一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料密封性能测试技术领域，特别涉及一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]瓦斯作为煤矿井下五大灾害之一，同样也是一种清洁能源。目前，治理瓦斯问题的关键是瓦斯抽采，而井下封孔质量是瓦斯抽采的关键。井下封孔是利用胶囊、聚氨酯形成一段封闭空间，然后利用注浆栗将封孔材料注入钻孔内。然而，实验室进行封孔材料密封性能测试时，浆液往往是注入到钢管或者PVC管内，利用钢管或者PVC管来代替钻孔，进而把浆液注入的管内，再利用真空栗抽气，进而检测材料的密封性能。在这方面，相关学者进行了研究。
[0003]现有文献中有记载，通过在PVC管内壁粘涂一层煤粉，模拟瓦斯抽采钻孔，进而进行聚氨酯的密封性能(李敏，煤矿聚氨酯封孔的实验研究，中国地质大学(北京)，2011);利用内壁粗糙的无缝钢管模拟钻孔，钢管两端设置堵头，在堵头之间注入封孔材料，进而进行封孔参数的确定(倪冠华，脉动水力压裂钻孔密封参数的测定及分析，中国矿业大学学报，2013，42(2));利用PVC管模拟钻孔，通过在PVC管上直径不同的孔来模拟裂隙，采用“两堵一注”的方法进行材料的封孔性能测试(成艳英，本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究，中国矿业大学，2014年)。
[0004]通过以上分析可以发现，在密封材料密封性能测试方面，大多忽略了地应力的影响。因此，需继续研究出一种考虑地应力影响的技术方案以解决上述问题。鉴于此，本发明人为此研制出一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法，有效的解决了上述问题，本案由此产生。
【发明内容】
[0005]本发明提供的一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法，通过对煤粉施加轴向压力和围压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，解决了因忽略地应力，而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。
[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种矿用封孔材料性能测试装置，包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统，密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管，橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室，花管和橡胶筒之间构成煤粉室，花管内构成注浆室;煤粉室内填充煤粉，注水装置和注水室连通，注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室，轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室，注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料，气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。
[0007]所述注水装置包括水栗、注水管、水压表和注水阀门，水栗通过注水管和注水室连通，注水管上安装有水压表。
[0008]所述轴向加压装置包括压实板、加压杆、液压装置、液压管和液压控制系统，液压控制系统通过液压管和液压装置相连，液压装置上安装有加压杆，加压杆前端安装压实板，压实板呈环形，压实板套设在花管外并压置在煤粉室的一端，加压杆推动压实板轴向压缩煤粉，压实板将该煤粉室的一端密封。
[0009]所述注浆系统包括注浆端、注浆栗、注浆管和注浆压力表，注浆端密封安装在花管的一端，注浆端具有和花管连通的进浆管和出浆管，进浆管和出浆管分别安装有注浆阀门和回浆阀门，注浆栗通过注浆管和进浆管连通，注浆管上安装有注浆压力表。
[0010]所述注浆系统和气密性检测系统分别安装在花管的两端，气密性检测系统包括抽真空端、真空栗、真空管、真空管阀门和真空表，抽真空端密封安装在花管的一端，花管在靠近该端的内侧安装有隔板，隔板将花管分隔成两段，一段为注浆室，另一段和抽真空端共同构成真空室，真空管一端通过抽真空端和花管连通，真空管另一端和真空栗连接，真空管上安装有真空管阀门和真空表。
[0011]所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端密封，在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖，封口盖的内孔壁开设密封槽，密封槽用于和花管保持密封，封口盖上开设通气孔，通气孔通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气。
[0012]所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端安装有煤粉的加料装置，加料装置包括送料管、加料斗和加料阀门，加料斗通过送料管和煤粉室连通，加料斗下方安装有加料阀门。
[0013]—种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，使用步骤如下:
(I)实验准备:清理密封筒，保证花管、橡胶筒内壁干净没有残余物后，进行设备的安装；
(2 )形成模拟钻孔:将煤粉装入煤粉室内，直至煤粉装满煤粉室；
(3)加载围压、轴压:利用轴向加压装置对煤粉加载轴压，利用注水装置向注水室加高压水推动橡胶筒压缩煤粉室以加载围压，待煤粉所处压力达到矿井实际条件时，保持此压力至规定时间；
(4)注浆:利用注浆系统向注浆室内注由封孔材料构成的浆液，待浆液压力达到设定压力时，停止注浆，保持该压力；
(5)封孔性能检测:带浆液凝固后，利用气密性检测系统检测注浆室的密封性能；
(6)仪器整理:实验结束后，放掉注水室内的水和煤粉室内的煤粉，将各部件拆除，清理仪器设备。
[0014]所述设备安装的步骤为:将外筒固定，将封口盖安装到煤粉室的一端，同时把封口盖上的通气孔利用螺栓密封，并将花管通过封口盖内孔送入密封筒内，将压实板套设于煤粉室另一端的花管上，压实板与轴向加压装置的加压杆连接在一起，通过轴向加压装置将压实板退至最右端，形成最大煤粉室，把注浆系统的注浆端与花管一端安装在一起，把气密性检测系统的抽真空端与花管另一端安装在一起，把注水装置的注水管和注水室连通，将加料装置的送料管和煤粉室连通；
形成模拟钻孔的具体步骤为:利用轴向加压装置将压实板退至煤粉室最右端，将送料管送入煤粉室，打开加料阀门，通过加料斗将煤粉装入煤粉室内，装入过程中，利用捣棒将煤粉捣入煤粉室，再利用轴向加压装置推动压实板将煤粉送入煤粉室内部，然后将压实板退至最右端，循环按照此步骤，直至煤粉装满煤粉室； 注浆的具体步骤为:打开注浆阀门、回浆阀门，通过注浆管向注浆室内注浆，待出浆管内有浆液流出时，关闭回浆阀门，并继续向注浆室内注浆，待浆液压力达到设定压力时，关闭注浆阀门，保持该压力；
封孔性能检测的具体步骤为:利用真空栗对真空室抽真空，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空栗，观察真空表示数变化，以确定封孔材料的密封性能；
仪器整理的具体步骤为:实验结束后，首先缓缓打开注水阀门，把注水室内的水放出来，待水放完之后，打开真空管阀门，将水压表、注浆压力表和真空表取下，打开封口盖，利用轴向加压装置将煤粉推出煤粉室，将花管取出来，清理仪器设备。
[0015]在步骤(4)之前，还进行整个装置的气密性检查，步骤为:
安装封口盖上的螺栓，关闭注浆阀门、回浆阀门、注水阀门、加料阀门，利用真空栗对真空室抽负压，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空栗，保持lh，观察真空表示数变化，示数无变化，则装置气密性良好，否则对装置进行检查重新安装，再重新测试；煤粉室连通大气:将封口盖上的螺栓取下，使煤粉室、注浆室和真空室与大气相通。
[0016]采用上述方案后，本发明的密封筒分为三层，增加煤粉室和注水室，煤粉室用于填充更多的煤粉，然后通过注水装置向注水室加高压水，推动橡胶筒径向压缩煤粉室，从而对煤粉加载围压，通过轴向加压装置轴向压缩煤粉室，从而对煤粉加载轴压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，因此通过气密性检测系统检测出的封孔材料的密封性能，更加接近真实使用时的封孔材料密封性能，解决了因