煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟实验方法

1.煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟实验方法，其特征在于，所述实验方法采用煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置，该装置包括封闭三轴加压装置、超声波水力压裂复合致裂装置(4)、抽气注气装置(5)和监测监控装置(3)；所述超声波水力压裂复合致裂装置(4)包括超声波致裂设备(4-1)和水力压裂设备(4-2)，所述抽气注气装置(5)包括真空抽气泵(5-2)和带压力表的瓦斯注气瓶(5-1)；所述三轴加压装置内放置有煤样(10)，所述超声波水力压裂复合致裂装置(4)通过h形钢管(18)将超声波致裂设备(4-1)和水力压裂设备(4-2)分别与封闭三轴加压装置内的煤样(10)连接；所述抽气注气装置(5)中的真空抽气泵(5-2)和带压力表的瓦斯注气瓶(5-1)分别与封闭三轴加压装置内的煤样(10)连接；所述监测监控装置(3)与封闭三轴加压装置内的煤样(10)连接；
所述封闭三轴加压装置包括密封槽(1)和密封盖(2)，所述的密封槽(1)采用厚度为
17cm的钢板焊接而成；所述密封槽(1)和密封盖(2)通过八个螺栓(16)连接构成内部空间为边长45cm的正方体；所述密封槽(1)的一侧钻有三个通孔，分别为上孔(9-1)、中孔(9-2)和下孔(9-3)；三个通孔中心由上至下与密封槽(1)底部的距离分别为26cm、16cm和6cm，孔径从上到下分别为1cm、3cm和1cm，监测监控装置(3)、超声波水力压裂复合致裂装置(4)和抽气注气装置(5)从上至下分别连接穿过三个通孔；
所述密封槽(1)的两个相互垂直的侧面分别设有一个推力杆通孔，所述密封盖(2)设有一个推力杆通孔，三个所述推力杆通孔中分别设置有推力杆(6)，密封槽(1)内部对应的三个推力杆(6)的一端垂直连接推力板(11)，所述推力板(11)为长30cm、宽30cm、厚3cm的长方体钢块，所述推力板(11)与煤样(10)紧贴挤压作用；所述推力杆(6 )与密封槽(1)和密封盖(2)之间通过橡胶环(8-1)密封，所述橡胶环(8-1)镶嵌在密封槽(1)和密封盖(2)钢壁预先铣出的槽内；
实验方法包括以下步骤：
S1：依据实验所需的测量设备的不同，在边长为30cm的正方体煤样(10)的一面刻槽，刻槽完成后以刻槽面中心为圆心，施工一个直径为3cm，深度为15cm的钻孔(21)；
S2：将实验所需的监测监控装置(3)的探头及电线埋设在预先刻好的槽内，将长度为
15cm，外径为3cm的h形钢管(18)插入钻孔(21)内，插入深度为5cm，h形钢管(18)与煤壁之间用植筋胶(17)密封，将连接有电线的超声波换能器(20)送入钻孔(21)内，超声波换能器(20)与h形钢管(18)内壁之间通过镂空钢环(19)连接，保持超声波换能器(20)与h形钢管(18)之间存在间隙；
S3：将连接好监测监控装置(3)的煤样(10)放在密封槽(1)内，h形钢管(18)与密封槽(1)的中孔(9-2)对准插入，直至煤样(10)壁面与密封槽(1)内壁面贴合为止，实验测量所需监测监控装置(3)的电线通过密封槽上的上孔(9-1)穿出，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；
S4：使用螺栓(16)将密封盖(2)与密封槽(1)连接在一起，将3个推力杆(6)推向煤样(10)，完成后将封闭三轴加压装置安置在三轴压力机上，3个推力杆(6)与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；
S5：使用真空泵(5-2)通过下孔(9-3)对封闭三轴加压装置内抽真空12小时，根据实验的不同使用带压力表的瓦斯注气瓶(5-1)通过下孔(9-3)向封闭三轴加压装置内充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭气阀(12)，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；
S6：依据实验的不同，选择合适的方式使用超声波致裂设备和水力压裂设备(4)对煤样进行复合致裂，并通过监测监控装置(3)实时采集实验数据。

煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟实验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超声波与水力压裂复合致裂煤体的实验模拟装置，特别是一种煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置及方法。
背景技术
[0002] 瓦斯是我国煤矿事故频发且严重的主要原因，随着煤矿采深和单井产量的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯突出和瓦斯爆炸愈来愈成为制约煤矿安全高效生产的最重要难题。目前，瓦斯抽采是解决瓦斯灾害最为有效的措施之一。我国地质条件复杂，煤层瓦斯压力高且多为低透气性煤层，随着采深的增加，目前常用的水力压裂、水力割缝和预裂爆破等措施的影响范围会受到限制，采用单一技术措施后煤体无法形成大规模的裂隙网，瓦斯抽采效率低，抽采效果有时不明显。
[0003] 超声波技术作为一种无污染、能效高、穿透能力强的新兴技术，广泛应用于生活和工业各个领域。研究表明，超声波具有降低煤岩体强度、激励煤体致裂和促进瓦斯解析的作用，水力压裂作为传统煤体致裂手段，具有工艺流程简单，技术可靠，影响范围广等优点，同时水力压裂后煤层含水率升高，有利于扩大超声波传播半径，而超声波有利于减轻水力压裂后的水锁效应，超声波与水力压裂复合致裂煤体作为新兴的煤层致裂技术，具有超声波和水力压裂煤层的双重优点。
[0004] 目前实验室对超声波与水力压裂复合致裂煤体的研究较少，成套的实验装置还不完善。理论分析和数值模拟存在很多理想性的假设，与井下煤层实际赋存状态差异太大；直接去煤矿井下实验不仅成本巨大，危险性高，每个煤矿瓦斯压力、煤质、应力状态也是单一的，偶然性概率太大。因此，为了更加深入探究超声波与水力压裂复合致裂煤体的机理和影响因素，设计一种煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置，并开展相应的模拟实验就显得尤为重要。
发明内容
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的技术不足，本发明提供一种煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置及方法，真实模拟煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体过程。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置，包括封闭三轴加压装置、超声波水力压裂复合致裂装置、抽气注气装置和监测监控装置；所述超声波水力压裂复合致裂装置包括超声波致裂设备和水力压裂设备，所述抽气注气装置包括真空抽气泵和带压力表的瓦斯注气瓶；所述三轴加压装置内放置有煤样，所述超声波水力压裂复合致裂装置通过h形钢管将超声波致裂设备和水力压裂设备分别与封闭三轴加压装置内的煤样连接；所述抽气注气装置中的真空抽气泵和带压力表的瓦斯注气瓶分别与封闭三轴加压装置内的煤样连接；所述监测监控装置与封闭三轴加压装置内的煤样连接。
[0008] 进一步的技术方案，所述封闭三轴加压装置包括密封槽和密封盖，所述的密封槽采用板厚为17cm的钢板焊接而成；所述密封槽和密封盖通过八个螺栓连接构成内部空间为边长45cm的正方体；所述密封槽的一侧钻有三个通孔，分别为上孔、中孔和下孔；三个通孔中心由上至下分别距离密封槽底部距离分别为26cm、16cm和6cm，孔径从下到上分别为1cm、
3cm和1cm，三个通孔分别用来连接穿过监测监控装置、超声波水力压裂复合致裂装置和抽气注气装置。
[0009] 进一步的技术方案，所述密封槽的两个相互垂直的侧面分别设有一个推力杆通孔，所述密封盖设有一个推力杆通孔，三个所述推力杆通孔中分别设置有推力杆，位于密封槽内部对应的三个推力杆的一端垂直连接有推力板，所述推力板为长30cm、宽30cm、厚3cm的长方体钢块，所述推力板与煤样紧贴挤压作用；所述推力杆分别与密封槽和密封盖之间通过橡胶环密封，所述橡胶环镶嵌在密封槽和密封盖钢壁预先铣出的槽内。
[0010] 煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
[0011] S1：依据实验所需的测量设备的不同，在边长为30cm的正方体煤样的一面刻槽，刻槽完成后以刻槽面中心为圆心，钻一个直径为3cm，深度为15cm的钻孔；
[0012] S2：将实验所需的监测监控装置的探头及电线埋设在预先刻好的槽内，将长度为
15cm，外径为3cm的h形钢管一端插入钻孔内，插入深度为5cm，h形钢管与煤壁之间用植筋胶密封，将连接有电线的超声波换能器送入钻孔内，超声波换能器与h形钢管内壁之间通过镂空钢环连接，保持超声波换能器与h形钢管之间存有间隙；
[0013] S3：将连接好监测监控装置的煤样放在密封槽内，h形钢管与密封槽的中孔对准插入，直至煤样壁面与密封槽内壁面贴合为止，实验测量所需监测监控装置的电线通过密封槽上的上孔穿出，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；
[0014] S4：使用螺栓将密封盖与密封槽连接在一起，将3个推力杆推向煤样，完成后将封闭三轴加压装置安置在三轴压力机上，3个推力杆与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；
[0015] S5：使用真空泵通过下孔对封闭三轴加压装置内抽真空12小时，根据实验的不同使用带压力表的瓦斯注气瓶通过下孔向封闭三轴加压装置内充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭气阀，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；
[0016] S6：依据实验的不同选择合适的方式使用超声波致裂设备和水力压裂设备对煤样进行复合致裂，并通过监测监控装置实时采集实验数据。
[0017] 有益效果：本发明是基于超声波与水力压裂复合致裂煤体技术的一种煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置及方法，其中：超声波与水力压裂复合致裂煤体作为一种新型煤层致裂技术，具有施工速度快、能量密度大、影响范围广、适应坚硬煤层作业等优点，是目前解决我国坚硬低透气性煤层瓦斯抽采问题最为有效的措施之一。本发明首次设计了一套完善的模拟煤矿井下含瓦斯煤层真实赋存状态的超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟实验装置及使用方法。
[0018] 本发明采用相似模拟的实验方法真实模拟了井下煤层周围应力和瓦斯赋存状况，与理论分析和数值模拟相比，更接近于井下煤层真实状态，实验数据的可靠性、科学性和精确性更高；与现场实测相比，受外力影响较小，成本较低同时实验可通过调节三轴压力和瓦斯压力模拟不同煤层，适应性更广泛。采用密封槽钢壁铣槽内镶橡胶环的方式密封推力杆和钢壁之间的空隙，耐压能力更高，密封效果更好；采用h形钢管分别连接水力压裂设备和超声波致裂设备，在保证两个致裂系统正常运转的同时节约了材料和施工时间。
附图说明
[0019] 图1是煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置示意图；
[0020] 图2是图1中密封槽的主视图；
[0021] 图3是图1中密封槽的俯视图；
[0022] 图4是图1中密封盖的俯视图；
[0023] 图5是图1中密封盖的主视图；
[0024] 图6是图1中主钻孔内各仪器布置和连接示意图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0026] 如图1，煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置，包括封闭三轴加压装置、超声波水力压裂复合致裂装置4、抽气注气装置5和监测监控装置3；所述超声波水力压裂复合致裂装置4包括超声波致裂设备4-1和水力压裂设备4-2，所述抽气注气装置5包括真空抽气泵5-2和带压力表的瓦斯注气瓶5-1；所述三轴加压装置内放置有煤样10，所述超声波水力压裂复合致裂装置4通过h形钢管18将超声波致裂设备4-1和水力压裂设备4-2分别与封闭三轴加压装置内的煤样10连接，所述过h形钢管18通过橡胶环8-1与封闭三轴加压装置密封；所述抽气注气装置5中的真空抽气泵5-2和带压力表的瓦斯注气瓶5-1分别与封闭三轴加压装置内的煤样10连接；所述监测监控装置3与封闭三轴加压装置内的煤样10连接。
[0027] 如图2-5，所述封闭三轴加压装置包括密封槽1和密封盖2，所述的密封槽1采用板厚为17cm的钢板焊接而成；所述密封槽1和密封盖2通过八个螺栓16连接构成内部空间为边长45cm的正方体；所述密封槽1的一侧钻有三个通孔，分别为上孔9-1、中孔9-2和下孔9-3；
三个通孔中心由上至下分别距离密封槽1底部距离分别为26cm、16cm和6cm，孔径从下到上分别为1cm、3cm和1cm，三个通孔分别用来连接穿过监测监控装置3、超声波水力压裂复合致裂装置4和抽气注气装置5。所述密封槽1的两个相互垂直的侧面分别设有一个推力杆通孔，所述密封盖2设有一个推力杆通孔，三个所述推力杆通孔中分别设置有推力杆6，位于密封槽1内部对应的三个推力杆6的一端垂直连接有推力板11，所述推力板11为长30cm、宽30cm、厚3cm的长方体钢块，所述推力板11与煤样10紧贴挤压作用；所述推力杆11分别与密封槽1和密封盖2之间通过橡胶环8-1密封，所述橡胶环8-1镶嵌在密封槽1和密封盖2钢壁预先铣出的槽内。
[0028] 如图1和6，煤矿井下超声波与水力压裂复合致裂煤体模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
[0029] S1：依据实验所需的测量设备的不同，在边长为30cm的正方体煤样10的一面刻槽，刻槽完成后以刻槽面中心为圆心，钻一个直径为3cm，深度为15cm的钻孔21；
[0030] S2：将实验所需的监测监控装置3的探头及电线埋设在预先刻好的槽内，将长度为
15cm，外径为3cm的h形钢管18一端插入钻孔21内，插入深度为5cm，h形钢管18与煤壁之间用植筋胶17密封，将连接有电线的超声波换能器20送入钻孔21内，超声波换能器20与h形钢管
18内壁之间通过镂空钢环19连接，保持超声波换能器20与h形钢管18之间相互间隙；
[0031] S3：将连接好监测监控装置3的煤样10放在密封槽1内，h形钢管18与密封槽1的中孔9-2对准插入，直至煤样10壁面与密封槽1内壁面贴合为止，实验测量所需监测监控装置3的电线通过密封槽上的上孔9-1穿出，电线与孔壁之间通过植筋胶密封；
[0032] S4：使用螺栓16将密封盖2与密封槽1连接在一起，将3个推力杆6推向煤样10，完成后将封闭三轴加压装置安置在三轴压力机上，3个推力杆6与三轴压力机的3个压力杆对应，实现煤样三轴加压；
[0033] S5：使用真空泵5-2通过下孔9-3对封闭三轴加压装置内抽真空12小时，根据实验的不同使用带压力表的瓦斯注气瓶5-1通过下孔9-3向封闭三轴加压装置内充入不同体积的瓦斯，充瓦斯完成后关闭气阀12，调节三轴压力机使得煤样达到实验所需的三轴应力；
[0034] S6：依据实验的不同选择合适的方式使用超声波致裂设备和水力压裂设备4对煤样进行复合致裂，并通过监测监控装置3实时采集实验数据。
[0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。