测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置和实验方法与流程

本发明属于矿井瓦斯灾害治理领域，尤其涉及一种可测量瓦斯抽采孔内负压分布特性及流量分布特性的实验装置。

背景技术：

瓦斯作为煤矿事故的头号“杀手”，一直是煤矿安全的重点监视对象。瓦斯治理是保证煤矿安全生产的关键因素，同时也是煤矿灾害治理的一个急需攻克的难点重点。瓦斯抽采是经过专家论证和实践的治理瓦斯的主要措施，但是由于影响瓦斯抽采的因素太多，导致抽采效果达不到预期目标。因此，就非常有必要对瓦斯抽采的主要影响因素进行研究分析。

众所周知，瓦斯抽采负压是影响瓦斯抽采的重要因素，它不仅影响着抽采瓦斯流量和浓度，并且还会受到钻孔变化的影响制约。现场实测是很好的研究抽采负压对抽采质量影响的方法，但却存在着以下两方面的问题：

1）、在硬煤打孔测量时，通常采用孔内下放测压束管或者紫铜管进行测量，但是由于束管或紫铜管的存在改变了孔内的流场增加了孔内负压损失，另外作为导压管束管或紫铜管也会增加负压损失，导致测量的结果跟理论计算的结果差距较大。

2）、在软煤打孔测量时，由于软煤孔内支撑性太差，容易出现塌孔堵孔等现象，导致无法下放束管或紫铜管，无法进行测量。

因此，在实验室建立一个接近现场实际的可测量瓦斯抽采钻孔孔内负压分布特性及流量分布特性的实验装置，可以测试钻孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔质量等情况时的孔内负压分布及流量分布，不仅能很方便的测量抽采钻孔孔内负压分布特性及流量分布，而且测量结果与理论计算相接近。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，能够模拟硬煤钻孔和软煤钻孔，并且能够防止塌孔和堵孔等现象，测量装置对负压的影响小。

为实现上述目的，本发明的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置包括气水分离箱、水环真空泵和煤砂装填箱，煤砂装填箱顶部敞口处设有箱盖；气水分离箱顶部向上连接有进水/排气管和第一连接软管，第一连接软管与水环真空泵的排气口相连接；气水分离箱一侧壁底部连接有排水管，气水分离箱另一侧壁底部通过供水管与水环真空泵的储水室相连接，供水管上设有供水阀；进水/排气管上设有进水/排气阀，排水管上设有排水阀；

煤砂装填箱内密实填充有用于模拟目标煤体的煤砂，煤砂装填箱中部的煤砂内设有由铁丝网制成的抽采管；抽采管的一端为连接端，抽采管的连接端位于煤砂装填箱的长度方向的一端且抽采管的连接端连接有第二连接软管；抽采管的另一端为其末端并位于煤砂装填箱的长度方向的另一端；水环真空泵的进气口通过第二连接软管连接抽采管的连接端；第二连接软管上设有用于调节抽采管内负压的调节阀；

抽采管均匀间隔连接有若干皮托管，相邻皮托管之间的间距为5±0.2米；皮托管的一端向上伸出煤砂装填箱，皮托管的另一端伸入抽采管且其开口朝向抽采管的末端；

煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上均匀设有多个通气孔，箱盖上均匀设有多个通气孔，相邻通气孔的孔间距均为0.1±0.01米；

所述第二连接软管上设有真空表12。

本发明的目的还在于提供一种使用上述实验装置进行的实验方法，该方法依次按以下步骤进行：

第一步骤是预备步骤，包括煤砂装填箱的预备和水环真空泵的预备；

①煤砂装填箱的预备：使用铁皮制作长度大于等于50米的煤砂装填箱，使用直径0.1±0.01毫米的钻头，在煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上以及箱盖上进行均匀钻孔形成多个通气孔，钻孔时确保相邻通气孔的孔间距为0.1±0.01米；在煤砂装填箱的长度方向的侧壁中部加工出用于抽采管与第二连接软管相连接的通孔；

沿煤砂装填箱的长度方向，在煤砂装填箱的箱盖上每间隔5±0.2米，使用直径为2±0.1毫米的钻头加工出用于安装皮托管的安装孔；

实验研究煤矿某个实际煤层的钻孔内负压及流量分布特性时，该实际位置处的煤体即为目标煤体；对取自模拟的目标煤体所在地层内的煤样进行筛分，将筛分后获得的粉煤作为向煤砂装填箱内填充的煤砂；使用铁丝网箍成抽采管；

在煤砂装填箱的底部填充准备好的煤砂，煤砂填充至与抽采管预定的底端位置相齐平；然后将制作好的抽采管放入煤砂装填箱，使抽采管位于煤砂装填箱的中部；将带有调节阀的第二连接软管通过所述通孔与抽采管相连接，然后沿抽采管两侧向煤砂装填箱内继续填充煤砂，并由实验人员将煤砂装填箱内的煤砂压实到与目标煤体相同的程度；煤砂填充完毕后，在与安装孔相对应的位置上将皮托管插入抽采管内，盖上煤砂装填箱的箱盖并使各皮托管均通过安装孔伸出箱盖；

②水环真空泵的预备：关闭排水阀，打开进水/排气阀，通过进水/排气管向气水分离箱内充入水，使气水分离箱内的液位高度位于气水分离箱的中上部；在气水分离箱和水环真空泵的排气口之间连接第一连接软管；使用供水管连接气水分离箱的底部和水环真空泵的储水室；

第二步骤是负压形成步骤，确保调节阀、供水阀和进水/排气阀处于打开位置，打开水环真空泵，通过调节阀调节抽采管内的负压，外界空气经各通气孔进入煤砂装填箱，通过煤砂后进入抽采管，被水环真空泵抽出；

水环真空泵工作时，抽取的气体和水环真空泵内的水形成的气水混合物由第一连接软管排入气水分离箱的顶部；气水混合物进入气水分离箱后，气水混合物中的水下落至气水分离箱中下部的水中，同时气水混合物中的气体进入气水分离箱上部并最终由进水/排气管排出；

第三步骤是测量步骤，水环真空泵工作30分钟后，在每一根皮托管上分别连接一个水柱u型压力计，各水柱u型压力计测量出抽采管相应部位的动压；然后将各皮托管上的水柱u型压力计取下，在每一根皮托管上分别连接一个水银u型压力计，各水银u型压力计测量出抽采管相应部位的静压；最后实验人员根据测得的抽采管各处的静压数据和动压数据得出抽采管内负压分布特性及流量分布特性。

本发明的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置结构简单，通过调节煤砂的压实度，既可以模拟硬煤钻孔进行实验，又可以模拟软煤钻孔进行实验。

模拟硬煤钻孔时，无须下放测压束管或者紫铜管进行测量，而皮托管的细小直径又决定了其不会明显增加负压损失，因此避免了以往测量的结果与理论计算的结果差距较大的问题，测量结果更加准确。

模拟软煤钻孔时，抽采管能够提供稳定的支撑，并且由于抽采管由铁丝网制成，因此透气性非常良好，达到在不影响负压抽吸的同时防止塌孔和堵孔等现象的目的，保证实验能够稳定进行。

对取自目标煤体的煤样进行筛分，得到的粉煤作为向煤砂装填箱内填充的煤砂，使本发明既可以很好地模拟现场实际情况，又具有良好的压实度，可以进行相同煤样不同压实度的实验。

真空表的设置，便于实验人员观察负压状态并通过调节阀进行相应的负压调节。通气孔的间距及大小，能够模拟煤体的实际透气情况。皮托管具有直径小、对负压的影响小、方便测量的优点。皮托管伸入抽采管的一端的开口朝向抽采管的末端，这样就使皮托管的开口在实验过程中迎向气流，使测量结果更加准确。

模拟瓦斯抽采过程，并且可以调节抽采负压，在不同负压条件下测量沿轴向负压分布特性。测量结果可以为现场实际工作提供理论指导。

抽采管抽负压30分钟以上，煤砂装填箱的煤砂以及抽采管内形成了稳定的气流，此时再进行测量，结果更准确。

本发明还可以模拟在钻孔不同变形的条件下，测量抽采负压和流量在孔内的分布情况。

本发明具有结构新颖，加工简便，操作方便、实验数据准确度高等特点。本发明可以测试钻孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔质量等情况时的孔内负压分布及流量分布，不仅能很方便的测量抽采钻孔孔内负压分布特性及流量分布，而且测量结果与理论计算相接近。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中ａ处的放大图；

图3是图1中ｂ处的放大图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置包括气水分离箱2、水环真空泵1和长50米以上的煤砂装填箱8，煤砂装填箱8顶部敞口处设有箱盖；箱盖为常规结构，图未示。气水分离箱2顶部向上连接有进水/排气管4（进水/排气管4既是进水管，也是排水管）和第一连接软管5，第一连接软管5与水环真空泵1的排气口相连接；气水分离箱2一侧壁底部连接有排水管3，气水分离箱2另一侧壁底部通过供水管14与水环真空泵1的储水室相连接，供水管14上设有供水阀15；进水/排气管4上设有进水/排气阀16，排水管3上设有排水阀17；

煤砂装填箱8内密实填充有用于模拟目标煤体（需要研究煤矿某个实际煤层的钻孔内负压及流量分布特性时，该实际位置处的煤体即为目标煤体）的煤砂13，煤砂装填箱8中部的煤砂13内设有由铁丝网制成的抽采管7；抽采管7的一端为连接端，抽采管7的连接端位于煤砂装填箱8的长度方向的一端且抽采管7的连接端连接有第二连接软管18；抽采管7的另一端为其末端并位于煤砂装填箱8的长度方向的另一端；水环真空泵1的进气口通过第二连接软管18连接抽采管7的连接端；第二连接软管18上设有用于调节抽采管7内负压的调节阀6；

抽采管7均匀间隔连接有若干皮托管9，相邻皮托管9之间的间距为5±0.2米；图1仅为示意图，其中没有显示出所有的皮托管9。

皮托管9的一端向上伸出煤砂装填箱8，皮托管9的另一端伸入抽采管7且其开口朝向抽采管7的末端；

煤砂装填箱8的前侧壁、后侧壁和底壁上均匀设有多个通气孔，箱盖上均匀设有多个通气孔，相邻通气孔的孔间距均为0.1±0.01米。在箱体壁上设置通气孔为常规技术，图未示所述通气孔。由于实验过程中需要沿抽采管的径向方向形成气流，因此不在煤砂装填箱8的左侧壁和右侧壁上设置通气孔。

所述第二连接软管18上设有真空表12。工作中，气水分离箱2通过供水管14为水环真空泵1调节阀6提供正常工作需要的水。

本发明还公开了使用上述测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置进行的实验方法，依次按以下步骤进行：

第一步骤是预备步骤，包括煤砂装填箱8的预备和水环真空泵1的预备；

①煤砂装填箱8的预备：使用铁皮制作长度大于等于50米的煤砂装填箱8，使用直径0.1±0.01毫米的钻头，在煤砂装填箱8的前侧壁、后侧壁和底壁上以及箱盖上进行均匀钻孔形成多个通气孔，钻孔时确保相邻通气孔的孔间距为0.1±0.01米；在煤砂装填箱8的长度方向的侧壁中部加工出用于抽采管7与第二连接软管18相连接的通孔；

沿煤砂装填箱8的长度方向，在煤砂装填箱8的箱盖上每间隔5±0.2米，使用直径为2±0.1毫米的钻头加工出用于安装皮托管9的安装孔；抽采管的孔口固定牢固不漏气，往里吹气可通畅。

实验研究煤矿某个实际煤层的钻孔内负压及流量分布特性时，该实际位置处的煤体即为目标煤体；对取自模拟的目标煤体所在地层内的煤样进行筛分，将筛分后获得的粉煤作为向煤砂装填箱8内填充的煤砂13；筛分后的粉煤具有良好的压实度，能够被压实至需要的程度。使用铁丝网箍成抽采管7；

在煤砂装填箱8的底部填充准备好的煤砂13，煤砂13填充至与抽采管7预定的底端位置相齐平；然后将制作好的抽采管7放入煤砂装填箱8，使抽采管7位于煤砂装填箱8的中部；将带有调节阀6的第二连接软管18通过所述通孔与抽采管7相连接，然后沿抽采管7两侧向煤砂装填箱8内继续填充煤砂13，并由实验人员将煤砂装填箱8内的煤砂13压实到与目标煤体基本相同的程度；煤砂13填充完毕后，在与安装孔相对应的位置上将皮托管9插入抽采管7内，盖上煤砂装填箱的箱盖并使各皮托管9均通过安装孔伸出箱盖；填充煤砂13时应逐步填充，不能直接向煤砂装填箱8倒入煤砂13，以免压坏抽采管7。

②水环真空泵1的预备：关闭排水阀17，打开进水/排气阀16，通过进水/排气管4向气水分离箱2内充入水，使气水分离箱2内的液位高度位于气水分离箱2的中上部；在气水分离箱2和水环真空泵1的排气口之间连接第一连接软管5；使用供水管14连接气水分离箱2的底部和水环真空泵1的储水室；

第二步骤是负压形成步骤，确保调节阀6、供水阀15和进水/排气阀16处于打开位置，打开水环真空泵1，通过调节阀6调节抽采管7内的负压，外界空气经各通气孔进入煤砂装填箱8，通过煤砂13后进入抽采管7，被水环真空泵1抽出；

水环真空泵1工作时，抽取的气体和水环真空泵1内的水形成的气水混合物由第一连接软管5排入气水分离箱2的顶部；气水混合物进入气水分离箱2后，气水混合物中的水下落至气水分离箱2中下部的水中，同时气水混合物中的气体进入气水分离箱2上部并最终由进水/排气管4排出；

第三步骤是测量步骤，水环真空泵工作30分钟后，在每一根皮托管9上分别连接一个水柱u型压力计，各水柱u型压力计测量出抽采管7相应部位的动压；然后将各皮托管9上的水柱u型压力计取下，在每一根皮托管9上分别连接一个水银u型压力计，各水银u型压力计测量出抽采管7相应部位的静压；最后实验人员根据测得的抽采管7各处的静压数据和动压数据得出抽采管7内负压分布特性及流量分布特性。

ｕ型压力计的原理：当u型压力计没有与测压点连通前，u型玻璃管内两侧的液面在零刻度线处相平。当u型管的一端与测压点连通后，u型管内的液面会发生变化。若与测压点连通一侧的液面下降，说明测压点处的压力为正压，反之则为负压。液面的下降程度能够指示两侧的压差。ｕ型管中的液体为水时，为水柱u型压力计；ｕ型管中的液体为水银时，为水银u型压力计。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。