一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，包括钻机、模拟箱体、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，地应力模拟加载系统包括第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统；瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐、减压阀、瓦斯压力表和进气阀；声发射系统包括声发射前置放大器、声发射采集盒和多个声发射探头；应力应变监测系统包括应变数据采集仪、第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器；本发明专利技术还公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验方法。本发明专利技术为井下实际钻孔钻进时提供了有利的依据。

【技术实现步骤摘要】
一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法
本专利技术属于非开挖煤矿水平钻孔定向钻进
，具体涉及一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法。
技术介绍
我国是以煤炭作为主要能源的国家，随着国民经济的发展，煤炭的需求量与日俱增，煤炭的开采力度也越来越大。我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了我国的煤炭开采。生产实践表明，降低煤层中瓦斯含量的方法有很多，目前通过采前施工抽放钻孔预抽煤层瓦斯是较为广泛的方法之一，利用钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合治理与利用的常用且有效措施。随着机械化程度的提高，采煤工作面较以往相比，宽度、长度都有较大幅度的提高，相应工作面的瓦斯量也随着升高，对采前预抽煤层瓦斯的要求更高。瓦斯抽放钻孔也从最开始的几十米提高到现在普遍都是几百米甚至上千米。钻孔深度和煤层段延伸率是影响瓦斯抽采效果和生产效率的重要因素，钻孔深度增加可大幅度提高钻孔的覆盖面积，减少钻孔数量，提高生产效率；煤层延伸段越长，有效钻孔越多，瓦斯抽采效率越高。煤体本就是一种非均质的岩石，由于煤层裂隙宽度、长度、方向、密度等的差异性，导致同一钻孔内煤层的透气性可能存在很大的差异性，并且随着钻孔深度的增加，瓦斯压力与抽放负压的影响，使钻孔在钻进过程中钻头受力不均而发生偏转，导致钻孔偏离最初的设计轨迹，甚至出现串孔、穿透巷道等情况，难以满足矿井预抽煤层瓦斯的要求，给矿井的安全生产带来严重的隐患。目前，随着国民经济的迅速提高及城市化建设的迅速发展，水平定向施工技术已经得到广泛的应用。煤矿井下定向钻进技术是高效治理煤矿瓦斯的一箱重大关键技术，近几年也一直是国际社会关注和积极发展的关键技术。我国煤矿井下定向钻进技术近几年虽然取得较大进展，但有些核心技术还受制于国外。因此，迫切需要对煤矿井下钻孔钻进过程中钻孔偏移的各种原因以及钻头与周围煤体的力学机理进行分析，并探寻解决这些问题的方法。
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，提供一种结构紧凑、操作简单、能够全面准确的模拟出钻杆钻进过程中的各种状态、能够记录丰富的试验数据、实用性强、使用效果好的本煤层定向钻进过程模拟试验装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机、钻杆、钻头、模拟箱体、计算机、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；所述模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，所述模拟箱体上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口；所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域的第一液压加载系统、处于弹塑性区域的第二液压加载系统和处于原始应力区域的第三液压加载系统；所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐，所述瓦斯气体罐通过气体输送管以及设置在气体输送管上的减压阀、瓦斯压力表和进气阀与箱体进气口连接；所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体两侧侧面的两根声发射系统管路，以及设置在模拟箱体外部且连接的声发射前置放大器和声发射采集盒，所述声发射采集盒与计算机连接，所述声发射前置放大器的输入端接有设置在模拟箱体两侧侧面外壁上的多个声发射探头，所述声发射探头的信号线穿过声发射系统管路与声发射前置放大器连接；所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪，放置于模拟箱体内且处于破碎区域的第一应变环、处于弹塑性区域的第二应变环和处于原始应力区域的第三应变环，以及放置于模拟箱体内底部的多个应力传感器；所述第一应变环、第二应变环、第三应变环和多个应力传感器均与应变数据采集仪连接，所述应变数据采集仪与计算机连接；所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆上且用于检测钻杆倾角的电子罗盘和与电子罗盘连接并用于显示电子罗盘检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器；所述回收系统包括回收箱体和接收罐，所述回收箱体套在钻杆上，所述接收罐通过导管与回收箱体连接。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体内部设置有加强钣金。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：多个声发射探头在模拟箱体内呈两排布设，且两排声发射探头相互错位设置。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体内破碎区域设置有用于固定连接第一应变环的第一应变环固定支架，所述模拟箱体内弹塑性区域设置有用于固定连接第二应变环的第二应变环固定支架，所述模拟箱体内原始应力区域设置有用于固定连接第三应变环的第三应变环固定支架。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一应变环固定支架、第二应变环固定支架和第三应变环固定支架均通过螺栓与模拟箱体固定连接。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体上设置有供第一应变环、第二应变环、第三应变环和多个应力传感器的信号线穿出模拟箱体外部与应变数据采集仪连接的布线孔。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括箱体支座和铰接在箱体支座顶部的箱体支撑板，所述模拟箱体安装在箱体支撑板顶部，所述箱体支座上设置有横梁，所述横梁上安装有用于支撑箱体支撑板并调节箱体支撑板的倾斜角度的液压支架，所述箱体支座的底部设置有滚轮和用于固定滚轮的卡子。上述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一液压加载系统包括设置在模拟箱体内破碎区域上部和下部的多个第一液压缸，所述第二液压加载系统包括设置在模拟箱体内弹塑性区域上部和下部的多个第二液压缸，所述第三液压加载系统包括设置在模拟箱体内原始应力区域上部和下部的多个第三液压缸。本专利技术还提供了一种操作步骤简单、能够真实的反应实际煤层在钻孔钻进过程中所出现的不同情况、为后续井下精准钻进及精准抽采提供了有力的依据、实用性强的本煤层定向钻进过程模拟试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、首先，将所述试验装置放置于便于实验操作的位置后，扳下卡子固定滚轮，防止在试验过程中所述试验装置发生移动；然后，安装第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器，将第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器均与应变数据采集仪连接；安装多个声发射探头，将多个声发射探头均与声发射前置放大器连接；步骤二、按照相似试验要求，在模拟箱体内破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域逐层铺装煤岩体相似模拟材料，模拟煤矿井下巷道煤壁破碎区、弹塑性区、原始应力区不同的状态；铺装完成后自然风干或人为帮助风干，待模拟箱体内的煤岩体相似模拟材料风干后，加入模拟箱体上部的第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸，盖上模拟箱体的顶板；步骤三、将所述瓦斯压力模拟加载系统的气体输送管连接到箱体进气口上，加装密封圈并涂抹密封胶，瓦斯气体罐内的瓦斯气体通过减压阀降低压力后，通过进气阀和气体输送管进入模拟箱体内，注入瓦斯气体的过程中观察瓦斯压力表，待瓦斯压力表的示数和模拟现场煤层瓦斯压力相同时停止住入瓦斯气体，关闭进气阀，防止气体泄漏；静置2～3天，使瓦斯气体在模拟箱体内扩散；然后再打开进气阀，观察瓦斯压力表示数是否降低，当瓦斯压力表示数降低时，重复步骤三，直到模拟箱体中瓦斯压力与模拟现场煤层瓦斯压力相同；步骤四、根据所要模拟的现场的煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机(1)、钻杆(4)、钻头(8)、模拟箱体(36)、计算机(28)、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；所述模拟箱体(36)内设置有破碎区域(10)、弹塑性区域(14)和原始应力区域(17)，所述模拟箱体(36)上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口(24)；所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域(10)的第一液压加载系统、处于弹塑性区域(14)的第二液压加载系统和处于原始应力区域(17)的第三液压加载系统；所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐(23)，所述瓦斯气体罐(23)通过气体输送管(38)以及设置在气体输送管(38)上的减压阀(22)、瓦斯压力表(21)和进气阀(25)与箱体进气口(24)连接；所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体(36)两侧侧面的两根声发射系统管路(29)，以及设置在模拟箱体(36)外部且连接的声发射前置放大器(26)和声发射采集盒(27)，所述声发射采集盒(27)与计算机(28)连接，所述声发射前置放大器(26)的输入端接有设置在模拟箱体(36)两侧侧面外壁上的多个声发射探头(20)，所述声发射探头(20)的信号线穿过声发射系统管路(29)与声发射前置放大器(26)连接；所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪(39)，放置于模拟箱体(36)内且处于破碎区域(10)的第一应变环(13)、处于弹塑性区域(14)的第二应变环(16)和处于原始应力区域(17)的第三应变环(19)，以及放置于模拟箱体(36)内底部的多个应力传感器(37)；所述第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)均与应变数据采集仪(39)连接，所述应变数据采集仪(39)与计算机(28)连接；所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆(4)上且用于检测钻杆(4)倾角的电子罗盘(2)和与电子罗盘(2)连接并用于显示电子罗盘(2)检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器(3)；所述回收系统包括回收箱体(5)和接收罐(7)，所述回收箱体(5)套在钻杆(4)上，所述接收罐(7)通过导管(6)与回收箱体(5)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机(1)、钻杆(4)、钻头(8)、模拟箱体(36)、计算机(28)、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；所述模拟箱体(36)内设置有破碎区域(10)、弹塑性区域(14)和原始应力区域(17)，所述模拟箱体(36)上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口(24)；所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域(10)的第一液压加载系统、处于弹塑性区域(14)的第二液压加载系统和处于原始应力区域(17)的第三液压加载系统；所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐(23)，所述瓦斯气体罐(23)通过气体输送管(38)以及设置在气体输送管(38)上的减压阀(22)、瓦斯压力表(21)和进气阀(25)与箱体进气口(24)连接；所述声发射系统包括分别设置在模拟箱体(36)两侧侧面的两根声发射系统管路(29)，以及设置在模拟箱体(36)外部且连接的声发射前置放大器(26)和声发射采集盒(27)，所述声发射采集盒(27)与计算机(28)连接，所述声发射前置放大器(26)的输入端接有设置在模拟箱体(36)两侧侧面外壁上的多个声发射探头(20)，所述声发射探头(20)的信号线穿过声发射系统管路(29)与声发射前置放大器(26)连接；所述应力应变监测系统包括应变数据采集仪(39)，放置于模拟箱体(36)内且处于破碎区域(10)的第一应变环(13)、处于弹塑性区域(14)的第二应变环(16)和处于原始应力区域(17)的第三应变环(19)，以及放置于模拟箱体(36)内底部的多个应力传感器(37)；所述第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)均与应变数据采集仪(39)连接，所述应变数据采集仪(39)与计算机(28)连接；所述钻进角度监测系统包括固定在钻杆(4)上且用于检测钻杆(4)倾角的电子罗盘(2)和与电子罗盘(2)连接并用于显示电子罗盘(2)检测到的钻杆倾角的电子罗盘数据读取器(3)；所述回收系统包括回收箱体(5)和接收罐(7)，所述回收箱体(5)套在钻杆(4)上，所述接收罐(7)通过导管(6)与回收箱体(5)连接。2.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)内部设置有加强钣金。3.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：多个声发射探头(20)在模拟箱体(36)两侧侧面外壁上呈两排布设，且两排声发射探头(20)相互错位设置。4.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)内破碎区域(10)设置有用于固定连接第一应变环(13)的第一应变环固定支架(12)，所述模拟箱体(36)内弹塑性区域(14)设置有用于固定连接第二应变环(16)的第二应变环固定支架(15)，所述模拟箱体(36)内原始应力区域(17)设置有用于固定连接第三应变环(19)的第三应变环固定支架(18)。5.按照权利要求4所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述第一应变环固定支架(12)、第二应变环固定支架(15)和第三应变环固定支架(18)均通过螺栓(11)与模拟箱体(36)固定连接。6.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱体(36)上设置有供第一应变环(13)、第二应变环(16)、第三应变环(19)和多个应力传感器(37)的信号线穿出模拟箱体(36)外部与应变数据采集仪(39)连接的布线孔(30)。7.按照权利要求1所述的一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括箱体支座(35)和铰接在箱体支座(35)顶部的箱体支撑板(40)，所述模拟箱体(36)安装在箱体支撑板(40)顶部，所述箱体支座(35)上设置有横梁(32)，所述横梁(32)上安装有用于支撑箱体支撑板(40)并调节箱体支撑板(40)的倾斜角度的液压支架(31)，所述箱体支座(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天军，蒋兴科，包若羽，介科伟，陈佳伟，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61