專利名稱：多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬多場耦合作用機(jī)制下煤層氣開采過程的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
煤層氣是ー種潛在的潔凈的能源。在當(dāng)前能源緊張的局勢下，加快煤層氣的開發(fā)利用，對(duì)改善我國能源結(jié)構(gòu)，對(duì)能源的充分利用和減少環(huán)境污染等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從礦產(chǎn)資源的角度講，煤層氣是以甲烷為主要成份(含量>85%)的、在煤化作用過程中形成的、儲(chǔ)集在煤層氣及其臨近巖層之中的、可以利用開發(fā)技術(shù)將其從煤層中采出并加以利用的非常規(guī)天然氣。我國煤層氣資源豐富，據(jù)煤層氣資源評(píng)價(jià)，我國埋深2000米以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬億立方米，居世界第三位，主要分布在華北和西北地區(qū)。其中，華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質(zhì)資源量分別占全國煤層氣地質(zhì)資源總量的 56.3%,28.1%、14.3%、1.3%。最常見的煤層氣開發(fā)方式主要有兩種，即:井下煤層氣抽采和地面鉆井開采。井下抽采煤層氣是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔，在地面通過煤層氣泵來抽取煤層中的煤層氣。這種開發(fā)方式的煤層氣產(chǎn)量較小，甲烷濃度不高(20% 50%)，而且容易受到煤礦采掘生產(chǎn)的影響，所以它多以煤礦安全生產(chǎn)為目的，煤層氣的利用率較低。從20世紀(jì)50年代開始，我國就將煤層氣抽采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要措施在高瓦斯和突出礦井推廣。半個(gè)世紀(jì)以來，我國實(shí)施煤層氣抽采的礦井?dāng)?shù)量和瓦斯抽入量逐年穩(wěn)步上升。然而，我國煤層的主要特點(diǎn)是煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險(xiǎn)嚴(yán)重、煤層群開采、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，我國的煤層賦存條件決定了我國的煤層氣抽采應(yīng)以卸壓抽采為主。地面鉆井開采煤層氣是從地面鉆井進(jìn)入未開采煤層，通過排水降壓解吸出煤層中的煤層氣，再通過井筒流動(dòng)到地面。這種開米方式的產(chǎn)氣量大、產(chǎn)氣時(shí)間長，甲燒含量高(大于90%),所以可以支撐大規(guī)模的商業(yè)化利用，但為了保證煤層氣的可采性，并且獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，這種開發(fā)方式對(duì)煤層氣資源量、煤層地質(zhì)構(gòu)造、含氣量、滲透率、地理環(huán)境等都有較高的要求。目前，我國總體煤層氣抽放效果不佳，具體表現(xiàn)為煤層氣抽放率低。導(dǎo)致我國煤礦煤層氣抽放率低的原因有2個(gè)方面:一方面是客觀原因，我國95%以上的高煤層氣和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有0.004 0.04m2/ (MPa2 d)，煤層氣抽放(特別是預(yù)抽)難度非常大；另ー方面是主觀原因，主要表現(xiàn)為抽放時(shí)間短、鉆孔工程量不足、封孔質(zhì)量差、抽放系統(tǒng)不匹配和管理不到位。因此研究如何對(duì)煤層氣進(jìn)行有效的抽采具有極其重要的工程意義。另ー方面，根據(jù)礦壓理論，煤層開采后其頂板巖層發(fā)生冒落移動(dòng)，當(dāng)上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動(dòng)裂隙區(qū)劃可分為“豎三帯”和“橫三區(qū)”，即采動(dòng)區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；沿工作面推進(jìn)方 向在工作面風(fēng)巷和機(jī)巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，沿工作推進(jìn)方向上的“橫三區(qū)”隨之交替向前移動(dòng)。在煤層氣抽采的過程中，瓦斯在煤巖層中的運(yùn)移將受到“豎三帯”和“橫三區(qū)”中新產(chǎn)生的裂隙區(qū)域分布的影響，而合理的利用“豎三帯”和“橫三區(qū)”中新產(chǎn)生的裂隙對(duì)提高抽采效率有著重要的影響。目前還沒有在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤層氣抽采模擬的試驗(yàn)裝置或者方法，實(shí)驗(yàn)室所能模擬的狀態(tài)大都是在假三軸條件下煤層滲透率隨著應(yīng)力、瓦斯壓力、溫度變化而變化的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出各種提高煤層滲透性的方法。雖然這些滲流模擬試驗(yàn)在一定程度上說明了各種影響因素對(duì)煤層煤層氣流動(dòng)的影響作用，但鑒于抽采工作及其制度的復(fù)雜性，這些模擬狀態(tài)與現(xiàn)場實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，并不能說明實(shí)際條件下的煤層氣抽采受到各因素的作用。因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種能夠在實(shí)驗(yàn)室物理模擬煤層氣抽采的試驗(yàn)裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠在實(shí)驗(yàn)室物理模擬煤層氣抽采的試驗(yàn)裝置及方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了ー種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試件箱；所述試件箱上部設(shè)置有至少ー個(gè)Z向壓桿和Z向壓板；所述試件箱的右箱板上設(shè)置有至少ー個(gè)Y向壓桿和Y向壓板；所述試件箱的后箱板上設(shè)置有至少ー個(gè)X向壓桿和X向壓板；所述Z向壓板、Y向壓板和X向壓板均位于所述試件箱內(nèi)；所述試件箱的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ ；所述突出ロ內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套；所述突出套與所述前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈；所述試件箱的底部設(shè)置有透氣鋼板和氣道；所述透氣鋼板覆蓋在所述氣道上；所述氣道的進(jìn)ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭；所述試件箱的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板；所述左箱板在各第一墊板的間隔之間設(shè)置有接ロ ；所述接口中設(shè)置有傳感器接頭；所述突出套的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對(duì)應(yīng)的外管固定座；所述突出套的階梯面與所述外管固定座之間設(shè)置有第二密封圈；所述外管固定座的內(nèi)孔中螺紋連接有外管；所述外管延伸至所述試件箱內(nèi)；所述突出套的前端面通過螺栓連接有固定法蘭；所述外管固定座與所述固定法蘭之間設(shè)置有第三密封圈；所述固定法蘭的前端設(shè)置有法蘭凸臺(tái)；所述法蘭凸臺(tái)的外圓設(shè)置有螺紋；所述外管的后端封閉，前端開ロ ；所述外管上設(shè)置有位置與各所述Z向壓桿對(duì)應(yīng)的抽采外區(qū)；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有若干抽采外孔；所述外管和固定法蘭中設(shè)置有內(nèi)管；所述內(nèi)管包括第一接管和第三接管，以及可選的ー根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外徑小于所述外管的內(nèi)徑；所述第一接管對(duì)應(yīng)所述法蘭凸臺(tái)處設(shè)置有限位凸緣；所述第一接管在所述限位凸緣的前端外圓設(shè)置有螺紋；所述第一接管的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭；所述限位凸緣和法蘭凸臺(tái)的外螺紋上配合有螺母；
所述第一接管和第二接管沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔；所述第三接管設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣和第二抽采凸緣；所述第二抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第四密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣對(duì)應(yīng)的第一密封區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的外徑小于所述外管的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)沿周向和軸向均布有多個(gè)抽采內(nèi)孔；所述Z向壓桿的中心線可位干與所述第一抽采凸緣和第二抽采凸緣相對(duì)端面等距的虛擬面上。為便于測量計(jì)算某一 Z向壓桿對(duì)抽采的影響，所述第一抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第五密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第一抽采凸緣對(duì)應(yīng)的第二密封區(qū)。較佳的，所述抽采外孔的孔徑大于所述抽采內(nèi)孔的孔徑；所述抽采外孔的分布密度大于所述抽采內(nèi)孔的分布密度；所述抽采外區(qū)內(nèi)、第一密封區(qū)和第二密封區(qū)外，各所述抽采外孔之間的第一軸向孔心距不小于5mm ;各所述抽采內(nèi)孔之間的第二軸向孔心距為所述第一軸向孔心距的兩倍。較佳的，所述外管的抽采外區(qū)在圓周方向上均布有18個(gè)所述抽采外孔；所述第三接管的抽采內(nèi)區(qū)在圓周方向上均布有4個(gè)所述抽采內(nèi)孔；所述抽采外孔的孔徑不大于1.5mm ;所述抽采內(nèi)孔的孔徑不小于2mm ;所述第一軸向孔心距為5mm ;所述第二軸向孔心距為 10mnin較佳的，所述第一接頭與所述內(nèi)管的前端面之間設(shè)置有組合墊圏。為便于操作，所述突出套的內(nèi)孔孔徑大于所述外管固定座的外徑。本發(fā)明同時(shí)公開了ー種多場耦合煤層氣抽采模擬試驗(yàn)方法，包括以下步驟:1、前期準(zhǔn)備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率；Ib)在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時(shí)安裝傳感器和抽采外管，所述抽采外管的后端封閉，前端開ロ ；所述外管上設(shè)置有位置與試件箱各Z向壓桿對(duì)應(yīng)的抽采外區(qū)；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有若干抽采外孔；Ic)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；Id)將試件箱置于加載系統(tǒng)中，然后在抽采外管中裝配抽采內(nèi)管；抽采內(nèi)管包括第一接管和第三接管，以及可選的ー根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的結(jié)合端面處設(shè)置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外徑小于所述外管的內(nèi)徑；所述第一接管和第二接管沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔；所述第三接管設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣和第ニ抽采凸緣；所述第二抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第四密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣對(duì)應(yīng)的第一密封區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的外徑小于所述外管的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)沿周向和軸向均布有多個(gè)抽采內(nèi)孔；Ie)在第一接管的出口并聯(lián)大量程瓦斯流量計(jì)和小量程瓦斯流量計(jì)；將試件箱與瓦斯氣源連接；2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，對(duì)試件箱的各壓桿施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬采深；打開真空泵對(duì)煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達(dá)到I X IO2Pa;—個(gè)小時(shí)后打開瓦斯氣瓶進(jìn)行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時(shí)間為48小時(shí)；3、瓦斯抽采 打開抽采管閥門，全程檢測各參數(shù)變化及瓦斯流量變化:先打開大量程流量計(jì)，待流量降低至小量程瓦斯流量計(jì)的量程內(nèi)，關(guān)閉大量程瓦斯流量計(jì)，打開小量程瓦斯流量計(jì)；這ー過程瓦斯源可以關(guān)閉，也可以一直穩(wěn)定于預(yù)定輸出壓カ；4、結(jié)束一次試驗(yàn)有瓦斯源時(shí):關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)排放瓦斯，直至試件箱內(nèi)瓦斯解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗(yàn)；無瓦斯源吋:試件箱內(nèi)瓦斯解吸排出完全則停止三向加載，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗(yàn)。5、完成同組其他試驗(yàn)改變模擬采深、抽采長度或抽采點(diǎn)其中的之一試驗(yàn)參數(shù)，而保持其他試驗(yàn)參數(shù)不變，或同時(shí)改變抽采長度和抽采點(diǎn)而保持模擬采深，重復(fù)上述步驟2-4。較佳的，步驟Ia)中，煤樣含水率為5%。本發(fā)明同時(shí)還公開了ー種多煤層聯(lián)合開采過程中煤層氣抽采模擬試驗(yàn)，包括步驟如下:1、前期準(zhǔn)備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率；將試件制成多煤層試件，并在下煤層鋪設(shè)多個(gè)油壓包，油壓包連接至箱體左板的數(shù)據(jù)采集孔；lb)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；在試件箱中部與各Y向壓桿正對(duì)處設(shè)置第二接頭，各第二接頭內(nèi)側(cè)與膠管接頭連接，膠管接頭與側(cè)向接管連接，側(cè)向接管上密布有多個(gè)側(cè)向抽采孔；Ic)在各第二接頭的外端連接第三瓦斯流量計(jì)；將試件箱與瓦斯氣源連接；將各油壓包連接至其外接控制管路；2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，對(duì)試件箱的各壓桿施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬采深；打開真空泵對(duì)煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達(dá)到I X IO2Pa;—個(gè)小時(shí)后打開瓦斯氣瓶進(jìn)行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時(shí)間為48小時(shí)；3、瓦斯抽采同時(shí)打開4個(gè)第三瓦斯流量計(jì)，檢測煤層內(nèi)部瓦斯壓カ和應(yīng)カ變化及各個(gè)抽采點(diǎn)的瓦斯流量變化，待流量穩(wěn)定后，以1.44h或0.72h或0.48h或0.36h為間隔由前至后逐個(gè)排空各油壓包，直至所有油壓包排空為止，以模擬實(shí)際エ況中煤層開采速度；在這ー過程中不間斷監(jiān)測上煤層和下煤層內(nèi)的瓦斯壓力、煤層應(yīng)カ和各抽采點(diǎn)流量的變化；這ー過程中，瓦斯源壓カー直穩(wěn)定于與模擬采深相對(duì)應(yīng)的壓カ；4、結(jié)束一次試驗(yàn)關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)打開瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱體內(nèi)煤層氣解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；5、改變模擬采深或模型工作面推進(jìn)速度其中的之一試驗(yàn)參數(shù)，而保持其他試驗(yàn)參數(shù)不變，重復(fù)以上步驟2-4。本發(fā)明的有益效果是:1、可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行煤層煤層氣抽采的模擬，從而為現(xiàn)場作業(yè)提供理論指導(dǎo)；2、可以模擬多物理場(應(yīng)カ場、裂隙場、滲流場)耦合時(shí)多煤層和單煤層狀態(tài)下的煤層氣抽米情況；3、可以模擬采動(dòng)影響下煤層氣抽采率的變化規(guī)律，特別可以模擬保護(hù)層開采方式中，被保護(hù)層的抽采效果變化；3、本模擬試驗(yàn)方法，考慮了多物理場相互耦合時(shí)煤層中煤層氣流動(dòng)狀態(tài)的變化規(guī)律，再現(xiàn)了工程擾動(dòng)情況下煤層參數(shù)的變化情況，可以研究應(yīng)カ場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析煤層氣流動(dòng)與煤巖體裂隙耦合的時(shí)空演化及分布規(guī)律。4、設(shè)備操作方便，自動(dòng)化程度高。


圖1是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖1中I處的局部放大圖。圖5是圖1中II處的局部放大圖。圖6是圖1中III處的局部放大圖。圖7是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
中內(nèi)管和外管的另ー結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖6的A-A剖視圖。圖9是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
的抽采試驗(yàn)中出氣端的管路結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
中瓦斯氣源的管路結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
的抽采試驗(yàn)中抽采點(diǎn)位于第三Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
的抽采試驗(yàn)中抽采點(diǎn)位于第二 Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
的抽采試驗(yàn)中抽采點(diǎn)位于第一 Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是實(shí)際エ況中工作面前方的煤體應(yīng)カ分布示意圖。圖15是本發(fā)明一具體實(shí)施方式
中采動(dòng)模擬抽采試驗(yàn)示意圖。圖16是圖15去掉試件后的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖17是圖16中IV處的局部放大圖。
圖18是本發(fā)明多煤層聯(lián)合開采過程中煤層氣抽采模擬試驗(yàn)中第二接頭出氣端的管路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明:如圖1至圖6所示，ー種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試件箱1，試件箱I的上箱板上從前之后依次設(shè)置有第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d，各Z向壓桿均固定有Z向壓板3，右箱板上設(shè)置有四個(gè)Y向壓桿4和Y向壓板5,后箱板上設(shè)置有ー個(gè)X向壓桿6和X向壓板7。Z向壓板3、Y向壓板5和X向壓板7均位于試件箱I內(nèi)。試件箱I的底部設(shè)置有透氣鋼板25和氣道26，透氣鋼板25覆蓋在氣道26上，氣道25的進(jìn)ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭27。試件箱I的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板28，左箱板在各第一墊板28的間隔之間設(shè)置有接ロ 29，接ロ 29中設(shè)置有傳感器第一接頭30。試件箱I的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ 9，突出ロ 9內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套10，突出套10與前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈8a。突出套10的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對(duì)應(yīng)的外管固定座U。突出套10的內(nèi)孔孔徑大于所述外管固定座11的外徑。突出套10的階梯面與外管固定座11之間設(shè)置有第二密封圈8b。外管固定座11的內(nèi)孔中螺紋連接有外管12，外管12延伸至試件箱I內(nèi)。突出套10的前端面通過螺栓連接有固定法蘭13，外管固定座11與固定法蘭13之間設(shè)置有第三密封圈8c，固定法蘭13的前端設(shè)置有法蘭凸臺(tái)13a，法蘭凸臺(tái)13a的外圓設(shè)置有螺紋。外管12的后端封閉，前端開ロ。外管12上設(shè)置有位置與各Z向壓桿對(duì)應(yīng)的抽采外區(qū)12a，抽采外區(qū)12a上設(shè)置有若干抽采外孔14a。外管12和固定法蘭13中設(shè)置有內(nèi)管15。內(nèi)管15包括第一接管15a和第三接管15c,以及可選的ー根或多根第二接管15b。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈8f。第一接管15a和第二接管15b的外徑小于外管12的內(nèi)徑;第一接管15a對(duì)應(yīng)法蘭凸臺(tái)13a處設(shè)置有限位凸緣15al，第一接管15a在限位凸緣15al的前端15a2外圓設(shè)置有螺紋。第一接管15a的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭16，第ー接頭16與內(nèi)管15的前端面之間設(shè)置有組合墊圈18。限位凸緣15al和法蘭凸臺(tái)13a的外螺紋上配合有螺母19。第一接管15a和第二接管15b沿軸向設(shè)置有通孔,第三接管15c沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔。第三接管15c設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)15cl，抽采內(nèi)區(qū)15cl的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3。本實(shí)施例中，第三接管15c包括兩種基本結(jié)構(gòu)，其中I型基本結(jié)構(gòu)為第二抽采凸緣15c3與外管12配合，并與外管12之間設(shè)置有第四密封圈8d ;同時(shí)，第一抽采凸緣15c2與外管12配合，并與外管12之間設(shè)置有第五密封圈Se ;相應(yīng)的，抽采外區(qū)12a上設(shè)置有與第一抽采凸緣15c2對(duì)應(yīng)的第二密封區(qū)12b，以及與第二抽采凸緣15c3對(duì)應(yīng)的第一密封區(qū)12c。如圖6所示。第三接管15c的II型基本結(jié)構(gòu)為，僅僅是位于后端的第二抽采凸緣15c3與外管配合并設(shè)置密封圏，但位于前端的第一抽采凸緣15c2外徑小于外管12的內(nèi)徑。如圖7所
/Jn o對(duì)于I型結(jié)構(gòu)的第三接管15c而言，第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3相對(duì)端面之間距離構(gòu)成抽采距離L ;對(duì)于II型結(jié)構(gòu)的第三接管15c而言，其抽采距離根據(jù)第ニ接管15b的數(shù)量可調(diào)。抽采內(nèi)區(qū)15cl的外徑小于外管12的直徑；抽采內(nèi)區(qū)15cl沿周向和軸向均布有多個(gè)抽采內(nèi)孔14b。各Z向壓桿的中心線可位干與第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3相對(duì)端面等距的虛擬面17上。外管12的抽采外區(qū)12a在圓周方向上均布有18個(gè)抽采外孔14a，第三接管15c的抽采內(nèi)區(qū)15cl在圓周方向上均布有4個(gè)抽采內(nèi)孔14b，如圖8所示。抽采外孔14a的孔徑為1.5mm,抽采內(nèi)孔14b的孔徑為2mm。抽采外區(qū)12內(nèi)、第一密封區(qū)12c和第二密封區(qū)12bタト，各抽采外孔14a之間的第一軸向孔心距為5mm,各抽采內(nèi)孔14b之間的第二軸向孔心距為10mm。上述試驗(yàn)系統(tǒng)與cnl02621232A公開的多場耦合煤礦動(dòng)カ災(zāi)害大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中的反力架和機(jī)架配合使用，可設(shè)計(jì)多個(gè)抽采模擬方案，以完成多場耦合煤層氣開采模擬試驗(yàn)。表一列舉了部分可選的試驗(yàn)方案，其中試驗(yàn)方案1、2、3和4組成ー組模擬試驗(yàn)，方案3、5、6組成一組模擬試驗(yàn),方案3、7、8、9組成一組模擬試驗(yàn)。表一所列舉的試驗(yàn)參數(shù)中，模擬采深和瓦斯壓カ之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過常規(guī)計(jì)算獲得。各組模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟如下:1、前期準(zhǔn)備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率，本次模擬煤層含水率為5% ；Ib)在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時(shí)安裝傳感器、抽采外管12和固定法蘭；Ic)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；Id)將試件箱推至加載系統(tǒng)的底座預(yù)定位置，安裝好反力架，然后裝配抽采內(nèi)管；其中，根據(jù)不同的抽采點(diǎn)，選用不同數(shù)量的第二接管15b，如方案I中內(nèi)管僅包括第一接管15a和第三接管15c，以使第一 Z向壓桿2a的中心線2al位于虛擬面17上，如圖13所示；也可選用ー個(gè)第二接管15b，使其與第一接管15a和第三接管15c連接，以使第二 Z向壓桿2b的中心線位于虛擬面17上，如圖12所示；Ie)在第一接頭16的外端依次連接第一氣壓傳感器20、第一閥門21、三通23 ;三通23的第一通路上連接有第二閥門22、500L/min量程瓦斯流量計(jì)41，第二通路上連接有第三閥門24和50L/min量程瓦斯流量計(jì)42，如圖9所示；在內(nèi)接插頭27處依次連接第二氣壓傳感器31、微調(diào)閥門32和瓦斯氣瓶33，其中內(nèi)接插頭27與氣壓傳感器31之間的管路長度小于0.2m，氣壓傳感器31與微調(diào)閥門32之間的管路長度不小于3m，微調(diào)閥門32與瓦斯氣瓶33之間的管路長度小于0.5m，如圖10所示。2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬米深，如表一方案I所不，各Y向壓桿4的カ均為3.6MPa, X向壓桿6的カ為1.2MPa，第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d的力分別為1.6MPa、4.7MPa、3.1MPa和3.1MPa,以模擬IlOOm采深;打開真空泵對(duì)煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達(dá)到IXlO2Pa ; —個(gè)小時(shí)后打開瓦斯氣瓶進(jìn)行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時(shí)間為48小時(shí)。3、瓦斯抽采打開抽采管閥門，全程檢測各參數(shù)變化及瓦斯流量變化:先打開500L/min量程流量計(jì)，待流量降低至50L/min,關(guān)閉500L/min側(cè)的閥門，打開50L/min側(cè)的閥門。這ー過程瓦斯源(瓦斯罐)可以關(guān)閉，也可以一直穩(wěn)定于預(yù)定輸出壓カ1.2MPa。4、瓦斯解吸有瓦斯源時(shí):關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)排放瓦斯，直至試件箱內(nèi)瓦斯解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗(yàn)；無瓦斯源吋:試件箱內(nèi)瓦斯解吸排出完全則停止三向加載，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗(yàn)。5、完成同組其他試驗(yàn)改變模擬采深、抽采長度或抽采點(diǎn)其中的之一試驗(yàn)參數(shù)，而保持其他試驗(yàn)參數(shù)不變，如可通過增減第二接管15b的數(shù)量或改變第三接管15c的長度，以改變抽采段位置，即使另ー Z向壓桿的中心線位于虛擬面17上，如圖11、圖12和圖13所示，重復(fù)上述步驟2-4，完成同組的其他試驗(yàn)方案，以模擬不同條件下的抽采過程演化規(guī)律。在實(shí)際エ況中，工作面前方煤體具有不同的壓カ區(qū)域，如圖14所示，圖14中，A區(qū)域?yàn)樾秹簠^(qū)，B區(qū)域?yàn)閼?yīng)カ集中區(qū)，C區(qū)域?yàn)樵紤?yīng)カ區(qū)，S H為原始應(yīng)カ區(qū)。抽采試驗(yàn)中，可按照?qǐng)D所示的應(yīng)カ規(guī)律，對(duì)第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d施加不同的載荷，以模擬不同的應(yīng)カ區(qū)域。如表一所示，第一 Z向壓桿2a用于模擬卸壓區(qū)，第二 Z向壓桿2b用于模擬應(yīng)カ集中區(qū)，第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d用于模擬原始應(yīng)カ區(qū)。表一:抽米模擬試驗(yàn)方案
權(quán)利要求
1.一種多場稱合煤層氣開米物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng),包括試件箱；所述試件箱(I)上部設(shè)置有至少ー個(gè)Z向壓桿和Z向壓板(3)； 所述試件箱(I)的右箱板上設(shè)置有至少ー個(gè)Y向壓桿(4)和Y向壓板(5)； 所述試件箱(I)的后箱板上設(shè)置有至少ー個(gè)X向壓桿(6)和X向壓板(7)； 所述Z向壓板(3 )、Y向壓板(5 )和X向壓板(7 )均位于所述試件箱(I)內(nèi)； 所述試件箱(I)的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ(9);所述突出ロ(9)內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套(10);所述突出套(10)與所述前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈(8a); 所述試件箱(I)的底部設(shè)置有透氣鋼板(25)和氣道(26);所述透氣鋼板(25)覆蓋在所述氣道(26)上；所述氣道(25)的進(jìn)ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭(27)； 所述試件箱(I)的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板(28);所述左箱板在各第一墊板(28)的間隔之間設(shè)置有接ロ(29);所述接ロ(29)中設(shè)置有傳感器接頭(30)； 其特征是:所述突出套(10)的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對(duì)應(yīng)的外管固定座(11);所述突出套(10)的階梯面與所述外管固定座(11)之間設(shè)置有第二密封圈(8b);所述外管固定座(11)的內(nèi)孔中螺紋連接有外管(12);所述外管(12)延伸至所述試件箱(I)內(nèi)； 所述突出套(10)的前端面通過螺栓連接有固定法蘭(13);所述外管固定座(11)與所述固定法蘭(13)之間設(shè)置有第三密封圈(Sc);所述固定法蘭(13)的前端設(shè)置有法蘭凸臺(tái)(13a);所述法蘭凸臺(tái)(13a)的外圓設(shè)置有螺紋； 所述外管(12)的后端封閉，前端開ロ ；所述外管(12)上設(shè)置有位置與各所述Z向壓桿對(duì)應(yīng)的抽采外區(qū)(12a);所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有若干抽采外孔(14a)； 所述外管(12)和固定法蘭(13)中設(shè)置有內(nèi)管(15);所述內(nèi)管(15)包括第一接管(15a)和第三接管(15c)，以及可選的ー根或多根第二接管(15b);所述第一接管(15a)、第二接管(15b)和第三接管(15c)可前后依次螺紋連接,且連接螺紋具有互換性；所述第一接管(15a)、第二接管(15b)和第三接管(15c)的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈(8f);所述第一接管(15a)和第二接管(15b)的外徑小于所述外管(12)的內(nèi)徑； 所述第一接管(15a)對(duì)應(yīng)所述法蘭凸臺(tái)(13a)處設(shè)置有限位凸緣(15al);所述第一接管(15a)在所述限位凸緣(15al)的前端(15a2)外圓設(shè)置有螺紋；所述第一接管(15a)的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭(16)； 所述限位凸緣(15al)和法蘭凸臺(tái)(13a)的外螺紋上配合有螺母(19)； 所述第一接管(15a)和第二接管(15b)沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管(15c)沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔； 所述第三接管(15c)設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)(15cl);所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣(15c2)和第二抽采凸緣(15c3);所述第二抽采凸緣(15c3)與所述外管(12)配合，并與所述外管(12)之間設(shè)置有第四密封圈(8d);所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣(15c3)對(duì)應(yīng)的第一密封區(qū)(12c); 所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)的外徑小于所述外管(12)的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)沿周向和軸向均布有多個(gè)抽采內(nèi)孔(14b)； 所述Z向壓桿的中心線可位干與所述第一抽采凸緣(15c2)和第二抽采凸緣(15c3)相對(duì)端面等距的虛擬面(17)上。
2.如權(quán)利要求1所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是:所述第一抽采凸緣(15c2)與所述外管(12)配合，并與所述外管(12)之間設(shè)置有第五密封圈(Se)；所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有與所述第一抽采凸緣(15c2)對(duì)應(yīng)的第二密封區(qū)(12b)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是:所述抽采外孔(14a)的孔徑大于所述抽采內(nèi)孔(14b)的孔徑；所述抽采外孔(14a)的分布密度大于所述抽采內(nèi)孔(14b)的分布密度；所述抽采外區(qū)(12)內(nèi)、第一密封區(qū)(12c)和第二密封區(qū)(12b)外，各所述抽采外孔(14a)之間的第一軸向孔心距不小于5mm;各所述抽采內(nèi)孔(14b)之間的第二軸向孔心距為所述第一軸向孔心距的兩倍。
4.如權(quán)利要求3所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是:所述外管(12)的抽采外區(qū)(12a)在圓周方向上均布有18個(gè)所述抽采外孔(14a);所述第三接管(15c)的抽采內(nèi)區(qū)(15cl)在圓周方向上均布有4個(gè)所述抽采內(nèi)孔(14b);所述抽采外孔(14a)的孔徑不大于1.5mm ;所述抽采內(nèi)孔(14b)的孔徑不小于2mm ;所述第一軸向孔心距為5mm ;所述第二軸向孔心距為10mm。
5.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是:所述第一接頭(16)與所述內(nèi)管(15)的前端面之間設(shè)置有組合墊圈(18)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是:所述突出套(10)的內(nèi)孔孔徑大 于所述外管固定座(11)的外徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試件箱(1)；所述試件箱(1)的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出口(9)；所述突出口(9)內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套(10)；所述突出套(10)內(nèi)設(shè)置有外管固定座(11)；所述外管固定座(11)的內(nèi)孔中螺紋連接有外管(12)；所述外管(12)上設(shè)置有抽采外區(qū)(12a)；所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有若干抽采外孔(14a)；所述外管(12)設(shè)置有內(nèi)管(15)。本發(fā)明可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬現(xiàn)場工況的煤層氣抽采，再現(xiàn)實(shí)際工況中煤層參數(shù)的變化情況，從而研究應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析煤層瓦斯流動(dòng)與煤巖體裂隙耦合的時(shí)空演化及分布規(guī)律。
文檔編號(hào)E21F7/00GK103114870SQ20131002509
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者許江, 尹光志, 劉 東, 王維忠, 彭守建, 李波波, 蔣長寶, 程立朝, 梁永慶, 曹偈 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)