本发明涉及瓦斯动力灾害技术领域，具体涉及一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统。
背景技术：
我国是世界上最大的产煤国，也是发生灾害事故最严重的国家。瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的根本措施。由于我国煤层瓦斯赋存具有“三高三低”的特征，使得煤层瓦斯采前预抽效果不甚理想，为此采取强化措施进行抽采尤为必要。
水力割缝是通过在孔洞内壁喷射水射流，利用撞击和水楔作用在煤体内切割出数个缝槽，打破“瓶塞效应”，从而有效增大单个孔洞的影响范围。水射流切割是典型的冷加工方式，具有无磨损、无火花、无尘、能量集中、可定向控制切割等独特的优点。因此，适合用于煤矿井下瓦斯强化抽采和瓦斯动力灾害防控。
然而，现有技术中水力割缝仍然存在有效影响范围较小的问题，而增大割缝孔洞有效影响范围的关键是增大缝槽的长度。为了达到这个目的，提高射流压力是一种直接而有效的途径，即采用超高压水射流(喷嘴出口压力100MPa以上)割缝。国内外学者对超高压水射流的冲击能力及其影响因素、水力割缝增透机理及其设备开发进行了较为系统的研究，但针对超高压水射流割缝过程的物理模拟及割缝过程中煤与瓦斯耦合特性的描述还没有有效的装置和方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，包括加载装置、脱气装置、注气装置、割缝装置、数据采集装置、实验腔体、煤层和气渣分离器。
所述实验腔体包括箱体和上盖。所述箱体整体为一个矩形箱体。所述上盖可覆盖箱体的上端敞口处。所述箱体的底部和侧壁上设置有若干供管道或管线穿过的通孔。所述箱体的底部通孔中嵌合有下密封套筒。
所述煤层布置在实验腔体内腔中。所述煤层底部设置有孔洞。所述下密封套筒的一端伸入孔洞中，另一端伸出实验腔体底部。
所述割缝装置包括超高压水泵、压力控制装置和自旋式割缝器。所述超高压水泵、压力控制装置和自旋式割缝器通过管道依次连接。所述自旋式割缝器穿过下密封套筒后，布置在煤层底部孔洞中。
所述数据采集装置包括气压采集仪、转接头、气管、应变采集仪、应变片和计算机。所述的气压采集仪和应变采集仪均与计算机连接。所述气压采集仪、转接头和气管通过管线依次连接。所述应变采集仪、转接头和应变片通过管线依次连接。所述气管和应变片布置在煤层内。
所述脱气装置和注气装置通过箱体侧壁上的孔洞与实验腔体内腔连接。
所述气渣分离器的入口端与下密封套筒连接，出口端与阀门和流量计连接。
工作时，脱气装置对实验腔体内腔抽真空。注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体内充气，煤层吸附瓦斯。加载装置对煤层施加三个方向的围压。
试验时，水经由超高压水泵加压后，通过压力控制装置流向自旋式割缝器。自旋式割缝器产生高速射流对孔洞周围的煤体进行切割。形成一条垂直于孔洞轴向方向的圆盘状缝槽。所述气压采集仪、应变采集仪和流量计实时采集气压、应变和瓦斯流量的变化。
进一步，模拟系统还包括三通阀。所述三通阀通过箱体侧壁上的通孔与实验腔体内腔气密连接。所述脱气装置包括真空泵。所述真空泵通过管线与三通阀连接。所述注气装置包括气瓶和减压阀。所述气瓶通过管线依次与减压阀和三通阀连接。
进一步，所述自旋式割缝器包括芯管和射流本体。所述射流本体上设有两个中心对称的锥直型射流通道。从射流通道射出的高压流体水力的反冲产生使射流本体自旋的扭力矩。
进一步，所述加载装置包括布置在实验腔体内腔中的三块压板，及其附属的液压缸和油泵。所述油泵驱动压板，对煤层施加三向均布应力。
进一步，模拟系统还包括固定装置。所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的若干连接杆。所述实验腔体布置在两块钢板之间。
本发明还公开一种关于上述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，包括以下步骤：
1)制作煤层，并在煤层中布置气管和应变片。
2)在煤层底部开挖孔洞。
3)将煤层置于箱体中，连接转接头与应变片和气管。启动并调试应变采集仪、气压采集仪和计算机。盖上上盖，检查系统气密性。
4)启动脱气装置对实验腔体抽真空。24小时后，关闭脱气装置。打开注气装置，在设定的瓦斯压力下对实验腔体充气，待气压采集仪和应变采集仪采集到的气压和应变均不发生变化时，关闭注气装置。
5)启动加载装置对煤层施加设定的三个方向应力。
6)启动超高压水泵，调节压力控制装置使水射流压力为设定压力，打开阀门。自旋式割缝器喷射出超高压水射流，对煤层进行旋转式割缝。
7)实时记录气压采集仪、应变采集仪和流量计采集到的气压、应变和瓦斯流量。5min后，关闭超高压水泵，待气压、应变和瓦斯流量的示数不变时，关闭加载装置，打开上盖，取出煤层。
8)改变初始瓦斯压力、初始三向应力或射流冲击压力，重复实验步骤1)～7)，得到不同工况下气压、应变和瓦斯流量的变化曲线。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可物理模拟超高压水射流割缝过程，描述割缝过程中煤与瓦斯的耦合特性；
B.实用性强，可实现不同初始瓦斯压力、初始地应力和射流冲击压力下，超高压水射流割缝相似模拟实验，操作方便，安全可靠；
C.对于揭示超高压水射流割缝增透机理及技术参数优化具有重要的理论和实践指导意义。
附图说明
图1为相似模拟系统结构示意图；
图2为实验腔体连接示意图；
图3为自旋式割缝器横向剖面。
图中：超高压水泵1、压力控制装置2、自旋式割缝器3、芯管301、射流本体302、射流通道3021、真空泵4、三通阀5、气瓶6、减压阀7、实验腔体8、箱体801、下密封套筒8011、上盖802、气压采集仪9、转接头10、气管11、应变采集仪12、应变片13、油泵14、压板15、煤层16、气渣分离器17、阀门18、流量计19、计算机20。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，本实施例公开一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，包括固定装置、加载装置、脱气装置、注气装置、割缝装置、数据采集装置、三通阀5、实验腔体8、煤层16和气渣分离器17。
所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的4根连接杆。
所述实验腔体8布置在两块钢板之间。所述实验腔体8包括箱体801和上盖802。所述箱体801整体为一个矩形箱体。所述上盖802可覆盖箱体801的上端敞口处。所述箱体801的底部和侧壁上设置有若干供管道或管线穿过的通孔。这些通孔连通实验腔体8的内腔和外部。所述箱体801的底部通孔中嵌合有下密封套筒8011。所述通孔的直径与下密封套筒8011的直径相等。
所述煤层16布置在实验腔体8内腔中。所述煤层16底部设置有孔洞。所述下密封套筒8011的一端伸入孔洞中，另一端伸出实验腔体8底部。
所述三通阀5通过箱体801侧壁上的通孔与实验腔体8内腔气密连接。所述脱气装置包括真空泵4。所述真空泵4通过管线与三通阀5连接。所述注气装置包括气瓶6和减压阀7。所述气瓶6通过管线依次与减压阀7和三通阀5连接。
所述割缝装置包括超高压水泵1、压力控制装置2和自旋式割缝器3。所述超高压水泵1、压力控制装置2和自旋式割缝器3通过管道依次连接。所述自旋式割缝器3穿过下密封套筒8011后，布置在煤层16底部孔洞中。所述自旋式割缝器3包括芯管301和射流本体302。所述射流本体302上设有两个中心对称的锥直型射流通道3021。
所述数据采集装置包括气压采集仪9、转接头10、气管11、应变采集仪12、应变片13和计算机20。所述的气压采集仪9和应变采集仪12均与计算机20连接。所述气压采集仪9、转接头10和气管11通过管线依次连接。所述应变采集仪12、转接头10和应变片13通过管线依次连接。所述气管11和应变片13布置在煤层16内。
所述气渣分离器17的入口端与下密封套筒8011连接，出口端与阀门18和流量计19连接。
所述加载装置包括布置在实验腔体8内腔中的三块压板15，及其附属的液压缸和油泵14。所述油泵14驱动压板15，对煤层16施加三向均布应力。
工作时，脱气装置对实验腔体8内腔抽真空。注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体8内充气，煤层16吸附瓦斯。加载装置对煤层16施加三个方向的围压。
试验时，水经由超高压水泵1加压后，通过压力控制装置2流向自旋式割缝器3。自旋式割缝器3产生高速射流对孔洞周围的煤体进行切割。从射流通道3021射出的高压流体水力的反冲产生使射流本体302自旋的扭力矩，既起割缝作用，又使射流本体302发生自旋。由于高压水射流对煤体的切割和冲击作用，将孔洞周围煤体切割出一定宽度的扁平缝槽，孔洞周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成一条垂直于孔洞轴向方向的圆盘状缝槽，使缝槽周围的煤体应力解放，为煤层内部的瓦斯流动和释放创造良好的条件。所述气压采集仪9、应变采集仪12和流量计19实时采集气压、应变和瓦斯流量的变化。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，包括以下步骤：
1)分层压制煤层16，每层呈方阵状布置测点。每行侧点数为4～10个，每个测点处均布置应变片13和气管11。在本实施例中，煤层层数为3～5层。
2)在煤层16底部中心处开挖圆柱形孔洞，孔洞高度略大于自旋式割缝器3到实验腔体8底部的距离。
3)将煤层16置于箱体801中，连接转接头10与应变片13和气管11。启动并调试应变采集仪12、气压采集仪9和计算机20。盖上上盖802，检查系统气密性。
4)启动真空泵1对实验腔体8抽真空。24小时后，关闭真空泵4。打开气瓶6，在设定的瓦斯压力下对实验腔体8充气，待气压采集仪9和应变采集仪12采集到的气压和应变均不发生变化时，关闭气瓶6。
5)启动油泵14对煤层16施加设定的三个方向应力。
6)启动超高压水泵1，调节压力控制装置2使水射流压力为设定压力，打开阀门18。自旋式割缝器3喷射出超高压水射流，对煤层16进行旋转式割缝。
7)实时记录气压采集仪9、应变采集仪12和流量计19采集到的气压、应变和瓦斯流量。5min后，关闭超高压水泵1，待气压、应变和瓦斯流量的示数不变时，关闭油泵14，打开上盖802，取出煤层16。
8)改变初始瓦斯压力、初始三向应力或射流冲击压力，重复实验步骤1)～7，得到不同工况下气压、应变和瓦斯流量的变化曲线。
本实施例适用于模拟不同工况下超高压水射流割缝过程及揭示割缝过程中煤与瓦斯的耦合特性。