用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿井瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种用于确定上保护层开采卸压范 围的测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着煤层开采深度增加，煤层瓦斯压力与含量逐渐增大，煤层瓦斯突出危险性逐 渐增大。针对突出煤层，我国防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则， 而开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性防突措施。保护层开采的技术 原理是：选择非突出煤层或弱突出煤层作为保护层首先开采，使得上下煤岩体产生强烈的 拉张破坏，并发生移动，被保护煤层原始地应力得到释放，煤层裂隙充分扩展，煤层透气性 显著提高，大量吸附态瓦斯解吸为游离状态，通过卸压瓦斯强化抽采，使得被保护煤层地应 力、瓦斯压力与含量进一步降低，最终达到消除被保护煤层突出危险性的目的。
[0003] 保护层开采后需考察被保护煤层的保护效果与保护范围，根据国家安全生产监督 管理总局规章《防治煤与瓦斯突出规定》和国家安全生产行业标准《保护层开采技术规范 AQ1050-2008》可知，目前确定保护范围主要通过在被保护层卸压边界区域布置瓦斯压力测 试钻孔，通过保护层开采前后原始瓦斯压力与残余瓦斯压力的对比来确定保护层范围，然 后通过实测瓦斯压力测算的瓦斯含量进一步考察保护范围，该方法以测算瓦斯参数为主， 对保护层开采的卸压作用没有充分体现，而以卸载地应力为主进行区域消突的上保护层开 采条件，通过应力指标进行保护范围考察更具科学性；目前，在保护层开采过程中，现场工 程技术人员通过测试被保护煤层膨胀变形量指标来评价保护层的开采效果，但测试成功率 较低。
[0004] 因此，进行突出煤层保护范围考察时急需一种通过测试应力指标来确定保护范围 的技术方法，尤其适用于确定上保护层开采保护范围的技术方法，通过考察应力指标可为 被保护煤层采掘巷道布置及突出防治提供科学依据，进而保障突出煤层的安全高效开采。
【发明内容】
[0005] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于确定上保护层开采卸 压范围的测试系统及测试方法，对以卸载地应力为主进行消突的上保护层开采条件下保护 范围的测试，以提高测试准确性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明方案包括：
[0007] -种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统，其包括现场测试部与实验室测 试部，将现场测试部获取的煤样通过实验室测试部进行测试，其中，实验室测试部包括大尺 寸径向渗流测试机构，大尺寸径向渗流测试机构与一电液伺服控制油压栗相连接，电液伺 服控制油压栗用于向大尺寸径向渗流测试机构施加压力，大尺寸径向渗流测试机构配置有 一质量流量计，质量流量计通过相应管路分别与大尺寸径向渗流测试机构、集气装置相连 通，大尺寸径向渗流测试机构通过相应管路与真空栗相连通，真空栗通过减压阀与一甲烷 钢瓶相连通。
[0008] 所述的测试系统，其中，上述大尺寸径向渗流测试机构包括一高压罐体，高压罐体 上部设置有连接法兰，连接法兰通过连接螺栓螺母与高压罐体相连接，高压罐体内设置有T 型活塞，T型活塞的竖直段与电液伺服控制油压栗相连接，T型活塞的水平段横向布置在高 压罐体内，T型活塞之水平段下方的高压罐体内设置有压头，压头下方设置有用于放置煤样 的渗气花管，渗气花管通过排气花管相连通，渗气花管的下部设置有排气管，排气管通过排 气口与质量流量计相连通，一个渗气花管的一端通过气口与真空栗相连通，另一个渗气花 管的一端以及排气管的另一端上分别设置有压力变送器，质量流量计、压力变送器均与一 数据采集器相连接，数据采集器与一数据处理中心相连接。
[0009] 所述的测试系统，其中，上述现场测试部包括上保护层，上保护层包括采空区，采 空区的一端设置有上保护层机巷，另一端设置有上保护层风巷，上保护层的下方为被保护 层，从被保护层之底板岩巷及钻场内向卸压边界区域施工四个小孔径穿煤钻孔作为测压钻 孔，测压钻孔终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线为中心，每间隔十五米布置一个 测压钻孔，测压钻孔均匀布置，每个测压钻孔均与一压力表相连接；测压钻孔采用风力排渣 工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔的煤样并密封保存，且记录测压钻孔施工参数，测压 钻孔施工完毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每天记录各测压钻孔对应压力表的读数。
[0010] 一种测试方法，其包括以下步骤：
[0011] A、将筛分煤样放置于渗气花管内，然后启动电液伺服控制油压栗，驱动T型活塞 向下运动，通过压头给煤样施加垂向应力，随后进行真空脱气，两小时后关闭真空栗及对应 阀门；然后开启甲烷钢瓶和减压阀，向高压罐体内注气，注气压力为该煤样实测压力值，进 行六小时平衡吸附，然后开启对应阀门进行大尺寸径向稳态渗流实验，通过压力变送器、质 量流量计与数据采集器记录平衡时内外边界压力和气体流量；
[0012] B、将步骤A所测数据代入式（1)计算，得出该煤样在设定垂直向力下的渗透率值，
[0014] 其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或103μηι; μ为瓦斯的粘度，20°C时取为 1. 087 X 10 5Pa · s ;p。为实验室的大气压力，单位为Pa ;Q。为气体流量，单位为ml/s ;p w为内 边界压力，单位为MPa !Pf3外边界压力，单位为MPa ;rw为内边界半径，单位为cm、]%为外边界 半径，单位为cm ;h为煤层厚度，单位为cm ;
[0015] C、通过更换煤样和改变垂向应力进行多次大尺寸径向稳态渗流实验，获得各煤样 在不同垂向应力下的渗透率，并绘制出渗透与垂向应力的关系曲线；
[0016] D、根据现场所测煤层渗透率，确定各测压钻孔位置处煤体垂向应力，绘制卸压边 界区域垂向应力分布曲线，根据实际煤层赋存情况计算垂向卸压临界值，得出该临界值在 实测曲线中对应的位置，即为该区域上保护层开采的实际卸压边界位置。
[0017] 所述的测试方法，其中，在步骤A之前还包括：
[0018] 从被保护层之底板岩巷及钻场内向卸压边界区域施工四个小孔径穿煤钻孔作为 测压钻孔，测压钻孔终孔位置连成一条直线，并以理论卸压线中线为中心，每间隔十五米布 置一个测压钻孔，测压钻孔均匀布置，每个测压钻孔均与一压力表相连接；测压钻孔采用风 力排渣工艺施工，施工过程中采集各测压钻孔的煤样并密封保存，且记录测压钻孔施工参 数，测压钻孔施工完毕后封孔测定煤层瓦斯压力，每天记录各测压钻孔压力表的读数，
[0019] 待压力稳定后，记录各测压钻孔瓦斯压力值，采用测压钻孔径向法计算各测压钻 孔所在位置煤层透气性系数，并根据式（2)换算成渗透率，获得各钻孔所在位置的煤层渗 透率；
[0020] λ = ΚΛ2 μ p。）式（2)
[0021] 其中，K为煤样的渗透率，单位为mD或103μηι; μ为瓦斯的粘度，20°C时取为 L 087 X 10 5Pa · s ;p。为实验室的大气压力，单位为Pa。
[0022] 本发明提供的一种用于确定上保护层开采卸压范围的测试系统及测试方法，能解 决突出煤层保护层开采范围考察时所采用的指标及测试手段单一的技术问题，对以卸载地 应力为主进行消突的上保护层开采条件下保护范围的考察，提供了一种以应力指标进行考 察的新途径，丰富了考察手段，提高了考察的准确性，为被保护煤层采掘合理布局及安全开 采提供了科学依据，提高了测试准确性，同时可有效避免煤炭资源和瓦斯防治工程的浪费。
【附图说明