方向作用力值的大小，以此来达到模拟地应力的约束力的目的；
通过第一液压缸4提供实验煤体23竖直方向的作用力，通过所述左右水平方向两个第二液压缸5提供实验煤体23水平方向的作用力，这样可以模拟实际工程中的地应力条件，两个方向的作用力可以相同、也可以不相同，通过所述电磁溢流阀11精准控制竖直方向和水平方向作用力的值；
在发生釜箱体3的外部设置有甲烷高压钢瓶15，甲烷高压钢瓶15通过充入瓦斯气体管道24将瓦斯气体充入实验煤体23中；
为了测量流入发生釜箱体3中的瓦斯气体含量，在一些实施例中，可在瓦斯气体管道24上安装入口流量计17，用于测量实验煤体23入口甲烷含量，可在发生釜箱体3的甲烷出口处安装出口流量计18，用于测量实验煤体23出口甲烷含量，通过入口流量计17和出口流量计18的差值再结合实验煤体23的尺寸特征便可以测量出实验煤体23的渗透率数据，在高压电脉冲作用煤体实验中，可以根据不同的实验目的，改变实验条件，研究实验煤体23在高压电脉冲作用前后的渗透率变化，直观的反应不同因素对煤体致裂增渗的影响规律；
甲烷高压钢瓶15上安装有减压阀16，模拟瓦斯气体压力通过甲烷高压钢瓶15经减压阀16调节需要的瓦斯压力，通过发生釜箱体3右侧预留孔注入发生釜箱体3中，在发生釜箱体3各个钢板的安装位置均垫有高强度硅胶垫，用螺丝将钢板与高强度硅胶垫压实扭紧，保证气体密封；
通过所述发生釜箱体3上预留孔由所述甲烷高压钢瓶15提供实验煤体23的含瓦斯条件，由所述钢瓶减压阀16可以任意调节甲烷的注入压力，可以实现在实验过程中，研究不同瓦斯压力和瓦斯含量因素对实验结果的相关影响规律；
高压电脉冲发生装置1电性连接有电压监测器20和电流监测器21，在一些实施例中，所述电压监测器20可以为高压探头电压监测器，所述电流监测器21可以为罗氏线圈电流监测器；
高压电脉冲发生装置1在作用实验煤体23的实验过程中，通过电压监测器20和电流监测器21实现致裂煤体过程中放电电压和放电电流的监测和采集，进一步地可以计算出脉冲能量和脉冲功率，可以开展在不同实验条件下，脉冲能量和脉冲功率对实验煤体23的不同致裂效果研究，从而可以得到针对不同工程背景下，不同煤体的最佳脉冲能量和脉冲功率，对工程实际提供重要的数据和理论依据；
实验煤体23内部某些特征点的应变数据的监测，它是通过在实验煤体23内部安置动态应变片，动态应变片连接导线由发生釜箱体3右侧的预留孔引出，与所述的动态应变仪19连接，在实验过程中由动态应变仪19检测煤体内部特征点的动态应变数据，进一步分析高压电脉冲对煤体的作用效果；
高压电脉冲发生装置1对煤体作用时的能量和功率的分析，它是通过高压电脉冲发生装置1上的高压探头电压检测器和罗氏线圈电流检测器测量相关电学参数，由电学参数计算出实验过程中的脉冲能量和脉冲功率，便于分析不同实验条件下的最佳脉冲能量和脉冲功率特征；
通过发生釜箱体3上预留孔将测量实验煤体23内部特征点应变的数据测量引出导线25引出，将数据测量引出导线25接到动态应变仪19上监测在实验过程中实验煤体23的内部动态应变值，可以实现高压电脉冲作用煤体和监测煤体致裂效果的同步实施；
发生釜箱体3的底部设置有车体12，所述车体12将所述发生釜箱体3和液压泵10集合在一起，使零散的实验结构成为一个整体，在车体12结构下方安装有高强度车轮14，在车体12结构左侧安装有所述的车体12手推横杆13，这样便可以实现实验装置的便捷移动，可以满足需要移动实验装置的特殊条件。
工作原理：进行高压电脉冲致裂煤体实验时，高压电脉冲发生装置1提供高压电能，通过同轴电缆2穿过发生釜箱体3连接实验煤体23，首先可以进行不施竖直方向和水平方向约束力的实验，之后再通过竖直方向的第一液压缸4和水平方向的第二液压缸5改变两个方向的约束力，用以模拟两个方向存在地应力的实验条件，对比存在地用力和不存在地应力时不同的实验结果；
之后可以通过甲烷高压钢瓶15由减压阀16调节充入实验煤体23的瓦斯压力，对比分析瓦斯压力因素对致裂实验煤体23的不同结果，实现高压电脉冲致裂含瓦斯煤体的实验研究；
上述实验中，针对不同的实验条件和不同的实验目的，通过电压监测器20和电流监测器21同步监测和采集致裂实验煤体23的放电电压和放电电流，通过动态应变仪19同步监测实验过程中实验煤体23内部的应变值，通过气体入口流量计17和出口流量计18测量在每一次实验前后实验煤体23的渗透率数据，分析不同实验条件下高压电脉冲对实验煤体23的增渗效果。
上述实验中，若需要改变实验场所条件，通过移动车体12可以轻松实现；
本发明可以在水平和竖直两个方向提供模拟地应力的约束力，试验箱体是密封空间，可以充入瓦斯气体，模拟实际矿井煤层含有瓦斯气体的情况，同时在高压电脉冲实验过程中可以同时检测煤体的增渗效果，研究不同实验条件下高压电脉冲致裂煤体的规律性质，为工程实际提供强有力的数据支撑和理论依据，再者该实验装置方便移动，可以满足更改实验环境等的特殊要求。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于：包括高压电脉冲发生装置(1)，所述高压电脉冲发生装置(1)电性连接有电压监测器(20)和电流监测器(21)，所述发生釜箱体(3)上设有多个压力装置，所述压力装置均可对放置于发生釜箱体(3)内部的实验煤体(23)施加压力，所述高压电脉冲发生装置(1)通过同轴电缆(2)与所述实验煤体(23)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括甲烷高压钢瓶(15)，所述甲烷高压钢瓶(15)与发生釜箱体(3)之间连通有流量计(17)，所述甲烷高压钢瓶(15)上设有减压阀(16)。
3.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，多个所述压力装置分别可对发生釜箱体(3)内部的实验煤体(23)施加水平方向上和竖直方向上的压力。
4.根据权利要求3所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述压力装置的伸长端均延伸至发生釜箱体(3)中并固定连接有第一板(22)。
5.根据权利要求4所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述压力装置均包括液压缸，多个所述液压缸连接有液压泵(10)，所述液压泵(10)通过电磁溢流阀(11)控制液压缸。
6.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述发生釜箱体(3)的外部设有动态应变仪(19)，所述动态应变仪(19)通过应变数据测量导线(25)与实验煤体(23)相连接，所述动态应变仪(19)能够测量实验煤体(23)内部特征点的应变数据。
7.根据权利要求2所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述流量计(17)能够测量由甲烷高压钢瓶(15)进入实验煤体(23)的气体含量，所述减压阀(16)能够调节由甲烷高压钢瓶(15)进入实验煤体(23)的气体压力。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的一种高压电脉冲致裂受载含瓦斯煤的可移动式实验装置，其特征在于，所述发生釜箱体(3)的底部设有车体(12)。
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