本发明涉及煤层气及煤矿瓦斯抽采实验设备的技术领域，尤其涉及一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及方法。
背景技术：
气体介质动力造穴技术，是煤层气裸眼洞穴完井、井下钻孔气体介质掏煤等煤层气(瓦斯)抽采方法的关键技术，其在增大煤层裸露面积、释放应力、改善煤层渗透性、提高煤层产气速率和产气总量等方面具有显著效果。当前，对于煤体结构碎软、瓦斯含量高、透气性低的碎软突出煤层，常规瓦斯抽采钻孔由于易塌孔、堵孔等原因效果较差，地面煤层压裂等增产技术也很难奏效。因此，为解决碎软煤层煤与瓦斯突出治理难题，以洞穴完井技术为基础，产生了气体介质动力造穴技术。然而，必须认识到该技术在实施过程中，诸多关键环节尚属于探索阶段、工艺参数尚不明朗。如进行气体介质动力造穴时，初始洞穴尺寸、洞穴内注气压力大小、憋压时间长短等因素与煤层应力波动的关系；注气压力高低与产生粉煤量及粉煤返排效果的关系；以及放喷过程中，持续注气排量对煤粉返排效果的影响等，都是完善气体介质动力造穴技术的必要前提，亟待研究。
因此，有必要发明一套气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，用于对气体介质动力造穴粉煤返排工艺参数的研究。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及方法，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及方法，其针对碎软突出煤层矿区的“双突”难题，为深入研究气体介质动力造穴、粉煤返排机制并优化工艺参数，为气体介质动力造穴施工工艺及其关键参数的选取提供理论依据。
为解决上述问题，本发明公开了一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，包括多气体高压注气子装置、主体装置和煤粉收集子装置；其特征在于：
所述主体装置至少包括模拟钻杆和压力室，压力室的内部腔体放有煤样，模拟钻杆设置于内部腔体，所述多气体高压注气子装置通过注气管路连接至主体装置，所述注气管路伸入压力室，所述煤粉收集子装置包含除尘器、煤粉收集池和汇水池，所述煤粉收集池通过放喷管路连接至压力室，其上方设有除尘器，所述煤粉收集池设有排水管，所述排水管将水排入汇水池。
其中：所述注气管路上依次设有放空阀和爆破片，放空阀及爆破片为冗余安全机构，当注气管路发生堵塞时打开放空阀释放系统压力，若实验系统发生故障爆破片动作释放压力，避免产生危险。
其中：所述放喷管路依次设有压力表和电动球阀，所述压力表安装在防喷管路靠近压力室的一端用于监测憋压时压力室压力及卸压时放喷管路压力，所述电动球阀连接至远距离控制装置以实现远距离控制关闭/打开放喷管路以实现憋压/放喷的目的。
其中：多气体高压注气子装置包括注气接头、注气单向阀、注气压力表、注气安全阀、注气放空阀和注气截止阀，所述注气接头的后端依次连接注气单向阀、注气压力表和注气安全阀，所述注气安全阀的后端连接至一三通，三通的其余两接口分别连接注气放空阀和注气截止阀，所述注气截止阀连接至注气管路。
其中：所述压力室包括缸体、法兰封头、腔体和压力爆破片，所述缸体的上端开口通过法兰封头密封后形成压力室的腔体，所述法兰封头上设有压力爆破片。
其中：所述缸体和法兰封头的连接处均设有法兰接盘，所述法兰接盘周缘通过多个螺栓进行连接。
其中：所述放喷管路连接有一卸压管路，所述卸压管路与放喷管路平行并连接至煤粉收集池，且卸压管路上还设有用于控制其开关的截止阀，有效提高了管路和整个装置的安全性能，保证了操作人员的安全防护。
还公开了一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验方法，其特征在于包括：
第一步：安装和连接如上所述的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，并将高压空气压缩机与多气体高压注气子装置连接，气体介质选择空气；
第二步：对注气压力与煤粉返排量进行实验，在持续注气条件对放喷压力与煤粉返排量进行实验，实验最大注气压力设置为8mpa，分别使用2mpa、4mpa、6mpa、7mpa、8mpa进行注气操作，当压力室压力达到某一档压力时，在高压空气压缩机持续注气条件下，打开放喷管路放喷，放喷40min后关闭多气体高压注气子装置，测量煤粉收集子装置内的煤粉量，反复操作后确定各档压力条件下，注气压力与返排出煤粉量的关系，从而确定理想的注气压力。
其中还包含第三步：在一定压力下对注气管路伸入模拟钻杆的具体长度与煤粉返排量之间关系进行实验，在注气压力相同、实验煤粉量相同条件下，改变注气管伸入模拟钻杆的深部长度，分别对注气管路的出口端部加长0mm、100mm、200mm、300mm、350mm，打开放喷管路放喷，确定注气管路延伸的长度与粉煤返排量之间的关系，并确定一定压力下的最佳伸入深度，反复操作，确定在2mpa、4mpa、6mpa、7mpa、8mpa的不同压力值下的最佳伸入深度。
其中还包含第四步：空气动力造穴煤壁崩塌粉化试验，分析其崩塌粉化机制，依据相似准则制作煤样，要求其力学性质与煤层性质按相似比例相似，将煤样放入压力室，在高压空气压缩机持续注气条件下，注气压力分别达到4mpa、6mpa、8mpa、9mpa、10mpa时，憋压不同时间，打开放喷管路放喷，放喷后观察煤样品崩塌粉化情况，以得到注气压力与煤粉生成量、返排量的关系。
通过上述结构可知，本发明的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及方法具有如下效果：
1、与气体介质动力造穴现场施工工艺设备相比还原度高，实验结果准确。拆装方便，可以灵活改装以适应不同实验要求，安全性能好，具有多重防爆设计，可以保证实验安全。
2、可以在高压下对气体介质动力造穴煤粉返排机制进行研究。
3、可以准确示数注气管路及放喷管路的压力。
4、本发明各部件均为模块化设计，易于根据实验要求进行调整。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置及的结构示意图。
图2显示了本发明中多气体高压注气子装置的示意图。
图3显示了本发明中压力室的示意图。
图4显示了本发明中压力室的俯视图。
附图标记：
多气体高压注气子装置1，注气管路2，放空阀3，爆破片4，模拟钻杆5，压力室6，压力表7，放喷管路8，卸压管路9，截止阀10，电动球阀11，除尘器12、煤粉收集池13、汇水池14、注气接头15、注气单向阀16、注气压力表17、注气安全阀18、注气放空阀19、注气截止阀20、缸体21、法兰封头22、螺栓23、腔体24、法兰接盘25、爆破片26、吊耳27。
具体实施方式
图1显示了本发明的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，其可包括多气体高压注气子装置、主体装置和煤粉收集子装置。
其中，所述的主体装置至少包括模拟钻杆5和压力室6，压力室6的内部腔体24放有煤样，模拟钻杆5设置于内部腔体24并伸入煤样，所述多气体高压注气子装置1通过注气管路2连接至主体装置，所述注气管路2伸入压力室6并连接至模拟钻杆5，所述煤粉收集子装置包含除尘器12、煤粉收集池13和汇水池14，所述煤粉收集池13通过放喷管路8连接至压力室6从而将压力室6内的煤粉进行收集，其上方设有除尘器12，所述煤粉收集池13设有排水管131，所述排水管131将水排入汇水池14。
其中，从多气体高压注气子装置1开始，所述注气管路2上依次设有放空阀3和爆破片4，放空阀3及爆破片4为冗余安全机构，正常实验时不使用，当注气管路2发生堵塞时，可打开放空阀3释放系统压力，若实验系统发生故障，压力达到13mpa时，爆破片4动作释放压力，避免产生危险。
其中，所述放喷管路8依次设有压力表7和电动球阀11，所述压力表7安装在防喷管路8靠近压力室6的一端，用于监测憋压时压力室6压力及卸压时放喷管路8压力，所述电动球阀11可以连接至远距离控制装置，以实现远距离控制关闭/打开放喷管路以实现憋压/放喷的目的。
参见图2，显示了本发明中多气体高压注气子装置的一个优选实施例，图示的多气体高压注气子装置1包括注气接头15、注气单向阀16、注气压力表17、注气安全阀18、注气放空阀19和注气截止阀20，所述注气接头15的后端依次连接注气单向阀16、注气压力表17和注气安全阀18，所述注气安全阀18的后端连接至一三通，三通的其余两接口分别连接注气放空阀19和注气截止阀20，所述注气截止阀20连接至注气管路2。
参见图3，显示了本发明中压力室的一个优选实施例，图示的所述压力室6包括缸体21、法兰封头22、腔体24和压力爆破片26，所述缸体21的上端开口通过法兰封头22密封后形成压力室6的腔体24，所述法兰封头22上设有压力爆破片26，压力爆破片26的作用是当压力室内气体压力超过13mpa时动作卸压，保证安全。
其中，所述缸体21和法兰封头22的连接处均设有法兰接盘25，所述法兰接盘25周缘通过多个螺栓23进行连接，且缸体21和法兰封头22之间设有密封圈。
其中，所述法兰封头22上还可设有吊耳27，以便于吊装。
其中，参见图4，所述法兰封头22供注气管路2穿置，所述放喷管路8从法兰封头22连通至压力室的腔体24内。
在本实施例中，本发明的实验气体来源为高压空气压缩机，实验最高压力设置为10mpa，本实施例中所有部件均可耐压15mpa(各安全阀和各爆破片为13mpa)。
其中，所述高压空气压缩机与多气体高压注气子装置1中的注气接头15相连，气体由注气接头15进入多气体高压注气子装置1，之后经过注气单向阀16防止气体倒流损伤注气设备；注气压力表17可测量注气端压力，其量程为0-20mpa；注气安全阀18动作压力为13mpa，以此保证实验故障发生时实验系统不会因超压而产生危险；之后连接三通，三通剩余两个接口分别连接注气放空阀19以及注气截止阀20，当实验需要在压力室憋压时，可关闭气体来源，之后关闭注气截止阀20、打开注气放空阀19，在实现憋压的同时切断气体来源与实验系统的联系，避免对实验起源造成损害。
气体经由截止阀20进入注气管路2，放空阀3及爆破片4为冗余安全机构，正常实验时不使用，当注气管路2发生堵塞时，可打开放空阀3释放系统压力，若实验系统发生故障，压力达到13mpa时，爆破片4动作释放压力，避免产生危险。气体经由模拟钻杆5进入压力室6内，气体在压力室6内作用后形成气体煤粉二相流经放喷管路8排入煤粉收集子装置。
优选的是，所述放喷管路8在压力表7的后侧连接有一卸压管路9，所述卸压管路9与放喷管路平行并连接至煤粉收集池13，且卸压管路9上还设有用于控制其开关的截止阀10，由此，通过卸压管路9的设置，当放喷管路8堵塞或电动球阀11失效时能及时进行卸压，有效提高了管路和整个装置的安全性能，保证了操作人员的安全防护。
其中，从压力室中产生的气体与粉尘二相流经由放喷管路8或卸压管路9进入煤粉收集子装置，经过除尘器12，煤粉与水混合被收集至煤粉收集池13，气体经烟囱排除实验室，煤水悬浊液在煤粉收集池13沉淀后，水排入汇水池14，煤粉沉淀至煤粉收集池13方便计量。
其中，本发明可为单通道设计，上述各部件连接顺序依次为：注气管路→注气放空阀(三通连接)→爆破片→模拟钻杆→压力室→压力表→三通→放喷管路/卸压管路(平行设置，三通连接)→截止阀/电动球阀→煤粉收集子装置。
优选的是，所述注气管路2、放喷管路8和卸压管路9使用内径不小于2cm的可承压不锈钢管。
优选的是，所述模拟钻杆5为多节丝扣连接的不锈钢管，可根据实验需要调节模拟钻杆长度。
优选的是，所述缸体为一钢制圆柱型容器，其底部为拱形设计，并设有底座，其顶部开口，设置法兰接盘，方便通过法兰与法兰顶盖连接。
优选的是，所述法兰封头22为一钢制弧状顶盖，其中心设有与注气管路/放喷管路契合的注气孔/放喷孔，注气管路与放喷管路可伸入压力室内部并紧密结合，法兰封头四周带有法兰接盘，方便与缸体连接。
所述截止阀、压力表、注气管路、放喷管路均为模块化设计，注气管路、放喷管路包含弯头等转向部件，各部件均用丝扣连接，可以根据所需管路长度等参数的变化自由组合。
其中，本发明由于对安全性能要求较高，因此多次使用了如爆破片、安全阀、放空阀等安全措施，且气体来源高压空气压缩机的最高输出压力也被设置为10mpa。
由此可见，本发明的发明人在充分考虑实际情况下，设计了本发明的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，本发明已在中煤科工集团西安研究院有限公司气体介质动力造穴实验室进行了试运行，结果表明本发明可以满足气体介质动力造穴实验的要求，具有可行性，且与气体介质动力造穴现场施工工艺设备相比还原度高，实验结果准确。拆装方便，可以灵活改装以适应不同实验要求，安全性能好，具有多重防爆设计，可以保证实验安全。
其中，本发明还涉及了一种气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验方法，其可通过上述的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置进行，该模拟实验方法包括：
第一步：安装和连接上述的气体介质动力造穴煤粉返排机制模拟实验装置，并将高压空气压缩机与多气体高压注气子装置连接，气体介质选择空气。
第二步：对注气压力与煤粉返排量进行实验，压力室内使用粉煤，其具体可包含如下子步骤：
(1)在持续注气条件对放喷压力与煤粉返排量进行实验，实验最大注气压力设置为8mpa，分别使用2mpa、4mpa、6mpa、7mpa、8mpa进行注气操作，当压力室压力达到某一档压力时，在高压空气压缩机持续注气条件下，打开放喷管路放喷，放喷40min后关闭多气体高压注气子装置，测量煤粉收集子装置内的煤粉量，反复操作后确定各档压力条件下，注气压力与返排出煤粉量的关系，从而确定理想的注气压力；
(2)在不持续注气条件下对放喷压力与煤粉返排量进行实验，当注气压力分别达到2mpa、4mpa、6mpa、7mpa、8mpa时，打开放喷管路放喷，其余实验条件不变，得到注气压力与返排出煤粉量的关系，并记录单次放喷所用时间。
第三步：在一定压力下对注气管路伸入模拟钻杆的具体长度与煤粉返排量之间关系进行实验，其中，此步骤使用粉煤进行实验。在注气压力相同、实验煤粉量相同条件下，改变注气管伸入模拟钻杆的深部长度，分别对注气管路的出口端部加长0mm、100mm、200mm、300mm、350mm，打开放喷管路放喷(空压机持续注气情况下)，确定注气管路延伸的长度与粉煤返排量之间的关系，并确定一定压力下的最佳伸入深度，可反复操作，确定在2mpa、4mpa、6mpa、7mpa、8mpa的不同压力值下的最佳伸入深度。
第四步：空气动力造穴煤壁崩塌粉化试验，分析其崩塌粉化机制，依据相似准则制作煤样，要求其力学性质与煤层性质按相似比例相似，将煤样放入压力室，在高压空气压缩机持续注气条件下，注气压力分别达到4mpa、6mpa、8mpa、9mpa、10mpa时，憋压不同时间(0min-40min)，打开放喷管路放喷，放喷后观察煤样品崩塌粉化情况，以得到注气压力与煤粉生成量、返排量的关系。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
尽管本文较多地使用了多气体高压注气子装置1，注气管路2，放空阀3，爆破片4，模拟钻杆5，压力室6，压力表7，放喷管路8，卸压管路9，截止阀10，电动球阀11，除尘器12、煤粉收集池13、汇水池14、注气接头15、单向阀16、压力表17、安全阀18、放空阀19、截止阀20、缸体21、法兰封头22、螺栓23、腔体24、法兰接盘25、爆破片26、吊耳27等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。