一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤層瓦斯壓力測定鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律的相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，特別是一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層瓦斯壓力是煤層孔隙內(nèi)氣體分子熱運(yùn)動撞擊所產(chǎn)生的作用力。煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量多少、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象潛能大小的基本參數(shù)，在研宄與評價(jià)瓦斯儲量、瓦斯涌出、瓦斯流動、瓦斯抽放與瓦斯突出問題中，掌握準(zhǔn)確可靠的瓦斯壓力數(shù)據(jù)最為重要。
[0003]目前，煤層瓦斯壓力測定普遍采用的辦法是打鉆封孔測壓，即，從巖巷(或煤巷)向測定煤層打鉆，然后，在鉆孔前方預(yù)留一定長度的瓦斯室，采用封孔器(或封孔材料)密封鉆孔，并記錄數(shù)據(jù)，瓦斯室內(nèi)的最高氣體壓力就是所測煤層瓦斯壓力。根據(jù)是否預(yù)先向瓦斯室內(nèi)補(bǔ)充高壓氣體，又可分為主動式測壓和被動式測壓。在瓦斯壓力測定過程中，測壓鉆孔周圍煤體內(nèi)的瓦斯壓力不斷變化，直至瓦斯室內(nèi)的氣體壓力達(dá)到原始煤層瓦斯壓力為止；因此，掌握測壓鉆孔周圍煤體瓦斯壓力變化規(guī)律有助于提升煤層瓦斯壓力測定技術(shù)水平。
[0004]目前，研宄測壓鉆孔周圍煤體瓦斯壓力的技術(shù)手段主要為理論分析和數(shù)值模擬，由于理論分析和數(shù)值模擬存在很多理想性假設(shè)，與實(shí)際煤層測壓條件差別較大；煤礦井下打鉆現(xiàn)場實(shí)測測壓鉆孔周圍煤體瓦斯壓力不僅工程量太大，而且鉆進(jìn)施工會影響相鄰鉆孔的密封性能。因此，為準(zhǔn)確掌握煤層瓦斯壓力測定鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，并開展相應(yīng)的相似模擬實(shí)驗(yàn)就顯得尤為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠測定測壓鉆孔周圍煤體不同位置、不同時(shí)間瓦斯壓力的煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置和方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于盛裝水泥砂漿和煤體的圓柱形容器，容器的內(nèi)壁粘貼有一圈密封膠圈，容器頂口設(shè)有密封蓋；所述容器內(nèi)沿其半徑方向設(shè)有多個豎向數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管，鋼管之間的距離由容器的中心向邊緣逐漸增大；所述容器的中心設(shè)有豎向測壓鉆孔鋼管；所述容器內(nèi)周向均布至少四根豎向長螺栓；所述數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管、測壓鉆孔鋼管以及長螺栓的底端均與容器的底面固結(jié)，且數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管和測壓鉆孔鋼管上布有微小孔洞；所述密封蓋上對應(yīng)數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管、測壓鉆孔鋼管以及長螺栓分別設(shè)有數(shù)據(jù)采集鉆孔、瓦斯壓力測定鉆孔以及施加應(yīng)力鉆孔，當(dāng)密封蓋與容器蓋合時(shí)，數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管、測壓鉆孔鋼管以及長螺栓分別穿過數(shù)據(jù)采集鉆孔、瓦斯壓力測定鉆孔以及施加應(yīng)力鉆孔，并通過密封墊圈和螺母連接；所述瓦斯壓力測定鉆孔通過高壓膠管與高壓瓦斯罐相連，數(shù)據(jù)采集鉆孔通過溫度數(shù)據(jù)傳輸線路和壓力數(shù)據(jù)傳輸線路與數(shù)據(jù)采集單片機(jī)連接。
[0007]所述容器的直徑為4000mm，高度為1500mm，內(nèi)徑為1990mm。
[0008]所述瓦斯壓力測定鉆孔的直徑為75mm。
[0009]所述數(shù)據(jù)采集鉆孔的直徑為5mm。
[0010]所述相鄰兩個數(shù)據(jù)采集鉆孔之間的距離由內(nèi)向外依次遞增30mm。
[0011]所述施加應(yīng)力鉆孔的直徑為10mm。
[0012]所述數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管設(shè)置10個，位于測壓鉆孔鋼管和長螺栓之間。
[0013]一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟:
(1)將預(yù)先制備好的煤體和水泥砂漿放入圓柱形容器，鋪好密封蓋，并旋轉(zhuǎn)螺母密封瓦斯壓力測定鉆孔、數(shù)據(jù)采集鉆孔及施加應(yīng)力鉆孔；
(2)用溫度數(shù)據(jù)傳輸線路和壓力數(shù)據(jù)傳輸線路連接數(shù)據(jù)采集鉆孔和數(shù)據(jù)采集單片機(jī)，用高壓膠管連接瓦斯壓力測定鉆孔和高壓瓦斯罐；
(3)打開單片機(jī)和高壓瓦斯罐，直至監(jiān)測數(shù)據(jù)與從高壓瓦斯罐輸入的氣體壓力基本一致，并基本穩(wěn)定為止；
(4)關(guān)閉高壓瓦斯罐，打開瓦斯壓力測定鉆孔，讓瓦斯自由排放半個小時(shí)左右；將封孔器放置于測壓鉆孔鋼管的上端，并向封孔器內(nèi)注入高壓液體，讓封孔器膨脹密封鉆孔，連接瓦斯壓力表；
(5)如果實(shí)施的是被動式瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)，則可直接采集數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；如果實(shí)施的是主動式瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)，則還需通過封孔器向測壓鉆孔鋼管內(nèi)注入部分高壓瓦斯氣體。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置和方法，由于采用相似模擬手段測定測壓鉆孔周圍煤層瓦斯壓力，與理論分析和數(shù)值模擬相比，更接近于真實(shí)測壓條件；與現(xiàn)場實(shí)測相比，不受外力干擾，而且實(shí)驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行；因此，具有測定結(jié)果更準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)；由于采用壓力與溫度同時(shí)監(jiān)測的方式來測定數(shù)據(jù)，而瓦斯?jié)B流過程中的吸附和解吸都能導(dǎo)致溫度和壓力的變化，因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有相互佐證的優(yōu)點(diǎn)；由于采用非等間距布置數(shù)據(jù)采集鉆孔，靠近瓦斯壓力測定鉆孔的間距相對較小，反之，則間距相對較大；這種布置方式充分考慮到了測壓鉆孔周圍煤層瓦斯壓力梯度的分布規(guī)律，即，在梯度大的區(qū)域，數(shù)據(jù)采集鉆孔相對密集；因此，具有減小兩個相鄰數(shù)據(jù)采集鉆孔之間瓦斯壓力估算值誤差的優(yōu)點(diǎn)；由于采用旋轉(zhuǎn)螺絲的方法施加應(yīng)力，與傳統(tǒng)壓力機(jī)施加應(yīng)力相比，具有結(jié)構(gòu)和工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明由于采用單片機(jī)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)信息量大，可以實(shí)時(shí)、動態(tài)顯示測壓鉆孔周圍煤層瓦斯壓力分布狀態(tài)。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明；
圖1是一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖；
圖3是一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1.容器，2.數(shù)據(jù)采集單片機(jī)，3.瓦斯壓力測定鉆孔，4.數(shù)據(jù)采集鉆孔，5.溫度數(shù)據(jù)傳輸線路，6.壓力數(shù)據(jù)傳輸線路，7.高壓瓦斯罐，8.高壓膠管，9.施加應(yīng)力鉆孔，10.水泥砂漿，11.煤體，12.密封蓋，13.密封膠圈，14.長螺栓，15.數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管，16.測壓鉆孔鋼管。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在附圖中，一種煤層瓦斯壓力測定相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于盛裝水泥砂漿10和煤體11的圓柱形容器1，容器I的內(nèi)壁粘貼有一圈密封膠圈13，容器I頂口設(shè)有密封蓋12 ;所述容器I內(nèi)沿其半徑方向設(shè)有多個豎向數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管15，鋼管之間的距離由容器I的中心向邊緣逐漸增大；所述容器I的中心設(shè)有豎向測壓鉆孔鋼管16 ;所述容器I內(nèi)周向均布至少四根豎向長螺栓14 ;所述數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管15、測壓鉆孔鋼管16以及長螺栓14的底端均與容器I的底面固結(jié)，且數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管15和測壓鉆孔鋼管16上布有微小孔洞；所述密封蓋12上對應(yīng)數(shù)據(jù)采集鉆孔鋼管15、測壓鉆孔鋼管16以及長螺栓14分別設(shè)有數(shù)據(jù)采集鉆孔4、瓦斯壓力測定鉆孔3以