一种采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置的制作方法

本发明涉及瓦斯抽采技术领域，特别是一种采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置。

背景技术：

随着我国煤矿开采深度的增加，瓦斯含量增加，瓦斯灾害问题日益严重，成为制约煤矿安全生产的主要问题。其中，采空区聚集的大量瓦斯，是瓦斯防治的重点对象；我国目前常采用地下瓦斯抽采和地面瓦斯抽采两种措施对采空区瓦斯进行抽采，无论哪种抽采方式，均需要探明运移机理和瓦斯富集位置。因此，精准预测瓦斯运移富集区带可以为采空区瓦斯抽采提供科学指导，有效提高煤矿生产工作的安全性系数，保证煤矿安全生产。

为了探明采煤过程中瓦斯运移富集机理，我国研究人员利用理论计算、模拟实验等手段做出大量研究工作；一些研究者通过实际工程实践，总结出瓦斯富集区带的经验公式，虽然在一定程度上可以用于瓦斯富集区带预测，但计算结果受地质环境的影响较大，缺乏普适性，且未能体现出瓦斯运移机制和富集的时空演化特性；一些研究者采用岩体力学、工程力学等理论手段对瓦斯富集运移机理进行理论推导，得出瓦斯富集分布规律，在地质环境较简单的区域中，可以获得较准确的预测结果，但由于假设条件相对单一，在复杂环境下的推导结果与真实情况有一定偏差；一些研究者通过制作实验室模拟设备，模拟煤矿采动过程中瓦斯运移富集过程，但或多或少有诸如只针对单一煤层开采条件下的实验模拟、掘进速度不可控、未考虑实验环境密封性等缺陷。因此，急需研制一种装置，能模拟不同围岩条件、不同工作面采煤速度等影响因素下的裂隙演化特征和瓦斯运移富集过程，并能较精准的判识出采煤作业影响下瓦斯运聚富集区带，为不同情况下瓦斯富集聚集提供实验依据。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明的目的是要提供一种采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置，包括用于对煤层进行模拟监测的裂隙演化模拟机构、用于为裂隙演化模拟机构提供氮气的气体动力机构、用于对裂隙演化模拟机构采掘过程中瓦斯运移富集位置进行精准判识的气体运移富集判识机构和用于记录分析数据的数据采集系统，气体动力机构通过第二高压管与裂隙演化模拟机构连接，气体运移富集判识机构设置在裂隙演化模拟机构的内部并通过数据线与数据采集系统连接；

进一步的，所述裂隙演化模拟机构包括密封箱、放置在密封箱内的若干岩层基块、围岩二维应力加载装置以及煤层开采装置，若干岩层基块的上下两端通过承压钢板固定，若干岩层基块的左右两端通过夹持板固定，若干岩层基块的中间设置有模拟媒层，所述承压钢板与夹持板将岩层基块固定在密封箱的中间，所述围岩二维应力加载装置包括纵向液压机和横向液压机，所述纵向液压机包括纵向固定部和纵向伸缩加压部，所述纵向固定部位于密封箱的底端、与位于下端的承压钢板固定连接，所述纵向伸缩加压部与位于上端的承压钢板固定连接，所述横向液压机包括横向固定部和横向伸缩加压部，所述横向固定部位于密封箱的左端、与位于左端的夹持板固定连接，所述横向伸缩加压部与位于右端的夹持板固定连接，所述煤层开采装置包括横向导轨、纵向导轨、伸缩切削刀具、第一直流电机和第二直流电机，所述纵向导轨的两端固定在密封箱的内壁上，所述纵向导轨为两个，所述横向导轨固定在两个纵向导轨之间、且与纵向导轨活动连接，所述伸缩切削刀具位于横向导轨上、且与横向导轨活动连接，所述第一直流电机与伸缩切削刀具固定连接用于驱动伸缩切削道具在横向导轨上移动，所述第二直接电机为两个且分别位于横向导轨的两端用于驱动横向导轨在纵向导轨上移动；

进一步的，所述纵向液压机至少两个，所述横向液压机至少两个，所述横向液压机与纵向液压机均通过第一高压管连接有液压分流箱，所述液压分流箱通过液压泵连通液压油箱，所述第一高压管上设置有第一压力表，所述第一压力表为若干个、分别用于监控横向液压机或纵向液压机的压力，所述第一压力表的一侧均设置有阀门，所述阀门位于第一高压管上；

进一步的，所述岩层基块呈立方体状，所述岩层基块上设置有横向通道和纵向通道，所述横向通道和纵向通道互相交汇连通，横向通道和纵向通道分别用于相邻岩层基块之间气体横向和纵向上的运移；所述横向通道和纵向通道内均固定有接口铜管，所述接口铜管用于连接相邻的岩层基块；

进一步的，所述气体运移富集判识机构包括横向电磁阀、纵向电磁阀、横向气体流量传感器和纵向气体流量传感器，所述横向电磁阀固定在横向通道的通道口，所述纵向电磁阀固定在纵向通道的通道口，所述横向通道的内部设置有横向气体流量传感器，所述纵向通道的内部设置有纵向气体流量传感器，所述横向气体流量传感器与纵向气体流量传感器分别通过数据线连接数据采集系统，所述数据线引出岩层基块外并由数据线管道进行密封；

进一步的，所述气体动力机构包括空气压缩机、氮气瓶、第二高压管、气体流量计、电子阀门和第二压力表，所述空气压缩机与氮气瓶连接用于为裂隙演化模拟机构提供氮气，所述密封箱上设置有第一注气孔，所述空气压缩机通过第二高压管与第一注气孔连接，所述气体流量计、电子阀门和第二压力表均设置在第二高压管上；

进一步的，所述夹持板的外壁上设置有第二注气孔，所述第二注气孔通过第三高压管与第一注气孔连通，所述第二注气孔与岩层基块上的横向通道口连通；

进一步的，所述数据采集系统包括电脑控制端，所述第一压力表、液压泵、气体流量计均与电脑控制端电气连接。

与现有技术相比，本发明的采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置具备以下有益效果;

1、本发明通过围岩二维应力加载装置和煤层开采装置可以实现不同采煤厚度、不同采煤速度下围岩裂隙的演化特征，为煤矿开采裂隙演化提供指导。

2、本发明可以严格控制模拟工作面的掘进速度和掘进轨迹，实验模拟过程在密封环境中一次性完成，不需要额外人工操作，精准度更高。

3、通过本发明，能够较准确的判识出不同采煤厚度、围岩岩性、瓦斯含量等条件下瓦斯富集区带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的岩层基块俯视结构示意图；

图3为本发明的岩层基块结构示意图；

图4为本发明的裂隙演化模拟机构侧视结构示意图；

图5为本发明的裂隙演化模拟机构俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-5所示的一种采煤工作面瓦斯运移富集区带模拟测试装置，包括用于对煤层进行模拟监测的裂隙演化模拟机构、用于为裂隙演化模拟机构提供氮气的气体动力机构、用于对裂隙演化模拟机构采掘过程中瓦斯运移富集位置进行精准判识的气体运移富集判识机构和用于记录分析数据的数据采集系统，所述裂隙演化模拟机构包括密封箱1、放置在密封箱内的若干岩层基块2、围岩二维应力加载装置以及煤层开采装置，若干岩层基块2的上下两端通过承压钢板3固定，若干岩层基块2的左右两端通过夹持板4固定，若干岩层基块的中间设置有模拟媒层5，所述承压钢板3与夹持板4将岩层基块2固定在密封箱1的中间，所述围岩二维应力加载装置包括纵向液压机6和横向液压机7，所述纵向液压机6包括纵向固定部61和纵向伸缩加压部62，所述纵向固定部61位于密封箱1的底端、与位于下端的承压钢板3固定连接，所述纵向伸缩加压部62与位于上端的承压钢板3固定连接，所述横向液压机7包括横向固定部71和横向伸缩加压部72，所述横向固定部71位于密封箱1的左端、与位于左端的夹持板4固定连接，所述横向伸缩加压部72与位于右端的夹持板4固定连接，所述煤层开采装置包括横向导轨8、纵向导轨9、伸缩切削刀具10、第一直流电机11和第二直流电机12，所述纵向导轨9的两端固定在密封箱1的内壁上，所述纵向导轨9为两个，所述横向导轨8固定在两个纵向导轨9之间、且与纵向导轨9活动连接，所述伸缩切削刀具10位于横向导轨8上、且与横向导轨8活动连接，所述第一直流电机11与伸缩切削刀具10固定连接用于驱动伸缩切削刀具10在横向导轨8上移动，所述第二直接电机12为两个且分别位于横向导轨8的两端用于驱动横向导轨8在纵向导轨9上移动；密封箱1设置成便于观察记录的透明箱体，伸缩切削刀具10的具体结构为现有技术，在此不多描述，对于本领域技术人员来讲，很容易明白其具体结构来实现其功能。

参考图1，所述纵向液压机6至少两个，所述横向液压机7至少两个，所述横向液压机6与纵向液压机7均通过第一高压管13连接有液压分流箱14，所述液压分流箱14通过液压泵15连通液压油箱16，所述第一高压管13上设置有第一压力表17，所述第一压力表17为若干个、分别用于监控横向液压机6或纵向液压机7的压力，所述第一压力表17的一侧均设置有阀门18，所述阀门18位于第一高压管13上。

参考图2、3，所述岩层基2块呈立方体状，所述岩层基块2上设置有横向通道19和纵向通道20，所述横向通道19和纵向通道20互相交汇连通，横向通道19和纵向通道20分别用于相邻岩层基块2之间气体横向和纵向上的运移；所述横向通道19和纵向通道20内均固定有接口铜管36，所述接口铜管36用于连接相邻的岩层基块，岩层基块2按所需杨氏模量和泊松比调配水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水等材料比例进行模型浇筑，制作成10×5×3cm的立方体。

所述气体运移富集判识机构包括横向电磁阀21、纵向电磁阀22、横向气体流量传感器23和纵向气体流量传感器24，所述横向电磁阀21固定在横向通道19的通道口，所述纵向电磁阀22固定在纵向通道20的通道口，所述横向通道19的内部设置横向气体流量传感器23，所述纵向通道20的内部设置纵向气体流量传感器24，所述横向气体流量传感器23与纵向气体流量传感器24分别通过数据线25连接数据采集系统，所述数据线25引出岩层基块2外并由数据线管道26进行密封。

如图1所示，所述气体动力机构包括空气压缩机26、氮气瓶27、第二高压管28、气体流量计29、电子阀门30和第二压力表31，所述空气压缩机26与氮气瓶27连接用于为裂隙演化模拟机构提供氮气，所述密封箱1上设置有第一注气孔32，所述空气压缩机26通过第二高压管28与第一注气孔32连接，所述气体流量计29、电子阀门30和第二压力表31均设置在第二高压管28上；气体动力机构的主要功能是向密封箱1内注入氮气气体，用于代替模拟煤层工作面掘进过程中的瓦斯产出并为岩体环境提供气体压力，空气压缩机26可以提供所需的气体压力；气体流量计29用于监测注入气体的流量；第二压力表31用于监测密封箱1内的压力；电子阀门30用于按预设流量控制气体注入，为了确保试验过程的安全性，注入气体采用氮气代替甲烷气体。

参考图1、4，所述夹持板4的外壁上设置有第二注气孔33，所述第二注气孔33通过第三高压管34与第一注气孔32连通，所述第二注气孔33与岩层基块2上的横向通道19口连通。

所述数据采集系统包括电脑控制端35，所述第一压力表17、液压泵15、气体流量计29均与电脑控制端35电气连接。

本发明的使用过程：

1、模拟岩层制备与传感器埋设

首先根据围岩的岩性的不同，利用不同比例水泥、石膏粉、石英砂、粘土、煤粉、水等材料制作不同杨氏模量和泊松比的立方体型岩层基块，用于进行不同岩性地层组合拼接；其中岩层基块上设置有横向通道和纵向通道，负责为注入氮气提供运移通道，模拟煤层可以整体浇筑成板状煤层，也可使用模具制作成煤层基块，模拟岩层组合过程中岩层基块中的横向电磁阀、纵向电磁阀负责控制瓦斯运移压力阈值，按设计位置依次埋设横向气体流量传感器与纵向气体流量传感器并引出数据采集信息。

2、模拟岩层安装与设备连接

模拟岩层按设计拼接，完成后上下加入承压钢板，两端使用夹持板固定后放入预制密封箱，架设横向导轨和纵向导轨以及伸缩切削刀具，调试纵向液压机、横向液压机以及采集线路，准确无误后封箱。

3、测试参数预设

根据需求对伸缩切削刀具运行轨迹和运进速度进行预设，以确保精确模拟工作面掘进过程；设置不同阶段注入氮气流量和氮气压力、电磁阀联通压差和预加载围岩应力。

4、采煤过程裂隙演化模拟

启动设备运行程序，伸缩切削刀具在按程序预设轨迹和给进速度对模拟煤层进行切削，为消除边界效应，两端留足安全距离，上下岩层在预加载围岩应力下随模拟掘进的进行不断垮落，产生裂隙；模拟过程中可透过透明密封箱对裂隙演化进行观测和摄像记录。

5、气体运移富集判识

裂隙演化模拟过程中，气体动力机构通过密封箱第一注气孔向联通的模拟围岩各层注入氮气。在氮气的注入过程中，岩层基块之间压差逐渐增大，达到预设纵向电磁阀和横向电磁阀联通阈值时，纵向电磁阀和横向电磁阀通道打开，气体开始运移；岩层基块之间压差减小至纵向电磁阀和横向电磁阀阈值以下，纵向电磁阀和横向电磁阀通道闭合，气体运移停止。以此类推完成整个瓦斯运气富集的模拟过程，由岩层基块内部气体流量计传感器监测实验数据并由电脑完成相关绘图与数据计算。

6、数据整理与分析

实验完成后，根据预设岩层基块内部横向气体流量传感器与纵向气体流量传感器所记录数据对煤层采动过程中裂隙演化发育和气体富集进行计算分析。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。