基于裂隙分布规律的模拟装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于裂隙分布规律的模拟装置，包括底板，底板中心向上连接有注浆管，注浆管的底端开口在底板下表面处；注浆管外围设有由筛网制成的内筒，内筒外围设有由筛网制成的中筒，中筒外围设有外筒；内筒内的空间为模拟破裂区，内筒与中筒之间的环形空间为模拟塑性区，中筒与外筒之间的环形空间为模拟弹性区；本发明专利技术还公开了相应的实验系统和方法

【技术实现步骤摘要】
基于裂隙分布规律的模拟装置、实验系统和方法


[0001]本专利技术涉及煤矿
，尤其涉及注浆封孔技术
。

技术介绍

[0002]煤层瓦斯抽采是治理煤与瓦斯突出的根本性措施，能够快速降低瓦斯含量及瓦斯压力，还可将抽采出的瓦斯作为清洁能源加以利用
。
[0003]钻孔注浆封堵是煤层瓦斯抽采的关键技术，而封孔材料对钻孔围岩裂隙的密封效果直接影响着钻孔封孔质量
。
[0004]钻孔注浆封堵浆液在裂隙中的扩散存在很大的不确定性和隐蔽性，很难通过肉眼直接观察到浆液扩散情况
。
长期以来，井下注浆多依赖于工人传统经验来注浆封孔，没有提前科学的注浆参数依据，往往导致人力和材料的大量浪费，注浆效果不佳
。
[0005]开展相应的注浆过程动态监测物理模型模拟实验，有助于研究揭示浆液在钻孔周围裂隙扩散的规律及机理，这对于提前设定更有针对性的注浆参数，指导井下实际注浆封孔具有很重要的实践意义和经济价值，更好地实现瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔的密封效果，避免二次注浆的麻烦
。
[0006]进行实验就需要合理地模拟煤层以及模拟钻孔，需要针对目标实际煤层制作煤样
。
通常的煤层实验制作煤样时，先由目标煤层采集样品，再由样品制作成实验需要的形状和大小的煤样；或者检测目标煤层的成份含量，使用原料煤等原料配制成相同的成份含量的散煤，再由散煤制作成煤样
。
[0007]实际煤层钻孔周边，在邻近钻孔的一定半径的空间内会形成煤体的破裂区，破裂区外在一定半径空间内会形成煤体的塑性区，塑性区外会在一定半径范围内形成煤体的弹性区
。
[0008]破裂区是指煤体受到钻孔影响，应力变化超过其强度极限而发生破裂
、
断裂的区域
。
[0009]塑性区是指煤体受到钻孔影响，应力变化发生弹性形变的极限而发生形变的区域，此区域的煤体即便去除应力影响也不会完全恢复至原状
。
[0010]弹性区是指煤体受到钻孔影响，发生可逆的形变的区域
。
此区域的煤体在去除应力影响也可以恢复至原状
。
[0011]弹性区以外则是不受钻孔影响的区域
。
[0012]总之，以往煤层实验中，制作煤样的过程中未能模拟封孔处的煤体裂隙状况，制作出来的煤样用于注浆实验就不能很好地反应出浆液在真实煤体裂隙中的扩散情况，实验结果与真实煤层注浆封孔作业相差较大
。
[0013]本专利的研发思路，是研究裂隙分布规律，确定破裂区
、
塑性区和弹性区的大小，确定破裂区
、
塑性区和弹性区内煤样应有的孔隙率，由裂隙分布规律解决制作模拟煤样的问题，使模拟煤样能够反映封孔处的煤体裂隙状况，然后利用制作出来的煤样进行注浆实验，通过实验揭示浆液在钻孔周围不同裂隙带中的扩散规律及机理，提示不同注浆参数针
对特定煤体的注浆密封效果，从而有效指导真实煤矿井下注浆参数的确定工作
。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于提供一种基于裂隙分布规律的模拟装置，根据裂隙分布规律确定破裂区
、
塑性区和弹性区的大小，用于针对被模拟煤层进行注浆封孔实验
。
[0015]为实现上述目的，本专利技术的基于裂隙分布规律的模拟装置包括圆形底板，底板中心向上连接有注浆管，注浆管为花管，注浆管的底端开口在底板下表面处；注浆管外围设有由筛网制成的内筒，内筒外围设有由筛网制成的中筒，中筒外围设有外筒，内筒
、
中筒和外筒均向下与底板相连接；
[0016]内筒内的空间为模拟破裂区，内筒与中筒之间的环形空间为模拟塑性区，中筒与外筒之间的环形空间为模拟弹性区；模拟破裂区
、
模拟塑性区和模拟弹性区中均填充有采自被模拟煤层的煤；
[0017]模拟破裂区的外圆半径大于等于
R0
并小于等于
R1
；其中，
R0
为被模拟的实际煤层中预定的钻孔半径，单位为米；
[0018]R1
＝
R0
×
{(P0+C
×
cot
φ
)
×
(1
－
sin
φ
)
÷
(1+sin
φ
)
÷
(Pr+C
×
cot
φ
)}
(1
－
sin
φ
)
÷
2sin
φ
；
[0019]P0
为原始应力，在钻孔前由被模拟的实际煤层测量而得，单位为兆帕；
[0020]C
为煤体粘聚力，单位为兆帕，由被模拟的实际煤层测量而得；
[0021]φ
为煤体内摩擦角，单位为度，由被模拟的实际煤层测量而得；
[0022]Pr
为钻孔支护力，单位为
MPa
，是被模拟的实际煤层中的钻孔的钻孔支护力，由被模拟的实际煤层的工作人员确定并实施；
[0023]模拟塑性区的外圆半径小于等于
R2
；
[0024]R2
＝
R0
×
{(P0+C
×
cot
φ
)
×
(1
－
sin
φ
)
÷
(Pr+C
×
cot
φ
)}
(1
－
sin
φ
)
÷
2sin
φ
；
[0025]模拟弹性区的外圆半径
R2
＝
5R0。
[0026]模拟破裂区中填充的煤的孔隙率为模拟破裂区中填充的煤的孔隙率为等于钻孔周围的最大孔隙率由被模拟煤层中的钻孔周边的煤体测得；
[0027]模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为
[0028][0029]是煤体处于弹性压缩状态时单位体积的孔隙率，
[0030]a
为煤的瓦斯吸附常数，物理含义是当瓦斯压力趋向无穷大时，煤的可燃质极限瓦斯吸附量，对所填充的煤取样后通过吸附实验测定而得；
[0031]σ
为钻孔施工后，作用在钻孔孔壁处单位面积的煤体上的法向总压力，单位为兆帕；
[0032]σ
c
是剪切弹性模量，单位为兆帕，对煤进行测定而得；
[0033]σ
s
是煤的屈服强度，单位为兆帕，对由实际煤层获取的煤样进行抗压实验而测得；
[0034]为煤体初始孔隙率，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；
[0035]ε
v
是煤体体积应变，无量纲，即煤体受力时的体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于裂隙分布规律的模拟装置，其特征在于：包括圆形底板，底板中心向上连接有注浆管，注浆管为花管，注浆管的底端开口在底板下表面处；注浆管外围设有由筛网制成的内筒，内筒外围设有由筛网制成的中筒，中筒外围设有外筒，内筒
、
中筒和外筒均向下与底板相连接；内筒内的空间为模拟破裂区，内筒与中筒之间的环形空间为模拟塑性区，中筒与外筒之间的环形空间为模拟弹性区；模拟破裂区
、
模拟塑性区和模拟弹性区中均填充有采自被模拟煤层的煤；模拟破裂区的外圆半径大于等于
R0
并小于等于
R1
；其中，
R0
为被模拟的实际煤层中的钻孔半径，单位为米；
R1
＝
R0
×
{(P0+C
×
cot
φ
)
×
(1
－
sin
φ
)
÷
(1+sin
φ
)
÷
(Pr+C
×
cot
φ
)}
(1
－
sin
φ
)
÷
2sin
φ
；
P0
为原始应力，在钻孔前由被模拟的实际煤层测量而得，单位为兆帕；
C
为煤体粘聚力，单位为兆帕，由被模拟的实际煤层测量而得；
φ
为煤体内摩擦角，单位为度，由被模拟的实际煤层测量而得；
Pr
为钻孔支护力，单位为
MPa
，是被模拟的实际煤层中的钻孔的钻孔支护力，由被模拟的实际煤层的工作人员确定并实施；模拟塑性区的外圆半径小于等于
R2
；
R2
＝
R0
×
{(P0+C
×
cot
φ
)
×
(1
－
sin
φ
)
÷
(Pr+C
×
cot
φ
)}
(1
－
sin
φ
)
÷
2sin
φ
；模拟弹性区的外圆半径
R2
＝
5R0。2.
根据权利要求1所述的基于裂隙分布规律的模拟装置，其特征在于：模拟破裂区中填充的煤的孔隙率为等于钻孔周围的最大孔隙率由被模拟煤层中的钻孔周边的煤体测得；模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为模拟塑性区中填充的煤的孔隙率为是煤体处于弹性压缩状态时单位体积的孔隙率，
a
为煤的瓦斯吸附常数，物理含义是当瓦斯压力趋向无穷大时，煤的可燃质极限瓦斯吸附量，对所填充的煤取样后通过吸附实验测定而得；
σ
为钻孔施工后，作用在钻孔孔壁处单位面积的煤体上的法向总压力，单位为兆帕；
σ
c
是剪切弹性模量，单位为兆帕，对煤进行测定而得；
σ
s
是煤的屈服强度，单位为兆帕，对由实际煤层获取的煤样进行抗压实验而测得；为煤体初始孔隙率，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；
ε
v
是煤体体积应变，无量纲，即煤体受力时的体积变化，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；
β
是煤体热膨胀系数，单位是立方米
/
开尔文，对由实际煤层获取的煤样进行测定而得；
Δ
T
为煤在实际煤层中埋藏时的温度与室温
(
即进行本发明中注浆实验时的室温
)
之间的温度差，温度差，单位为开尔文，测量而得；
α
是孔隙压力系数，单位是兆帕
/
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海东，李小平，王永，李波，简旺，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：