基于裂隙分布规律的模拟装置、实验系统和方法与流程

本发明涉及煤矿，尤其涉及注浆封孔技术。

背景技术：

1、煤层瓦斯抽采是治理煤与瓦斯突出的根本性措施，能够快速降低瓦斯含量及瓦斯压力，还可将抽采出的瓦斯作为清洁能源加以利用。

2、钻孔注浆封堵是煤层瓦斯抽采的关键技术，而封孔材料对钻孔围岩裂隙的密封效果直接影响着钻孔封孔质量。

3、钻孔注浆封堵浆液在裂隙中的扩散存在很大的不确定性和隐蔽性，很难通过肉眼直接观察到浆液扩散情况。长期以来，井下注浆多依赖于工人传统经验来注浆封孔，没有提前科学的注浆参数依据，往往导致人力和材料的大量浪费，注浆效果不佳。

4、开展相应的注浆过程动态监测物理模型模拟实验，有助于研究揭示浆液在钻孔周围裂隙扩散的规律及机理，这对于提前设定更有针对性的注浆参数，指导井下实际注浆封孔具有很重要的实践意义和经济价值，更好地实现瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔的密封效果，避免二次注浆的麻烦。

5、进行实验就需要合理地模拟煤层以及模拟钻孔，需要针对目标实际煤层制作煤样。通常的煤层实验制作煤样时，先由目标煤层采集样品，再由样品制作成实验需要的形状和大小的煤样；或者检测目标煤层的成份含量，使用原料煤等原料配制成相同的成份含量的散煤，再由散煤制作成煤样。

6、实际煤层钻孔周边，在邻近钻孔的一定半径的空间内会形成煤体的破裂区，破裂区外在一定半径空间内会形成煤体的塑性区，塑性区外会在一定半径范围内形成煤体的弹性区。

7、破裂区是指煤体受到钻孔影响，应力变化超过其强度极限而发生破裂、断裂的区域。

8、塑性区是指煤体受到钻孔影响，应力变化发生弹性形变的极限而发生形变的区域，此区域的煤体即便去除应力影响也不会完全恢复至原状。

9、弹性区是指煤体受到钻孔影响，发生可逆的形变的区域。此区域的煤体在去除应力影响也可以恢复至原状。

10、弹性区以外则是不受钻孔影响的区域。

11、总之，以往煤层实验中，制作煤样的过程中未能模拟封孔处的煤体裂隙状况，制作出来的煤样用于注浆实验就不能很好地反应出浆液在真实煤体裂隙中的扩散情况，实验结果与真实煤层注浆封孔作业相差较大。

12、本专利的研发思路，是研究裂隙分布规律，确定破裂区、塑性区和弹性区的大小，确定破裂区、塑性区和弹性区内煤样应有的孔隙率，由裂隙分布规律解决制作模拟煤样的问题，使模拟煤样能够反映封孔处的煤体裂隙状况，然后利用制作出来的煤样进行注浆实验，通过实验揭示浆液在钻孔周围不同裂隙带中的扩散规律及机理，提示不同注浆参数针对特定煤体的注浆密封效果，从而有效指导真实煤矿井下注浆参数的确定工作。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于裂隙分布规律的模拟装置，根据裂隙分布规律确定破裂区、塑性区和弹性区的大小，用于针对被模拟煤层进行注浆封孔实验。

2、为实现上述目的，本发明的基于裂隙分布规律的模拟装置包括圆形底板，底板中心向上连接有注浆管，注浆管为花管，注浆管的底端开口在底板下表面处；注浆管外围设有由筛网制成的内筒，内筒外围设有由筛网制成的中筒，中筒外围设有外筒，内筒、中筒和外筒均向下与底板相连接；

3、内筒内的空间为模拟破裂区，内筒与中筒之间的环形空间为模拟塑性区，中筒与外筒之间的环形空间为模拟弹性区；模拟破裂区、模拟塑性区和模拟弹性区中均填充有采自被模拟煤层的煤；

4、模拟破裂区的外圆半径大于等于r0并小于等于r1；其中，r0为被模拟的实际煤层中预定的钻孔半径，单位为米；

5、r1＝r0×{(p0+c×cotφ)×(1－sinφ)÷(1+sinφ)÷(pr+c×cotφ)}(1－sinφ)÷2sinφ；

6、p0为原始应力，在钻孔前由被模拟的实际煤层测量而得，单位为兆帕；

7、c为煤体粘聚力，单位为兆帕，由被模拟的实际煤层测量而得；

8、φ为煤体内摩擦角，单位为度，由被模拟的实际煤层测量而得；

9、pr为钻孔支护力，单位为mpa，是被模拟的实际煤层中的钻孔的钻孔支护力，由被模拟的实际煤层的工作人员确定并实施；

10、模拟塑性区的外圆半径小于等于r2；

11、r2＝r0×{(p0+c×cotφ)×(1－sinφ)÷(pr+c×cotφ)}(1－sinφ)÷2sinφ；

12、模拟弹性区的外圆半径r2＝5r0。

13、模拟破裂区中填充的煤的孔隙率为等于钻孔周围的最大孔隙率由被模拟煤层中的钻孔周边的煤体测得；

14、模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为

15、

16、是煤体处于弹性压缩状态时单位体积的孔隙率，

17、a为煤的瓦斯吸附常数，物理含义是当瓦斯压力趋向无穷大时，煤的可燃质极限瓦斯吸附量，对所填充的煤取样后通过吸附实验测定而得；

18、σ为钻孔施工后，作用在钻孔孔壁处单位面积的煤体上的法向总压力，单位为兆帕；

19、σc是剪切弹性模量，单位为兆帕，对煤进行测定而得；

20、σs是煤的屈服强度，单位为兆帕，对由实际煤层获取的煤样进行抗压实验而测得；

21、为煤体初始孔隙率，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

22、εv是煤体体积应变，无量纲，即煤体受力时的体积变化，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

23、β是煤体热膨胀系数，单位是立方米/开尔文，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

24、δt为煤在实际煤层中埋藏时的温度与室温(即进行本发明中注浆实验时的室温)之间的温度差，

25、温度差，单位为开尔文，测量而得；

26、α是孔隙压力系数，单位是兆帕/立方米，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

27、u是煤体变形位移，单位为米；对由实际煤层获取的煤样(通过抗压抗拉实验)进行测定而得；

28、p0为煤层初始孔隙压力，单位为兆帕，在实际煤层中进行测量而得；

29、p1是钻孔前煤层的孔隙压力，p2为钻孔后煤层的孔隙压力，p1和p2的单位均为mpa，在试钻孔前后对煤层进行测定而得；

30、e为煤体的弹性模量，单位为兆帕，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

31、ρ为煤体视密度，单位为吨/立方米，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

32、r为气体摩尔常数，；

33、t为实际煤层中的煤体温度，单位为开尔文；

34、kv为煤的体积模量，单位为兆帕，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；

35、vm为气体摩尔体积，单位为立方米/摩尔，对由实际煤层获取的瓦斯气体测定而得；

36、b为煤的瓦斯吸附常数，b＝1/pl；pl为兰氏压力，物理意义是煤对甲烷吸附量达到兰格缪尔体积的一半时所对应的压力，对所填充的煤取样后通过吸附实验测定而得；

37、模拟弹性区中填充的煤的孔隙率为

38、外筒内壁和中筒内壁上分别沿周向均匀设有若干压力传感器；注浆管向下伸出底板并连接有注浆内管。

39、本发明还公开了一种实验系统，采用上述基于裂隙分布规律的模拟装置，包括浆液容器，浆液容器的出口连接有注浆外管，注浆外管的下游端连接注浆内管；注浆外管上沿上下游方向依次串联连接有浆液泵、高压容器和脉冲阀，脉冲阀连接有脉冲控制器；

40、基于裂隙分布规律的模拟装置上方设有红外热像仪，红外热像仪的拍摄方向朝向基于裂隙分布规律的模拟装置；

41、注浆内管上设有流量传感器；

42、红外热像仪、各压力传感器、流量传感器和浆液泵均与一电控装置相连接，电控装置连接有显示屏。

43、本发明还公开了采用上述实验系统进行的实验方法，依次按以下步骤进行：

44、第一步骤是准备步骤；

45、由被模拟的实际煤层采集样煤，将样煤制作成孔隙率为和共计3种煤样；在基于裂隙分布规律的模拟装置的模拟破裂区内填充隙率为的煤样，在基于裂隙分布规律的模拟装置的模拟塑性区内填充隙率为的煤样，在基于裂隙分布规律的模拟装置的模拟弹性区内填充隙率为的煤样；使用恒温箱将各煤样的温度统一调节至被模拟煤层中煤的实际温度；

46、连接注浆外管和注浆内管，通过恒温箱提前将浆液温度控制为被模拟的实际煤层作业处的环境温度，浆液温度与煤样温度具有温差；搅拌好浆液后，在浆液容器和高压容器中填充浆液；

47、打开红外热像仪和电控装置；设定好脉冲控制器的脉冲周期；

48、第二步骤是注浆；

49、打开浆液泵，在高压容器中形成高压浆液；通过脉冲控制器控制脉冲阀周期性的打开和关闭，通过注浆外管和注浆内管向注浆管提供脉冲浆液；

50、电控装置通过流量传感器和各压力传感器采集注浆实验过程中的流量信息和基于裂隙分布规律的模拟装置各处的压力信息，同时通过红外热像仪采集浆液流动图像；红外热像仪采集图像的频率与脉冲控制器的脉冲周期相同；

51、电控装置根据红外热像仪采集浆液流动图像生成浆液扩散轨迹图；

52、第三步骤是分析；

53、实验人员根据注浆过程中的流量传感器和各压力传感器采集的数据，分析不同时刻基于裂隙分布规律的模拟装置中浆液扩散压力、流量变化特征以及轨迹运动状态，描述和分析脉冲压力条件下模拟破裂区、模拟塑性区和模拟弹性区中浆液的扩散特征，分析浆液在模拟破裂区、模拟塑性区和模拟弹性区的扩散规律及扩散机理，根据浆液在基于裂隙分布规律的模拟装置中扩散结果及分析结果预测不同注浆参数下的密封效果，进而确定最佳的注浆参数。

54、本发明具有如下的优点：

55、本发明设置了模拟破裂区、模拟塑性区和模拟弹性区，r1、r2和r3的计算公式考虑了被模拟煤层与各区半径相关的各项参数，能够较为准确地确定各区的半径范围(与被模拟煤层中钻孔周边的破裂区、塑性区和弹性区的实际状况相符合)，进行注浆实验时能够更好地反应出浆液在真实煤体裂隙中的扩散情况，实验结果与真实煤层注浆封孔作业更为接近，对于真实煤层注浆封孔作业更具有指导意义，避免根据实验结果确定的注浆参数在实际煤层中运用时起不到应有的效果的问题。

56、本发明中，和的计算公式考虑了具体煤层中煤的各项参数，计算出来的模拟破裂区、模拟塑性区和模拟弹性区中的煤应用的孔隙率更贴近于实际钻孔后在钻孔周边形成的各区的实际孔隙率，使得本发明中基于裂隙分布规律的模拟装置不仅较为准确地确定了各区的半径范围，而且还较为准确地确定了各区中填充煤样的孔隙率，进而更准确地模拟了破裂区、塑性区和弹性区内的裂隙状况(孔隙率越高则裂隙越多，反之裂隙越多则孔隙率越高)，使得本发明的实验结果更贴合实际，对于实际的煤层注浆作业具有更强的指导意义。

57、压力传感器能够在注浆实验过程中探测浆液流动过程中的压力变化情况。

58、本发明的实验方法及其所用钻孔注浆封堵实验系统更接近实际煤层中的实际注浆的客观条件(破裂区、塑性区和弹性区的范围以及各区内的裂隙状况)，能够获取浆液扩散规律，从而确定最佳的注浆参数，更好地指导实际煤层中的注浆封孔作业，具有良好的推广应用价值。