本發(fā)明屬于礦井瓦斯災(zāi)害治理領(lǐng)域，尤其涉及一種可測(cè)量瓦斯抽采孔內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

瓦斯作為煤礦事故的頭號(hào)“殺手”，一直是煤礦安全的重點(diǎn)監(jiān)視對(duì)象。瓦斯治理是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是煤礦災(zāi)害治理的一個(gè)急需攻克的難點(diǎn)重點(diǎn)。瓦斯抽采是經(jīng)過專家論證和實(shí)踐的治理瓦斯的主要措施，但是由于影響瓦斯抽采的因素太多，導(dǎo)致抽采效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。因此，就非常有必要對(duì)瓦斯抽采的主要影響因素進(jìn)行研究分析。

眾所周知，瓦斯抽采負(fù)壓是影響瓦斯抽采的重要因素，它不僅影響著抽采瓦斯流量和濃度，并且還會(huì)受到鉆孔變化的影響制約?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是很好的研究抽采負(fù)壓對(duì)抽采質(zhì)量影響的方法，但卻存在著以下兩方面的問題：

1）、在硬煤打孔測(cè)量時(shí)，通常采用孔內(nèi)下放測(cè)壓束管或者紫銅管進(jìn)行測(cè)量，但是由于束管或紫銅管的存在改變了孔內(nèi)的流場(chǎng)增加了孔內(nèi)負(fù)壓損失，另外作為導(dǎo)壓管束管或紫銅管也會(huì)增加負(fù)壓損失，導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果跟理論計(jì)算的結(jié)果差距較大。

2）、在軟煤打孔測(cè)量時(shí)，由于軟煤孔內(nèi)支撐性太差，容易出現(xiàn)塌孔堵孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致無法下放束管或紫銅管，無法進(jìn)行測(cè)量。

因此，在實(shí)驗(yàn)室建立一個(gè)接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的可測(cè)量瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置，可以測(cè)試鉆孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔質(zhì)量等情況時(shí)的孔內(nèi)負(fù)壓分布及流量分布，不僅能很方便的測(cè)量抽采鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布，而且測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算相接近。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠模擬硬煤鉆孔和軟煤鉆孔，并且能夠防止塌孔和堵孔等現(xiàn)象，測(cè)量裝置對(duì)負(fù)壓的影響小。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的測(cè)量鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置包括氣水分離箱、水環(huán)真空泵和煤砂裝填箱，煤砂裝填箱頂部敞口處設(shè)有箱蓋；氣水分離箱頂部向上連接有進(jìn)水/排氣管和第一連接軟管，第一連接軟管與水環(huán)真空泵的排氣口相連接；氣水分離箱一側(cè)壁底部連接有排水管，氣水分離箱另一側(cè)壁底部通過供水管與水環(huán)真空泵的儲(chǔ)水室相連接，供水管上設(shè)有供水閥；進(jìn)水/排氣管上設(shè)有進(jìn)水/排氣閥，排水管上設(shè)有排水閥；

煤砂裝填箱內(nèi)密實(shí)填充有用于模擬目標(biāo)煤體的煤砂，煤砂裝填箱中部的煤砂內(nèi)設(shè)有由鐵絲網(wǎng)制成的抽采管；抽采管的一端為連接端，抽采管的連接端位于煤砂裝填箱的長度方向的一端且抽采管的連接端連接有第二連接軟管；抽采管的另一端為其末端并位于煤砂裝填箱的長度方向的另一端；水環(huán)真空泵的進(jìn)氣口通過第二連接軟管連接抽采管的連接端；第二連接軟管上設(shè)有用于調(diào)節(jié)抽采管內(nèi)負(fù)壓的調(diào)節(jié)閥；

抽采管均勻間隔連接有若干皮托管，相鄰皮托管之間的間距為5±0.2米；皮托管的一端向上伸出煤砂裝填箱，皮托管的另一端伸入抽采管且其開口朝向抽采管的末端；

煤砂裝填箱的前側(cè)壁、后側(cè)壁和底壁上均勻設(shè)有多個(gè)通氣孔，箱蓋上均勻設(shè)有多個(gè)通氣孔，相鄰?fù)饪椎目组g距均為0.1±0.01米；

所述第二連接軟管上設(shè)有真空表12。

本發(fā)明的目的還在于提供一種使用上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方法，該方法依次按以下步驟進(jìn)行：

第一步驟是預(yù)備步驟，包括煤砂裝填箱的預(yù)備和水環(huán)真空泵的預(yù)備；

①煤砂裝填箱的預(yù)備：使用鐵皮制作長度大于等于50米的煤砂裝填箱，使用直徑0.1±0.01毫米的鉆頭，在煤砂裝填箱的前側(cè)壁、后側(cè)壁和底壁上以及箱蓋上進(jìn)行均勻鉆孔形成多個(gè)通氣孔，鉆孔時(shí)確保相鄰?fù)饪椎目组g距為0.1±0.01米；在煤砂裝填箱的長度方向的側(cè)壁中部加工出用于抽采管與第二連接軟管相連接的通孔；

沿煤砂裝填箱的長度方向，在煤砂裝填箱的箱蓋上每間隔5±0.2米，使用直徑為2±0.1毫米的鉆頭加工出用于安裝皮托管的安裝孔；

實(shí)驗(yàn)研究煤礦某個(gè)實(shí)際煤層的鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性時(shí)，該實(shí)際位置處的煤體即為目標(biāo)煤體；對(duì)取自模擬的目標(biāo)煤體所在地層內(nèi)的煤樣進(jìn)行篩分，將篩分后獲得的粉煤作為向煤砂裝填箱內(nèi)填充的煤砂；使用鐵絲網(wǎng)箍成抽采管；

在煤砂裝填箱的底部填充準(zhǔn)備好的煤砂，煤砂填充至與抽采管預(yù)定的底端位置相齊平；然后將制作好的抽采管放入煤砂裝填箱，使抽采管位于煤砂裝填箱的中部；將帶有調(diào)節(jié)閥的第二連接軟管通過所述通孔與抽采管相連接，然后沿抽采管兩側(cè)向煤砂裝填箱內(nèi)繼續(xù)填充煤砂，并由實(shí)驗(yàn)人員將煤砂裝填箱內(nèi)的煤砂壓實(shí)到與目標(biāo)煤體相同的程度；煤砂填充完畢后，在與安裝孔相對(duì)應(yīng)的位置上將皮托管插入抽采管內(nèi)，蓋上煤砂裝填箱的箱蓋并使各皮托管均通過安裝孔伸出箱蓋；

②水環(huán)真空泵的預(yù)備：關(guān)閉排水閥，打開進(jìn)水/排氣閥，通過進(jìn)水/排氣管向氣水分離箱內(nèi)充入水，使氣水分離箱內(nèi)的液位高度位于氣水分離箱的中上部；在氣水分離箱和水環(huán)真空泵的排氣口之間連接第一連接軟管；使用供水管連接氣水分離箱的底部和水環(huán)真空泵的儲(chǔ)水室；

第二步驟是負(fù)壓形成步驟，確保調(diào)節(jié)閥、供水閥和進(jìn)水/排氣閥處于打開位置，打開水環(huán)真空泵，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽采管內(nèi)的負(fù)壓，外界空氣經(jīng)各通氣孔進(jìn)入煤砂裝填箱，通過煤砂后進(jìn)入抽采管，被水環(huán)真空泵抽出；

水環(huán)真空泵工作時(shí)，抽取的氣體和水環(huán)真空泵內(nèi)的水形成的氣水混合物由第一連接軟管排入氣水分離箱的頂部；氣水混合物進(jìn)入氣水分離箱后，氣水混合物中的水下落至氣水分離箱中下部的水中，同時(shí)氣水混合物中的氣體進(jìn)入氣水分離箱上部并最終由進(jìn)水/排氣管排出；

第三步驟是測(cè)量步驟，水環(huán)真空泵工作30分鐘后，在每一根皮托管上分別連接一個(gè)水柱u型壓力計(jì)，各水柱u型壓力計(jì)測(cè)量出抽采管相應(yīng)部位的動(dòng)壓；然后將各皮托管上的水柱u型壓力計(jì)取下，在每一根皮托管上分別連接一個(gè)水銀u型壓力計(jì)，各水銀u型壓力計(jì)測(cè)量出抽采管相應(yīng)部位的靜壓；最后實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)測(cè)得的抽采管各處的靜壓數(shù)據(jù)和動(dòng)壓數(shù)據(jù)得出抽采管內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布特性。

本發(fā)明的測(cè)量鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)節(jié)煤砂的壓實(shí)度，既可以模擬硬煤鉆孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又可以模擬軟煤鉆孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

模擬硬煤鉆孔時(shí)，無須下放測(cè)壓束管或者紫銅管進(jìn)行測(cè)量，而皮托管的細(xì)小直徑又決定了其不會(huì)明顯增加負(fù)壓損失，因此避免了以往測(cè)量的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果差距較大的問題，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

模擬軟煤鉆孔時(shí)，抽采管能夠提供穩(wěn)定的支撐，并且由于抽采管由鐵絲網(wǎng)制成，因此透氣性非常良好，達(dá)到在不影響負(fù)壓抽吸的同時(shí)防止塌孔和堵孔等現(xiàn)象的目的，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍€(wěn)定進(jìn)行。

對(duì)取自目標(biāo)煤體的煤樣進(jìn)行篩分，得到的粉煤作為向煤砂裝填箱內(nèi)填充的煤砂，使本發(fā)明既可以很好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，又具有良好的壓實(shí)度，可以進(jìn)行相同煤樣不同壓實(shí)度的實(shí)驗(yàn)。

真空表的設(shè)置，便于實(shí)驗(yàn)人員觀察負(fù)壓狀態(tài)并通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)壓調(diào)節(jié)。通氣孔的間距及大小，能夠模擬煤體的實(shí)際透氣情況。皮托管具有直徑小、對(duì)負(fù)壓的影響小、方便測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。皮托管伸入抽采管的一端的開口朝向抽采管的末端，這樣就使皮托管的開口在實(shí)驗(yàn)過程中迎向氣流，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

模擬瓦斯抽采過程，并且可以調(diào)節(jié)抽采負(fù)壓，在不同負(fù)壓條件下測(cè)量沿軸向負(fù)壓分布特性。測(cè)量結(jié)果可以為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作提供理論指導(dǎo)。

抽采管抽負(fù)壓30分鐘以上，煤砂裝填箱的煤砂以及抽采管內(nèi)形成了穩(wěn)定的氣流，此時(shí)再進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果更準(zhǔn)確。

本發(fā)明還可以模擬在鉆孔不同變形的條件下，測(cè)量抽采負(fù)壓和流量在孔內(nèi)的分布情況。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎，加工簡便，操作方便、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。本發(fā)明可以測(cè)試鉆孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔質(zhì)量等情況時(shí)的孔內(nèi)負(fù)壓分布及流量分布，不僅能很方便的測(cè)量抽采鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布，而且測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算相接近。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中ａ處的放大圖；

圖3是圖1中ｂ處的放大圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖3所示，本發(fā)明的測(cè)量鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置包括氣水分離箱2、水環(huán)真空泵1和長50米以上的煤砂裝填箱8，煤砂裝填箱8頂部敞口處設(shè)有箱蓋；箱蓋為常規(guī)結(jié)構(gòu)，圖未示。氣水分離箱2頂部向上連接有進(jìn)水/排氣管4（進(jìn)水/排氣管4既是進(jìn)水管，也是排水管）和第一連接軟管5，第一連接軟管5與水環(huán)真空泵1的排氣口相連接；氣水分離箱2一側(cè)壁底部連接有排水管3，氣水分離箱2另一側(cè)壁底部通過供水管14與水環(huán)真空泵1的儲(chǔ)水室相連接，供水管14上設(shè)有供水閥15；進(jìn)水/排氣管4上設(shè)有進(jìn)水/排氣閥16，排水管3上設(shè)有排水閥17；

煤砂裝填箱8內(nèi)密實(shí)填充有用于模擬目標(biāo)煤體（需要研究煤礦某個(gè)實(shí)際煤層的鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性時(shí)，該實(shí)際位置處的煤體即為目標(biāo)煤體）的煤砂13，煤砂裝填箱8中部的煤砂13內(nèi)設(shè)有由鐵絲網(wǎng)制成的抽采管7；抽采管7的一端為連接端，抽采管7的連接端位于煤砂裝填箱8的長度方向的一端且抽采管7的連接端連接有第二連接軟管18；抽采管7的另一端為其末端并位于煤砂裝填箱8的長度方向的另一端；水環(huán)真空泵1的進(jìn)氣口通過第二連接軟管18連接抽采管7的連接端；第二連接軟管18上設(shè)有用于調(diào)節(jié)抽采管7內(nèi)負(fù)壓的調(diào)節(jié)閥6；

抽采管7均勻間隔連接有若干皮托管9，相鄰皮托管9之間的間距為5±0.2米；圖1僅為示意圖，其中沒有顯示出所有的皮托管9。

皮托管9的一端向上伸出煤砂裝填箱8，皮托管9的另一端伸入抽采管7且其開口朝向抽采管7的末端；

煤砂裝填箱8的前側(cè)壁、后側(cè)壁和底壁上均勻設(shè)有多個(gè)通氣孔，箱蓋上均勻設(shè)有多個(gè)通氣孔，相鄰?fù)饪椎目组g距均為0.1±0.01米。在箱體壁上設(shè)置通氣孔為常規(guī)技術(shù)，圖未示所述通氣孔。由于實(shí)驗(yàn)過程中需要沿抽采管的徑向方向形成氣流，因此不在煤砂裝填箱8的左側(cè)壁和右側(cè)壁上設(shè)置通氣孔。

所述第二連接軟管18上設(shè)有真空表12。工作中，氣水分離箱2通過供水管14為水環(huán)真空泵1調(diào)節(jié)閥6提供正常工作需要的水。

本發(fā)明還公開了使用上述測(cè)量鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方法，依次按以下步驟進(jìn)行：

第一步驟是預(yù)備步驟，包括煤砂裝填箱8的預(yù)備和水環(huán)真空泵1的預(yù)備；

①煤砂裝填箱8的預(yù)備：使用鐵皮制作長度大于等于50米的煤砂裝填箱8，使用直徑0.1±0.01毫米的鉆頭，在煤砂裝填箱8的前側(cè)壁、后側(cè)壁和底壁上以及箱蓋上進(jìn)行均勻鉆孔形成多個(gè)通氣孔，鉆孔時(shí)確保相鄰?fù)饪椎目组g距為0.1±0.01米；在煤砂裝填箱8的長度方向的側(cè)壁中部加工出用于抽采管7與第二連接軟管18相連接的通孔；

沿煤砂裝填箱8的長度方向，在煤砂裝填箱8的箱蓋上每間隔5±0.2米，使用直徑為2±0.1毫米的鉆頭加工出用于安裝皮托管9的安裝孔；抽采管的孔口固定牢固不漏氣，往里吹氣可通暢。

實(shí)驗(yàn)研究煤礦某個(gè)實(shí)際煤層的鉆孔內(nèi)負(fù)壓及流量分布特性時(shí)，該實(shí)際位置處的煤體即為目標(biāo)煤體；對(duì)取自模擬的目標(biāo)煤體所在地層內(nèi)的煤樣進(jìn)行篩分，將篩分后獲得的粉煤作為向煤砂裝填箱8內(nèi)填充的煤砂13；篩分后的粉煤具有良好的壓實(shí)度，能夠被壓實(shí)至需要的程度。使用鐵絲網(wǎng)箍成抽采管7；

在煤砂裝填箱8的底部填充準(zhǔn)備好的煤砂13，煤砂13填充至與抽采管7預(yù)定的底端位置相齊平；然后將制作好的抽采管7放入煤砂裝填箱8，使抽采管7位于煤砂裝填箱8的中部；將帶有調(diào)節(jié)閥6的第二連接軟管18通過所述通孔與抽采管7相連接，然后沿抽采管7兩側(cè)向煤砂裝填箱8內(nèi)繼續(xù)填充煤砂13，并由實(shí)驗(yàn)人員將煤砂裝填箱8內(nèi)的煤砂13壓實(shí)到與目標(biāo)煤體基本相同的程度；煤砂13填充完畢后，在與安裝孔相對(duì)應(yīng)的位置上將皮托管9插入抽采管7內(nèi)，蓋上煤砂裝填箱的箱蓋并使各皮托管9均通過安裝孔伸出箱蓋；填充煤砂13時(shí)應(yīng)逐步填充，不能直接向煤砂裝填箱8倒入煤砂13，以免壓壞抽采管7。

②水環(huán)真空泵1的預(yù)備：關(guān)閉排水閥17，打開進(jìn)水/排氣閥16，通過進(jìn)水/排氣管4向氣水分離箱2內(nèi)充入水，使氣水分離箱2內(nèi)的液位高度位于氣水分離箱2的中上部；在氣水分離箱2和水環(huán)真空泵1的排氣口之間連接第一連接軟管5；使用供水管14連接氣水分離箱2的底部和水環(huán)真空泵1的儲(chǔ)水室；

第二步驟是負(fù)壓形成步驟，確保調(diào)節(jié)閥6、供水閥15和進(jìn)水/排氣閥16處于打開位置，打開水環(huán)真空泵1，通過調(diào)節(jié)閥6調(diào)節(jié)抽采管7內(nèi)的負(fù)壓，外界空氣經(jīng)各通氣孔進(jìn)入煤砂裝填箱8，通過煤砂13后進(jìn)入抽采管7，被水環(huán)真空泵1抽出；

水環(huán)真空泵1工作時(shí)，抽取的氣體和水環(huán)真空泵1內(nèi)的水形成的氣水混合物由第一連接軟管5排入氣水分離箱2的頂部；氣水混合物進(jìn)入氣水分離箱2后，氣水混合物中的水下落至氣水分離箱2中下部的水中，同時(shí)氣水混合物中的氣體進(jìn)入氣水分離箱2上部并最終由進(jìn)水/排氣管4排出；

第三步驟是測(cè)量步驟，水環(huán)真空泵工作30分鐘后，在每一根皮托管9上分別連接一個(gè)水柱u型壓力計(jì)，各水柱u型壓力計(jì)測(cè)量出抽采管7相應(yīng)部位的動(dòng)壓；然后將各皮托管9上的水柱u型壓力計(jì)取下，在每一根皮托管9上分別連接一個(gè)水銀u型壓力計(jì)，各水銀u型壓力計(jì)測(cè)量出抽采管7相應(yīng)部位的靜壓；最后實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)測(cè)得的抽采管7各處的靜壓數(shù)據(jù)和動(dòng)壓數(shù)據(jù)得出抽采管7內(nèi)負(fù)壓分布特性及流量分布特性。

ｕ型壓力計(jì)的原理：當(dāng)u型壓力計(jì)沒有與測(cè)壓點(diǎn)連通前，u型玻璃管內(nèi)兩側(cè)的液面在零刻度線處相平。當(dāng)u型管的一端與測(cè)壓點(diǎn)連通后，u型管內(nèi)的液面會(huì)發(fā)生變化。若與測(cè)壓點(diǎn)連通一側(cè)的液面下降，說明測(cè)壓點(diǎn)處的壓力為正壓，反之則為負(fù)壓。液面的下降程度能夠指示兩側(cè)的壓差。ｕ型管中的液體為水時(shí)，為水柱u型壓力計(jì)；ｕ型管中的液體為水銀時(shí)，為水銀u型壓力計(jì)。

以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。