CN116087459B - 液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，包括主体模型，主体模型的右侧中部贯穿设置有冲孔接口，在冲孔接口外安装有法兰盘，还包括冲孔进给系统、冲孔执行系统、冲孔液供给及排放系统；采用液压伺服控制系统、液压缸组成的冲孔进给系统进行冲孔进给，控制精度高、操作方便；采用中心管柱、外层管柱、喷嘴组成的冲孔执行系统进行冲孔液的进、排，且冲孔执行系统能同步进退，从而调整喷嘴的喷射距离，能进行不同喷射距离的冲孔致裂模拟试验；中心管柱、外层管柱采用同轴套装结构，冲孔液横向接入中心管柱内，通过中心管柱与外层管柱之间的夹层排出，并结合二氧化碳冲孔致裂，结构简单、设计巧妙；冲孔液最后通过袋式过滤器过滤后排出，安全环保。

Description

液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统

技术领域

本发明属于煤岩体力学性能测试试验设备技术领域，具体涉及一种液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统。

背景技术

现有冲孔致裂煤层模拟试验系统主要存在的问题是：通常采用水力冲孔，冲孔液的进出通道结构复杂，控制精度不高，不能进行不同喷射距离的冲孔。

发明内容

本发明拟提供一种结构简单、控制精度高、能进行不同喷射距离冲孔的液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，包括主体模型，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，试件箱模块位于主体高压腔模块内，在试件箱模块和主体高压腔模块的右侧中部贯穿设置有冲孔接口，在所述冲孔接口外安装有法兰盘，还包括冲孔进给系统、冲孔执行系统、冲孔液供给及排放系统；

所述冲孔进给系统包括液压伺服控制系统、液压缸；

所述冲孔执行系统包括中心管柱、外层管柱、喷嘴，所述中心管柱固定安装在外层管柱内并同轴设置，中心管柱的左端位于外层管柱外并穿过法兰盘伸到冲孔接口内，所述喷嘴固定安装在中心管柱的左端，所述法兰盘上还穿设有冲孔液接出管；

所述冲孔液供给及排放系统包括依次通过管路相连的二氧化碳气源、减压阀、第一压力表、电磁流量计、第一截止阀、单向阀、压力传感器，高压泵、蓄能器、第二压力表、第二截止阀依次串联后接在单向阀与压力传感器之间的管路上，所述压力传感器后方的管路横向接入中心管柱内；冲孔液接出管接入中心管柱与外层管柱之间的夹层中，在外层管柱上设置有横向接出的管路，在管路上设置有袋式过滤器；

所述液压伺服控制系统通过液压缸控制中心管柱、外层管柱、喷嘴一起左右移动，从而调整喷嘴的喷射距离，喷嘴进给位移量由位移传感器测量。

作为上述方案的优选，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块；试件箱模块下方的下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；所述试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方。

进一步优选为，还包括用于支撑主体模型的主体架，所述主体架呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架外，主体架的右侧设置有转运滑轨，且转运滑轨延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨的宽度小于主体架的内空宽度；转运滑轨上滑动安装有试件箱升降转运架和右圆端盖转运架，试件箱升降转运架能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架顶部呈弧形用于托起右圆端盖，试件箱升降转运架升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架能向左滑动到设定位置进行右圆端盖的安装。

该系统适用于大型试件的冲孔致裂煤层模拟试验，自动化程度高，操作方便；密封性和承压能力好，能满足大尺寸试件的试验要求；耐压能力强，能满足深部煤层的特殊环境试验要求，其主要特点为：

(1)采用外圆内方的试件箱模块安装环境，内部耐压能力更强，密封能力更好，能提供的内部耐压能高达10MPa，为多场耦合煤岩体动力灾害防控模拟试验提供更好的试验环境；

(2)下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列能突出或沉入下垫块的升降器，同时在试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方，能更加轻松省力地进行试件箱模块的推入拉出，提高了安装的自动化程度，使大型模拟试验操作更加轻松省力；

(3)主体模型置于呈矩形框架结构的主体架内，主体架用于承载主体模型；并配备有转运滑轨、试件箱升降转运架和右圆端盖转运架，试件箱升降转运架能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架顶部呈弧形用于托起右圆端盖，试件箱升降转运架升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架能向左滑动到设定位置进行右圆端盖的安装，专门针对大型试件箱而设计的双转运架共用转运滑轨的结构形式，操作轻松，自动化程度高。

进一步优选为，每个所述升降器采用前后间隔并对称设置的双支撑结构，每个升降器采用单独的液压驱动，所有升降器同步升降运动。

进一步优选为，所述主体架采用型钢焊接而成。

本发明的有益效果：采用液压伺服控制系统、液压缸组成的冲孔进给系统进行冲孔进给，控制精度高、操作方便；采用中心管柱、外层管柱、喷嘴组成的冲孔执行系统进行冲孔液的进、排，且冲孔执行系统能同步进退，从而调整喷嘴的喷射距离，能进行不同喷射距离的冲孔致裂模拟试验；中心管柱、外层管柱采用同轴套装结构，冲孔液横向接入中心管柱内，通过中心管柱与外层管柱之间的夹层排出，并结合二氧化碳进行冲孔致裂，结构简单、设计巧妙；冲孔液最后通过袋式过滤器过滤后排出，安全环保。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为本发明试件箱模块装入主体高压腔模块前的状态。

图3为本发明的主体模型的结构示意图。

图4为图3的内部左视图。

图5为试件箱模块的结构示意图。

图6为图5的内部左视图。

图7为加热管、控温探头、超声波探头的布置简易示图。

图8为防窜流板简易示图。

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：

如图1所示，一种液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，包括主体模型A，主体模型A包括主体高压腔模块A-1和试件箱模块A-2，试件箱模块A-2位于主体高压腔模块A-1内。在试件箱模块A-2和主体高压腔模块A-1的右侧中部贯穿设置有冲孔接口a，在冲孔接口外安装有法兰盘b。

除此之外，还包括冲孔进给系统、冲孔执行系统、冲孔液供给及排放系统四个部分。

冲孔进给系统主要由液压伺服控制系统、液压缸c组成，液压伺服控制系统用于控制液压缸c。

冲孔执行系统主要由中心管柱d、外层管柱e、喷嘴(图中未示出)，中心管柱d固定安装在外层管柱e内并同轴设置。中心管柱d的左端位于外层管柱e外并穿过法兰盘伸到冲孔接口a内，喷嘴固定安装在中心管柱d的左端，法兰盘b上还穿设有冲孔液接出管(图中未示出)。

冲孔液供给及排放系统包括依次通过管路相连的二氧化碳气源f、减压阀g、第一压力表h、电磁流量计i、第一截止阀j、单向阀k、压力传感器m，高压泵n、蓄能器p、第二压力表q、第二截止阀r依次串联后接在单向阀k与压力传感器m之间的管路上。压力传感器m后方的管路横向接入中心管柱d内；冲孔液接出管接入中心管柱d与外层管柱e之间的夹层中，在外层管柱e上设置有横向接出的管路，在管路上设置有袋式过滤器r。冲孔液通过中心管柱送至喷嘴进行冲孔；由于喷嘴内保有压力，冲孔完成后的冲孔液携带碎屑经冲孔液接出管、中心管柱和外层管柱之间的夹层流出。

液压伺服控制系统通过液压缸c控制中心管柱d、外层管柱e、喷嘴一起左右移动，从而调整喷嘴的喷射距离，喷嘴进给位移量由位移传感器测量(图中未示出)。压力传感器m显示实时注入液态二氧化碳值，电磁流量计i显示注入流体实时流量。

通过冲孔进给系统进给轴向运动，实现喷嘴向前进给与退出，液态二氧化碳会从管路进入中心管柱中空处，沿中心通道向喷嘴方向流动，流体经喷嘴形成射流，会在煤层中冲出通道，冲孔液携带碎屑经中心管柱和外层管柱之间的通道排出。当喷嘴进给到给定的行程后，位移传感器自动控制液压伺服控制系统停止推进，从而达到冲孔效果。

如图2所示，还包括用于支撑主体模型的主体架37、转运滑轨36、试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35。主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块。

主体架37呈矩形框架结构，主体模型的左右两端均伸到主体架37外。主体架37的右侧设置有转运滑轨36，且转运滑轨36延伸到主体高压腔模块的正下方，且转运滑轨36的宽度小于主体架37的内空宽度。转运滑轨36上滑动安装有试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35，试件箱升降转运架34能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块。右圆端盖转运架35顶部呈弧形用于托起右圆端盖5，试件箱升降转运架34升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架34下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于试件箱升降转运架滑入主体高压腔模块的下方，从而使右圆端盖转运架35能向左滑动到设定位置进行右圆端盖5的安装。

如图3—图4所示，主体模型主要由主体高压腔模块和试件箱模块两部分组成。主体高压腔模块的外壳1是采用圆环3、左圆端盖4、右圆端盖5结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构。在圆环3内壁的前后上下分别安装有前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11。前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11围成一个矩形腔正好供试件箱模块放入。

左圆端盖4上贯穿安装有轴向液压缸6，右圆端盖5的中部分别贯穿设置有有冲孔接口c，用于冲孔试验。

左圆端盖4、右圆端盖5上分别贯穿开有线束管路引出孔7，下垫块11顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器8，升降器8能突出下垫块11外，也能沉入下垫块11内。每个升降器8采用前后间隔并对称设置的双轮结构，实现前后双支撑，受力平衡、稳定。每个升降器8采用单独的液压驱动，所有升降器8通过控制系统控制同步升降运动。

结合图3—图6所示，试件箱模块是采用左侧板12、底板13、顶板14、右侧板15、前侧板23、后侧板24结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，确保矩形试件在主体模型内居中设置。在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板16、顶部左右依次安装有若干上压板17、前部左右依次安装有若干前压板18。轴向液压缸6能穿过左侧板12与左压板16相连，每个上压板17通过贯穿安装在顶板14上的上垫块19与顶部液压缸20相连，顶部液压缸20带有液压活塞20a，通过液压活塞20a作用上垫块19，再由上压板17对矩形试件施加载荷。每个前压板18通过贯穿安装在前侧板23上的侧垫块21与侧向液压缸22相连，侧向液压缸22也带有液压活塞，通过液压活塞作用侧垫块21，再由前压板18对矩形试件施加载荷。

结合图3—图7所示，上压板17、前压板18、底板13、后侧板24上开孔安装有若干加热管27和控温探头28，上压板17、前压板18、左压板16、底板13、后侧板24、右侧板15上开孔安装有若干超声波探头29。试件箱模块的底部通过衬板25左右间隔地安装有一列滚轮26，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器8支撑在滚轮26下方。

最好是，在轴向液压缸6的腔体上安装有高频振动器，在高压气源作用下，产生高速振动，高频振动力能通过对应的液压腔体、液压活塞、左压板16向右传递到试件上。

在底板13的正上方设置有与上压板17一一对应的防窜流板30，结合图6所示，防窜流板30上开设有中心进气孔30a和若干环绕中心进气孔30a的环形槽30b，且所有环形槽30b与中心进气孔30a通过呈发散状分布的联络槽30c连通。环形槽30b为矩形或圆形，并等距间隔分布。

进气管横向穿过试件箱模块的侧壁接入中心进气孔30a的底部，防窜流板30的上方安装有透水隔板31。内部防窜流设计，结合透水隔板组合使用，具有较好的密封性，能更好地完成冲孔实验。

在试件的左右两端安装有过滤板32，在试件的上下前后安装有密封垫33。

试件箱模块的内腔能安装长1000×宽400×高400mm的矩形试件，主体高压腔模块的内部耐压10MPa。但不限于此规格尺寸。

轴向液压缸6仅一个，最大加载压力为5000kN；顶部液压缸20、侧向液压缸22各四组，每组液压缸配备有两个并联的液压加载系统进行加压，其中一个为静载荷加载系统，另一个为动载荷加载系统，单组液压加载装置最大加载压力为3000kN，每组液压加载系统单独控制一个压板并在对应的压板上左右居中设置，轴向液压缸6、顶部液压缸20、侧向液压缸22均能进行动静载荷的加载。

Claims (4)

1.一种液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，包括主体模型，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，试件箱模块位于主体高压腔模块内，在试件箱模块和主体高压腔模块的右侧中部贯穿设置有冲孔接口，在所述冲孔接口外安装有法兰盘，其特征在于：还包括冲孔进给系统、冲孔执行系统、冲孔液供给及排放系统；

所述冲孔进给系统包括液压伺服控制系统、液压缸；

所述冲孔执行系统包括中心管柱、外层管柱、喷嘴，所述中心管柱固定安装在外层管柱内并同轴设置，中心管柱的左端位于外层管柱外并穿过法兰盘伸到冲孔接口内，所述喷嘴固定安装在中心管柱的左端，所述法兰盘上还穿设有冲孔液接出管；

所述冲孔液供给及排放系统包括依次通过管路相连的二氧化碳气源、减压阀、第一压力表、电磁流量计、第一截止阀、单向阀、压力传感器，高压泵、蓄能器、第二压力表、第二截止阀依次串联后接在单向阀与压力传感器之间的管路上，所述压力传感器后方的管路横向接入中心管柱内；冲孔液接出管接入中心管柱与外层管柱之间的夹层中，在外层管柱上设置有横向接出的管路，在管路上设置有袋式过滤器；

所述液压伺服控制系统通过液压缸控制中心管柱、外层管柱、喷嘴一起左右移动，从而调整喷嘴的喷射距离，喷嘴进给位移量由位移传感器测量；

所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块；试件箱模块下方的下垫块（11）顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器（8），所述升降器（8）能突出下垫块（11）外，也能沉入下垫块（11）内；所述试件箱模块的底部通过衬板（25）左右间隔地安装有一列滚轮（26），当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器（8）支撑在滚轮（26）下方。

2.按照权利要求1所述的液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，其特征在于：还包括用于支撑主体模型的主体架（37），所述主体架（37）呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架（37）外，主体架（37）的右侧设置有转运滑轨（36），且转运滑轨（36）延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨（36）的宽度小于主体架（37）的内空宽度；转运滑轨（36）上滑动安装有试件箱升降转运架（34）和右圆端盖转运架（35），试件箱升降转运架（34）能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架（35）顶部呈弧形用于托起右圆端盖（5），试件箱升降转运架（34）升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架（34）下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架（35）能向左滑动到设定位置进行右圆端盖（5）的安装。

3.按照权利要求2所述的液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，其特征在于：每个所述升降器（8）采用前后间隔并对称设置的双支撑结构，每个升降器（8）采用单独的液压驱动，所有升降器（8）同步升降运动。

4.按照权利要求2所述的液态二氧化碳冲孔致裂煤层模拟试验系统，其特征在于：所述主体架（37）采用型钢焊接而成。