用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置与方法与流程

本发明涉及一种检测裂隙分布状况的实验装置，特别是关于一种能够用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置与方法。

背景技术：

众所周知，在煤矿井下，向煤层施工钻孔，并对钻孔进行密封是一项常规作业，包括直接法测定煤层瓦斯压力、瓦斯抽采封孔和煤层注水等。

在钻具扰动和矿山应力集中效应的综合作用下，钻孔周围煤体被压裂，产生裂隙；准确掌握该裂隙的分布状况，有助于探索出实用价值更高的密封技术。

目前，有关煤岩体内部裂隙的检测方法，主要有超声波探测、ct扫描、射线检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测、红外热成像技术检测、剪切散斑干涉技术检测和声发射技术检测等。

上述裂隙检测技术，多数主要是针对金属固体物的检测，而且检测出的裂隙是某种物理特性的间接反映，不是直接检测的结果，可能存在一定误差。

在公开的文献资料上，尚未看见有专门针对钻孔周围煤体裂隙的直接检测方法；因此，为了更准确的检测出钻孔周围煤体裂隙的分布状况，探索出一种能够用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置就显得尤为迫切。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种能够用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置与方法。

解决上述技术问题的技术方案是：一种用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置，包括加压系统、压力传递轴、圆筒、圆盘、煤样、底盘、钻具、注浆泵、胶管、胶体和空心圆盘；所述圆筒的底端设有底盘，筒内盛装有由煤粉和煤焦油混合而成的煤样；所述圆筒的顶端还配设有圆盘和空心圆盘；其中圆盘的外径与圆筒内径吻合，圆盘的上方顺次设有压力传递轴和加压系统，压力传递轴垂直于圆盘设置，圆盘能够在加压系统的作用下沿圆筒轴向移动，压实煤样；所述空心圆盘能够与圆筒内径螺纹连接，钻具能够从空心圆盘的中心孔钻入煤样中，在煤样中形成轴向钻孔；所述胶管的一端与注浆泵连接，另一端能够从空心圆盘的中心孔插入至钻孔内向钻孔内注入胶体。

所述煤样预先采用1-3mm的煤粉和煤焦油混合好，所述加压系统1、压力传递轴、圆筒、圆盘，将放置于圆筒的煤样压制成圆柱体煤样，并具备一定强度。

所述圆盘和加压系统的相对面的中心设有凹槽，所述压力传递轴的两端插装于凹槽内。

所述空心圆盘的盘面上设置把手。

所述圆筒上端设有一段内螺纹，所述空心圆盘外围具有外螺纹，通过旋转空心圆盘压缩圆筒内的成型煤样，既可以给煤样施加一定的压力，又可以固定煤样，便于钻进施工。

所述空心圆盘内壁具有内螺纹，所述胶管前端配有接头，接头拥有外螺纹，胶管与空心圆盘通过螺纹连接，确保在带压注入胶体的过程中，不出现胶体泄漏。

所述胶管与注浆泵和空心圆盘相联接，联接方式为螺纹联接。

一种用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验方法，具体步骤包括：

步骤1）将混合好煤粉和煤焦油装入圆筒中；

步骤2）启动加压系统，将煤样压制成具有一定强度的圆柱体煤样；

步骤3）卸下加压系统、压力传递轴和圆盘；将空心圆盘与圆筒通过螺纹联接，旋转空心圆盘的把手压缩、固定煤样；

步骤4）采用钻具穿过空心圆盘的中心孔，施工煤样钻孔，钻孔的周围煤体产生网状裂隙；

步骤5）钻孔施工完毕,拔出钻具，清理孔内煤渣；

步骤6）胶体加热成液态，倒入注浆泵；启动注浆泵，向煤样钻孔内注入高温液态胶体，注入压力为2-3mpa，并稳定1小时后关闭注浆泵，停止胶体注入，胶体从钻孔渗入裂隙中；

步骤7）系统充分冷却后，拆卸注浆设备，卸下空心圆盘，煤样松弛，拔出煤样；

步骤8）剔除煤粉，获取冷却后的胶体，该胶体的形状即为卸压后钻孔周围煤体裂隙的空间结构，将其按一定比例缩小，即为受压状态下钻孔周围煤体裂隙的空间结构。

所述胶体在温度稍高的条件下呈液态，便于流动；在向煤样钻孔注入高温液态胶体时，胶体在充满钻孔后，会继续向钻孔周围的煤体裂隙渗透，并充满裂隙。所述胶体在常温下冷凝成胶体状；当煤样冷却，拆除注浆系统，取出煤样并剥离煤粉后，剩余胶体（除中心位置的圆柱形胶体外）所呈现的状态即为卸压后钻孔周围煤体裂隙的空间结构；将其按一定比例缩小，即为受压状态下钻孔周围煤体裂隙的空间结构。

本发明的有益效果是：本发明可为企业提供一种用于检测钻孔周围煤体裂隙分布状况的实验装置与方法，该装置采用向煤样钻孔内注入高温液态胶体，并让其在一定压力下渗透进入钻孔周围煤体裂隙；待胶体冷却后，拆卸注浆装置，拔出煤样，剥离煤粉，获取注入钻孔和煤体裂隙的胶体，即可获取卸压后钻孔周围煤体裂隙的空间结构分布状况，将其按一定比例缩小，即为受压状态下钻孔周围煤体裂隙的空间结构。解决了长期以来煤层钻孔周围煤体裂隙观察不直观、不准确的技术难题。应用本发明的方法与装置，可准确、直观的检测出钻孔周围煤体裂隙分布状况，有助于进一步探索高效的钻孔密封技术。

本发明向钻孔周围煤体注入高温液态胶体，待冷却后，胶体固化，再剥离煤粉，提取固化的胶体，并根据该胶体的形态推测出钻孔周围煤体裂隙的空间结构；既准确，又直观，是本发明的核心技术。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2为钻孔状态下的结构示意图。

附图3为注胶状态下的结构示意图。

图中标记如下：加压系统1、压力传递轴2、圆筒3、圆盘4、煤样5、底盘6、钻具7、注浆泵8、胶管9、胶体10、空心圆盘11和煤体裂隙12，钻孔13。

具体实施方式

底盘6与圆筒3直接采用螺纹联接；准备好的煤样5直接放入圆筒3内；压力传递轴2分别与加压系统1和圆盘4相联接，加压系统1和圆盘4的表面，均预留一个与压力传递轴2的截面尺寸一致的凹陷空间，方便插入。

启动加压系统1，即可将煤样5压制成具有一定强度的圆柱体煤样。

卸下加压系统1、压力传递轴2和圆盘4；空心圆盘11与圆筒3通过螺纹联接，旋转空心圆盘11的把手即可压缩、固定煤样5。

通过空心圆盘11的中心孔，采用钻具7可施工煤样钻孔13。

钻孔施工完毕,拔出钻具7，清理孔内煤渣；胶管9与注浆泵8和空心圆盘11相联接，联接方式为螺纹联接；胶体10加热成液态，倒入注浆泵8。

启动注浆泵8，向煤样钻孔13内注入高温液态胶体10。

系统冷却后，拆卸注浆设备，卸下空心圆盘11，煤样松弛，拔出煤样5。

剔除煤粉，获取冷却后的胶体10。

本发明的一个实施例如下：

加压系统1为j21s-125t深喉压力机，压力机的压力传递圆盘上有一个圆柱形凹陷空间，该空间的直径为100mm，高5mm；压力传递轴2为一金属圆柱棒，长300mm，直径100mm；圆筒3的制作材料为不锈钢，内径300mm，壁厚10mm，高600mm，上端内壁有内螺纹，下端外壁具有外螺纹；圆盘4的制作材料为不锈钢，直径300mm，厚20mm，圆盘的中心位置，有一个圆柱形凹陷空间，该空间的直径为100mm，高5mm。

煤样5为1-3mm煤粉和煤焦油的混合物，装满圆筒3的80%；底盘6的制作材料为不锈钢，内径320mm，壁厚10mm，高60mm，内壁有内螺纹，下端底座厚20mm。

钻具7为gbh2-28d冲击钻，钻杆的直径为10mm；注浆泵8为煤矿用气动注浆泵；胶管9为液压胶管，长5m，外径10mm，壁厚2mm，前端配置一个带外螺纹的接头。

胶体10为热熔胶；空心圆盘11的制作材料为不锈钢，外径300mm，内径10mm，壁厚10mm，外边缘具有外螺纹，内边缘具有内螺纹，并在圆盘上设有把手一个。

本发明的工作过程如下：

将底盘6与圆筒3相联接，并把煤样5放入圆筒3内；压力传递轴2分别与加压系统1和圆盘4相联接；启动加压系统1，将煤样5压制成具有一定强度的圆柱体煤样。

卸下加压系统1、压力传递轴2和圆盘4；联接空心圆盘11与圆筒3，旋转空心圆盘11的把手，压缩、固定煤样5。

通过空心圆盘11的中心孔，采用钻具7施工煤样钻孔13；钻孔13施工完毕,拔出钻具7，清理孔内煤渣。

用胶管9联接注浆泵8和空心圆盘11；将胶体10加热成液态，倒入注浆泵8，启动注浆泵8，向煤样钻孔13内注入高温液态胶体10。

注入压力为2-3mpa，并稳定1小时后；关闭注浆泵8，停止胶体10注入。

系统冷却4小时后，拆卸注浆设备，卸下空心圆盘11，煤样松弛，拔出煤样5。

用小刀剔除煤粉，获取冷却后的胶体10（包括煤样钻孔13内的胶体10和钻孔13周围煤体裂隙12中的胶体10）。整体形态如同一棵树，中间的“树干”为煤样钻孔13内的胶体10，大致为一圆柱体形状；周围的“树枝”和“树叶”为钻孔13周围煤体裂隙12的胶体10，他们的形状即为卸压后钻孔13周围煤体裂隙的空间结构，将其按一定比例缩小，即为受压状态下钻孔周围煤体裂隙的空间结构。