检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统及相应的检测方法与流程

本发明属于煤矿瓦斯灾害治理
技术领域：
，用于卸压瓦斯升浮扩散规律的检测，具体地说是一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统及相应的检测方法。
背景技术：
：随着科技进步，煤矿基本实现自动化，在煤矿开采过程中，伴随着很多种类的煤矿灾害，其中瓦斯灾害一直是煤矿开采中瓦斯灾害发生事故起数以及事故死亡率为最高的灾害之一。高强度开采高瓦斯含量厚煤层也以常态出现，高强度开采引起本煤层充分卸压，进而导致瓦斯大量解吸成游离瓦斯。游离瓦斯升浮扩散到生产工作面、采空区以及隅角位置，造成部分区域瓦斯富集，瓦斯浓度超限，对生产工作面煤矿工人生命安全造成严重威胁。我国大部分煤矿开采都属于井工开采，井下开采煤层属于黑匣子问题，对煤层采动后上覆岩层运移规律以及卸压瓦斯在采动裂隙场中升浮扩散规律都是未知。基于上述现状，需要研究分析煤层在采动卸压后，煤岩体中卸压瓦斯升浮扩散规律，确定其瓦斯储运特征，以便更好地治理煤矿瓦斯灾害，并提出相应的治理措施。这不但能够为煤矿安全生产提供积极的安全保障，还能达到煤及伴生资源安全、绿色和科学共采，同时能够带来较高的经济、社会效益。技术实现要素：本发明的目的，是要提供一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统，其以相似模拟实验为思路，提供了一种三维系统，能够卸压瓦斯升浮扩散规律进行精确检测；本发明的另外一个目的，是要提供一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的方法。本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统，包括上位机、长方体结构的箱体，以及设置在箱体上的液压加载子系统、自动开挖输运子系统、注气子系统、岩移光栅测定子系统、采动裂隙场监测子系统和瓦斯升浮扩散监测子系统；所述液压加载子系统设置在箱体的顶部，用于对待测煤岩层施加压力；所述箱体底面上设置有放置槽，放置槽的一部分形成回风顺槽和进风顺槽，自动开挖输运子系统安装在放置槽内；注气子系统设置在回风顺槽与进风顺槽之间的箱体的底面上，注气子系统的进气口连接外界的注气装置，用于向箱体内注入类瓦斯气体；岩移光栅测定子系统安装在箱体的第二侧壁上，岩移光栅测定子系统的信号输出端与上位机的位移信号输入端相连；采动裂隙场监测子系统安装在箱体的第一侧壁、第二侧壁和第四侧壁上，采动裂隙场监测子系统的信号输出端与上位机的能量波信号输入端相连；瓦斯升浮扩散监测子系统安装在箱体的第三侧壁和第四侧壁上，瓦斯升浮扩散监测子系统的信号输出端与上位机的气体浓度信号输入端相连。作为限定：所述液压加载子系统包括镶嵌在箱体顶面的液压加载体和位于液压加载体下方的压板，压板的横截面与箱体内部横截面形状相同、面积相同。作为第二种限定：所述箱体底面设置有一个放置槽，放置槽包括第一通道、第二通道和第三通道，其中第一通道和第二通道相互平行，二者的尾端通过与之垂直的第三通道连通，第一通道作为回风顺槽，第二通道作为进风顺槽；回风顺槽和进风顺槽的自由端与外界连通；所述自动开挖输运子系统设置在放置槽内，自动开挖子系统包括电动机、”匚”形的架体和设置在架体上位于第三通道内的割煤滚刀机、位于割煤滚刀机的一侧沿第三通道和第一通道设置的第一输送带、位于割煤滚刀机的另一侧沿第三通道和第二通道设置的第二输送带；电动机的输出端与割煤滚刀机、第一输送带、第二输送带的驱动输入端分别相连。作为第三种限定：注气子系统包括注气管道和与注气管道连通的第一注气筛管、第二注气筛管，第一注气筛管、第二注气筛管上开设有筛孔，注气管道上的进气口连接外界的注气装置。作为第四种限定：所述岩移光栅测定子系统包括至少一个光栅位移传感器，光栅位移传感器的本体安装在第二侧壁上，对应的位移测线分布在箱体内。作为第五种限定：采动裂隙场监测子系统包括多个分设安装在第一侧壁、第二侧壁、第四侧壁上的声发射检波器。作为第六种限定：所述瓦斯升浮扩散监测子系统包括至少两个分设安装在第三侧壁和第四侧壁上的气体传感器。采用上述的检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统实现的检测卸压瓦斯升浮扩散规律的方法，按照以下步骤顺序进行：一、按照试验矿井煤层、岩层赋存特征，根据材料相似比将煤层和类煤岩相似材料准备好；二、根据对试验矿井煤层、岩层钻孔的取样分析，将准备好的煤层和类煤岩层相似材料逐层铺设到箱体内，形成待测煤岩层；三、通过液压加载子系统对铺设好的待测煤岩层施加压力；四、施加压力结束后，开启自动开挖输运子系统的电动机，电动机驱动割煤滚刀机沿第三通道做往复运动切割待测煤岩层，被切割下来的待测煤岩层掉落在第一输送带/第二输送带上，被运出箱体外；割煤滚刀机切割待测煤岩层的过程中，待测煤岩层中的煤层和类煤岩层一方面向下发生位移，另一方面煤层和类煤岩层之间产生裂隙；五、在割煤滚刀机切割待测煤岩层的同时，通过注气子系统向箱体内注入类瓦斯气体；在此过程中，岩移光栅测定子系统、采动裂隙场监测子系统和瓦斯升浮扩散监测子系统进行如下检测：①岩移光栅测定子系统实时检测待测煤岩层中的煤层和类煤岩层的位移量，并发送至上位机；②采动裂隙场监测子系统实时检测待测煤岩层中的煤层和类煤岩层因裂隙产生的能量波，并发送至上位机；③瓦斯升浮扩散监测子系统实时检测箱体内的类瓦斯气体浓度，并发送至上位机；六、上位机将收到的位移量、能量波、类瓦斯气体浓度处理之后，将处理结果进行展示；七、上位机结合步骤三中施加的压力及步骤六的处理结果，分析卸压瓦斯升浮扩散规律；或者，使用者结合步骤三中施加的压力及步骤六的处理结果，分析卸压瓦斯升浮扩散规律。本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：(1)采用本发明能够检测采动卸压瓦斯流动扩散规律，确定其瓦斯储运特征，进而能够更好地治理煤矿瓦斯灾害，并提出相应的治理措施，为煤矿安全生产提供积极的安全保障；(2)本发明的液压加载子系统能够施加地应力以达到最真实的开挖环境，模拟煤岩层在地底下真实的赋存环境，并且可以通过连接外界的具有数据集成主系统的加载系统，从而随时确定加载力的大小，适用于模拟不同的煤岩层在地底下的真实的赋存环境；(3)本发明的自动开挖输运子系统能够模拟井下工作面煤层开采过程，通过割煤滚刀机将煤层切割到输送带上，使得检测结果更加精确、可靠；(4)本发明的注气子系统通过向箱体内注入类瓦斯其他，能够模拟高瓦斯煤层因受采动扰动、煤层卸压、吸附瓦斯大量解吸成游离瓦斯后，通过煤层孔隙渗流到工作面，导致工作面瓦斯浓度超限的场景；能够提前对试验矿井进行瓦斯含量和瓦斯涌出量预测，提前确定在模型中的回采工作面应注气量为多少；(5)上覆岩层(冒落带除外)在采动过程中都经历一个连续的动态下沉移动过程，且离煤层越远，移动过程越连续，其移动曲线的形态与地表点的移动过程相似。而离煤层越近的覆岩冒落后，其下沉曲线越不规则，本发明通过岩移光栅测定子系统测定模型中煤层开挖时，上覆各岩层破断、运移的位移量，研究位移测线的下沉量从而可以确定覆岩动态变化的数学关系；(6)本发明中采动裂隙场监测系统将岩层微破裂时产生的弹性波进行拾取和信号处理，最终呈现在上位机，能够为后续的分析过程提供有力的数据支撑；(7)本发明根据瓦斯升浮扩散监测子系统实时检测箱体内类瓦斯气体的浓度，并反馈至上位机，上位机同时结合声发射子系统和加载子系统确定的应力场和裂隙场，进行三场耦合，最终实现检测卸压瓦斯升浮扩散特征。本发明适用于煤矿瓦斯灾害治理
技术领域：
，用于卸压瓦斯升浮扩散规律的检测。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例1的主视结构示意图；图2为本发明实施例1的注气子系统结构示意图；图3为本发明实施例1的后视结构示意图；图4为本发明实施例1的右视结构示意图；图5为本发明实施例1的左视结构示意图；图6为本发明实施例1的自动开挖输运子系统的结构示意图；图7a和图7b为本发明实施例2中九个位移测线测得待测煤岩层中各岩层下沉量的曲线图；图8为本发明实施例2中声发射检波器检测到的待测煤岩层中的能量波的振铃计数；图9为本发明实施例2中位于箱体下部的一个气体传感器测到的距离待测煤岩层顶部不同距离的类瓦斯气体浓度分布曲线；图10，为本发明实施例2中上位机最终分析得出的缷压瓦斯升浮扩散三维模型图。图中：1、箱体，101、第一侧壁，102、第二侧壁，103、第三侧壁，104、第四侧壁，2、液压加载体，3、气体传感器，4、声发射检波器，5、自动开挖输运子系统，501、架体，502、电动机，503、皮带转换头，504、割煤滚刀机，505、第一输送带，506、第二输送带，6、注气子系统，601、注气管道，602、注气筛管，603、筛孔，7、压板，8、回风顺槽，9、进风顺槽，10、光栅位移传感器。具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。实施例1一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的系统如图1-图6所示，本实施例包括上位机、长方体结构的箱体1，以及设置在箱体1上的液压加载子系统、自动开挖输运子系统5、注气子系统6、岩移光栅测定子系统、采动裂隙场监测子系统和瓦斯升浮扩散监测子系统。液压加载子系统设置在箱体1的顶部，用于对待测煤岩层施加压力。液压加载子系统包括镶嵌在箱体1顶面的液压加载体2和位于液压加载体2下方的压板7，压板7的横截面与箱体1内部横截面形状相同、面积相同，因此能够与位于其下方的箱体1形成一个相对封闭的环境，更好地对待测煤岩样品施加压力。本实施例中压板7采用钢浇筑压板。箱体1底面设置有一个横截面为“匚”形的放置槽，放置槽包括第一通道、第二通道和第三通道。其中，第一通道设置在第四侧壁104附近、第二通道设置在第二侧壁102附近，第一通道和第二通道相互平行，二者的尾端通过与之垂直的第三通道连通，第一通道作为回风顺槽8，第二通道作为进风顺槽9；回风顺槽8和进风顺槽9的自由端与外界连通。回风顺槽8、进风顺槽9分别设置有竖直的槽体侧壁，槽体侧壁顶部安装有与箱体1底面平行的盖板。自动开挖输运子系统5设置在放置槽内。如图6所示，自动开挖子系统包括电动机502、”匚”形的架体501和设置在架体501上位于第三通道内的割煤滚刀机504、位于割煤滚刀机504的一侧沿第三通道和第一通道设置的第一输送带505、位于割煤滚刀机504的另一侧沿第三通道和第二通道设置的第二输送带506。第一输送带505、第二输送带506的拐角处分别设置有皮带转换头503。电动机502的输出端与割煤滚刀机504、第一输送带505、第二输送带506的驱动输入端分别相连。注气子系统6设置在回风顺槽8与进风顺槽9之间的箱体1的底面上，注气子系统6的进气口连接外界的注气装置，用于向箱体1内注入类瓦斯气体。如图2所示，注气子系统6包括注气管道601和与注气管道601连通的注气筛管602，即第一注气筛管、第二注气筛管，第一注气筛管、第二注气筛管上分别开设有多个筛孔603，注气管道601上的进气口连接外界的注气装置。岩移光栅测定子系统包括多个光栅位移传感器10，光栅位移传感器10的本体安装在第二侧壁102上，对应的位移测线分布在箱体1内。光栅位移传感器10的信号输出端与上位机的位移信号输入端相连。采动裂隙场监测子系统包括多个分设安装在第一侧壁101、第二侧壁102、第四侧壁104上的声发射检波器4。声发射检波器4的信号输出端与上位机的能量波信号输入端相连。瓦斯升浮扩散监测子系统包括多个分设安装在第三侧壁103和第四侧壁104上的气体传感器3。气体传感器3的信号输出端与上位机的气体浓度信号输入端相连。实施例2一种检测卸压瓦斯升浮扩散规律的方法本实施例采用实施例1实现，按照以下步骤顺序进行：一、根据相似材料模拟的特点，满足几何相似、运动相似、边界条件相似、对应的物理量成比例，各模拟试验相似参数为：几何相似比：αl＝1：100；容重相似比：αγ＝γh/γm＝1：1.5；应力相似比：ασ＝αlαγ＝1：150；时间相似比：10。按照试验矿井煤层、岩层赋存特征，根据材料相似比将煤层和类煤岩相似材料准备好，如下表所示；表1岩层分布及其配比岩性厚度(cm)配比号沙子石膏大白粉粉砂岩19285.760.1280.512砂质泥岩0.58465.6960.28480.4272粉砂岩47285.6070.16020.6408细砂岩47465.60.320.48泥岩18375.6960.21360.4984煤层39285.760.1280.512二、根据对试验矿井煤层、岩层钻孔的取样分析，将准备好的煤层和类煤岩层相似材料逐层铺设到箱体1内，形成待测煤岩层。铺设过程中，不同的位移测线被分别埋设在不同的煤层和类煤岩层；三、通过液压加载子系统对铺设好的待测煤岩层施加压力；此步骤中，按照设定压力值为4.0mpa，通过液压加载体2向压板7施加压力，压板7在压力作用下逐渐向箱体1下方移动并最终将待测煤岩层夯实；四、施加压力结束后，开启自动开挖输运子系统5的电动机502，电动机502驱动割煤滚刀机504沿第三通道做往复运动切割待测煤岩层，被切割下来的待测煤岩层掉落在第一输送带505/第二输送带506上，被运出箱体1外；割煤滚刀机504切割待测煤岩层的过程中，待测煤岩层中的煤层和类煤岩层一方面向下发生位移，另一方面煤层和类煤岩层之间产生裂隙；五、在割煤滚刀机504切割待测煤岩层的同时，通过注气子系统6向箱体1内注入类瓦斯气体；本步骤中的类瓦斯气体是二氧化碳与氮气的混合气体，该混合气体的密度与瓦斯气体的密度相同，该混合气体中二氧化碳和氮气的体积比为2:3的；在此过程中，岩移光栅测定子系统、采动裂隙场监测子系统和瓦斯升浮扩散监测子系统进行如下检测：①岩移光栅测定子系统通过光栅位移传感器10实时检测待测煤岩层中的煤层和类煤岩层的位移量，并发送至上位机，以光栅位移传感器10的数量是九个举例，如图7所示，是九个位移测线测得待测煤岩层中各岩层下沉量的曲线图；图中的“切眼”是指第三通道上表面；②采动裂隙场监测子系统通过声发射检波器4实时检测待测煤岩层中的煤层和类煤岩层因裂隙产生的能量波，并发送至上位机；如图8所示，是声发射检波器4检测到的待测煤岩层中的能量波的振铃计数；③瓦斯升浮扩散监测子系统通过气体传感器3实时检测箱体1内的类瓦斯气体浓度，并发送至上位机；如图9所示，是位于箱体1下部的一个气体传感器3测到的距离待测煤岩层顶部不同距离的类瓦斯气体浓度分布曲线；综合所有的气体传感器3的检测结果即可得到箱体1内的类瓦斯气体的浓度；六、上位机将收到的位移量、能量波、类瓦斯气体浓度处理之后，将处理结果进行展示；七、上位机结合步骤三中施加的压力及步骤六的处理结果，分析卸压瓦斯升浮扩散规律；如图10，所示是上位机最终分析得出的缷压瓦斯升浮扩散三维模型，从图中可以看出，本实施例的待测煤岩层下部为瓦斯扩散升浮区，中部为竖向瓦斯升浮区，上部为高浓瓦斯富集区，本实施例所模拟的试验矿井煤层、岩层的采动覆岩缷压瓦斯升浮扩散三维模型与图10相似；或者，使用者结合步骤三中施加的压力及步骤六的处理结果，分析卸压瓦斯升浮扩散规律。当前第1页12