一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭开采技术领域，具体是一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主要能源，长期占一次能源的70%左右。根据国际能源署(IEA)的预测，到2030年，煤仍占我国能源消费总量的60%。随着矿井煤层开采向深部的延深，矿井煤层的突出危险性进一步增强，一些浅部为非突出的煤层进入深部后逐渐转变为突出煤层，中国已经成为世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家，瓦斯突出灾害的发生次数和突出强度为世界之最。而目前我国多数矿区煤层的渗透性低、瓦斯压力大和地应力高等特点，严重制约了煤矿瓦斯抽采和利用。卸压开采是降低煤层地应力、增大煤层渗透性和提高瓦斯抽采效果的主要措施，经长期的理论研宄和工程实践表明，保护层卸压开采是提高煤层透气性和降低瓦斯灾害事故最有效的技术措施。由于工程实践的需要，保护层卸压开采技术已在煤层群矿区进行了应用，但相关卸压理论基础研宄仍滞后于工程应用，尤其是卸压开采后煤体渗透率演化特征和裂隙扩展贯通机制仍不清楚，严重影响了保护层卸压开采技术的应用效果。因此，对保护层卸压开采的煤层瓦斯渗透理论进行系统深入的研宄，可为高效的瓦斯抽采方法和抽采工艺提供理论技术支撑，实现煤与瓦斯高效安全共采。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置，从理论和实验上以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0005]一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置，包括实验箱体和渗透率测试系统，所述实验箱体包括框架和底座，所述框架的前端安装有有机玻璃板，框架的后端由带测试孔的钢板、衔接板和普通钢板密封而成，框架的顶端安装有钢板，框架固定在底座上，实验箱体由前端的有机玻璃板、后端的钢板、顶端的钢板和底座形成密封箱体，底座的下端安装有滚轮，所述有机玻璃板的下部开设有15个进气孔，框架后端带测试孔的钢板上开设有15个与进气孔对应的测试孔，实验箱体底部铺有应力传感器；应力传感器通过数据导线依次连接有数据采集仪和计算机；所述渗透率测试系统由空气压缩机、储气罐、高压橡胶管、分路器、压力表和电子流量计组成，压力表和电子流量计安装在分路器和实验箱体的测试孔之间，分路器和实验箱体之间的高压橡胶管上还安装有截止阀，空气压缩机和储气罐之间的高压橡胶管上安装有气泵阀。
[0006]作为优选，所述实验箱体的气压最大承载力为2MPa。
[0007]作为优选，所述框架的尺寸为1600mmX 1250mmX 200mm。
[0008]上保护层开采固气耦合相似模拟的实验方法，包括如下步骤:
[0009]I)、模型的铺设
[0010]以某矿为原型，用自发研制的新材料按一定的配比，在实验箱体内铺设物理相似模拟模型；
[0011]2)、气密性测试
[0012]在实验箱体内铺设模拟模型后，对实验箱体充气进行气密性测试；
[0013]3)、进行实验记录数据
[0014]测试完成后，无漏气情况，由空气压缩机向实验箱体内充气，在实验时要不断调节空气压缩机的控制阀，保证储气罐内的气体压力恒定，使充入模型的气体压力保持不变，分5个等级，0.1-0.5MPa;在煤层开采过程中，煤岩体的渗透率是一个动态变化过程，在煤层开采前，对原始状态下的岩层进行渗流速度测定，作为初始值，当煤层每开采一段距离后，都要对采动影响范围内的测试孔进行测量，以观察不同开采距离时渗流速度的变化情况，从而得到采动影响下伏煤岩体渗透率的变化规律，卸压分布特征。
[0015]所述I)模型的铺设，其具体步骤如下:①按照实验对煤层采高和间距的不同要求，装好模型架，使所有煤层和岩层基本在一个水平高度；
[0016]②以平顶山XX矿为原型，按已计算好的模型中各分层所需材料量，分别称出相应配料的质量，并将各种配料倒入搅拌装置内搅拌均匀，将所需的水倒入搅拌装置中，混合搅匀；
[0017]③将搅拌好的材料倒入模型，用刮板把摊平，用铁块将装好的材料夯实；
[0018]④为保证初始条件相似，在刚铺好的每一分层岩层中，用壁刀在其表面约隔3?5cm划上岩石自然裂隙，再均匀撒上一层云母粉模拟岩层层面，随后抹子将层面压平，再铺设下一分层；
[0019]⑤依次将其它岩层重复按步骤②?④进行铺设，直到所有岩层都铺设完成；
[0020]⑥在铺设过程中，将岩层下沉量侧点放置设计的层位；
[0021]⑦对于模型上未能模拟的岩层厚度，采用加配重的方式实现。
[0022]在上保护层底板处、上下保护层之间和被保护层顶板处设置多条观测线，每条线上设置六到十个观测点不等，根据和箱体测点的相对变化，利用全位仪记录其变形过程，观测下伏煤岩体卸压变形。
[0023]本次实验在模型铺设过程中，设定保护层与被保护层之间的距离分别为21m、14m、7m，随着工作面的推进，在不同气体压力下，分为五组，分别为0.1MPa,0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，观测下伏煤岩体的应力变化、位移变形和渗透率变化规律，研宄不同间距上保护层开采对下部煤层卸压效应及其渗透性变化规律，得到下伏煤层卸压范围及渗透规律。
[0024]当保护层采高为2m、3m和4m时，随着工作面的推进，在不同气体压力下，观测下伏煤岩体的应力变化、位移变形和渗透率变化规律，研宄不同间距上保护层开采对下部煤层卸压效应及其渗透性变化规律，得到下伏煤层卸压范围及渗透规律。
[0025]当保护层和被保护层存在关键层时，随着工作面的推进，在不同气体压力下，观测下伏煤岩体的应力变化、位移变形和渗透率变化规律，研宄不同岩性上保护层开采对下部煤层卸压效应及其渗透性变化规律，得到下伏煤层卸压范围及渗透规律。
[0026]煤层开采时，从模型右边开切眼，开采方式为人工开采，每开采一定的距离后，开始对进气孔充气，测量各测试孔的渗流速度。当开采影响范围内有多个的进气孔时，在同一推进距离下，分别对多个进气孔充气，测量各测试孔的渗流速度。
[0027]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明可测定下伏煤岩体在采动情况下应力、变形和渗透率的变化规律及分布特征，实验操作过程简便，效果清楚直观，试验周期短，为研宄保护层开采提供便利。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的结构示意图。
[0029]图2为本发明中框架上的有机玻璃上的示意图。
[0030]图中:1_空气压缩机；2_储气罐；3_分路器；4_框架；5_数据采集仪；6_计算机；7-有机玻璃板；8_应力传感器；9_数据导线；10_高压橡胶管；11_气泵阀；12_压力表；13-电子流量计；14_底座；15_滚轮；16_截止阀。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0032]请参阅图1?2，本发明实施例中，一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置，包括实验箱体和渗透率测试系统，所述实验箱体包括框架4和底座14，所述实验箱体的气压最大承载力为2MPa ;所述框架4的尺寸为1600mmX 1250mmX 200mm ;所述框架4的前端安装有有机玻璃板7，框架4的后端由带测试孔的钢板、衔接板和普通钢板密封而成，框架4的顶端安装有钢板，框架4固定在底座14上，实验箱体由前端的有机玻璃板7、后端的钢板、顶端的钢板和底座14形成密封箱体，底座14的下端安装有滚轮15，所述有机玻璃板7的下部开设有15个进气孔，框架4后端带测试孔的钢板上开设有15个与进气孔对应的测试孔，实验箱体底部铺有应力传感器8 ;应力传感器8通过数据导线9依次连接有数据采集仪5和计算机6 ;所述渗透率测试系统由空气压缩机1、储气罐2、高压橡胶管10、分路器3、压力表12和电子流量计13组成，压力表和电子流量计安装在分路器和实验箱体的测试孔之间，分路器3和实验箱体之间的高压橡胶管10上还安装有截止阀16，空气压缩机I和储气罐2之间的高压橡胶管10上安装有气泵阀U。
[0033]利用上述实验装置进行上保护层开采固气耦合相似模拟的实验方法，包括如下步骤:
[0034]I)、模型的铺设
[0035]以某矿为原型，用自发研制的新材料按一定的配比，在实验箱体内铺设物理相似模拟模型；
[0036]2)、气密性测试
[0037]在实验箱体内铺设模拟模型后，对实验箱体充气进行气密性测试；
[0038]3)、进行实验记录数据
[0039]测试完成后，无漏气情况，由空气压缩机向实验箱体内充气，在实验时要不断调节空气压缩机的控制阀，保证储气罐内的气体压力恒定，使充入模型的气体压力保持不变，分5个等级，0.1-0.5MPa;在煤层开采过程中，