一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统技术方案

本发明专利技术提供一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，属于废弃矿井采空区模拟试验系统的技术领域，包括用于模拟废弃矿井采空区气液逆流相似环境的三维相似模拟装置、瓦斯供气系统、水压自控系统和液压加载系统；三维相似模拟装置包括反力架和三维相似模拟腔体；反力架包括横梁、底座以及连接横梁和底座的立柱；三维相似模拟腔体设置在反力架内。该系统可用于对废弃矿井采空区气液逆流进行相似模拟，以研究闭坑矿井在长期废弃过程中积水演化和瓦斯富集情况以及高瓦斯废弃矿井中瓦斯与水气液两相运移演化规律。

A Three-Dimensional Similar Simulation Test System for Gas-liquid Countercurrent in Waste Mine Goaf

The invention provides a three-dimensional similarity simulation test system for gas-liquid countercurrent in abandoned mine goaf, which belongs to the technical field of abandoned mine goaf simulation test system, including a three-dimensional similarity simulation device for simulating the similar environment of gas-liquid countercurrent in abandoned mine goaf, a gas supply system, a water pressure automatic control system and a hydraulic loading system; and a three-dimensional similarity simulation device includes a reaction frame and a hydraulic loading system. Three-dimensional analog cavity; reaction frame includes beam, base and column connecting beam and base; three-dimensional analog cavity is set in reaction frame. The system can be used to simulate the gas-liquid countercurrent in the goaf of abandoned mines in order to study the evolution of water accumulation and gas enrichment during the long-term abandonment of closed mines and the evolution law of gas and water-gas-liquid two-phase migration in abandoned mines with high gas content.

【技术实现步骤摘要】
一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统
本专利技术涉及废弃矿井采空区模拟试验系统的
，特别是涉及一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统。
技术介绍
随着我国煤炭资源开采强度的不断增加，将会有越来越多的矿井被开采完成为废弃矿井，据相关专家预测2020年我国废弃矿井数量将达到1.2万个，到2030年将达到1.5万个，其中废弃矿井采空区中蕴含有丰富的资源，初步估计其中赋存的煤炭资源高达420亿吨，煤层气资源近5000亿m³，我国废弃矿井数量多、资源量丰富、开发潜力巨大，开发利用好这部分煤层气资源，不仅能够弥补我国在天然气资源上的不足，优化能源结构，还能够消除瓦斯从地面逸出对大气环境的污染，可以看出对废弃矿井内瓦斯的利用具有可观的经济效益和环保效益。但是废弃矿井采空区内的环境十分复杂，煤炭开采后采空区上方覆岩垮落形成“三带”（垮落带、裂隙带和弯曲下沉带），同时由于煤炭采出率相对较低采空区内遗留大量残煤，这些残留的煤块不断向外解吸释放瓦斯，释放出来的瓦斯不断向冒落带和裂隙带浮动，同时采空区内普遍存在积水，积水的来源主要是上部含水层通过裂隙带向采空区不断渗透，瓦斯-水-岩石构成了废弃矿井采空区内固-液-气三相共存的复杂环境，复杂的环境对废弃矿井内瓦斯和水的运移产生影响。目前我国主要通过地面打钻井的方式抽采废弃矿井内的瓦斯，其中首要的问题是要搞清楚废弃矿井内瓦斯和水的赋存情况，特别是要搞清楚高瓦斯含积水矿井在闭坑后长期过程中积水演化和瓦斯富集情况。但是，由于地质构造的复杂性和采矿条件的多样性，闭坑后长期时间内废弃矿井瓦斯与水的运移赋存情况变得更加复杂，采空区内遗留的煤体为瓦斯的主要来源，水源主要存在于采空区上方的含水层内，采空区的裂隙为瓦斯和水的渗流通道，瓦斯的上浮运移和水的向下渗透形成了采空区气液两相逆流，它们的运移决定了采空区内的积水演化和瓦斯富集情况。针对废弃矿井采空区内瓦斯与水气液逆流这一问题，目前存在的单一平面相似模拟系统和传统的无水气环境的相似模拟系统已经不符合实际的工程背景，不能满足采空区气液两相逆流的试验要求，所以急需设计一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，在试验室开展废弃矿井采空区水气运移演化相似模拟试验研究。
技术实现思路
本专利技术提供一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，用于对废弃矿井采空区气液逆流进行相似模拟，以研究闭坑矿井在长期废弃过程中积水演化和瓦斯富集情况以及高瓦斯废弃矿井中瓦斯与水气液两相运移演化规律。为实现上述目的，本专利技术提供一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，包括用于模拟废弃矿井采空区气液逆流相似环境的三维相似模拟装置、瓦斯供气系统、水压自控系统和液压加载系统；三维相似模拟装置包括反力架和三维相似模拟腔体；反力架包括横梁、底座以及连接横梁和底座的立柱；三维相似模拟腔体设置在反力架内；三维相似模拟腔体内，从腔体底部开始向上均匀铺设有与所需模拟矿井的地层条件相对应的相似材料，干燥后进行开挖作业，开采完毕后采空区形成“竖三带”和“横五区”的破裂结构；瓦斯供气系统包括供气管以及为所述供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；供气管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的下方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头；水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器；稳压罐的顶部与四通接头的第一接口连接，底部与三通接头的第一接口连接；压力传感器与四通接头的第二接口连接；调压气瓶内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头的第三接口连接；试压水泵的进水口通过水管与供水箱连接，出水口通过水管与三通接头的第二接口连接；供水管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的上方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头，通过水管与三通接头的第三接口连接；供水管和三通接头之间的水管上安装有截止阀I；电子控制器分别与压力传感器和试压水泵的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵的开闭；液压加载系统包括承压板、加载压头、液压泵、为加载压头提供压力并控制压力大小的液压加载控制箱以及为液压泵提供动力的电机；承压板覆盖在岩层模拟物顶部；加载压头穿过反力架横梁上的压头安装孔，抵靠在承压板上，通过液压管与液压加载控制箱连接；液压泵通过液压管与液压加载控制箱连接。进一步地，三维相似模拟腔体为顶面开口的矩形腔体，具有透明可视的观察窗。进一步地，三维相似模拟腔体的侧面由多个挡板通过连接件连接而成；观察窗安装在挡板上。进一步地，瓦斯供气系统还包括储气罐；储气罐设置在供气管和瓦斯瓶之间的气管上。进一步地，瓦斯供气系统还包括气体流量计；气体流量计设置在瓦斯瓶和储气罐之间的气管上。进一步地，瓦斯供气系统还包括瓦斯减压阀；瓦斯减压阀设置在瓦斯瓶和气体流量计之间的气管上。进一步地，水压自控系统还包括调压气减压阀；调压气减压阀设置在调压气瓶和四通接头之间的气管上。进一步地，四通接头的第四接口上设置有排气管；排气管上设置有排气阀。进一步地，压力传感器和电子控制器集成在集成在智能数显压力表内；智能数显压力表安装在四通接头上；断路器为空气断路器。与现有的技术相比，本专利技术提供的废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统具有以下的优点与积极效果：（1）本专利技术提供的废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，采用液压加载系统和反力架结构进行覆压加载，水压自控系统和瓦斯供气系统同时实现了含水层和瓦斯储层的相似模拟，作为室内废弃矿井相似模拟装置，更加符合现场情况；（2）水压自控系统由专利技术人自主研发，依靠压力传感器和电子控制器控制试压水泵的启停从而稳定水压力达到水压自控的目的，实现了闭环自动控制，节省了人力，与其他加压方式相比更加的稳定可靠，不受环境的影响，并且可以满足不同水压的要求；（3）三维相似模拟腔体具有透明可视的观察侧面可以实现可视化，不仅可以模拟废弃矿井水气赋存的最终状态，而且可以将从渗流开始到赋存稳定的整个过程记录下来，从而可以辨别水气的主渗流通道和其最终的赋存空间；（4）采用上述废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统进行试验，可以探究废弃矿井瓦斯和地下水运移及赋存稳定的问题，揭示高瓦斯矿井从闭坑开始到瓦斯和水赋存稳定的过程和最终的状态，为废弃矿井瓦斯抽采和地下水的处理提供参考；（5）采用上述废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统进行试验，并以试验结果作为参考，可以极大降低废弃矿井瓦斯抽采企业的成本，尤其是通过地面打钻井的方式抽采深部高瓦斯矿井的企业的施工成本，提高企业的经济效益，缓解企业压力。附图说明图1为本专利技术实施例提供的废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统的结构示意图；图2为图1所示废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统中供气管、供水管和承压板的布置图。图中：1.1-三维相似模拟腔体；1.2-横梁；1.3-底座；1.4-立柱；1.5-观察窗；2.1-供气管；2.2-瓦斯瓶；2.3-储气罐；2.4-截止阀II；2.5-气体流量计；2.6-瓦斯减压阀；3.1-稳压罐；3.2-调压气瓶；3.3-供水箱；3.4-试压水泵；3.5-供水管；3.6-四通接头；3.7-三通接头；3.8-截止阀I；3.9-调压气减压阀；3.10-球阀I；3.11-排气阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，其特征在于，包括用于模拟废弃矿井采空区气液逆流相似环境的三维相似模拟装置、瓦斯供气系统、水压自控系统和液压加载系统；所述三维相似模拟装置包括反力架和三维相似模拟腔体；所述反力架包括横梁、底座以及连接横梁和底座的立柱；所述三维相似模拟腔体设置在反力架内；所述三维相似模拟腔体内，从腔体底部开始向上均匀铺设有与所需模拟矿井的地层条件相对应的相似材料，干燥后进行开挖作业，开采完毕后采空区形成“竖三带”和“横五区”的破裂结构；所述瓦斯供气系统包括供气管以及为所述供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；所述供气管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的下方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头；所述水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器；所述稳压罐的顶部与四通接头的第一接口连接，底部与三通接头的第一接口连接；所述压力传感器与四通接头的第二接口连接；所述调压气瓶内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头的第三接口连接；所述试压水泵的进水口通过水管与供水箱连接，出水口通过水管与三通接头的第二接口连接；所述供水管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的上方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头，通过水管与三通接头的第三接口连接；所述供水管和三通接头之间的水管上安装有截止阀I；所述电子控制器分别与压力传感器和试压水泵的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵的开闭；所述液压加载系统包括承压板、加载压头、液压泵、为加载压头提供压力并控制压力大小的液压加载控制箱以及为液压泵提供动力的电机；所述承压板覆盖在岩层模拟物顶部；所述加载压头穿过反力架横梁上的压头安装孔，抵靠在承压板上，通过液压管与液压加载控制箱连接；所述液压泵通过液压管与液压加载控制箱连接。...

【技术特征摘要】
1.一种废弃矿井采空区气液逆流三维相似模拟试验系统，其特征在于，包括用于模拟废弃矿井采空区气液逆流相似环境的三维相似模拟装置、瓦斯供气系统、水压自控系统和液压加载系统；所述三维相似模拟装置包括反力架和三维相似模拟腔体；所述反力架包括横梁、底座以及连接横梁和底座的立柱；所述三维相似模拟腔体设置在反力架内；所述三维相似模拟腔体内，从腔体底部开始向上均匀铺设有与所需模拟矿井的地层条件相对应的相似材料，干燥后进行开挖作业，开采完毕后采空区形成“竖三带”和“横五区”的破裂结构；所述瓦斯供气系统包括供气管以及为所述供气管提供瓦斯的瓦斯瓶；所述供气管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的下方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头；所述水压自控系统包括稳压罐、压力传感器、调压气瓶、供水箱、试压水泵、供水管和电子控制器；所述稳压罐的顶部与四通接头的第一接口连接，底部与三通接头的第一接口连接；所述压力传感器与四通接头的第二接口连接；所述调压气瓶内装有不溶于水的气体，通过气管与四通接头的第三接口连接；所述试压水泵的进水口通过水管与供水箱连接，出水口通过水管与三通接头的第二接口连接；所述供水管预埋在三维相似模拟腔体内，位于采空区的上方，管体上均匀设置有朝向采空区的多个喷头，通过水管与三通接头的第三接口连接；所述供水管和三通接头之间的水管上安装有截止阀I；所述电子控制器分别与压力传感器和试压水泵的断路器电连接，接收压力传感器的检测值并与预设值比较，以控制试压水泵的开闭；所述液压加载系统包括承压板、加载压头、液压泵、为加载压头提供压力并控制压力大小的液压加载控制箱以及为液压泵提供动力的电机；所述承压板覆盖在岩层模拟物顶部；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，张纯旺，金智新，王朋飞，胡胜勇，李振，宋诚，宋选民，牛小红，崔家庆，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14