煤层水力冲孔模拟实验方法
阅读说明：本技术 煤层水力冲孔模拟实验方法 (Coal seam hydraulic punching simulation experiment method ) 是由 韩颖 张飞燕 董博文 王革学 刘晓 李贤忠 倪小明 吕帅 刘德宝 温佳宇 李伟东 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种煤层水力冲孔模拟实验方法,该方法采用的实验装置包括压煤柱头、储煤缸体、压力机、实验泵机、煤电钻、实验气瓶、压力传感器、压力检测仪,储煤缸体的上方设有压煤柱头,压煤柱头下部的压头与所述储煤缸体的内腔相匹配,压煤柱头上设有压力机,储煤缸体的侧壁设有充气管,充气管可连接实验气瓶实现向储煤缸体内部充气,所述煤电钻可以对储煤缸体内模拟的煤层进行钻进,实验泵机可以对成孔后的煤层进行水力冲孔实验,所述压力检测仪连接布置于煤层中的压力传感器,实时监测每层压力。本发明合理地模拟了煤层水力冲孔的过程,为后续的实验提供了可靠的实验装置及实验方法,为实际施工提供可靠的理论依据和方法措施。(The invention relates to a coal seam hydraulic punching simulation experiment method, which adopts an experiment device comprising a coal pressing column head, a coal storage cylinder body, a press machine, an experiment pump machine, an electric coal drill, an experiment gas cylinder, a pressure sensor and a pressure detector, wherein the coal pressing column head is arranged above the coal storage cylinder body, a pressure head at the lower part of the coal pressing column head is matched with an inner cavity of the coal storage cylinder body, the press machine is arranged on the coal pressing column head, the side wall of the coal storage cylinder body is provided with an inflation tube, the inflation tube can be connected with the experiment gas cylinder to realize inflation to the inside of the coal storage cylinder body, the electric coal drill can drill the simulated coal seam in the coal storage cylinder body, the experiment pump machine can carry out hydraulic punching experiments on the coal seam after pore forming, the pressure detector is connected with the pressure sensor arranged in the coal seam, and the pressure of each layer is monitored in real time. The method reasonably simulates the process of hydraulic punching of the coal seam, provides a reliable experimental device and an experimental method for subsequent experiments, and provides reliable theoretical basis and method measures for actual construction.)
技术领域
本发明涉及煤层水力冲孔实验装置的技术领域，特别涉及一种煤层水力冲孔模拟实验方法。
背景技术
目前，煤层中含有大量的煤层气，又称为瓦斯，它不仅是宝贵的资源，也是煤矿地下开采中煤与瓦斯突出潜能的重要组成部分，我国是煤炭资源大国，随着煤炭工业的高速发展，瓦斯涌出量剧增，因瓦斯突出、爆炸引起的煤矿事故迅速上升，同时，煤层气又是一种优质、洁净的燃料，如果得到合理的开发、回收和利用，不仅可以减少煤矿事故的发生，保障煤矿的正常生产，还可以解决我国能源紧缺的问题。但是，我国地质条件复杂，煤岩渗透率低，渗透率恰恰是反应煤岩中流体移运难易程度的标志，同时，也是地层损害评价与天然气开采设计的重要参数，现有的提高煤层瓦斯抽采率的主要技术方案有：大直径密集钻孔、水力冲孔、水力压裂架支撑剂技术、水力割缝等。其中水力冲孔主要是通过中高压水冲出煤层中部分煤体和瓦斯，起到卸压、增加煤层透气性、降低煤体弹性势能、降低煤体瓦斯和解吸速度、减小瓦斯膨胀能的效果。
现有对煤层气开采的实验研究主要是模拟研究假三轴条件下煤层渗透率随着应力、瓦斯压力、温度变化而变化的关系，并在此基础上提出各种提高煤层渗透性的方法。虽然这些渗流模拟实验在一定程度上说明了各种影响因素对煤层气流动的影响作用，但鉴于煤层气开采工作的复杂性，这些模拟状态与现场实际情况相差较远，并不能全面地说明实际条件下的煤层气抽采受到各因素的作用。因此本领域技术人员致力于开发一种能够在实验室物理模拟煤层气开采的实验装置，这其中对水力冲孔方案的研究就需要设计一种便于冲孔的实验装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种煤层水力冲孔模拟实验方法。
具体内容如下：煤层水力冲孔模拟实验方法，其特征是：该方法采用煤层水力冲孔模拟实验装置，该装置包括储煤缸体、压煤柱头及压力机构；
所述的储煤缸体的两端分别设有与其内部连通的充气管和钻煤过孔，钻煤过孔内塞装有密封端盖，该密封端盖通过螺栓固定在储煤缸体上，在储煤缸体的两侧均设有与其内部连通的充气管和监测通孔，每个监测通孔内均塞装有密封的接线堵头，该接线堵头通过螺栓固定在储煤缸体上，所述的接线堵头包括与监测通孔匹配的密封堵头及固定在储煤缸体上的法兰盘，在法兰盘上固定有围绕密封堵头根部一周的密封垫圈，法兰盘上还设有用于螺栓固定的安装孔，在密封堵头内预设有若干根数据传输用的接线柱，且接线柱的两端分别穿出法兰盘的外端面和密封堵头的内端面；
所述的压煤柱头包括一体化结构的压头和承重柄，所述的压头与储煤缸体的内腔相匹配，在压头的外侧壁上设有若干圈相互平行的密封环，在承重柄上固定有横向伸出的起重柱；
采用上述煤层水力冲孔模拟实验装置的煤层水力冲孔模拟实验方法包括如下步骤：
①将储煤缸体正置于平板车上，单次向储煤缸体内添加定量的1mm-2mm粒径的煤粉，再将压煤柱头落在储煤缸体正上方，随后沿导轨推动至压力机工作区域，然后通过压力机构施加一定压力驱动压煤柱头按压储煤缸体内的煤粉，且压力机构稳定压力不少于30分钟，单次压煤完成后，计算储煤缸体内单次压制成型煤样的厚度和单位厚度的用煤量；
②重复步骤①继续分层压煤，当储煤缸体内成型煤样的厚度与设计压力传感器的布置高度齐平时，停止压煤；
③取下储煤缸体侧面的对应高度的接线堵头，将压力传感器穿过监测通孔放置在成型煤样待监测的位置，并将与之连接的信号线连接在接线堵头内端的接线柱上，再将接线堵头固定在原位置上，接线柱的外端通过信号线与压力检测仪连接，压力检测仪连接在计算机上，然后检测压力检测仪和计算机是否工作正常；
④重复步骤①继续分层压煤，且按照步骤②-③分层布置压力传感器；
⑤当储煤缸体内的成型煤体达到设计高度后停止压煤，形成实验需要的模拟煤层，通过压煤柱头封闭储煤缸体，且调整压力机构的压力，使其达到实验要求的模拟压力大小，并检查储煤缸体的气密性；
⑥模拟煤层制备完毕后，储煤缸体两侧面的充气管分别通过管道与三通阀其中一接口接通，三通阀的另外两个接口分别接通有抽气管路和充气管路，抽气管路与真空泵接通，且三通阀和储煤缸体端面的充气管上均连接有气体压力表，调节三通阀，通过真空泵对储煤缸体内的模拟煤层进行抽真空24小时以上，抽真空完毕后，封闭抽气管路，撤除真空泵，将储煤缸体和实验气瓶通过充气管路接通，调节三通阀，向储煤缸体内的模拟煤层充入指定实验压力的实验气体，充气48小时以上，且通过各管路上气体压力表的示数确保储煤缸体内模拟煤层各部分气体压力均匀后，然后进行下一步实验；
⑦关闭充气气源，打开储煤缸体端部的密封端盖，通过煤电钻穿过储煤缸体端部的钻煤过孔对模拟煤层进行钻孔，煤电钻的钻杆在模拟煤层中钻进实验设计的深处后撤离煤电钻；
⑧将水力冲孔设备设定好冲孔压力和冲孔流量后对模拟煤层的钻孔进行水力冲孔；
⑨水力冲孔结束后，检测模拟煤层内水力冲孔形成的孔洞内的气体涌出量及涌出速率；
⑩最后检测模拟煤层内水力冲孔形成的孔洞的形状。
优选的，所述的压力机构包括底座、设置在底座上的压力机，底座上表面设有沿导轨自由运动且能够经过压力机正下方的平板车。
优选的，在步骤①中，将压煤柱头安装在压力机上，储煤缸体正置于平板车上并沿导轨推动至压煤柱头的正下方。
优选的，在步骤①中，向储煤缸体内添加1mm-2mm粒径的煤粉，且单次压制10Kg-20Kg的煤粉。
优选的，所述的储煤缸体上表面的拐角处均固定有起重环。
优选的，步骤⑥中的实验气体为N2或CO2。
优选的，步骤⑧中的水力冲孔设备包括实验泵机及连接在实验泵机上的喷头，喷头沿钻煤过孔伸入步骤⑦的钻取的钻孔内，在实验泵机上设定好冲孔压力和冲孔流量后对模拟煤层的钻孔进行冲孔。
优选的，步骤⑨采用的设备包括气体流量计和密封气囊以及连通在气体流量计上的进气钢管，步骤⑧完成后，迅速将进气钢管放入储煤缸体端部的钻煤过孔中，向进气钢管与钻煤过孔之间设置的密封气囊中充气，使储煤缸体与进气钢管之间密封，模拟煤层内涌出的气体通过进气钢管进入气体流量计内，气体流量计读出流过气体的体积，结合秒表对时间进行记录，计算出各时间节点的气体涌出速率。
优选的，步骤⑩采用的设备包括工业用的内窥镜及通过数据导线连接在内窥镜上的摄像头，步骤⑨结束，内窥镜通过数据导线与摄像头连接，将内窥镜开机，将摄像头顺着钻孔孔道送入模拟煤层的孔洞内，通过摄像头采集孔洞形状特征的图像、录像资料。
本发明的有益技术效果：
本发明是一种煤层水力冲孔模拟实验方法，该方法模拟“通过水力冲孔的方法，对煤与瓦斯突出煤层进行治理”这一治理方法，通过本实验方法采用的实验装置，其中压煤柱头在储煤缸体内压制模拟煤层，由于储煤缸体内的模拟煤层在非真空环境中进行压制的，成型以后模拟煤层中含有空气，一方面不便于充气，另一方面与真实煤层条件严重不符，同时在实际情况中，煤与瓦斯突出煤层赋存一定压力和一定含量的瓦斯气体，因此对储煤缸体内压制好的模拟煤层先进行抽真空再进行充气，进而模拟真实煤体，理想的充入气体应当是CH4，但CH4气体在实验操作过程中具有一定的危险性，故采用N2或CO2进行替代，因此本发明为避免现场实验环境中存在的众多不明地质因素和实验过程中不可抗力的影响，构造理想实验环境，施加研究所需要的条件，合理地模拟煤层水力冲孔的过程，为后续的实验提供了可靠的实验装置及实验方法。
附图说明
图1为储煤缸体的俯视图；
图2为图1的主视图；
图3为接线堵头的俯视图；
图4为图3中A-A方向的剖面图；
图5为压煤柱头的三视图（a为主视图，b为俯视图，c为左视图）；
图6为压制模拟煤层的主视剖面结构示意图；
图7为对模拟煤层进行抽真空的整体结构示意图；
图8为对模拟煤层进行充入实验气体的整体结构示意图；
图9为煤电钻对模拟煤层进行钻孔的主视剖面结构示意图；
图10为实验泵机对模拟煤层进行水力冲孔的主视剖面结构示意图；
图11为模拟煤层孔洞内气体涌出量监测的主视剖面结构示意图；
图12为模拟煤层内孔洞形状监测的主视剖面结构示意图；
图中：11.储煤缸体、12.充气管、13.监测通孔、14.接线堵头、15.起重环、16.密封端盖、17.钻煤过孔、18.法兰盘、19.安装孔、20.密封垫圈、21.密封堵头、22.接线柱、23.压头、24.密封环、25.承重柄、26.起重柱、27.压力机、28.底座、29.导轨、30.平板车、31.模拟煤层、32.煤电钻、33.喷头、34.实验泵机、35.气体流量计、36.密封气囊、37.进气钢管、38.内窥镜、39.摄像头、40.三通阀、41.充气管路、42.抽气管路、43.真空泵、44.气体压力表、45.管道、46.实验气瓶。
具体实施方式
实施例一，参见图1-12，煤层水力冲孔模拟实验方法，该方法采用煤层水力冲孔模拟实验装置，该装置包括储煤缸体、压煤柱头及压力机构；
所述的储煤缸体的两端分别设有与其内部连通的充气管和钻煤过孔，钻煤孔用于打钻和冲孔设备进入储煤缸体内的入口，钻煤过孔内塞装有密封端盖，该密封端盖通过螺栓固定在储煤缸体上，在储煤缸体的两侧均设有与其内部连通的充气管和监测通孔，各个充气管均作为模拟煤层抽真空和注入实验气体的接入口，每个监测通孔内均塞装有密封的接线堵头，该接线堵头通过螺栓固定在储煤缸体上，所述的接线堵头包括与监测通孔匹配的密封堵头及固定在储煤缸体上的法兰盘，在法兰盘上固定有围绕密封堵头根部一周的密封垫圈，法兰盘上还设有用于螺栓固定的安装孔，在密封堵头内预设有若干根数据传输用的接线柱，接线柱用于向储煤缸体外部传递模拟煤层中压力传感器产生的数据信号，且接线柱的两端分别穿出法兰盘的外端面和密封堵头的内端面；
所述的压煤柱头包括一体化结构的压头和承重柄，所述的压头与储煤缸体的内腔相匹配，在压头的外侧壁上设有若干圈相互平行的密封环，密封环用于增强压头与储煤缸体之间密封效果，保证缸体内模拟煤层抽真空和充气时不漏气，在承重柄上固定有横向伸出的起重柱，起重柱方便连接起重机，方便移动压煤柱头。
所述的压力机构包括底座、设置在底座上的压力机，底座上表面设有沿导轨自由运动且能够经过压力机正下方的平板车。通过平板车转运储煤缸体，便于煤粉的添加和压力机的压制。
所述的储煤缸体上表面的拐角处均固定有起重环，方便起重设备吊运储煤缸体。
其中抽真空用的真空泵、存储实验气体的实验气瓶和测试气体压力的气体压力表，实验气瓶内存储的是N2或CO2。由于储煤缸体内的模拟煤层在非真空环境中进行压制的，成型以后模拟煤层中含有空气，一方面不便于充气，另一方面与真实煤层条件严重不符，同时在实际情况中，煤与瓦斯突出煤层赋存一定压力和一定含量的瓦斯气体，因此对储煤缸体内压制好的模拟煤层先进行抽真空再进行充气，进而模拟真实煤体，理想的充入气体应当是CH4，但CH4气体在实验操作过程中具有一定的危险性，故采用N2或CO2进行替代。
还包括用于煤体钻孔的煤电钻，通过煤电钻对储煤缸体内模拟煤层进行钻进，水力冲孔用的实验泵机及连接在实验泵机上的喷头，通过实验泵机和喷头对模拟煤层进行水力冲孔实验，气体流量计和密封气囊以及连通在气体流量计上的进气钢管，工业用的内窥镜及通过数据导线连接在内窥镜上的摄像头，通过工业内窥镜观测水力冲孔后孔洞的形状，通过气体流量计监测水力冲孔后模拟煤层中气体涌出的规律。以及压力传感器、压力检测仪以及计算机，通过布置于模拟煤层中压力传感器，将压力信号传递至压力检测仪，从而判断模拟煤层在压制过程中的压力变化。
采用上述煤层水力冲孔模拟实验装置的煤层水力冲孔模拟实验方法包括如下步骤：
①将储煤缸体正置于平板车上，单次向储煤缸体内添加定量的1mm-2mm粒径的煤粉，再将压煤柱头落在储煤缸体正上方，随后沿导轨推动至压力机工作区域，然后通过压力机构施加一定压力驱动压煤柱头按压储煤缸体内的煤粉，为减少实验误差，须确保最终压煤高度一定，每次压制10Kg-20Kg的煤粉，单次压煤完成后，计算储煤缸体内单次压制成型煤样的厚度和单位厚度的用煤量；每次压制时压力机施加实验所需的成型压力，稳定压力不少于30分钟，当储煤缸体内成型煤样的厚度与设计压力传感器的布置高度齐平时，停止压煤；
②取下储煤缸体侧面的对应高度的接线堵头，将压力传感器穿过监测通孔放置在成型煤样待监测的位置，并将与之连接的信号线连接在接线堵头内端的接线柱上，再将接线堵头固定在原位置上，接线柱的外端通过信号线与压力检测仪连接，压力检测仪连接在计算机上，然后检测压力检测仪和计算机是否工作正常；
③按照步骤①所示方法继续分层压煤，且按照步骤②分层布置压力传感器，实验过程中实现对储煤缸体内模拟煤层进行多点压力监测；
④按照步骤③的压煤步骤继续压煤若干层，当成型煤体达到设计高度后停止压煤，形成实验需要的模拟煤层，通过压煤柱头封闭储煤缸体，并检查储煤缸体的气密性；
⑤调整压力机的压力，使其达到实验要求的模拟压力大小；
⑥模拟煤层制备完毕后，储煤缸体两侧面的充气管分别通过管道与三通阀其中一接口接通，三通阀的另外两个接口分别接通有抽气管路和充气管路，抽气管路与真空泵接通，且三通阀和储煤缸体端面的充气管上均连接有气体压力表，调节三通阀，通过真空泵对储煤缸体内的模拟煤层进行抽真空24小时以上，如图7所示，抽真空完毕后，封闭抽气管路，撤除真空泵，将储煤缸体和实验气瓶通过充气管路接通，调节三通阀，向储煤缸体内的模拟煤层充入指定实验压力的实验气体，如图8所示，充气48小时以上，且通过各管路上气体压力表的示数确保储煤缸体内模拟煤层各部分气体压力均匀后，然后进行下一步实验；
⑦关闭气源，打开密封端盖，通过煤电钻穿过储煤缸体端部的钻煤过孔对模拟煤层进行钻孔，煤电钻的钻杆在模拟煤层中钻进实验设计的深处后撤离煤电钻，如图9所示。
⑧将水力冲孔用的喷头沿钻煤过孔伸入步骤⑦的钻取的钻孔内，在实验泵机上设定好冲孔压力和冲孔流量后对模拟煤层的钻孔进行冲孔，如图10所示。
⑨冲孔结束后进行孔洞气体涌出量的检测：迅速将进气钢管放入储煤缸体端部的钻煤过孔中，向进气钢管与钻煤过孔之间设置的密封气囊中充气，以保证储煤缸体与进气钢管之间密封，模拟煤层内涌出的气体通过进气钢管进入气体流量计内，气体流量计读出流过气体的体积，结合秒表对时间进行记录，计算出各时间节点的气体涌出速率，如图11所示；
⑩最后对水力冲孔孔洞的形状进行检测：气体涌出量检测结束后可进行孔洞形状的检测，以记录不同地质条件以及冲孔参数所形成的孔洞形状和特征，内窥镜通过数据导线与摄像头连接，将内窥镜开机，将摄像头顺着钻孔孔道送入储煤缸体内，采集并记录图像、录像资料，如图12所示。