用于確定上保護層開采卸壓范圍的測試系統及測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及礦井瓦斯災害防治領域，尤其涉及一種用于確定上保護層開采卸壓范 圍的測試系統及測試方法。
【背景技術】
[0002] 隨著煤層開采深度增加，煤層瓦斯壓力與含量逐漸增大，煤層瓦斯突出危險性逐 漸增大。針對突出煤層，我國防突工作堅持區域防突措施先行、局部防突措施補充的原則， 而開采保護層是防治煤與瓦斯突出最有效、最經濟的區域性防突措施。保護層開采的技術 原理是：選擇非突出煤層或弱突出煤層作為保護層首先開采，使得上下煤巖體產生強烈的 拉張破壞，并發生移動，被保護煤層原始地應力得到釋放，煤層裂隙充分擴展，煤層透氣性 顯著提高，大量吸附態瓦斯解吸為游離狀態，通過卸壓瓦斯強化抽采，使得被保護煤層地應 力、瓦斯壓力與含量進一步降低，最終達到消除被保護煤層突出危險性的目的。
[0003] 保護層開采后需考察被保護煤層的保護效果與保護范圍，根據國家安全生產監督 管理總局規章《防治煤與瓦斯突出規定》和國家安全生產行業標準《保護層開采技術規范 AQ1050-2008》可知，目前確定保護范圍主要通過在被保護層卸壓邊界區域布置瓦斯壓力測 試鉆孔，通過保護層開采前后原始瓦斯壓力與殘余瓦斯壓力的對比來確定保護層范圍，然 后通過實測瓦斯壓力測算的瓦斯含量進一步考察保護范圍，該方法以測算瓦斯參數為主， 對保護層開采的卸壓作用沒有充分體現，而以卸載地應力為主進行區域消突的上保護層開 采條件，通過應力指標進行保護范圍考察更具科學性；目前，在保護層開采過程中，現場工 程技術人員通過測試被保護煤層膨脹變形量指標來評價保護層的開采效果，但測試成功率 較低。
[0004] 因此，進行突出煤層保護范圍考察時急需一種通過測試應力指標來確定保護范圍 的技術方法，尤其適用于確定上保護層開采保護范圍的技術方法，通過考察應力指標可為 被保護煤層采掘巷道布置及突出防治提供科學依據，進而保障突出煤層的安全高效開采。
【發明內容】
[0005] 鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種用于確定上保護層開采卸 壓范圍的測試系統及測試方法，對以卸載地應力為主進行消突的上保護層開采條件下保護 范圍的測試，以提高測試準確性。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明方案包括：
[0007] -種用于確定上保護層開采卸壓范圍的測試系統，其包括現場測試部與實驗室測 試部，將現場測試部獲取的煤樣通過實驗室測試部進行測試，其中，實驗室測試部包括大尺 寸徑向滲流測試機構，大尺寸徑向滲流測試機構與一電液伺服控制油壓栗相連接，電液伺 服控制油壓栗用于向大尺寸徑向滲流測試機構施加壓力，大尺寸徑向滲流測試機構配置有 一質量流量計，質量流量計通過相應管路分別與大尺寸徑向滲流測試機構、集氣裝置相連 通，大尺寸徑向滲流測試機構通過相應管路與真空栗相連通，真空栗通過減壓閥與一甲烷 鋼瓶相連通。
[0008] 所述的測試系統，其中，上述大尺寸徑向滲流測試機構包括一高壓罐體，高壓罐體 上部設置有連接法蘭，連接法蘭通過連接螺栓螺母與高壓罐體相連接，高壓罐體內設置有T 型活塞，T型活塞的豎直段與電液伺服控制油壓栗相連接，T型活塞的水平段橫向布置在高 壓罐體內，T型活塞之水平段下方的高壓罐體內設置有壓頭，壓頭下方設置有用于放置煤樣 的滲氣花管，滲氣花管通過排氣花管相連通，滲氣花管的下部設置有排氣管，排氣管通過排 氣口與質量流量計相連通，一個滲氣花管的一端通過氣口與真空栗相連通，另一個滲氣花 管的一端以及排氣管的另一端上分別設置有壓力變送器，質量流量計、壓力變送器均與一 數據采集器相連接，數據采集器與一數據處理中心相連接。
[0009] 所述的測試系統，其中，上述現場測試部包括上保護層，上保護層包括采空區，采 空區的一端設置有上保護層機巷，另一端設置有上保護層風巷，上保護層的下方為被保護 層，從被保護層之底板巖巷及鉆場內向卸壓邊界區域施工四個小孔徑穿煤鉆孔作為測壓鉆 孔，測壓鉆孔終孔位置連成一條直線，并以理論卸壓線中線為中心，每間隔十五米布置一個 測壓鉆孔，測壓鉆孔均勻布置，每個測壓鉆孔均與一壓力表相連接；測壓鉆孔采用風力排渣 工藝施工，施工過程中采集各測壓鉆孔的煤樣并密封保存，且記錄測壓鉆孔施工參數，測壓 鉆孔施工完畢后封孔測定煤層瓦斯壓力，每天記錄各測壓鉆孔對應壓力表的讀數。
[0010] 一種測試方法，其包括以下步驟：
[0011] A、將篩分煤樣放置于滲氣花管內，然后啟動電液伺服控制油壓栗，驅動T型活塞 向下運動，通過壓頭給煤樣施加垂向應力，隨后進行真空脫氣，兩小時后關閉真空栗及對應 閥門；然后開啟甲烷鋼瓶和減壓閥，向高壓罐體內注氣，注氣壓力為該煤樣實測壓力值，進 行六小時平衡吸附，然后開啟對應閥門進行大尺寸徑向穩態滲流實驗，通過壓力變送器、質 量流量計與數據采集器記錄平衡時內外邊界壓力和氣體流量；
[0012] B、將步驟A所測數據代入式（1)計算，得出該煤樣在設定垂直向力下的滲透率值，
[0014] 其中，K為煤樣的滲透率，單位為mD或103μηι; μ為瓦斯的粘度，20°C時取為 1. 087 X 10 5Pa · s ;p。為實驗室的大氣壓力，單位為Pa ;Q。為氣體流量，單位為ml/s ;p w為內 邊界壓力，單位為MPa !Pf3外邊界壓力，單位為MPa ;rw為內邊界半徑，單位為cm、]%為外邊界 半徑，單位為cm ;h為煤層厚度，單位為cm ;
[0015] C、通過更換煤樣和改變垂向應力進行多次大尺寸徑向穩態滲流實驗，獲得各煤樣 在不同垂向應力下的滲透率，并繪制出滲透與垂向應力的關系曲線；
[0016] D、根據現場所測煤層滲透率，確定各測壓鉆孔位置處煤體垂向應力，繪制卸壓邊 界區域垂向應力分布曲線，根據實際煤層賦存情況計算垂向卸壓臨界值，得出該臨界值在 實測曲線中對應的位置，即為該區域上保護層開采的實際卸壓邊界位置。
[0017] 所述的測試方法，其中，在步驟A之前還包括：
[0018] 從被保護層之底板巖巷及鉆場內向卸壓邊界區域施工四個小孔徑穿煤鉆孔作為 測壓鉆孔，測壓鉆孔終孔位置連成一條直線，并以理論卸壓線中線為中心，每間隔十五米布 置一個測壓鉆孔，測壓鉆孔均勻布置，每個測壓鉆孔均與一壓力表相連接；測壓鉆孔采用風 力排渣工藝施工，施工過程中采集各測壓鉆孔的煤樣并密封保存，且記錄測壓鉆孔施工參 數，測壓鉆孔施工完畢后封孔測定煤層瓦斯壓力，每天記錄各測壓鉆孔壓力表的讀數，
[0019] 待壓力穩定后，記錄各測壓鉆孔瓦斯壓力值，采用測壓鉆孔徑向法計算各測壓鉆 孔所在位置煤層透氣性系數，并根據式（2)換算成滲透率，獲得各鉆孔所在位置的煤層滲 透率；
[0020] λ = ΚΛ2 μ p。）式（2)
[0021] 其中，K為煤樣的滲透率，單位為mD或103μηι; μ為瓦斯的粘度，20°C時取為 L 087 X 10 5Pa · s ;p。為實驗室的大氣壓力，單位為Pa。
[0022] 本發明提供的一種用于確定上保護層開采卸壓范圍的測試系統及測試方法，能解 決突出煤層保護層開采范圍考察時所采用的指標及測試手段單一的技術問題，對以卸載地 應力為主進行消突的上保護層開采條件下保護范圍的考察，提供了一種以應力指標進行考 察的新途徑，豐富了考察手段，提高了考察的準確性，為被保護煤層采掘合理布局及安全開 采提供了科學依據，提高了測試準確性，同時可有效避免煤炭資源和瓦斯防治工程的浪費。
【附圖說明