一種上保護層開采固氣耦合相似模擬實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤炭開采技術領域，具體是一種上保護層開采固氣耦合相似模擬實驗裝置及實驗方法。
【背景技術】
[0002]煤炭是我國的主要能源，長期占一次能源的70%左右。根據國際能源署(IEA)的預測，到2030年，煤仍占我國能源消費總量的60%。隨著礦井煤層開采向深部的延深，礦井煤層的突出危險性進一步增強，一些淺部為非突出的煤層進入深部后逐漸轉變為突出煤層，中國已經成為世界上煤與瓦斯突出災害最嚴重的國家，瓦斯突出災害的發生次數和突出強度為世界之最。而目前我國多數礦區煤層的滲透性低、瓦斯壓力大和地應力高等特點，嚴重制約了煤礦瓦斯抽采和利用。卸壓開采是降低煤層地應力、增大煤層滲透性和提高瓦斯抽采效果的主要措施，經長期的理論研宄和工程實踐表明，保護層卸壓開采是提高煤層透氣性和降低瓦斯災害事故最有效的技術措施。由于工程實踐的需要，保護層卸壓開采技術已在煤層群礦區進行了應用，但相關卸壓理論基礎研宄仍滯后于工程應用，尤其是卸壓開采后煤體滲透率演化特征和裂隙擴展貫通機制仍不清楚，嚴重影響了保護層卸壓開采技術的應用效果。因此，對保護層卸壓開采的煤層瓦斯滲透理論進行系統深入的研宄，可為高效的瓦斯抽采方法和抽采工藝提供理論技術支撐，實現煤與瓦斯高效安全共采。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種上保護層開采固氣耦合相似模擬實驗裝置，從理論和實驗上以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0004]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0005]一種上保護層開采固氣耦合相似模擬實驗裝置，包括實驗箱體和滲透率測試系統，所述實驗箱體包括框架和底座，所述框架的前端安裝有有機玻璃板，框架的后端由帶測試孔的鋼板、銜接板和普通鋼板密封而成，框架的頂端安裝有鋼板，框架固定在底座上，實驗箱體由前端的有機玻璃板、后端的鋼板、頂端的鋼板和底座形成密封箱體，底座的下端安裝有滾輪，所述有機玻璃板的下部開設有15個進氣孔，框架后端帶測試孔的鋼板上開設有15個與進氣孔對應的測試孔，實驗箱體底部鋪有應力傳感器；應力傳感器通過數據導線依次連接有數據采集儀和計算機；所述滲透率測試系統由空氣壓縮機、儲氣罐、高壓橡膠管、分路器、壓力表和電子流量計組成，壓力表和電子流量計安裝在分路器和實驗箱體的測試孔之間，分路器和實驗箱體之間的高壓橡膠管上還安裝有截止閥，空氣壓縮機和儲氣罐之間的高壓橡膠管上安裝有氣泵閥。
[0006]作為優選，所述實驗箱體的氣壓最大承載力為2MPa。
[0007]作為優選，所述框架的尺寸為1600mmX 1250mmX 200mm。
[0008]上保護層開采固氣耦合相似模擬的實驗方法，包括如下步驟:
[0009]I)、模型的鋪設
[0010]以某礦為原型，用自發研制的新材料按一定的配比，在實驗箱體內鋪設物理相似模擬模型；
[0011]2)、氣密性測試
[0012]在實驗箱體內鋪設模擬模型后，對實驗箱體充氣進行氣密性測試；
[0013]3)、進行實驗記錄數據
[0014]測試完成后，無漏氣情況，由空氣壓縮機向實驗箱體內充氣，在實驗時要不斷調節空氣壓縮機的控制閥，保證儲氣罐內的氣體壓力恒定，使充入模型的氣體壓力保持不變，分5個等級，0.1-0.5MPa;在煤層開采過程中，煤巖體的滲透率是一個動態變化過程，在煤層開采前，對原始狀態下的巖層進行滲流速度測定，作為初始值，當煤層每開采一段距離后，都要對采動影響范圍內的測試孔進行測量，以觀察不同開采距離時滲流速度的變化情況，從而得到采動影響下伏煤巖體滲透率的變化規律，卸壓分布特征。
[0015]所述I)模型的鋪設，其具體步驟如下:①按照實驗對煤層采高和間距的不同要求，裝好模型架，使所有煤層和巖層基本在一個水平高度；
[0016]②以平頂山XX礦為原型，按已計算好的模型中各分層所需材料量，分別稱出相應配料的質量，并將各種配料倒入攪拌裝置內攪拌均勻，將所需的水倒入攪拌裝置中，混合攪勻；
[0017]③將攪拌好的材料倒入模型，用刮板把攤平，用鐵塊將裝好的材料夯實；
[0018]④為保證初始條件相似，在剛鋪好的每一分層巖層中，用壁刀在其表面約隔3?5cm劃上巖石自然裂隙，再均勻撒上一層云母粉模擬巖層層面，隨后抹子將層面壓平，再鋪設下一分層；
[0019]⑤依次將其它巖層重復按步驟②?④進行鋪設，直到所有巖層都鋪設完成；
[0020]⑥在鋪設過程中，將巖層下沉量側點放置設計的層位；
[0021]⑦對于模型上未能模擬的巖層厚度，采用加配重的方式實現。
[0022]在上保護層底板處、上下保護層之間和被保護層頂板處設置多條觀測線，每條線上設置六到十個觀測點不等，根據和箱體測點的相對變化，利用全位儀記錄其變形過程，觀測下伏煤巖體卸壓變形。
[0023]本次實驗在模型鋪設過程中，設定保護層與被保護層之間的距離分別為21m、14m、7m，隨著工作面的推進，在不同氣體壓力下，分為五組，分別為0.1MPa,0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，觀測下伏煤巖體的應力變化、位移變形和滲透率變化規律，研宄不同間距上保護層開采對下部煤層卸壓效應及其滲透性變化規律，得到下伏煤層卸壓范圍及滲透規律。
[0024]當保護層采高為2m、3m和4m時，隨著工作面的推進，在不同氣體壓力下，觀測下伏煤巖體的應力變化、位移變形和滲透率變化規律，研宄不同間距上保護層開采對下部煤層卸壓效應及其滲透性變化規律，得到下伏煤層卸壓范圍及滲透規律。
[0025]當保護層和被保護層存在關鍵層時，隨著工作面的推進，在不同氣體壓力下，觀測下伏煤巖體的應力變化、位移變形和滲透率變化規律，研宄不同巖性上保護層開采對下部煤層卸壓效應及其滲透性變化規律，得到下伏煤層卸壓范圍及滲透規律。
[0026]煤層開采時，從模型右邊開切眼，開采方式為人工開采，每開采一定的距離后，開始對進氣孔充氣，測量各測試孔的滲流速度。當開采影響范圍內有多個的進氣孔時，在同一推進距離下，分別對多個進氣孔充氣，測量各測試孔的滲流速度。
[0027]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明可測定下伏煤巖體在采動情況下應力、變形和滲透率的變化規律及分布特征，實驗操作過程簡便，效果清楚直觀，試驗周期短，為研宄保護層開采提供便利。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的結構示意圖。
[0029]圖2為本發明中框架上的有機玻璃上的示意圖。
[0030]圖中:1_空氣壓縮機；2_儲氣罐；3_分路器；4_框架；5_數據采集儀；6_計算機；7-有機玻璃板；8_應力傳感器；9_數據導線；10_高壓橡膠管；11_氣泵閥；12_壓力表；13-電子流量計；14_底座；15_滾輪；16_截止閥。
【具體實施方式】
[0031]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0032]請參閱圖1?2，本發明實施例中，一種上保護層開采固氣耦合相似模擬實驗裝置，包括實驗箱體和滲透率測試系統，所述實驗箱體包括框架4和底座14，所述實驗箱體的氣壓最大承載力為2MPa ;所述框架4的尺寸為1600mmX 1250mmX 200mm ;所述框架4的前端安裝有有機玻璃板7，框架4的后端由帶測試孔的鋼板、銜接板和普通鋼板密封而成，框架4的頂端安裝有鋼板，框架4固定在底座14上，實驗箱體由前端的有機玻璃板7、后端的鋼板、頂端的鋼板和底座14形成密封箱體，底座14的下端安裝有滾輪15，所述有機玻璃板7的下部開設有15個進氣孔，框架4后端帶測試孔的鋼板上開設有15個與進氣孔對應的測試孔，實驗箱體底部鋪有應力傳感器8 ;應力傳感器8通過數據導線9依次連接有數據采集儀5和計算機6 ;所述滲透率測試系統由空氣壓縮機1、儲氣罐2、高壓橡膠管10、分路器3、壓力表12和電子流量計13組成，壓力表和電子流量計安裝在分路器和實驗箱體的測試孔之間，分路器3和實驗箱體之間的高壓橡膠管10上還安裝有截止閥16，空氣壓縮機I和儲氣罐2之間的高壓橡膠管10上安裝有氣泵閥U。
[0033]利用上述實驗裝置進行上保護層開采固氣耦合相似模擬的實驗方法，包括如下步驟:
[0034]I)、模型的鋪設
[0035]以某礦為原型，用自發研制的新材料按一定的配比，在實驗箱體內鋪設物理相似模擬模型；
[0036]2)、氣密性測試
[0037]在實驗箱體內鋪設模擬模型后，對實驗箱體充氣進行氣密性測試；
[0038]3)、進行實驗記錄數據
[0039]測試完成后，無漏氣情況，由空氣壓縮機向實驗箱體內充氣，在實驗時要不斷調節空氣壓縮機的控制閥，保證儲氣罐內的氣體壓力恒定，使充入模型的氣體壓力保持不變，分5個等級，0.1-0.5MPa;在煤層開采過程中，