封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法
封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种瓦斯渗流模拟装置及其模拟方法，属于封闭采空区瓦斯渗流模拟
技术领域。
【背景技术】
[0002] 采煤作业中，随着采煤工作面的不断推进，工作面后方的上覆煤岩层不断下沉破 断，形成采空区。采空区包括两类：半封闭采空区和封闭采空区。半封闭采空区在回采时始 终存在于采煤工作面的后方，与矿井通风系统连通；封闭采空区是指工作面采完封闭后上 覆岩层运动稳定的采空区，被隔离在矿井通风系统之外。在采空区范围内，采动卸压瓦斯不 断解吸释放，并在采空区中大量积聚。在工作面正常开采时，半封闭采空区积聚的瓦斯一部 分被抽采巷道（钻孔）抽出，一部分通过矿井通风系统排出。当采煤工作面封闭后，采空区 范围内的卸压瓦斯仍在不断释放，封闭采空区内积聚有大量的瓦斯，是一种可回收利用的 能源。在能源紧缺和环境恶化问题日趋严重的今天，进行封闭采空区瓦斯抽采具有重要现 实意义。
[0003] 掌握采空区瓦斯渗流规律是采空区瓦斯抽采技术实施的关键环节。对于半封闭采 空区而言，目前主要采用预埋束管的方法对采空区内部压力、瓦斯浓度进行监测，监测成本 高、难度大、且获取有效数据的成功率低。对于封闭采空区而言，由于采空区面积较大且已 经封闭，预埋束管进行现场实测几乎不可能实现。由于现场实测难度大，物理模拟便成为掌 握采空区瓦斯渗流的重要手段。现阶段，采空区瓦斯渗流物理模拟装置主要用来模拟半封 闭采空区，多采用石膏、碳酸钙、河砂、云母粉和煤粉作为各岩层相似材料。
[0004] 使用此方法存在的缺点或需改进之处为：（1)若采用石膏、碳酸钙、河砂、云母粉 和煤粉等材料作为各岩层的相似材料，则形成的采空区具有渗透率分布特征不可控的缺 陷；（2)在模拟工作面开采过程中，模拟岩层一旦垮落破坏便不可重复使用；（3)现有半封 闭采空区瓦斯渗流模拟实验装置不能进行封闭采空区瓦斯渗流模拟，封闭采空区瓦斯渗流 模拟装置还未见公开。综上所述，研发一种渗透率分布可调、可重复利用的封闭采空区瓦斯 三维渗流模拟装置及其模拟方法就非常有必要了。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种渗透率可调、可重复利用的 封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，它 包括密封箱体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统；
[0007] 所述的密封箱体的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸，所述的渗透率控制系统包括 由所述的多个活塞式气缸构成的气缸阵列，活塞式气缸下方的区域填充有作为模拟采空区 多孔介质材料的高回弹海绵，活塞式气缸下方的密封箱体区域内从上至下设有邻近瓦斯释 放层I、邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层。
[0008] 所述密封箱体的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体由钢质框架和有 机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，密封箱体下部设置底座。
[0009] 所述的瓦斯释放系统包括存储甲烷的钢瓶，钢瓶通过管路和减压阀连接稳压箱， 稳压箱上装有压力表，稳压箱上连有三路气管，三路气管上均装有阀门，三路气管通过质量 流量控制器分别连接至邻近瓦斯释放层I、邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层。
[0010] 所述的瓦斯抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵，智能真空泵通过管 路连接由钢质细管构成的模拟钻井，在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。
[0011] 所述的数据采集系统包括所述的质量流量控制器，以及对模拟钻井的瓦斯抽采量 及抽采浓度进行监测的风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器，在所述的模拟采 空区内部不同位置布置有微型气压记录仪和小型甲烷浓度记录仪（21)。
[0012] 采用权利要求1至6中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟 的方法，包括如下步骤：
[0013] a、首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵 渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式；
[0014] b、数据采集系统包括风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器，将风速传 感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器调零，记录传感器初始值，盖上密封箱体的顶部盖 板；
[0015] c、采用气密性检测仪对密封箱体的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进行 封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准；
[0016] d、按照高回弹海绵渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸的压 力，使高回弹海绵渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征；
[0017] e、按照实验方案设定质量流量控制器的气体流速；
[0018] f、打开装有瓦斯的钢瓶的减压阀，待压力表示数稳定后，打开邻近瓦斯释放层I、 邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层的阀门，使甲烷按照设定流速进入邻近瓦斯释放层 I、邻近瓦斯释放层II和煤瓦斯释放层；
[0019] g、按照实验方案，设定智能真空泵负压，打开抽采阀门，数据采集系统实时记录抽 采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0020] h、按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀，拆除减压阀一端管 路，使该端管路与大气相通；
[0021] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0022]j、待密封箱体内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵。
[0023] 本发明的有益效果是：本发明的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置包括密封箱 体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统及数据采集系统。首先，本发明采用高回 弹海绵作为采空区多孔介质的模拟材料，在气缸阵列施加的不同压力下，高回弹海绵的渗 透率分布因压力差异而不同，因此本实验装置中的模拟采空区渗透率可调，可根据现场实 际条件模拟不同渗透率分布条件下的采空区瓦斯运移规律。其次，高回弹海绵不同于以往 采用的固结材料，高回弹海绵具有高回弹的特点，气缸压力为零时，高回弹海绵便可恢复到 原始状态，因此本实验装置的采空区模拟材料可重复使用。再次，与以往采空区多孔介质 模拟材料相比，本实验装置采用的高回弹海绵具有密度小、重量轻的特点，搬运、操作省时 省力。最后，本发明提供的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法为获得封闭采 空区瓦斯渗流特性提供了手段，该发明可用于封闭采空区瓦斯抽采技术优化和抽采参数优 化。
【附图说明】
[0024] 下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
[0025] 图1是本发明的结构示意图。
[0026] 图2是图1的I一I断面结构示意图。
[0027] 图3是实施例_4KPa条件下的地面钻井瓦斯抽采量随抽采时间的变化曲线。
[0028] 图中：1-密封箱体，2-底座，3-活塞式气缸，4-高回弹海绵，5-钢瓶，6-减压阀， 7_稳压箱，8-压力表，9-阀门，10-质量流量控制器，11-邻近瓦斯释放层I，12-邻近瓦斯 释放层II，13-遗煤瓦斯释放层，14-模拟钻井，15-智能真空泵，16-抽采阀门，17-风速传感 器，18-管道压力传感器，19-甲烷浓度传感器，20-微型气压记录仪，21-甲烷浓度记录仪。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0030] 如图1、图2、图3所示的一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，它包括密封箱体 1、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统；
[0031] 所述的密封箱体1的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸3,所述的渗透率控制系统 包括由所述的多个活塞式气缸3构成的气缸阵列，活塞式气缸3下方的区域填充有作为模 拟采空区多孔介质材料的高回弹海绵4,活塞式气缸3下方的密封箱体1区域内从上至下设 有邻近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤瓦斯释放层13。
[0032] 所述密封箱体1的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体1由钢质框架 和有机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，密封箱体1的下部设置底座2。底座2采用钢制底 座。
[0033] 所述的瓦斯释放系统包括存储甲烷的钢瓶5,钢瓶5通过管路和减压阀6连接稳压 箱7,稳压箱7上装有压力表8,稳压箱7上连有三路气管，三路气管上均装有阀门9,三路气 管通过质量流量控制器10分别连接至邻近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤 瓦斯释放层13。
[0034] 所述的瓦斯抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵15,智能真空泵15 通过管路连接由钢质细管构成的模拟钻井14,在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。
[0035] 所述的数据采集系统包括所述的质量流量控制器10,以及对模拟钻井14的瓦斯 抽采量及抽采浓度进行监测的风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19,在 所述的模拟采空区内部不同位置布置有微型气压记录仪20和小型甲烷浓度记录仪21。
[0036] 采用权利要求1至6中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟 的方法，包括如下步骤：
[0037] a、首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵4 渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式；
[0038]b、数据采集系统包括风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19,将 风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19调零，记录传感器初始值，盖上密 封箱体1的顶部盖板；
[0039] c、采用气密性检测仪对密封箱体1的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进 行封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准；
[0040]d、按照高回弹海绵4渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸3 的压力，使高回弹海绵4渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征；
[0041] e、按照实 验方案设定质量流量控制器10的气体流速；
[0042] f、打开装有瓦斯的钢瓶5的减压阀6,待压力表8示数稳定后，打开邻近瓦斯释放 层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤瓦斯释放层13的阀门9,使甲烷按照设定流速进入邻 近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和煤瓦斯释放层13 ;
[0043] g、按照实验方案，设定智能真空泵15负压，打开抽采阀门16,数据采集系统实时 记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0044] h、按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀6,拆除减压阀6 -端 管路，使该端管路与大气相通；
[0045] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0046] j、待密封箱体1内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵15。
[0047] 使用时，如图1所示，本该装置包括密封箱体1，密封箱体1尺寸按照采空区实际尺 寸按比例缩小，密封箱体1由钢质框架和有机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，由下部钢 质底座2支撑；该装置包括渗透率控制系统，将活塞式气缸3嵌入密封箱体1的顶部盖板， 形成气缸阵列，气缸阵列对其下部的高回弹海绵4施加不同压力来反映采空区渗透率的差 异；该装置包括瓦斯注入系统，存储在钢瓶5中的甲烷通过减压阀6进入稳压箱7,压力表 8示数稳定后，打开阀门9,甲烷气体经过质量流量控制器10按预定流量分别注入邻近瓦斯 释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和煤瓦斯释放层13 ;该装置包括瓦斯抽采系统，采用钢 质细管来模拟地面钻井14,智能真空泵15为抽采系统提供负压，模拟采空区内瓦斯-空气 混合气体在抽采负压的作用下不断被抽出；该装置包括数据采集系统，采用质量流量控制 器10对进入邻近瓦斯释放层及遗煤瓦斯释放层的瓦斯量进行控制监测；采用风速传感器 17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19对模拟钻井14的瓦斯抽采量及抽采浓度进行 监测；通过布置微型气压记录仪20、小型甲烷浓度记录仪21对模拟采空区内部不同位置的 气体压力和瓦斯浓度进行监测。
[0048] 针对本发明的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置的模拟方法，选择如下实例说 明。
[0049] 阳泉三矿K8206综放面开采15#煤层，该工作面采高为6. 8m，工作面长度为252m， 导气裂隙带高度为125m。该工作面上邻近层中主要有2层瓦斯释放源，其中第1层邻近瓦 斯释放层距离开采层50m，当工作面开采至130m时，其瓦斯释放速度为68m3/min;第2层邻 近瓦斯释放层距离开采层93m，当工作面开采至130m时，其瓦斯释放速度为4.lm3/min;该 工作面遗煤瓦斯释放层的瓦斯释放速度72m3/min。该工作面开采130m后，采空区渗透率分 布函数可表示为：
[0051] 其中，K(x,y)为点x,y处渗透率，m2。
[0052] 根据现场实际条件，实际模拟方法的步骤如下：
[0053] a、首先进行相似分析，确定模型与原型的相似比；本实例的几何相似比为1 :100 ; 时间相似比为1 :1〇〇〇〇 ;压力相似比为1 :1 ;动力粘度的相似比为1 :1 ;渗透率相似比为 100:1 ;将K8206工作面的实际几何尺寸按几何相似比缩小，得到本实验高回弹海绵4的长 度为2. 52m，宽度为1. 3m，高度为1. 25m。
[0054] 通过预实验获得高回弹海绵4渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之 间的关系式，可表示：
[0056] 其中，〇i为轴向应力KPa，
[0057] 由式1和式2,可得到气缸阵列的压力分布函数为：
[0059] b、将风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19调零，记录传感器初 始值，盖上密封箱体1的顶部盖板；
[0060] C、采用气密性检测仪对密封箱体1的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进 行封堵；
[0061]d、根据式3调整不同坐标位置的气缸压力，该压力分布条件下，高回弹海绵4渗透 率可准确反映K8206工作面采空区渗透率的实际分布特征。
[0062] e、按照K8206工作面现场实际条件并结合相似比，设定质量流量控制器的气体流 速；其中，第1层邻近瓦斯释放层距离开采层〇. 5m，其瓦斯释放速度为68L/min;第2层邻近 瓦斯释放层距离开采层0. 93m，其瓦斯释放速度为4.lL/min;该工作面遗煤瓦斯释放层的 瓦斯释放速度72L/min。
[0063] f、打开瓦斯6减压阀，待压力表8示数稳定在0.IMPa时，打开邻近瓦斯释放层阀 门、遗煤瓦斯释放层阀门9,使甲烷按照设定流速进入邻近瓦斯释放层（11、12)和遗煤瓦斯 释放层13 ;
[0064] g、将地面钻井布置在距离模型边界0. 2m处，将智能真空泵负压设定在_4KPa，打 开抽采系统阀门16,数据采集系统会实时记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0065] h、当抽采时间达到lOmin后，关闭钢瓶减压阀6,拆除减压阀6 -端管路，使该端管 路与大气想通；
[0066] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0067] j、待密封箱体1内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵15。
【主权项】
1. 一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：它包括密封箱体（1)、渗透率 控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统； 所述的密封箱体（1)的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸（3)，所述的渗透率控制系统 包括由所述的多个活塞式气缸（3)构成的气缸阵列，活塞式气缸（3)下方的区域填充有作 为模拟采空区多孔介质材料的高回弹海绵（4)，活塞式气缸（3)下方的密封箱体（1)区域内 从上至下设有邻近瓦斯释放层I(11 )、邻近瓦斯释放层II(12)和遗煤瓦斯释放层（13)。2. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述密封箱 体（1)的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体（1)由钢质框架和有机玻璃通过 密封垫片紧密结合而成，密封箱体（1)下部设置底座（2)。3. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的瓦斯 释放系统包括存储甲烷的钢瓶（5)，钢瓶（5)通过管路和减压阀（6)连接稳压箱（7)，稳压箱 (7)上装有压力表（8)，稳压箱（7)上连有三路气管，三路气管上均装有阀门（9)，三路气管 通过质量流量控制器（10)分别连接至邻近瓦斯释放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和 遗煤瓦斯释放层（13)。4. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的瓦斯 抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵（15)，智能真空泵（15)通过管路连接由 钢质细管构成的模拟钻井（14)，在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。5. 如权利要求4所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的数据 采集系统包括所述的质量流量控制器（10)，以及对模拟钻井（14)的瓦斯抽采量及抽采浓 度进行监测的风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)，在所述的模 拟采空区内部不同位置布置有微型气压记录仪（20)和小型甲烷浓度记录仪（21)。6. 采用权利要求1至5中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟的 方法，包括如下步骤： a、 首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵（4)渗 透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式； b、 数据采集系统包括风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)， 将风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)调零，记录传感器初始 值，盖上密封箱体（1)的顶部盖板； c、 采用气密性检测仪对密封箱体（1)的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进行 封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准； d、 按照高回弹海绵（4)渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸（3) 的压力，使高回弹海绵（4)渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征； e、 按照实验方案设定质量流量控制器（10)的气体流速； f、 打开装有瓦斯的钢瓶（5)的减压阀（6)，待压力表（8)示数稳定后，打开邻近瓦斯释 放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和遗煤瓦斯释放层（13)的阀门（9)，使甲烷按照设定 流速进入邻近瓦斯释放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和煤瓦斯释放层（13); g、 按照实验方案，设定智能真空泵（15)负压，打开抽采阀门（16)，数据采集系统实时 记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度； K按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀（6)，拆除减压阀（6)-端 管路，使该端管路与大气相通； i、 继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为O; j、 待密封箱体（1)内部气体瓦斯浓度为O时，关闭智能真空泵（15)。
【专利摘要】本发明公开了一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法，属于封闭采空区瓦斯渗流模拟技术领域。本发明装置包括密封箱体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统及数据采集系统。密封箱体内采用高回弹海绵模拟封闭采空区内多孔介质；气缸阵列对高回弹海绵施加压力控制采空区渗透率的分布特征；瓦斯释放系统将甲烷注入密封箱体的不同层位，模拟不同的瓦斯释放源；钢质细管来模拟地面钻井，采用风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器对模拟钻井的瓦斯抽采量及抽采浓度进行监测；通过布置气压记录仪、甲烷浓度记录仪对模拟采空区内部气体压力和瓦斯浓度进行监测。本发明能够根据实际条件改变模拟方案，具有普遍的适用性。
【IPC分类】G01N33/22
【公开号】CN104897872
【申请号】CN201510251035
【发明人】秦伟, 许家林, 胡国忠, 朱怡然
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月16日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种瓦斯渗流模拟装置及其模拟方法，属于封闭采空区瓦斯渗流模拟
技术领域。
【背景技术】
[0002] 采煤作业中，随着采煤工作面的不断推进，工作面后方的上覆煤岩层不断下沉破 断，形成采空区。采空区包括两类：半封闭采空区和封闭采空区。半封闭采空区在回采时始 终存在于采煤工作面的后方，与矿井通风系统连通；封闭采空区是指工作面采完封闭后上 覆岩层运动稳定的采空区，被隔离在矿井通风系统之外。在采空区范围内，采动卸压瓦斯不 断解吸释放，并在采空区中大量积聚。在工作面正常开采时，半封闭采空区积聚的瓦斯一部 分被抽采巷道（钻孔）抽出，一部分通过矿井通风系统排出。当采煤工作面封闭后，采空区 范围内的卸压瓦斯仍在不断释放，封闭采空区内积聚有大量的瓦斯，是一种可回收利用的 能源。在能源紧缺和环境恶化问题日趋严重的今天，进行封闭采空区瓦斯抽采具有重要现 实意义。
[0003] 掌握采空区瓦斯渗流规律是采空区瓦斯抽采技术实施的关键环节。对于半封闭采 空区而言，目前主要采用预埋束管的方法对采空区内部压力、瓦斯浓度进行监测，监测成本 高、难度大、且获取有效数据的成功率低。对于封闭采空区而言，由于采空区面积较大且已 经封闭，预埋束管进行现场实测几乎不可能实现。由于现场实测难度大，物理模拟便成为掌 握采空区瓦斯渗流的重要手段。现阶段，采空区瓦斯渗流物理模拟装置主要用来模拟半封 闭采空区，多采用石膏、碳酸钙、河砂、云母粉和煤粉作为各岩层相似材料。
[0004] 使用此方法存在的缺点或需改进之处为：（1)若采用石膏、碳酸钙、河砂、云母粉 和煤粉等材料作为各岩层的相似材料，则形成的采空区具有渗透率分布特征不可控的缺 陷；（2)在模拟工作面开采过程中，模拟岩层一旦垮落破坏便不可重复使用；（3)现有半封 闭采空区瓦斯渗流模拟实验装置不能进行封闭采空区瓦斯渗流模拟，封闭采空区瓦斯渗流 模拟装置还未见公开。综上所述，研发一种渗透率分布可调、可重复利用的封闭采空区瓦斯 三维渗流模拟装置及其模拟方法就非常有必要了。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种渗透率可调、可重复利用的 封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，它 包括密封箱体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统；
[0007] 所述的密封箱体的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸，所述的渗透率控制系统包括 由所述的多个活塞式气缸构成的气缸阵列，活塞式气缸下方的区域填充有作为模拟采空区 多孔介质材料的高回弹海绵，活塞式气缸下方的密封箱体区域内从上至下设有邻近瓦斯释 放层I、邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层。
[0008] 所述密封箱体的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体由钢质框架和有 机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，密封箱体下部设置底座。
[0009] 所述的瓦斯释放系统包括存储甲烷的钢瓶，钢瓶通过管路和减压阀连接稳压箱， 稳压箱上装有压力表，稳压箱上连有三路气管，三路气管上均装有阀门，三路气管通过质量 流量控制器分别连接至邻近瓦斯释放层I、邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层。
[0010] 所述的瓦斯抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵，智能真空泵通过管 路连接由钢质细管构成的模拟钻井，在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。
[0011] 所述的数据采集系统包括所述的质量流量控制器，以及对模拟钻井的瓦斯抽采量 及抽采浓度进行监测的风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器，在所述的模拟采 空区内部不同位置布置有微型气压记录仪和小型甲烷浓度记录仪（21)。
[0012] 采用权利要求1至6中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟 的方法，包括如下步骤：
[0013] a、首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵 渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式；
[0014] b、数据采集系统包括风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器，将风速传 感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器调零，记录传感器初始值，盖上密封箱体的顶部盖 板；
[0015] c、采用气密性检测仪对密封箱体的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进行 封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准；
[0016] d、按照高回弹海绵渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸的压 力，使高回弹海绵渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征；
[0017] e、按照实验方案设定质量流量控制器的气体流速；
[0018] f、打开装有瓦斯的钢瓶的减压阀，待压力表示数稳定后，打开邻近瓦斯释放层I、 邻近瓦斯释放层II和遗煤瓦斯释放层的阀门，使甲烷按照设定流速进入邻近瓦斯释放层 I、邻近瓦斯释放层II和煤瓦斯释放层；
[0019] g、按照实验方案，设定智能真空泵负压，打开抽采阀门，数据采集系统实时记录抽 采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0020] h、按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀，拆除减压阀一端管 路，使该端管路与大气相通；
[0021] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0022]j、待密封箱体内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵。
[0023] 本发明的有益效果是：本发明的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置包括密封箱 体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统及数据采集系统。首先，本发明采用高回 弹海绵作为采空区多孔介质的模拟材料，在气缸阵列施加的不同压力下，高回弹海绵的渗 透率分布因压力差异而不同，因此本实验装置中的模拟采空区渗透率可调，可根据现场实 际条件模拟不同渗透率分布条件下的采空区瓦斯运移规律。其次，高回弹海绵不同于以往 采用的固结材料，高回弹海绵具有高回弹的特点，气缸压力为零时，高回弹海绵便可恢复到 原始状态，因此本实验装置的采空区模拟材料可重复使用。再次，与以往采空区多孔介质 模拟材料相比，本实验装置采用的高回弹海绵具有密度小、重量轻的特点，搬运、操作省时 省力。最后，本发明提供的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法为获得封闭采 空区瓦斯渗流特性提供了手段，该发明可用于封闭采空区瓦斯抽采技术优化和抽采参数优 化。
【附图说明】
[0024] 下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
[0025] 图1是本发明的结构示意图。
[0026] 图2是图1的I一I断面结构示意图。
[0027] 图3是实施例_4KPa条件下的地面钻井瓦斯抽采量随抽采时间的变化曲线。
[0028] 图中：1-密封箱体，2-底座，3-活塞式气缸，4-高回弹海绵，5-钢瓶，6-减压阀， 7_稳压箱，8-压力表，9-阀门，10-质量流量控制器，11-邻近瓦斯释放层I，12-邻近瓦斯 释放层II，13-遗煤瓦斯释放层，14-模拟钻井，15-智能真空泵，16-抽采阀门，17-风速传感 器，18-管道压力传感器，19-甲烷浓度传感器，20-微型气压记录仪，21-甲烷浓度记录仪。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0030] 如图1、图2、图3所示的一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，它包括密封箱体 1、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统；
[0031] 所述的密封箱体1的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸3,所述的渗透率控制系统 包括由所述的多个活塞式气缸3构成的气缸阵列，活塞式气缸3下方的区域填充有作为模 拟采空区多孔介质材料的高回弹海绵4,活塞式气缸3下方的密封箱体1区域内从上至下设 有邻近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤瓦斯释放层13。
[0032] 所述密封箱体1的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体1由钢质框架 和有机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，密封箱体1的下部设置底座2。底座2采用钢制底 座。
[0033] 所述的瓦斯释放系统包括存储甲烷的钢瓶5,钢瓶5通过管路和减压阀6连接稳压 箱7,稳压箱7上装有压力表8,稳压箱7上连有三路气管，三路气管上均装有阀门9,三路气 管通过质量流量控制器10分别连接至邻近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤 瓦斯释放层13。
[0034] 所述的瓦斯抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵15,智能真空泵15 通过管路连接由钢质细管构成的模拟钻井14,在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。
[0035] 所述的数据采集系统包括所述的质量流量控制器10,以及对模拟钻井14的瓦斯 抽采量及抽采浓度进行监测的风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19,在 所述的模拟采空区内部不同位置布置有微型气压记录仪20和小型甲烷浓度记录仪21。
[0036] 采用权利要求1至6中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟 的方法，包括如下步骤：
[0037] a、首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵4 渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式；
[0038]b、数据采集系统包括风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19,将 风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19调零，记录传感器初始值，盖上密 封箱体1的顶部盖板；
[0039] c、采用气密性检测仪对密封箱体1的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进 行封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准；
[0040]d、按照高回弹海绵4渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸3 的压力，使高回弹海绵4渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征；
[0041] e、按照实 验方案设定质量流量控制器10的气体流速；
[0042] f、打开装有瓦斯的钢瓶5的减压阀6,待压力表8示数稳定后，打开邻近瓦斯释放 层I11、邻近瓦斯释放层II12和遗煤瓦斯释放层13的阀门9,使甲烷按照设定流速进入邻 近瓦斯释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和煤瓦斯释放层13 ;
[0043] g、按照实验方案，设定智能真空泵15负压，打开抽采阀门16,数据采集系统实时 记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0044] h、按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀6,拆除减压阀6 -端 管路，使该端管路与大气相通；
[0045] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0046] j、待密封箱体1内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵15。
[0047] 使用时，如图1所示，本该装置包括密封箱体1，密封箱体1尺寸按照采空区实际尺 寸按比例缩小，密封箱体1由钢质框架和有机玻璃通过密封垫片紧密结合而成，由下部钢 质底座2支撑；该装置包括渗透率控制系统，将活塞式气缸3嵌入密封箱体1的顶部盖板， 形成气缸阵列，气缸阵列对其下部的高回弹海绵4施加不同压力来反映采空区渗透率的差 异；该装置包括瓦斯注入系统，存储在钢瓶5中的甲烷通过减压阀6进入稳压箱7,压力表 8示数稳定后，打开阀门9,甲烷气体经过质量流量控制器10按预定流量分别注入邻近瓦斯 释放层I11、邻近瓦斯释放层II12和煤瓦斯释放层13 ;该装置包括瓦斯抽采系统，采用钢 质细管来模拟地面钻井14,智能真空泵15为抽采系统提供负压，模拟采空区内瓦斯-空气 混合气体在抽采负压的作用下不断被抽出；该装置包括数据采集系统，采用质量流量控制 器10对进入邻近瓦斯释放层及遗煤瓦斯释放层的瓦斯量进行控制监测；采用风速传感器 17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19对模拟钻井14的瓦斯抽采量及抽采浓度进行 监测；通过布置微型气压记录仪20、小型甲烷浓度记录仪21对模拟采空区内部不同位置的 气体压力和瓦斯浓度进行监测。
[0048] 针对本发明的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置的模拟方法，选择如下实例说 明。
[0049] 阳泉三矿K8206综放面开采15#煤层，该工作面采高为6. 8m，工作面长度为252m， 导气裂隙带高度为125m。该工作面上邻近层中主要有2层瓦斯释放源，其中第1层邻近瓦 斯释放层距离开采层50m，当工作面开采至130m时，其瓦斯释放速度为68m3/min;第2层邻 近瓦斯释放层距离开采层93m，当工作面开采至130m时，其瓦斯释放速度为4.lm3/min;该 工作面遗煤瓦斯释放层的瓦斯释放速度72m3/min。该工作面开采130m后，采空区渗透率分 布函数可表示为：
[0051] 其中，K(x,y)为点x,y处渗透率，m2。
[0052] 根据现场实际条件，实际模拟方法的步骤如下：
[0053] a、首先进行相似分析，确定模型与原型的相似比；本实例的几何相似比为1 :100 ; 时间相似比为1 :1〇〇〇〇 ;压力相似比为1 :1 ;动力粘度的相似比为1 :1 ;渗透率相似比为 100:1 ;将K8206工作面的实际几何尺寸按几何相似比缩小，得到本实验高回弹海绵4的长 度为2. 52m，宽度为1. 3m，高度为1. 25m。
[0054] 通过预实验获得高回弹海绵4渗透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之 间的关系式，可表示：
[0056] 其中，〇i为轴向应力KPa，
[0057] 由式1和式2,可得到气缸阵列的压力分布函数为：
[0059] b、将风速传感器17、管道压力传感器18及甲烷浓度传感器19调零，记录传感器初 始值，盖上密封箱体1的顶部盖板；
[0060] C、采用气密性检测仪对密封箱体1的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进 行封堵；
[0061]d、根据式3调整不同坐标位置的气缸压力，该压力分布条件下，高回弹海绵4渗透 率可准确反映K8206工作面采空区渗透率的实际分布特征。
[0062] e、按照K8206工作面现场实际条件并结合相似比，设定质量流量控制器的气体流 速；其中，第1层邻近瓦斯释放层距离开采层〇. 5m，其瓦斯释放速度为68L/min;第2层邻近 瓦斯释放层距离开采层0. 93m，其瓦斯释放速度为4.lL/min;该工作面遗煤瓦斯释放层的 瓦斯释放速度72L/min。
[0063] f、打开瓦斯6减压阀，待压力表8示数稳定在0.IMPa时，打开邻近瓦斯释放层阀 门、遗煤瓦斯释放层阀门9,使甲烷按照设定流速进入邻近瓦斯释放层（11、12)和遗煤瓦斯 释放层13 ;
[0064] g、将地面钻井布置在距离模型边界0. 2m处，将智能真空泵负压设定在_4KPa，打 开抽采系统阀门16,数据采集系统会实时记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度；
[0065] h、当抽采时间达到lOmin后，关闭钢瓶减压阀6,拆除减压阀6 -端管路，使该端管 路与大气想通；
[0066] i、继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为0 ;
[0067] j、待密封箱体1内部气体瓦斯浓度为0时，关闭智能真空泵15。
【主权项】
1. 一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：它包括密封箱体（1)、渗透率 控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统和数据采集系统； 所述的密封箱体（1)的顶部盖板上嵌入多个活塞式气缸（3)，所述的渗透率控制系统 包括由所述的多个活塞式气缸（3)构成的气缸阵列，活塞式气缸（3)下方的区域填充有作 为模拟采空区多孔介质材料的高回弹海绵（4)，活塞式气缸（3)下方的密封箱体（1)区域内 从上至下设有邻近瓦斯释放层I(11 )、邻近瓦斯释放层II(12)和遗煤瓦斯释放层（13)。2. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述密封箱 体（1)的尺寸按照采空区实际尺寸按比例缩小，密封箱体（1)由钢质框架和有机玻璃通过 密封垫片紧密结合而成，密封箱体（1)下部设置底座（2)。3. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的瓦斯 释放系统包括存储甲烷的钢瓶（5)，钢瓶（5)通过管路和减压阀（6)连接稳压箱（7)，稳压箱 (7)上装有压力表（8)，稳压箱（7)上连有三路气管，三路气管上均装有阀门（9)，三路气管 通过质量流量控制器（10)分别连接至邻近瓦斯释放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和 遗煤瓦斯释放层（13)。4. 如权利要求1所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的瓦斯 抽采系统包括为抽采系统提供负压的智能真空泵（15)，智能真空泵（15)通过管路连接由 钢质细管构成的模拟钻井（14)，在钢质细管下端打小孔来模拟筛管。5. 如权利要求4所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置，其特征在于：所述的数据 采集系统包括所述的质量流量控制器（10)，以及对模拟钻井（14)的瓦斯抽采量及抽采浓 度进行监测的风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)，在所述的模 拟采空区内部不同位置布置有微型气压记录仪（20)和小型甲烷浓度记录仪（21)。6. 采用权利要求1至5中任一项所述的封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置进行模拟的 方法，包括如下步骤： a、 首先进行相似分析，确定原型与模型的相似比，并通过预实验获得高回弹海绵（4)渗 透率随轴向压力的变化关系，并拟合得出两者之间的关系式； b、 数据采集系统包括风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)， 将风速传感器（17)、管道压力传感器（18)及甲烷浓度传感器（19)调零，记录传感器初始 值，盖上密封箱体（1)的顶部盖板； c、 采用气密性检测仪对密封箱体（1)的密闭性进行检测，如有漏气则采用玻璃胶进行 封堵，直至其密闭性达到实验方案所设定的标准； d、 按照高回弹海绵（4)渗透率与轴向压力之间的关系，调解不同位置活塞式气缸（3) 的压力，使高回弹海绵（4)渗透率达到模拟方案所设定的渗透率分布特征； e、 按照实验方案设定质量流量控制器（10)的气体流速； f、 打开装有瓦斯的钢瓶（5)的减压阀（6)，待压力表（8)示数稳定后，打开邻近瓦斯释 放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和遗煤瓦斯释放层（13)的阀门（9)，使甲烷按照设定 流速进入邻近瓦斯释放层I(11)、邻近瓦斯释放层II(12)和煤瓦斯释放层（13); g、 按照实验方案，设定智能真空泵（15)负压，打开抽采阀门（16)，数据采集系统实时 记录抽采负压、气体流速及甲烷浓度； K按照实验方案，达到预定抽采时间后，关闭钢瓶的减压阀（6)，拆除减压阀（6)-端 管路，使该端管路与大气相通； i、 继续抽采模拟装置内部气体，直至内部瓦斯气体浓度降低为O; j、 待密封箱体（1)内部气体瓦斯浓度为O时，关闭智能真空泵（15)。
【专利摘要】本发明公开了一种封闭采空区瓦斯三维渗流模拟装置及其模拟方法，属于封闭采空区瓦斯渗流模拟技术领域。本发明装置包括密封箱体、渗透率控制系统、瓦斯释放系统，瓦斯抽采系统及数据采集系统。密封箱体内采用高回弹海绵模拟封闭采空区内多孔介质；气缸阵列对高回弹海绵施加压力控制采空区渗透率的分布特征；瓦斯释放系统将甲烷注入密封箱体的不同层位，模拟不同的瓦斯释放源；钢质细管来模拟地面钻井，采用风速传感器、管道压力传感器及甲烷浓度传感器对模拟钻井的瓦斯抽采量及抽采浓度进行监测；通过布置气压记录仪、甲烷浓度记录仪对模拟采空区内部气体压力和瓦斯浓度进行监测。本发明能够根据实际条件改变模拟方案，具有普遍的适用性。
【IPC分类】G01N33/22
【公开号】CN104897872
【申请号】CN201510251035
【发明人】秦伟, 许家林, 胡国忠, 朱怡然
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月16日
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