测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置和实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，包括气水分离箱、水环真空泵和煤砂装填箱，气水分离箱顶部向上连接有进水/排气管和第一连接软管，接软管与水环真空泵的排气口相连接；气水分离箱连接有排水管和供水管；煤砂装填箱内密实填充有煤砂，煤砂装填箱中部设有抽采管；抽采管均匀间隔连接有若干皮托管，煤砂装填箱的前后侧壁和底壁上以及箱盖上均匀设有多个通气孔。本发明专利技术还公开了使用上述实验装置进行的实验方法。本发明专利技术能够模拟硬煤钻孔和软煤钻孔抽采瓦斯过程，能够测试完整孔、塌孔和堵孔时钻孔内负压及流量分布特性，测量装置对孔内负压的影响小，测量结果与理论计算相接近。

Experimental device and experimental method for measuring negative pressure and flow distribution characteristics in borehole

The invention discloses an experimental device for measuring drilling negative pressure and flow rate distribution characteristics, including gas water separating tank, water ring vacuum pump and coal filling sand box, gas water separating tank to top is connected with a water inlet / exhaust pipe and the first connecting hose, air outlet hose and water ring vacuum pump is connected; gas water separation box is connected with a drainage pipe and a water supply pipe; coal loading box filled with dense sand sand sand coal, coal loading box is provided with a central drainage pipe; drainage pipe is connected with a plurality of evenly spaced pitot tube, and the side wall and the bottom wall of coal loading box on the sand and the box cover is provided with a plurality of uniform a vent. The invention also discloses an experimental method using the experimental device. The invention can process simulation of gas pumping drilling hard coal and soft coal drilling, can complete test hole, hole collapse and plugging holes when drilling in negative pressure and flow distribution characteristics, influence of hole pressure measuring device is small, the calculation of measurement results and theoretical approach.

【技术实现步骤摘要】
测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置和实验方法
本专利技术属于矿井瓦斯灾害治理领域，尤其涉及一种可测量瓦斯抽采孔内负压分布特性及流量分布特性的实验装置。
技术介绍
瓦斯作为煤矿事故的头号“杀手”，一直是煤矿安全的重点监视对象。瓦斯治理是保证煤矿安全生产的关键因素，同时也是煤矿灾害治理的一个急需攻克的难点重点。瓦斯抽采是经过专家论证和实践的治理瓦斯的主要措施，但是由于影响瓦斯抽采的因素太多，导致抽采效果达不到预期目标。因此，就非常有必要对瓦斯抽采的主要影响因素进行研究分析。众所周知，瓦斯抽采负压是影响瓦斯抽采的重要因素，它不仅影响着抽采瓦斯流量和浓度，并且还会受到钻孔变化的影响制约。现场实测是很好的研究抽采负压对抽采质量影响的方法，但却存在着以下两方面的问题：1）、在硬煤打孔测量时，通常采用孔内下放测压束管或者紫铜管进行测量，但是由于束管或紫铜管的存在改变了孔内的流场增加了孔内负压损失，另外作为导压管束管或紫铜管也会增加负压损失，导致测量的结果跟理论计算的结果差距较大。2）、在软煤打孔测量时，由于软煤孔内支撑性太差，容易出现塌孔堵孔等现象，导致无法下放束管或紫铜管，无法进行测量。因此，在实验室建立一个接近现场实际的可测量瓦斯抽采钻孔孔内负压分布特性及流量分布特性的实验装置，可以测试钻孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔质量等情况时的孔内负压分布及流量分布，不仅能很方便的测量抽采钻孔孔内负压分布特性及流量分布，而且测量结果与理论计算相接近。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，能够模拟硬煤钻孔和软煤钻孔，并且能够防止塌孔和堵孔等现象，测量装置对负压的影响小。为实现上述目的，本专利技术的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置包括气水分离箱、水环真空泵和煤砂装填箱，煤砂装填箱顶部敞口处设有箱盖；气水分离箱顶部向上连接有进水/排气管和第一连接软管，第一连接软管与水环真空泵的排气口相连接；气水分离箱一侧壁底部连接有排水管，气水分离箱另一侧壁底部通过供水管与水环真空泵的储水室相连接，供水管上设有供水阀；进水/排气管上设有进水/排气阀，排水管上设有排水阀；煤砂装填箱内密实填充有用于模拟目标煤体的煤砂，煤砂装填箱中部的煤砂内设有由铁丝网制成的抽采管；抽采管的一端为连接端，抽采管的连接端位于煤砂装填箱的长度方向的一端且抽采管的连接端连接有第二连接软管；抽采管的另一端为其末端并位于煤砂装填箱的长度方向的另一端；水环真空泵的进气口通过第二连接软管连接抽采管的连接端；第二连接软管上设有用于调节抽采管内负压的调节阀；抽采管均匀间隔连接有若干皮托管，相邻皮托管之间的间距为5±0.2米；皮托管的一端向上伸出煤砂装填箱，皮托管的另一端伸入抽采管且其开口朝向抽采管的末端；煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上均匀设有多个通气孔，箱盖上均匀设有多个通气孔，相邻通气孔的孔间距均为0.1±0.01米；所述第二连接软管上设有真空表12。本专利技术的目的还在于提供一种使用上述实验装置进行的实验方法，该方法依次按以下步骤进行：第一步骤是预备步骤，包括煤砂装填箱的预备和水环真空泵的预备；①煤砂装填箱的预备：使用铁皮制作长度大于等于50米的煤砂装填箱，使用直径0.1±0.01毫米的钻头，在煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上以及箱盖上进行均匀钻孔形成多个通气孔，钻孔时确保相邻通气孔的孔间距为0.1±0.01米；在煤砂装填箱的长度方向的侧壁中部加工出用于抽采管与第二连接软管相连接的通孔；沿煤砂装填箱的长度方向，在煤砂装填箱的箱盖上每间隔5±0.2米，使用直径为2±0.1毫米的钻头加工出用于安装皮托管的安装孔；实验研究煤矿某个实际煤层的钻孔内负压及流量分布特性时，该实际位置处的煤体即为目标煤体；对取自模拟的目标煤体所在地层内的煤样进行筛分，将筛分后获得的粉煤作为向煤砂装填箱内填充的煤砂；使用铁丝网箍成抽采管；在煤砂装填箱的底部填充准备好的煤砂，煤砂填充至与抽采管预定的底端位置相齐平；然后将制作好的抽采管放入煤砂装填箱，使抽采管位于煤砂装填箱的中部；将带有调节阀的第二连接软管通过所述通孔与抽采管相连接，然后沿抽采管两侧向煤砂装填箱内继续填充煤砂，并由实验人员将煤砂装填箱内的煤砂压实到与目标煤体相同的程度；煤砂填充完毕后，在与安装孔相对应的位置上将皮托管插入抽采管内，盖上煤砂装填箱的箱盖并使各皮托管均通过安装孔伸出箱盖；②水环真空泵的预备：关闭排水阀，打开进水/排气阀，通过进水/排气管向气水分离箱内充入水，使气水分离箱内的液位高度位于气水分离箱的中上部；在气水分离箱和水环真空泵的排气口之间连接第一连接软管；使用供水管连接气水分离箱的底部和水环真空泵的储水室；第二步骤是负压形成步骤，确保调节阀、供水阀和进水/排气阀处于打开位置，打开水环真空泵，通过调节阀调节抽采管内的负压，外界空气经各通气孔进入煤砂装填箱，通过煤砂后进入抽采管，被水环真空泵抽出；水环真空泵工作时，抽取的气体和水环真空泵内的水形成的气水混合物由第一连接软管排入气水分离箱的顶部；气水混合物进入气水分离箱后，气水混合物中的水下落至气水分离箱中下部的水中，同时气水混合物中的气体进入气水分离箱上部并最终由进水/排气管排出；第三步骤是测量步骤，水环真空泵工作30分钟后，在每一根皮托管上分别连接一个水柱U型压力计，各水柱U型压力计测量出抽采管相应部位的动压；然后将各皮托管上的水柱U型压力计取下，在每一根皮托管上分别连接一个水银U型压力计，各水银U型压力计测量出抽采管相应部位的静压；最后实验人员根据测得的抽采管各处的静压数据和动压数据得出抽采管内负压分布特性及流量分布特性。本专利技术的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置结构简单，通过调节煤砂的压实度，既可以模拟硬煤钻孔进行实验，又可以模拟软煤钻孔进行实验。模拟硬煤钻孔时，无须下放测压束管或者紫铜管进行测量，而皮托管的细小直径又决定了其不会明显增加负压损失，因此避免了以往测量的结果与理论计算的结果差距较大的问题，测量结果更加准确。模拟软煤钻孔时，抽采管能够提供稳定的支撑，并且由于抽采管由铁丝网制成，因此透气性非常良好，达到在不影响负压抽吸的同时防止塌孔和堵孔等现象的目的，保证实验能够稳定进行。对取自目标煤体的煤样进行筛分，得到的粉煤作为向煤砂装填箱内填充的煤砂，使本专利技术既可以很好地模拟现场实际情况，又具有良好的压实度，可以进行相同煤样不同压实度的实验。真空表的设置，便于实验人员观察负压状态并通过调节阀进行相应的负压调节。通气孔的间距及大小，能够模拟煤体的实际透气情况。皮托管具有直径小、对负压的影响小、方便测量的优点。皮托管伸入抽采管的一端的开口朝向抽采管的末端，这样就使皮托管的开口在实验过程中迎向气流，使测量结果更加准确。模拟瓦斯抽采过程，并且可以调节抽采负压，在不同负压条件下测量沿轴向负压分布特性。测量结果可以为现场实际工作提供理论指导。抽采管抽负压30分钟以上，煤砂装填箱的煤砂以及抽采管内形成了稳定的气流，此时再进行测量，结果更准确。本专利技术还可以模拟在钻孔不同变形的条件下，测量抽采负压和流量在孔内的分布情况。本专利技术具有结构新颖，加工简便，操作方便、实验数据准确度高等特点。本专利技术可以测试钻孔完整孔、塌孔、堵孔、不同封孔质量等情况时的本文档来自技高网...

【技术保护点】
测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，其特征在于：包括气水分离箱、水环真空泵和煤砂装填箱，煤砂装填箱顶部敞口处设有箱盖；气水分离箱顶部向上连接有进水/排气管和第一连接软管，第一连接软管与水环真空泵的排气口相连接；气水分离箱一侧壁底部连接有排水管，气水分离箱另一侧壁底部通过供水管与水环真空泵的储水室相连接，供水管上设有供水阀；进水/排气管上设有进水/排气阀，排水管上设有排水阀；煤砂装填箱内密实填充有用于模拟目标煤体的煤砂，煤砂装填箱中部的煤砂内设有由铁丝网制成的抽采管；抽采管的一端为连接端，抽采管的连接端位于煤砂装填箱的长度方向的一端且抽采管的连接端连接有第二连接软管；抽采管的另一端为其末端并位于煤砂装填箱的长度方向的另一端；水环真空泵的进气口通过第二连接软管连接抽采管的连接端；第二连接软管上设有用于调节抽采管内负压的调节阀；抽采管均匀间隔连接有若干皮托管，相邻皮托管之间的间距为5±0.2米；皮托管的一端向上伸出煤砂装填箱，皮托管的另一端伸入抽采管且其开口朝向抽采管的末端；煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上均匀设有多个通气孔，箱盖上均匀设有多个通气孔，相邻通气孔的孔间距均为0.1±0.01米。...

【技术特征摘要】
1.测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，其特征在于：包括气水分离箱、水环真空泵和煤砂装填箱，煤砂装填箱顶部敞口处设有箱盖；气水分离箱顶部向上连接有进水/排气管和第一连接软管，第一连接软管与水环真空泵的排气口相连接；气水分离箱一侧壁底部连接有排水管，气水分离箱另一侧壁底部通过供水管与水环真空泵的储水室相连接，供水管上设有供水阀；进水/排气管上设有进水/排气阀，排水管上设有排水阀；煤砂装填箱内密实填充有用于模拟目标煤体的煤砂，煤砂装填箱中部的煤砂内设有由铁丝网制成的抽采管；抽采管的一端为连接端，抽采管的连接端位于煤砂装填箱的长度方向的一端且抽采管的连接端连接有第二连接软管；抽采管的另一端为其末端并位于煤砂装填箱的长度方向的另一端；水环真空泵的进气口通过第二连接软管连接抽采管的连接端；第二连接软管上设有用于调节抽采管内负压的调节阀；抽采管均匀间隔连接有若干皮托管，相邻皮托管之间的间距为5±0.2米；皮托管的一端向上伸出煤砂装填箱，皮托管的另一端伸入抽采管且其开口朝向抽采管的末端；煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上均匀设有多个通气孔，箱盖上均匀设有多个通气孔，相邻通气孔的孔间距均为0.1±0.01米。2.根据权利要求1所述的测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置，其特征在于：所述第二连接软管上设有真空表12。3.使用权利要求1中所述测量钻孔内负压及流量分布特性的实验装置进行的实验方法，其特征在于依次按以下步骤进行：第一步骤是预备步骤，包括煤砂装填箱的预备和水环真空泵的预备；①煤砂装填箱的预备：使用铁皮制作长度大于等于50米的煤砂装填箱，使用直径0.1±0.01毫米的钻头，在煤砂装填箱的前侧壁、后侧壁和底壁上以及箱盖上进行均匀钻孔形成多个通气孔，钻孔时确保相邻通气孔的孔间距为0.1±0.01米；在煤砂装填箱的长度方向的侧壁中部加工出用于抽采管与第二连接软管相连接的通孔；沿煤砂装填箱的长度方向，在煤砂装填箱的箱盖上每间隔5±0.2米，使用直径为2±0.1毫...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学博，杨明，高建良，候三中，张俊伟，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41