專利名稱：多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬多場耦合作用機制下煤層氣開采過程的試驗系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
煤層氣是ー種潛在的潔凈的能源。在當前能源緊張的局勢下，加快煤層氣的開發(fā)利用，對改善我國能源結(jié)構(gòu)，對能源的充分利用和減少環(huán)境污染等具有重要的現(xiàn)實意義。從礦產(chǎn)資源的角度講，煤層氣是以甲烷為主要成份(含量>85%)的、在煤化作用過程中形成的、儲集在煤層氣及其臨近巖層之中的、可以利用開發(fā)技術(shù)將其從煤層中采出并加以利用的非常規(guī)天然氣。我國煤層氣資源豐富，據(jù)煤層氣資源評價，我國埋深2000米以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬億立方米，居世界第三位，主要分布在華北和西北地區(qū)。其中，華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質(zhì)資源量分別占全國煤層氣地質(zhì)資源總量的 56.3%,28.1%、14.3%、1.3%。最常見的煤層氣開發(fā)方式主要有兩種，即:井下煤層氣抽采和地面鉆井開采。井下抽采煤層氣是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔，在地面通過煤層氣泵來抽取煤層中的煤層氣。這種開發(fā)方式的煤層氣產(chǎn)量較小，甲烷濃度不高(20% 50%)，而且容易受到煤礦采掘生產(chǎn)的影響，所以它多以煤礦安全生產(chǎn)為目的，煤層氣的利用率較低。從20世紀50年代開始，我國就將煤層氣抽采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要措施在高瓦斯和突出礦井推廣。半個世紀以來，我國實施煤層氣抽采的礦井數(shù)量和瓦斯抽入量逐年穩(wěn)步上升。然而，我國煤層的主要特點是煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險嚴重、煤層群開采、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，我國的煤層賦存條件決定了我國的煤層氣抽采應(yīng)以卸壓抽采為主。地面鉆井開采煤層氣是從地面鉆井進入未開采煤層，通過排水降壓解吸出煤層中的煤層氣，再通過井筒流動到地面。這種開米方式的產(chǎn)氣量大、產(chǎn)氣時間長，甲燒含量高(大于90%),所以可以支撐大規(guī)模的商業(yè)化利用，但為了保證煤層氣的可采性，并且獲得一定的經(jīng)濟效益，這種開發(fā)方式對煤層氣資源量、煤層地質(zhì)構(gòu)造、含氣量、滲透率、地理環(huán)境等都有較高的要求。目前，我國總體煤層氣抽放效果不佳，具體表現(xiàn)為煤層氣抽放率低。導(dǎo)致我國煤礦煤層氣抽放率低的原因有2個方面:一方面是客觀原因，我國95%以上的高煤層氣和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有0.004 0.04m2/ (MPa2 d)，煤層氣抽放(特別是預(yù)抽)難度非常大；另ー方面是主觀原因，主要表現(xiàn)為抽放時間短、鉆孔工程量不足、封孔質(zhì)量差、抽放系統(tǒng)不匹配和管理不到位。因此研究如何對煤層氣進行有效的抽采具有極其重要的工程意義。另ー方面，根據(jù)礦壓理論，煤層開采后其頂板巖層發(fā)生冒落移動，當上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動裂隙區(qū)劃可分為“豎三帯”和“橫三區(qū)”，即采動區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；沿工作面推進方 向在工作面風(fēng)巷和機巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。隨著工作面不斷向前推進，沿工作推進方向上的“橫三區(qū)”隨之交替向前移動。在煤層氣抽采的過程中，瓦斯在煤巖層中的運移將受到“豎三帯”和“橫三區(qū)”中新產(chǎn)生的裂隙區(qū)域分布的影響，而合理的利用“豎三帯”和“橫三區(qū)”中新產(chǎn)生的裂隙對提高抽采效率有著重要的影響。目前還沒有在實驗室進行煤層氣抽采模擬的試驗裝置或者方法，實驗室所能模擬的狀態(tài)大都是在假三軸條件下煤層滲透率隨著應(yīng)力、瓦斯壓力、溫度變化而變化的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出各種提高煤層滲透性的方法。雖然這些滲流模擬試驗在一定程度上說明了各種影響因素對煤層煤層氣流動的影響作用，但鑒于抽采工作及其制度的復(fù)雜性，這些模擬狀態(tài)與現(xiàn)場實際情況相差較遠，并不能說明實際條件下的煤層氣抽采受到各因素的作用。因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種能夠在實驗室物理模擬煤層氣抽采的試驗裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠在實驗室物理模擬煤層氣抽采的試驗裝置及方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了ー種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試件箱；所述試件箱上部設(shè)置有至少ー個Z向壓桿和Z向壓板；所述試件箱的右箱板上設(shè)置有至少ー個Y向壓桿和Y向壓板；所述試件箱的后箱板上設(shè)置有至少ー個X向壓桿和X向壓板；所述Z向壓板、Y向壓板和X向壓板均位于所述試件箱內(nèi)；所述試件箱的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ ；所述突出ロ內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套；所述突出套與所述前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈；所述試件箱的底部設(shè)置有透氣鋼板和氣道；所述透氣鋼板覆蓋在所述氣道上；所述氣道的進ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭；所述試件箱的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板；所述左箱板在各第一墊板的間隔之間設(shè)置有接ロ ；所述接口中設(shè)置有傳感器接頭；所述突出套的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對應(yīng)的外管固定座；所述突出套的階梯面與所述外管固定座之間設(shè)置有第二密封圈；所述外管固定座的內(nèi)孔中螺紋連接有外管；所述外管延伸至所述試件箱內(nèi)；所述突出套的前端面通過螺栓連接有固定法蘭；所述外管固定座與所述固定法蘭之間設(shè)置有第三密封圈；所述固定法蘭的前端設(shè)置有法蘭凸臺；所述法蘭凸臺的外圓設(shè)置有螺紋；所述外管的后端封閉，前端開ロ ；所述外管上設(shè)置有位置與各所述Z向壓桿對應(yīng)的抽采外區(qū)；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有若干抽采外孔；所述外管和固定法蘭中設(shè)置有內(nèi)管；所述內(nèi)管包括第一接管和第三接管，以及可選的ー根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外徑小于所述外管的內(nèi)徑；所述第一接管對應(yīng)所述法蘭凸臺處設(shè)置有限位凸緣；所述第一接管在所述限位凸緣的前端外圓設(shè)置有螺紋；所述第一接管的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭；所述限位凸緣和法蘭凸臺的外螺紋上配合有螺母；
所述第一接管和第二接管沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔；所述第三接管設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣和第二抽采凸緣；所述第二抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第四密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣對應(yīng)的第一密封區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的外徑小于所述外管的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)沿周向和軸向均布有多個抽采內(nèi)孔；所述Z向壓桿的中心線可位干與所述第一抽采凸緣和第二抽采凸緣相對端面等距的虛擬面上。為便于測量計算某一 Z向壓桿對抽采的影響，所述第一抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第五密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第一抽采凸緣對應(yīng)的第二密封區(qū)。較佳的，所述抽采外孔的孔徑大于所述抽采內(nèi)孔的孔徑；所述抽采外孔的分布密度大于所述抽采內(nèi)孔的分布密度；所述抽采外區(qū)內(nèi)、第一密封區(qū)和第二密封區(qū)外，各所述抽采外孔之間的第一軸向孔心距不小于5mm ;各所述抽采內(nèi)孔之間的第二軸向孔心距為所述第一軸向孔心距的兩倍。較佳的，所述外管的抽采外區(qū)在圓周方向上均布有18個所述抽采外孔；所述第三接管的抽采內(nèi)區(qū)在圓周方向上均布有4個所述抽采內(nèi)孔；所述抽采外孔的孔徑不大于1.5mm ;所述抽采內(nèi)孔的孔徑不小于2mm ;所述第一軸向孔心距為5mm ;所述第二軸向孔心距為 10mnin較佳的，所述第一接頭與所述內(nèi)管的前端面之間設(shè)置有組合墊圏。為便于操作，所述突出套的內(nèi)孔孔徑大于所述外管固定座的外徑。本發(fā)明同時公開了ー種多場耦合煤層氣抽采模擬試驗方法，包括以下步驟:1、前期準備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率；Ib)在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時安裝傳感器和抽采外管，所述抽采外管的后端封閉，前端開ロ ；所述外管上設(shè)置有位置與試件箱各Z向壓桿對應(yīng)的抽采外區(qū)；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有若干抽采外孔；Ic)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；Id)將試件箱置于加載系統(tǒng)中，然后在抽采外管中裝配抽采內(nèi)管；抽采內(nèi)管包括第一接管和第三接管，以及可選的ー根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的結(jié)合端面處設(shè)置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外徑小于所述外管的內(nèi)徑；所述第一接管和第二接管沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔；所述第三接管設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣和第ニ抽采凸緣；所述第二抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設(shè)置有第四密封圈；所述抽采外區(qū)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣對應(yīng)的第一密封區(qū)；所述抽采內(nèi)區(qū)的外徑小于所述外管的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)沿周向和軸向均布有多個抽采內(nèi)孔；Ie)在第一接管的出口并聯(lián)大量程瓦斯流量計和小量程瓦斯流量計；將試件箱與瓦斯氣源連接；2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，對試件箱的各壓桿施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬采深；打開真空泵對煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達到I X IO2Pa;—個小時后打開瓦斯氣瓶進行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時間為48小時；3、瓦斯抽采 打開抽采管閥門，全程檢測各參數(shù)變化及瓦斯流量變化:先打開大量程流量計，待流量降低至小量程瓦斯流量計的量程內(nèi)，關(guān)閉大量程瓦斯流量計，打開小量程瓦斯流量計；這ー過程瓦斯源可以關(guān)閉，也可以一直穩(wěn)定于預(yù)定輸出壓カ；4、結(jié)束一次試驗有瓦斯源時:關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)排放瓦斯，直至試件箱內(nèi)瓦斯解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗；無瓦斯源吋:試件箱內(nèi)瓦斯解吸排出完全則停止三向加載，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗。5、完成同組其他試驗改變模擬采深、抽采長度或抽采點其中的之一試驗參數(shù)，而保持其他試驗參數(shù)不變，或同時改變抽采長度和抽采點而保持模擬采深，重復(fù)上述步驟2-4。較佳的，步驟Ia)中，煤樣含水率為5%。本發(fā)明同時還公開了ー種多煤層聯(lián)合開采過程中煤層氣抽采模擬試驗，包括步驟如下:1、前期準備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率；將試件制成多煤層試件，并在下煤層鋪設(shè)多個油壓包，油壓包連接至箱體左板的數(shù)據(jù)采集孔；lb)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；在試件箱中部與各Y向壓桿正對處設(shè)置第二接頭，各第二接頭內(nèi)側(cè)與膠管接頭連接，膠管接頭與側(cè)向接管連接，側(cè)向接管上密布有多個側(cè)向抽采孔；Ic)在各第二接頭的外端連接第三瓦斯流量計；將試件箱與瓦斯氣源連接；將各油壓包連接至其外接控制管路；2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，對試件箱的各壓桿施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬采深；打開真空泵對煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達到I X IO2Pa;—個小時后打開瓦斯氣瓶進行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時間為48小時；3、瓦斯抽采同時打開4個第三瓦斯流量計，檢測煤層內(nèi)部瓦斯壓カ和應(yīng)カ變化及各個抽采點的瓦斯流量變化，待流量穩(wěn)定后，以1.44h或0.72h或0.48h或0.36h為間隔由前至后逐個排空各油壓包，直至所有油壓包排空為止，以模擬實際エ況中煤層開采速度；在這ー過程中不間斷監(jiān)測上煤層和下煤層內(nèi)的瓦斯壓力、煤層應(yīng)カ和各抽采點流量的變化；這ー過程中，瓦斯源壓カー直穩(wěn)定于與模擬采深相對應(yīng)的壓カ；4、結(jié)束一次試驗關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)打開瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱體內(nèi)煤層氣解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束實驗；5、改變模擬采深或模型工作面推進速度其中的之一試驗參數(shù)，而保持其他試驗參數(shù)不變，重復(fù)以上步驟2-4。本發(fā)明的有益效果是:1、可在實驗室內(nèi)進行煤層煤層氣抽采的模擬，從而為現(xiàn)場作業(yè)提供理論指導(dǎo)；2、可以模擬多物理場(應(yīng)カ場、裂隙場、滲流場)耦合時多煤層和單煤層狀態(tài)下的煤層氣抽米情況；3、可以模擬采動影響下煤層氣抽采率的變化規(guī)律，特別可以模擬保護層開采方式中，被保護層的抽采效果變化；3、本模擬試驗方法，考慮了多物理場相互耦合時煤層中煤層氣流動狀態(tài)的變化規(guī)律，再現(xiàn)了工程擾動情況下煤層參數(shù)的變化情況，可以研究應(yīng)カ場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析煤層氣流動與煤巖體裂隙耦合的時空演化及分布規(guī)律。4、設(shè)備操作方便，自動化程度高。


圖1是本發(fā)明一具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖1中I處的局部放大圖。圖5是圖1中II處的局部放大圖。圖6是圖1中III處的局部放大圖。圖7是本發(fā)明一具體實施方式
中內(nèi)管和外管的另ー結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖6的A-A剖視圖。圖9是本發(fā)明一具體實施方式
的抽采試驗中出氣端的管路結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明一具體實施方式
中瓦斯氣源的管路結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是本發(fā)明一具體實施方式
的抽采試驗中抽采點位于第三Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明一具體實施方式
的抽采試驗中抽采點位于第二 Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是本發(fā)明一具體實施方式
的抽采試驗中抽采點位于第一 Z向壓頭下方的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是實際エ況中工作面前方的煤體應(yīng)カ分布示意圖。圖15是本發(fā)明一具體實施方式
中采動模擬抽采試驗示意圖。圖16是圖15去掉試件后的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖17是圖16中IV處的局部放大圖。
圖18是本發(fā)明多煤層聯(lián)合開采過程中煤層氣抽采模擬試驗中第二接頭出氣端的管路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進ー步說明:如圖1至圖6所示，ー種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試件箱1，試件箱I的上箱板上從前之后依次設(shè)置有第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d，各Z向壓桿均固定有Z向壓板3，右箱板上設(shè)置有四個Y向壓桿4和Y向壓板5,后箱板上設(shè)置有ー個X向壓桿6和X向壓板7。Z向壓板3、Y向壓板5和X向壓板7均位于試件箱I內(nèi)。試件箱I的底部設(shè)置有透氣鋼板25和氣道26，透氣鋼板25覆蓋在氣道26上，氣道25的進ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭27。試件箱I的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板28，左箱板在各第一墊板28的間隔之間設(shè)置有接ロ 29，接ロ 29中設(shè)置有傳感器第一接頭30。試件箱I的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ 9，突出ロ 9內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套10，突出套10與前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈8a。突出套10的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對應(yīng)的外管固定座U。突出套10的內(nèi)孔孔徑大于所述外管固定座11的外徑。突出套10的階梯面與外管固定座11之間設(shè)置有第二密封圈8b。外管固定座11的內(nèi)孔中螺紋連接有外管12，外管12延伸至試件箱I內(nèi)。突出套10的前端面通過螺栓連接有固定法蘭13，外管固定座11與固定法蘭13之間設(shè)置有第三密封圈8c，固定法蘭13的前端設(shè)置有法蘭凸臺13a，法蘭凸臺13a的外圓設(shè)置有螺紋。外管12的后端封閉，前端開ロ。外管12上設(shè)置有位置與各Z向壓桿對應(yīng)的抽采外區(qū)12a，抽采外區(qū)12a上設(shè)置有若干抽采外孔14a。外管12和固定法蘭13中設(shè)置有內(nèi)管15。內(nèi)管15包括第一接管15a和第三接管15c,以及可選的ー根或多根第二接管15b。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性。第一接管15a、第二接管15b和第三接管15c的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈8f。第一接管15a和第二接管15b的外徑小于外管12的內(nèi)徑;第一接管15a對應(yīng)法蘭凸臺13a處設(shè)置有限位凸緣15al，第一接管15a在限位凸緣15al的前端15a2外圓設(shè)置有螺紋。第一接管15a的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭16，第ー接頭16與內(nèi)管15的前端面之間設(shè)置有組合墊圈18。限位凸緣15al和法蘭凸臺13a的外螺紋上配合有螺母19。第一接管15a和第二接管15b沿軸向設(shè)置有通孔,第三接管15c沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔。第三接管15c設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)15cl，抽采內(nèi)區(qū)15cl的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3。本實施例中，第三接管15c包括兩種基本結(jié)構(gòu)，其中I型基本結(jié)構(gòu)為第二抽采凸緣15c3與外管12配合，并與外管12之間設(shè)置有第四密封圈8d ;同時，第一抽采凸緣15c2與外管12配合，并與外管12之間設(shè)置有第五密封圈Se ;相應(yīng)的，抽采外區(qū)12a上設(shè)置有與第一抽采凸緣15c2對應(yīng)的第二密封區(qū)12b，以及與第二抽采凸緣15c3對應(yīng)的第一密封區(qū)12c。如圖6所示。第三接管15c的II型基本結(jié)構(gòu)為，僅僅是位于后端的第二抽采凸緣15c3與外管配合并設(shè)置密封圏，但位于前端的第一抽采凸緣15c2外徑小于外管12的內(nèi)徑。如圖7所
/Jn o對于I型結(jié)構(gòu)的第三接管15c而言，第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3相對端面之間距離構(gòu)成抽采距離L ;對于II型結(jié)構(gòu)的第三接管15c而言，其抽采距離根據(jù)第ニ接管15b的數(shù)量可調(diào)。抽采內(nèi)區(qū)15cl的外徑小于外管12的直徑；抽采內(nèi)區(qū)15cl沿周向和軸向均布有多個抽采內(nèi)孔14b。各Z向壓桿的中心線可位干與第一抽采凸緣15c2和第二抽采凸緣15c3相對端面等距的虛擬面17上。外管12的抽采外區(qū)12a在圓周方向上均布有18個抽采外孔14a，第三接管15c的抽采內(nèi)區(qū)15cl在圓周方向上均布有4個抽采內(nèi)孔14b，如圖8所示。抽采外孔14a的孔徑為1.5mm,抽采內(nèi)孔14b的孔徑為2mm。抽采外區(qū)12內(nèi)、第一密封區(qū)12c和第二密封區(qū)12bタト，各抽采外孔14a之間的第一軸向孔心距為5mm,各抽采內(nèi)孔14b之間的第二軸向孔心距為10mm。上述試驗系統(tǒng)與cnl02621232A公開的多場耦合煤礦動カ災(zāi)害大型模擬試驗系統(tǒng)中的反力架和機架配合使用，可設(shè)計多個抽采模擬方案，以完成多場耦合煤層氣開采模擬試驗。表一列舉了部分可選的試驗方案，其中試驗方案1、2、3和4組成ー組模擬試驗，方案3、5、6組成一組模擬試驗,方案3、7、8、9組成一組模擬試驗。表一所列舉的試驗參數(shù)中，模擬采深和瓦斯壓カ之間具有對應(yīng)關(guān)系，可通過常規(guī)計算獲得。各組模擬試驗的試驗步驟如下:1、前期準備Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據(jù)煤樣質(zhì)量添加一定的水制成預(yù)定含水率，本次模擬煤層含水率為5% ；Ib)在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時安裝傳感器、抽采外管12和固定法蘭；Ic)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；Id)將試件箱推至加載系統(tǒng)的底座預(yù)定位置，安裝好反力架，然后裝配抽采內(nèi)管；其中，根據(jù)不同的抽采點，選用不同數(shù)量的第二接管15b，如方案I中內(nèi)管僅包括第一接管15a和第三接管15c，以使第一 Z向壓桿2a的中心線2al位于虛擬面17上，如圖13所示；也可選用ー個第二接管15b，使其與第一接管15a和第三接管15c連接，以使第二 Z向壓桿2b的中心線位于虛擬面17上，如圖12所示；Ie)在第一接頭16的外端依次連接第一氣壓傳感器20、第一閥門21、三通23 ;三通23的第一通路上連接有第二閥門22、500L/min量程瓦斯流量計41，第二通路上連接有第三閥門24和50L/min量程瓦斯流量計42，如圖9所示；在內(nèi)接插頭27處依次連接第二氣壓傳感器31、微調(diào)閥門32和瓦斯氣瓶33，其中內(nèi)接插頭27與氣壓傳感器31之間的管路長度小于0.2m，氣壓傳感器31與微調(diào)閥門32之間的管路長度不小于3m，微調(diào)閥門32與瓦斯氣瓶33之間的管路長度小于0.5m，如圖10所示。2、瓦斯吸附關(guān)閉各閥門以密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動三向應(yīng)カ加載系統(tǒng)，施加預(yù)定的應(yīng)力水平，以模擬米深，如表一方案I所不，各Y向壓桿4的カ均為3.6MPa, X向壓桿6的カ為1.2MPa，第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d的力分別為1.6MPa、4.7MPa、3.1MPa和3.1MPa,以模擬IlOOm采深;打開真空泵對煤層抽真空，以使試件箱內(nèi)的壓カ達到IXlO2Pa ; —個小時后打開瓦斯氣瓶進行充氣，充氣壓カ為1.2MPa，充氣時間為48小時。3、瓦斯抽采打開抽采管閥門，全程檢測各參數(shù)變化及瓦斯流量變化:先打開500L/min量程流量計，待流量降低至50L/min,關(guān)閉500L/min側(cè)的閥門，打開50L/min側(cè)的閥門。這ー過程瓦斯源(瓦斯罐)可以關(guān)閉，也可以一直穩(wěn)定于預(yù)定輸出壓カ1.2MPa。4、瓦斯解吸有瓦斯源時:關(guān)閉瓦斯系統(tǒng)，停止三向加載；繼續(xù)排放瓦斯，直至試件箱內(nèi)瓦斯解吸完全，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗；無瓦斯源吋:試件箱內(nèi)瓦斯解吸排出完全則停止三向加載，停止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)束試驗。5、完成同組其他試驗改變模擬采深、抽采長度或抽采點其中的之一試驗參數(shù)，而保持其他試驗參數(shù)不變，如可通過增減第二接管15b的數(shù)量或改變第三接管15c的長度，以改變抽采段位置，即使另ー Z向壓桿的中心線位于虛擬面17上，如圖11、圖12和圖13所示，重復(fù)上述步驟2-4，完成同組的其他試驗方案，以模擬不同條件下的抽采過程演化規(guī)律。在實際エ況中，工作面前方煤體具有不同的壓カ區(qū)域，如圖14所示，圖14中，A區(qū)域為卸壓區(qū)，B區(qū)域為應(yīng)カ集中區(qū)，C區(qū)域為原始應(yīng)カ區(qū)，S H為原始應(yīng)カ區(qū)。抽采試驗中，可按照圖所示的應(yīng)カ規(guī)律，對第一 Z向壓桿2a、第二 Z向壓桿2b、第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d施加不同的載荷，以模擬不同的應(yīng)カ區(qū)域。如表一所示，第一 Z向壓桿2a用于模擬卸壓區(qū)，第二 Z向壓桿2b用于模擬應(yīng)カ集中區(qū)，第三Z向壓桿2c和第四Z向壓桿2d用于模擬原始應(yīng)カ區(qū)。表一:抽米模擬試驗方案
權(quán)利要求
1.一種多場稱合煤層氣開米物理模擬試驗系統(tǒng),包括試件箱；所述試件箱(I)上部設(shè)置有至少ー個Z向壓桿和Z向壓板(3)； 所述試件箱(I)的右箱板上設(shè)置有至少ー個Y向壓桿(4)和Y向壓板(5)； 所述試件箱(I)的后箱板上設(shè)置有至少ー個X向壓桿(6)和X向壓板(7)； 所述Z向壓板(3 )、Y向壓板(5 )和X向壓板(7 )均位于所述試件箱(I)內(nèi)； 所述試件箱(I)的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出ロ(9);所述突出ロ(9)內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套(10);所述突出套(10)與所述前箱板的階梯面之間設(shè)置有第一密封圈(8a); 所述試件箱(I)的底部設(shè)置有透氣鋼板(25)和氣道(26);所述透氣鋼板(25)覆蓋在所述氣道(26)上；所述氣道(25)的進ロ設(shè)置有內(nèi)接插頭(27)； 所述試件箱(I)的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板(28);所述左箱板在各第一墊板(28)的間隔之間設(shè)置有接ロ(29);所述接ロ(29)中設(shè)置有傳感器接頭(30)； 其特征是:所述突出套(10)的內(nèi)孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內(nèi)設(shè)置有形狀與階梯孔對應(yīng)的外管固定座(11);所述突出套(10)的階梯面與所述外管固定座(11)之間設(shè)置有第二密封圈(8b);所述外管固定座(11)的內(nèi)孔中螺紋連接有外管(12);所述外管(12)延伸至所述試件箱(I)內(nèi)； 所述突出套(10)的前端面通過螺栓連接有固定法蘭(13);所述外管固定座(11)與所述固定法蘭(13)之間設(shè)置有第三密封圈(Sc);所述固定法蘭(13)的前端設(shè)置有法蘭凸臺(13a);所述法蘭凸臺(13a)的外圓設(shè)置有螺紋； 所述外管(12)的后端封閉，前端開ロ ；所述外管(12)上設(shè)置有位置與各所述Z向壓桿對應(yīng)的抽采外區(qū)(12a);所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有若干抽采外孔(14a)； 所述外管(12)和固定法蘭(13)中設(shè)置有內(nèi)管(15);所述內(nèi)管(15)包括第一接管(15a)和第三接管(15c)，以及可選的ー根或多根第二接管(15b);所述第一接管(15a)、第二接管(15b)和第三接管(15c)可前后依次螺紋連接,且連接螺紋具有互換性；所述第一接管(15a)、第二接管(15b)和第三接管(15c)的結(jié)合端面處均設(shè)置有密封圈(8f);所述第一接管(15a)和第二接管(15b)的外徑小于所述外管(12)的內(nèi)徑； 所述第一接管(15a)對應(yīng)所述法蘭凸臺(13a)處設(shè)置有限位凸緣(15al);所述第一接管(15a)在所述限位凸緣(15al)的前端(15a2)外圓設(shè)置有螺紋；所述第一接管(15a)的前端內(nèi)孔中配合有第一接頭(16)； 所述限位凸緣(15al)和法蘭凸臺(13a)的外螺紋上配合有螺母(19)； 所述第一接管(15a)和第二接管(15b)沿軸向設(shè)置有通孔；所述第三接管(15c)沿軸向設(shè)置有前端開ロ后端封閉的盲孔； 所述第三接管(15c)設(shè)置有抽采內(nèi)區(qū)(15cl);所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)的前后端兩端分別設(shè)置有第一抽采凸緣(15c2)和第二抽采凸緣(15c3);所述第二抽采凸緣(15c3)與所述外管(12)配合，并與所述外管(12)之間設(shè)置有第四密封圈(8d);所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有與所述第二抽采凸緣(15c3)對應(yīng)的第一密封區(qū)(12c); 所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)的外徑小于所述外管(12)的直徑；所述抽采內(nèi)區(qū)(15cl)沿周向和軸向均布有多個抽采內(nèi)孔(14b)； 所述Z向壓桿的中心線可位干與所述第一抽采凸緣(15c2)和第二抽采凸緣(15c3)相對端面等距的虛擬面(17)上。
2.如權(quán)利要求1所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征是:所述第一抽采凸緣(15c2)與所述外管(12)配合，并與所述外管(12)之間設(shè)置有第五密封圈(Se)；所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有與所述第一抽采凸緣(15c2)對應(yīng)的第二密封區(qū)(12b)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征是:所述抽采外孔(14a)的孔徑大于所述抽采內(nèi)孔(14b)的孔徑；所述抽采外孔(14a)的分布密度大于所述抽采內(nèi)孔(14b)的分布密度；所述抽采外區(qū)(12)內(nèi)、第一密封區(qū)(12c)和第二密封區(qū)(12b)外，各所述抽采外孔(14a)之間的第一軸向孔心距不小于5mm;各所述抽采內(nèi)孔(14b)之間的第二軸向孔心距為所述第一軸向孔心距的兩倍。
4.如權(quán)利要求3所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征是:所述外管(12)的抽采外區(qū)(12a)在圓周方向上均布有18個所述抽采外孔(14a);所述第三接管(15c)的抽采內(nèi)區(qū)(15cl)在圓周方向上均布有4個所述抽采內(nèi)孔(14b);所述抽采外孔(14a)的孔徑不大于1.5mm ;所述抽采內(nèi)孔(14b)的孔徑不小于2mm ;所述第一軸向孔心距為5mm ;所述第二軸向孔心距為10mm。
5.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征是:所述第一接頭(16)與所述內(nèi)管(15)的前端面之間設(shè)置有組合墊圈(18)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征是:所述突出套(10)的內(nèi)孔孔徑大 于所述外管固定座(11)的外徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試件箱(1)；所述試件箱(1)的前箱板設(shè)置有階梯狀的突出口(9)；所述突出口(9)內(nèi)通過螺栓固定連接有突出套(10)；所述突出套(10)內(nèi)設(shè)置有外管固定座(11)；所述外管固定座(11)的內(nèi)孔中螺紋連接有外管(12)；所述外管(12)上設(shè)置有抽采外區(qū)(12a)；所述抽采外區(qū)(12a)上設(shè)置有若干抽采外孔(14a)；所述外管(12)設(shè)置有內(nèi)管(15)。本發(fā)明可在實驗室內(nèi)模擬現(xiàn)場工況的煤層氣抽采，再現(xiàn)實際工況中煤層參數(shù)的變化情況，從而研究應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析煤層瓦斯流動與煤巖體裂隙耦合的時空演化及分布規(guī)律。
文檔編號E21F7/00GK103114870SQ20131002509
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者許江, 尹光志, 劉 東, 王維忠, 彭守建, 李波波, 蔣長寶, 程立朝, 梁永慶, 曹偈 申請人:重慶大學(xué)