钻孔瓦斯抽采实验室模拟方法及封孔材料密封性测试方法技术

本发明专利技术公开了一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟方法，包括步骤：一、实验前期准备；二、预制堵头模拟结构并形成注浆空间；三、往钻孔模拟管内注浆，模拟封孔，并通过声发射系统采集用于研究裂隙封堵情况的声发射信号数据；四、测试抽负压能力；五、检测钻孔模拟管不同位置漏气对抽采瓦斯浓度的影响；本发明专利技术还公开了一种封孔材料密封性测试方法，包括步骤：一、实验前期准备；二、预制堵头模拟结构并形成注浆空间；三、往钻孔模拟管内注入封孔材料，并观察裂隙封堵情况；四、测试抽负压能力。本发明专利技术能够真实模拟现场情况，实验耗费的人力物力少，实验效果好，实验结果精确性高，实用性强。

Laboratory simulation system and method for drilling gas extraction

The invention discloses a borehole gas drainage borehole simulation laboratory simulation system, including pipe, sealing grouting system, gas pressure loading system, gas detector, acoustic emission system and computer simulation of drilling pipe; the two ends are provided with plug structure simulation, simulation of drilling pipe wall of the pipe is provided with a plurality of hole fracture simulation the hole is connected with a simulated fracture, fracture simulation, simulation of fractured pipe is connected with the gas leak detection switch; sealing system including grouting pipe grouting, grouting pump, slurry return pipe, grouting pressure and grouting handle; gas pressure loading system comprises a vacuum pump, gas tank, vacuum pressure gauge, vacuum switch the gas tank switch, gas pressure meter and gas drainage switch; the invention also discloses a borehole gas drainage laboratory simulation method and a sealing material sealing Can test the method. The invention can simulate the actual situation, the manpower and material resources of the experiment are less, the experimental results are good, the accuracy of the experimental results is high, and the practicality is strong.

【技术实现步骤摘要】
钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统及方法
本专利技术属于钻孔瓦斯抽采
，具体涉及一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统及方法。
技术介绍
我国大部分地区煤层中的瓦斯含量高、压力大、煤层透气性低，地质构造条件复杂。而瓦斯灾害是我国煤矿主要的灾害之一，对矿井的安全生产有着严重的威胁，而钻孔密封效果直接影响着瓦斯的抽采效果和钻孔的有效抽采半径，资料表明：进入抽采系统的空气80％以上是通过钻孔吸入的，如果钻孔空气吸入量减少1/2～1/3，钻孔瓦斯流量可增加1.5～2倍。因此，封孔效果的好坏直接影响了瓦斯的抽采效果。瓦斯抽采钻孔封孔过程中，由于钻孔孔内本身成孔后就有大量裂隙，同时钻孔周边的孔(裂)隙进一步的发育、扩张，在抽采负压的作用下外界空气易从这些孔(裂)隙通道进入孔内，从而导致瓦斯抽采浓度下降，直接造成了煤矿封孔难度大、封孔效果差的现状。我国煤层抽采的抽出瓦斯的浓度较低，抽采负压也普遍较低，且负压越高抽出的瓦斯浓度越低。由此可以推断：现行的封孔技术远远没有达到密封隔绝效果。对于高瓦斯松软煤层，本煤层瓦斯抽采钻孔漏气问题尤为突出。另外，封孔效果的好坏又影响着煤层瓦斯压力测定的准确性，封孔段若存在极少量的漏气，都将使得到的压力值偏低，导致对瓦斯赋存和突出情况较大误差的评判，乃至做出不当的防治方案和措施。根据防治煤与瓦斯突出规定，现场实际测定的最大煤层瓦斯压力是煤层突出危险性鉴定的四个单项指标之一，煤层瓦斯压力的大小反映了煤层突出危险性的严重程度，通过对瓦斯压力测定钻孔进行高效密封，可以准确测定的煤层瓦斯压力，这就为矿井有针对性地制定防突措施、编制瓦斯地质图等提供重要依据。目前，此类试验大都是在现场进行，实验室能进行此类试验的相对较少，而且井下受到一些条件、各种因素的限制，试验效果差强人意，操作耗费的人力物力也高。因此，急需一种实验系统，来模拟钻孔瓦斯抽采，研究钻孔壁裂隙漏气对钻孔瓦斯抽采的影响以及封孔材料的密封性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其结构简单，设计新颖合理，实现方便，能够真实模拟现场情况，并将需要在现场做的实验搬到实验室中，实验耗费的人力物力少，实验效果好，实验结果的精确性高，实用性强，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：包括钻孔模拟管、封孔注浆系统、瓦斯压力模拟加载系统和瓦斯检测仪，以及声发射系统和与声发射系统相接的计算机；所述钻孔模拟管内两头设置有堵头模拟结构，位于两个堵头模拟结构之间的一段钻孔模拟管的管壁上设置有多个裂隙模拟孔，所述裂隙模拟孔上连接有裂隙模拟管，所述裂隙模拟管上连接有漏气检测开关；所述封孔注浆系统包括伸入钻孔模拟管内的注浆管和返浆管，以及与注浆管连接的注浆泵；所述注浆泵上设置有注浆手柄和注浆压力表；所述瓦斯压力模拟加载系统包括通过真空泵连接管连接在瓦斯抽采管一端的真空泵和通过瓦斯气体罐连接管连接在瓦斯抽采管另一端的瓦斯气体罐，所述真空泵连接管上连接有真空压力表和抽真空开关，所述瓦斯气体罐的瓦斯气体出口上设置有瓦斯气体罐开关，所述瓦斯气体罐连接管上连接有瓦斯压力表和瓦斯抽采开关；所述注浆管固定在瓦斯抽采管的下侧，所述返浆管固定在瓦斯抽采管的上侧，所述瓦斯检测仪通过瓦斯检测仪连接管连接在真空泵连接管上。上述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述钻孔模拟管由直径为135mm的有机玻璃管制成，所述瓦斯抽采管由直径为75mm的有机玻璃管制成，所述注浆管和返浆管均由PVC铝塑管制成。上述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述堵头模拟结构由缠绕在瓦斯抽采管、注浆管和返浆管上的棉纱布以及均匀涂抹在棉纱布上的液态聚氨酯发泡构成，所述堵头模拟结构的两侧均设置有用于防止堵头模拟结构向左右扩散的垫片。上述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述瓦斯检测仪为光干涉式瓦斯检测仪。上述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统，所述SAEU2S声发射系统包括数据采集机箱和通过电缆与数据采集机箱连接的多路前置放大器，所述前置放大器的输入端通过信号线连接有传感器，所述数据采集机箱通过USB连接线与计算机连接。上述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述裂隙模拟孔的数量为6个，其中2个裂隙模拟孔的孔径为2mm，其中2个裂隙模拟孔的孔径为3mm，另外2个裂隙模拟孔的孔径为4mm；所述裂隙模拟管的外径与裂隙模拟孔的孔径相配合。本专利技术还提供了一种方法步骤简单，实现方便，能够采集声发射信号数据并将采集到的信号传输给计算机进行记录，供通过声发射信号数据研究水泥浆液凝固时内部的应力变化，进而研究钻孔模拟管的封堵情况，判断钻孔模拟管内部是否有裂隙使用；还能检测不同位置、不同孔径的裂隙模拟孔漏气时的抽采瓦斯浓度的钻孔瓦斯抽采实验室模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、实验前期准备，具体过程为：步骤101、取一段直径为135mm的有机玻璃管作为钻孔模拟管，取一段直径为75mm的有机玻璃管作为瓦斯抽采管，取一段PVC铝塑管作为注浆管，取一段PVC铝塑管作为返浆管；步骤102、在钻孔模拟管的管壁上开出多个裂隙模拟孔，并在裂隙模拟孔中连接裂隙模拟管，在裂隙模拟管上连接漏气检测开关；步骤103、将瓦斯抽采管、注浆管和返浆管用铁丝捆扎起来，并使注浆管固定在瓦斯抽采管的下侧，使返浆管固定在瓦斯抽采管的上侧；步骤104、将棉纱布剪成条状，缠绕在瓦斯抽采管、注浆管和返浆管上两个准备设置堵头模拟结构的位置处，并在棉纱布的两侧均设置用于防止堵头模拟结构向左右扩散的垫片；步骤二、预制堵头模拟结构并形成注浆空间，具体过程为：步骤201、将液态聚氨酯倒入烧杯中后，采用刷子蘸取液态聚氨酯均匀涂抹在棉纱布上，并使液态聚氨酯完全渗透进棉纱布内；步骤202、将涂抹液态聚氨酯后的瓦斯抽采管、注浆管和返浆管的整体放进钻孔模拟管内，并固定好位置，使瓦斯抽采管位于瓦斯抽采管径向的中间位置处；步骤203、将送入瓦斯抽采管、注浆管和返浆管后的钻孔模拟管的整体放置在试验台架上，并将钻孔模拟管固定好，避免钻孔模拟管滑落，之后静置两天，等待液态聚氨酯发泡完全形成堵头模拟结构；步骤三、往钻孔模拟管内注浆，模拟封孔，并通过声发射系统采集用于研究裂隙封堵情况的声发射信号数据，具体过程为：步骤301、清理注浆泵，并检查注浆泵，确保注浆泵完好；步骤302、将水泥浆液倒入注浆泵中后，启动注浆泵，先排出注浆泵管路中的空气，再将注浆泵与注浆管连接起来；步骤303、通过注浆泵将水泥浆液通过注浆管注入钻孔模拟管内两个堵头模拟结构之间的空间内，直到返浆管内有水泥浆液流出时关闭注浆泵停止注浆；步骤304、用锤子轻轻敲击钻孔模拟管，使两个堵头模拟结构之间的水泥浆液紧密接触并排出其中的气泡；步骤305、再次启动注浆泵注浆，直到返浆管内有水泥浆液流出时关闭注浆泵停止注浆；步骤306、断开注浆泵与注浆管的连接，并将注浆管的注浆口和返浆管的返浆口堵住，防止水泥浆液流出；步骤307、用清水清洗注浆泵；步骤308、将声发射系统中的多个传感器分别安装到钻孔模拟管的外壁上不同数据采集位置处，并将声发射系统中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：包括钻孔模拟管(7)、封孔注浆系统、瓦斯压力模拟加载系统和瓦斯检测仪(24)，以及声发射系统和与声发射系统相接的计算机(17)；所述钻孔模拟管(7)内两头设置有堵头模拟结构(8)，位于两个堵头模拟结构(8)之间的一段钻孔模拟管(7)的管壁上设置有多个裂隙模拟孔(1)，所述裂隙模拟孔(1)上连接有裂隙模拟管(17)，所述裂隙模拟管(17)上连接有漏气检测开关(9)；所述封孔注浆系统包括伸入钻孔模拟管(7)内的注浆管(20)和返浆管(6)，以及与注浆管(20)连接的注浆泵(23)；所述注浆泵(23)上设置有注浆手柄(22)和注浆压力表(21)；所述瓦斯压力模拟加载系统包括通过真空泵连接管(19)连接在瓦斯抽采管(5)一端的真空泵(2)和通过瓦斯气体罐连接管(12)连接在瓦斯抽采管(5)另一端的瓦斯气体罐(15)，所述真空泵连接管(19)上连接有真空压力表(3)和抽真空开关(4)，所述瓦斯气体罐(15)的瓦斯气体出口上设置有瓦斯气体罐开关(14)，所述瓦斯气体罐连接管(12)上连接有瓦斯压力表(13)和瓦斯抽采开关(11)；所述注浆管(20)固定在瓦斯抽采管(5)的下侧，所述返浆管(6)固定在瓦斯抽采管(5)的上侧，所述瓦斯检测仪(24)通过瓦斯检测仪连接管(25)连接在真空泵连接管(19)上。...

【技术特征摘要】
1.一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：包括钻孔模拟管(7)、封孔注浆系统、瓦斯压力模拟加载系统和瓦斯检测仪(24)，以及声发射系统和与声发射系统相接的计算机(17)；所述钻孔模拟管(7)内两头设置有堵头模拟结构(8)，位于两个堵头模拟结构(8)之间的一段钻孔模拟管(7)的管壁上设置有多个裂隙模拟孔(1)，所述裂隙模拟孔(1)上连接有裂隙模拟管(17)，所述裂隙模拟管(17)上连接有漏气检测开关(9)；所述封孔注浆系统包括伸入钻孔模拟管(7)内的注浆管(20)和返浆管(6)，以及与注浆管(20)连接的注浆泵(23)；所述注浆泵(23)上设置有注浆手柄(22)和注浆压力表(21)；所述瓦斯压力模拟加载系统包括通过真空泵连接管(19)连接在瓦斯抽采管(5)一端的真空泵(2)和通过瓦斯气体罐连接管(12)连接在瓦斯抽采管(5)另一端的瓦斯气体罐(15)，所述真空泵连接管(19)上连接有真空压力表(3)和抽真空开关(4)，所述瓦斯气体罐(15)的瓦斯气体出口上设置有瓦斯气体罐开关(14)，所述瓦斯气体罐连接管(12)上连接有瓦斯压力表(13)和瓦斯抽采开关(11)；所述注浆管(20)固定在瓦斯抽采管(5)的下侧，所述返浆管(6)固定在瓦斯抽采管(5)的上侧，所述瓦斯检测仪(24)通过瓦斯检测仪连接管(25)连接在真空泵连接管(19)上。2.按照权利要求1所述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述钻孔模拟管(7)由直径为135mm的有机玻璃管制成，所述瓦斯抽采管(5)由直径为75mm的有机玻璃管制成，所述注浆管(20)和返浆管(6)均由PVC铝塑管制成。3.按照权利要求1所述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述堵头模拟结构(8)由缠绕在瓦斯抽采管(5)、注浆管(20)和返浆管(6)上的棉纱布以及均匀涂抹在棉纱布上的液态聚氨酯发泡构成，所述堵头模拟结构(8)的两侧均设置有用于防止堵头模拟结构(8)向左右扩散的垫片(18)。4.按照权利要求1所述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述瓦斯检测仪(24)为光干涉式瓦斯检测仪。5.按照权利要求1所述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统，所述SAEU2S声发射系统包括数据采集机箱(16-1)和通过电缆与数据采集机箱(16-1)连接的多路前置放大器(16-2)，所述前置放大器(16-2)的输入端通过信号线连接有传感器(16-3)，所述数据采集机箱(16-1)通过USB连接线与计算机(17)连接。6.按照权利要求1所述的钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统，其特征在于：所述裂隙模拟孔(1)的数量为6个，其中2个裂隙模拟孔(1)的孔径为2mm，其中2个裂隙模拟孔(1)的孔径为3mm，另外2个裂隙模拟孔(1)的孔径为4mm；所述裂隙模拟管(17)的外径与裂隙模拟孔(1)的孔径相配合。7.一种利用如权利要求1所述系统进行钻孔瓦斯抽采实验室模拟的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、实验前期准备，具体过程为：步骤101、取一段直径为135mm的有机玻璃管作为钻孔模拟管(7)，取一段直径为75mm的有机玻璃管作为瓦斯抽采管(5)，取一段PVC铝塑管作为注浆管(20)，取一段PVC铝塑管作为返浆管(6)；步骤102、在钻孔模拟管(7)的管壁上开出多个裂隙模拟孔(1)，并在裂隙模拟孔(1)中连接裂隙模拟管(17)，在裂隙模拟管(17)上连接漏气检测开关(9)；步骤103、将瓦斯抽采管(5)、注浆管(20)和返浆管(6)用铁丝捆扎起来，并使注浆管(20)固定在瓦斯抽采管(5)的下侧，使返浆管(6)固定在瓦斯抽采管(5)的上侧；步骤104、将棉纱布剪成条状，缠绕在瓦斯抽采管(5)、注浆管(20)和返浆管(6)上两个准备设置堵头模拟结构(8)的位置处，并在棉纱布的两侧均设置用于防止堵头模拟结构(8)向左右扩散的垫片(18)；步骤二、预制堵头模拟结构(8)并形成注浆空间，具体过程为：步骤201、将液态聚氨酯倒入烧杯中后，采用刷子蘸取液态聚氨酯均匀涂抹在棉纱布上，并使液态聚氨酯完全渗透进棉纱布内；步骤202、将涂抹液态聚氨酯后的瓦斯抽采管(5)、注浆管(20)和返浆管(6)的整体放进钻孔模拟管(7)内，并固定好位置，使瓦斯抽采管(5)位于瓦斯抽采管(5)径向的中间位置处；步骤203、将送入瓦斯抽采管(5)、注浆管(20)和返浆管(6)后的钻孔模拟管(7)的整体放置在试验台架上，并将钻孔模拟管(7)固定好，避免钻孔模拟管(7)滑落，之后静置两天，等待液态聚氨酯发泡完全形成堵头模拟结构(8)；步骤三、往钻孔模拟管(7)内注浆，模拟封孔，并通过声发射系统采集用于研究裂隙封堵情况的声发射信号数据，具体过程为：步骤301、清理注浆泵(23)，并检查注浆泵(23)，确保注浆泵(23)完好；步骤302、将水泥浆液(10)倒入注浆泵(23)中后，启动注浆泵(23)，先排出注浆泵(23)管路中的空气，再将注浆泵(23)与注浆管(20)连接起来；步骤303、通过注浆泵(23)将水泥浆液(10)通过注浆管(20)注入钻孔模拟管(7)内两个堵头模拟结构(8)之间的空间内，直到返浆管(6)内有水泥浆液(10)流出时关闭注浆泵(23)停止注浆；步骤304、用锤子轻轻敲击钻孔模拟管(7)，使两个堵头模拟结构(8)之间的水泥浆液(10)紧密接触并排出其中的气泡；步骤305、再次启动注浆泵(23)注浆，直到返浆管(6)内有水泥浆液(10)流出时关闭注浆泵(23)停止注浆；步骤306、断开注浆泵(23)与注浆管(20)的连接，并将注浆管(20)的注浆口和返浆管(6)的返浆口堵住，防止水泥浆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天军，蒋兴科，包若羽，张磊，宋爽，陈佳伟，葛迪，周敖，赵云红，范亚飞，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61