用于確定上保護(hù)層開采卸壓范圍的測試系統(tǒng)及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦井瓦斯災(zāi)害防治領(lǐng)域，尤其涉及一種用于確定上保護(hù)層開采卸壓范 圍的測試系統(tǒng)及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著煤層開采深度增加，煤層瓦斯壓力與含量逐漸增大，煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性逐 漸增大。針對突出煤層，我國防突工作堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則， 而開采保護(hù)層是防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性防突措施。保護(hù)層開采的技術(shù) 原理是：選擇非突出煤層或弱突出煤層作為保護(hù)層首先開采，使得上下煤巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈的 拉張破壞，并發(fā)生移動(dòng)，被保護(hù)煤層原始地應(yīng)力得到釋放，煤層裂隙充分?jǐn)U展，煤層透氣性 顯著提高，大量吸附態(tài)瓦斯解吸為游離狀態(tài)，通過卸壓瓦斯強(qiáng)化抽采，使得被保護(hù)煤層地應(yīng) 力、瓦斯壓力與含量進(jìn)一步降低，最終達(dá)到消除被保護(hù)煤層突出危險(xiǎn)性的目的。
[0003] 保護(hù)層開采后需考察被保護(hù)煤層的保護(hù)效果與保護(hù)范圍，根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督 管理總局規(guī)章《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和國家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范 AQ1050-2008》可知，目前確定保護(hù)范圍主要通過在被保護(hù)層卸壓邊界區(qū)域布置瓦斯壓力測 試鉆孔，通過保護(hù)層開采前后原始瓦斯壓力與殘余瓦斯壓力的對比來確定保護(hù)層范圍，然 后通過實(shí)測瓦斯壓力測算的瓦斯含量進(jìn)一步考察保護(hù)范圍，該方法以測算瓦斯參數(shù)為主， 對保護(hù)層開采的卸壓作用沒有充分體現(xiàn)，而以卸載地應(yīng)力為主進(jìn)行區(qū)域消突的上保護(hù)層開 采條件，通過應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行保護(hù)范圍考察更具科學(xué)性；目前，在保護(hù)層開采過程中，現(xiàn)場工 程技術(shù)人員通過測試被保護(hù)煤層膨脹變形量指標(biāo)來評價(jià)保護(hù)層的開采效果，但測試成功率 較低。
[0004] 因此，進(jìn)行突出煤層保護(hù)范圍考察時(shí)急需一種通過測試應(yīng)力指標(biāo)來確定保護(hù)范圍 的技術(shù)方法，尤其適用于確定上保護(hù)層開采保護(hù)范圍的技術(shù)方法，通過考察應(yīng)力指標(biāo)可為 被保護(hù)煤層采掘巷道布置及突出防治提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而保障突出煤層的安全高效開采。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于確定上保護(hù)層開采卸 壓范圍的測試系統(tǒng)及測試方法，對以卸載地應(yīng)力為主進(jìn)行消突的上保護(hù)層開采條件下保護(hù) 范圍的測試，以提高測試準(zhǔn)確性。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括：
[0007] -種用于確定上保護(hù)層開采卸壓范圍的測試系統(tǒng)，其包括現(xiàn)場測試部與實(shí)驗(yàn)室測 試部，將現(xiàn)場測試部獲取的煤樣通過實(shí)驗(yàn)室測試部進(jìn)行測試，其中，實(shí)驗(yàn)室測試部包括大尺 寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)，大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)與一電液伺服控制油壓栗相連接，電液伺 服控制油壓栗用于向大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)施加壓力，大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)配置有 一質(zhì)量流量計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)通過相應(yīng)管路分別與大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)、集氣裝置相連 通，大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)通過相應(yīng)管路與真空栗相連通，真空栗通過減壓閥與一甲烷 鋼瓶相連通。
[0008] 所述的測試系統(tǒng)，其中，上述大尺寸徑向滲流測試機(jī)構(gòu)包括一高壓罐體，高壓罐體 上部設(shè)置有連接法蘭，連接法蘭通過連接螺栓螺母與高壓罐體相連接，高壓罐體內(nèi)設(shè)置有T 型活塞，T型活塞的豎直段與電液伺服控制油壓栗相連接，T型活塞的水平段橫向布置在高 壓罐體內(nèi)，T型活塞之水平段下方的高壓罐體內(nèi)設(shè)置有壓頭，壓頭下方設(shè)置有用于放置煤樣 的滲氣花管，滲氣花管通過排氣花管相連通，滲氣花管的下部設(shè)置有排氣管，排氣管通過排 氣口與質(zhì)量流量計(jì)相連通，一個(gè)滲氣花管的一端通過氣口與真空栗相連通，另一個(gè)滲氣花 管的一端以及排氣管的另一端上分別設(shè)置有壓力變送器，質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器均與一 數(shù)據(jù)采集器相連接，數(shù)據(jù)采集器與一數(shù)據(jù)處理中心相連接。
[0009] 所述的測試系統(tǒng)，其中，上述現(xiàn)場測試部包括上保護(hù)層，上保護(hù)層包括采空區(qū)，采 空區(qū)的一端設(shè)置有上保護(hù)層機(jī)巷，另一端設(shè)置有上保護(hù)層風(fēng)巷，上保護(hù)層的下方為被保護(hù) 層，從被保護(hù)層之底板巖巷及鉆場內(nèi)向卸壓邊界區(qū)域施工四個(gè)小孔徑穿煤鉆孔作為測壓鉆 孔，測壓鉆孔終孔位置連成一條直線，并以理論卸壓線中線為中心，每間隔十五米布置一個(gè) 測壓鉆孔，測壓鉆孔均勻布置，每個(gè)測壓鉆孔均與一壓力表相連接；測壓鉆孔采用風(fēng)力排渣 工藝施工，施工過程中采集各測壓鉆孔的煤樣并密封保存，且記錄測壓鉆孔施工參數(shù)，測壓 鉆孔施工完畢后封孔測定煤層瓦斯壓力，每天記錄各測壓鉆孔對應(yīng)壓力表的讀數(shù)。
[0010] 一種測試方法，其包括以下步驟：
[0011] A、將篩分煤樣放置于滲氣花管內(nèi)，然后啟動(dòng)電液伺服控制油壓栗，驅(qū)動(dòng)T型活塞 向下運(yùn)動(dòng)，通過壓頭給煤樣施加垂向應(yīng)力，隨后進(jìn)行真空脫氣，兩小時(shí)后關(guān)閉真空栗及對應(yīng) 閥門；然后開啟甲烷鋼瓶和減壓閥，向高壓罐體內(nèi)注氣，注氣壓力為該煤樣實(shí)測壓力值，進(jìn) 行六小時(shí)平衡吸附，然后開啟對應(yīng)閥門進(jìn)行大尺寸徑向穩(wěn)態(tài)滲流實(shí)驗(yàn)，通過壓力變送器、質(zhì) 量流量計(jì)與數(shù)據(jù)采集器記錄平衡時(shí)內(nèi)外邊界壓力和氣體流量；
[0012] B、將步驟A所測數(shù)據(jù)代入式（1)計(jì)算，得出該煤樣在設(shè)定垂直向力下的滲透率值，
[0014] 其中，K為煤樣的滲透率，單位為mD或103μηι; μ為瓦斯的粘度，20°C時(shí)取為 1. 087 X 10 5Pa · s ;p。為實(shí)驗(yàn)室的大氣壓力，單位為Pa ;Q。為氣體流量，單位為ml/s ;p w為內(nèi) 邊界壓力，單位為MPa !Pf3外邊界壓力，單位為MPa ;rw為內(nèi)邊界半徑，單位為cm、]%為外邊界 半徑，單位為cm ;h為煤層厚度，單位為cm ;
[0015] C、通過更換煤樣和改變垂向應(yīng)力進(jìn)行多次大尺寸徑向穩(wěn)態(tài)滲流實(shí)驗(yàn)，獲得各煤樣 在不同垂向應(yīng)力下的滲透率，并繪制出滲透與垂向應(yīng)力的關(guān)系曲線；
[0016] D、根據(jù)現(xiàn)場所測煤層滲透率，確定各測壓鉆孔位置處煤體垂向應(yīng)力，繪制卸壓邊 界區(qū)域垂向應(yīng)力分布曲線，根據(jù)實(shí)際煤層賦存情況計(jì)算垂向卸壓臨界值，得出該臨界值在 實(shí)測曲線中對應(yīng)的位置，即為該區(qū)域上保護(hù)層開采的實(shí)際卸壓邊界位置。
[0017] 所述的測試方法，其中，在步驟A之前還包括：
[0018] 從被保護(hù)層之底板巖巷及鉆場內(nèi)向卸壓邊界區(qū)域施工四個(gè)小孔徑穿煤鉆孔作為 測壓鉆孔，測壓鉆孔終孔位置連成一條直線，并以理論卸壓線中線為中心，每間隔十五米布 置一個(gè)測壓鉆孔，測壓鉆孔均勻布置，每個(gè)測壓鉆孔均與一壓力表相連接；測壓鉆孔采用風(fēng) 力排渣工藝施工，施工過程中采集各測壓鉆孔的煤樣并密封保存，且記錄測壓鉆孔施工參 數(shù)，測壓鉆孔施工完畢后封孔測定煤層瓦斯壓力，每天記錄各測壓鉆孔壓力表的讀數(shù)，
[0019] 待壓力穩(wěn)定后，記錄各測壓鉆孔瓦斯壓力值，采用測壓鉆孔徑向法計(jì)算各測壓鉆 孔所在位置煤層透氣性系數(shù)，并根據(jù)式（2)換算成滲透率，獲得各鉆孔所在位置的煤層滲 透率；
[0020] λ = ΚΛ2 μ p。）式（2)
[0021] 其中，K為煤樣的滲透率，單位為mD或103μηι; μ為瓦斯的粘度，20°C時(shí)取為 L 087 X 10 5Pa · s ;p。為實(shí)驗(yàn)室的大氣壓力，單位為Pa。
[0022] 本發(fā)明提供的一種用于確定上保護(hù)層開采卸壓范圍的測試系統(tǒng)及測試方法，能解 決突出煤層保護(hù)層開采范圍考察時(shí)所采用的指標(biāo)及測試手段單一的技術(shù)問題，對以卸載地 應(yīng)力為主進(jìn)行消突的上保護(hù)層開采條件下保護(hù)范圍的考察，提供了一種以應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行考 察的新途徑，豐富了考察手段，提高了考察的準(zhǔn)確性，為被保護(hù)煤層采掘合理布局及安全開 采提供了科學(xué)依據(jù)，提高了測試準(zhǔn)確性，同時(shí)可有效避免煤炭資源和瓦斯防治工程的浪費(fèi)。
【附圖說明