可控冲击波煤层增透评价系统

技术领域

本发明涉及煤层增透技术领域，具体而言，涉及一种可控冲击波煤层增透评价系统。

背景技术

为了保证煤矿的安全生产，常通过钻孔预抽瓦斯，但是对于低透气性的高瓦斯煤层，直接预抽的效果不甚理想，所以产生了多种煤层增透方法，以改善煤层的透气性。

可控冲击波技术作为一种新型的煤层增透技术，目前在矿井现场已开展相关的工业试验，但对于可控冲击波作用过程中煤体的裂纹扩展机理，尤其是多次作用条件下煤体中裂隙形态变化研究较少。目前由于实验条件限制，实验室仍需卸压取出试件观测，在X光机下进行扫描，煤体在卸载体积应力过程中会产生新的裂隙，且原有裂隙的开度、长度等形态也会发生改变，导致取出后的煤体试件无法反映原岩应力条件下煤体裂隙和渗透特性变化。

发明内容

本发明解决的是现有煤体试件需要卸压取出后观测，导致裂隙和渗透特性观测结果不准确。

为解决上述问题，本发明提供一种可控冲击波煤层增透评价系统，所述系统包括原位环境模拟子系统、可控冲击波发生子系统、扫描子系统、气体注入子系统及数据采集分析子系统；所述原位环境模拟子系统包括夹持器、轴压控制装置、围压控制装置及温控装置；所述原位环境模拟子系统用于提供预设的温度压力模拟环境；所述夹持器用于容纳测试煤样；所述可控冲击波发生子系统包括控制器及可控冲击波发生器，所述可控冲击波发生器设置于所述夹持器中；所述扫描子系统包括发射器及接收器，所述发射器及所述接收器相对设置于所述夹持器两侧；所述气体注入子系统包括气体注入泵、气体管路及流量计，所述气体管路连通所述气体注入泵及所述夹持器、所述夹持器及外界空间，所述流量计设置于所述气体管路中；所述数据采集分析子系统与所述接收器及所述流量计连接，用于根据气体流量及扫描图像分析所述测试煤样的渗透率和内部裂隙结构变化。

可选地，所述夹持器包括胶套、液压顶板、液压底板及外壳，所述胶套设置于所述液压顶板、所述液压底板及所述外壳围成的空间内；所述胶套用于容纳所述测试煤样。

可选地，所述外壳采用聚醚醚酮材料，和/或，所述胶套采用丁腈橡胶。

可选地，所述胶套的外壁与所述外壳的内壁的距离为4-6mm，和/或，所述外壳的厚度为8-12mm。

可选地，所述轴压控制装置包括第一液压管路，所述第一液压管路连接至所述液压顶板及所述液压底板；所述围压控制装置包括第二液压管路，所述第二液压管路连接至所述胶套及所述外壳之间空间。

可选地，所述第二液压管路中的压力液为去离子水。

可选地，所述温控装置设置于所述第二液压管路，用于加热所述第二液压管路中的压力液。

可选地，所述原位环境模拟子系统还包括转台，所述夹持器设置于所述转台上。

可选地，所述发射器为X光机，所述接收器为X射线接收器。

可选地，所述预设的温度压力模拟环境的轴压及围压均大于25MPa、温度大于70℃。

本发明实施例提供的可控冲击波煤层增透评价系统，可以在模拟的煤层原位环境中对测试煤样进行可控冲击波实验，并通过发射器及接收器对测试煤样进行扫描，可以确定可控冲击波实验对内部裂隙结构的影响，通过流量计采集的气体流量信息，可以确定可控冲击波实验对渗透率的影响，从而得到模拟原位条件下可控冲击波的煤层增透效果评价结果，上述观测过程无需将测试煤样卸压取出，裂隙及渗透率演化特征观测结果更加准确，进一步，可以得到多次可控冲击波作用后煤样内部裂隙演化规律和渗透率变化，进而得到最佳的可控冲击波作业次数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例中一种可控冲击波煤层增透评价系统的结构流程图。

附图标记说明：

11-夹持器；111-胶套；112-测试煤样；12-轴压控制装置；13-围压控制装置；14-温控装置；15-数控转台；21-控制器；22-可控冲击波发生器；31-X光机；32-X射线接收器；41-气体注入泵；42-气体管路；43-氮气流量计；421-注气阀门；422-出口阀门；423-气体压力传感器；44-氮气气源；50-数据采集分析系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种可控冲击波煤层增透评价系统，该系统包括原位环境模拟子系统、可控冲击波发生子系统、扫描子系统及数据采集分析子系统。

其中，原位环境模拟子系统用于提供预设的温度压力模拟环境，包括夹持器、轴压控制装置、围压控制装置及温控装置。该夹持器用于容纳测试煤样。具体地，该夹持器可以包括胶套、液压顶板、液压底板及外壳，胶套设置于液压顶板、液压底板及外壳围成的空间内。原位环境模拟子系统提供的温度压力模拟环境，其轴压及围压可以均大于25MPa、温度可以大于70℃。

上述外壳为圆筒状，其上侧开口由液压顶板覆盖，下侧开口由液压底板覆盖，外壳、液压顶板及液压底板组成一个封闭空间，胶套置于该封闭空间内，在该胶套内可以容纳上述测试煤样。轴压控制装置向上述液压顶板及液压底板提供液压动力，使其向测试煤样施加轴向压力，围压控制装置向上述外壳及胶套之间的空间注入压力液，以向胶套施加周向压力，从而模拟煤层在自然条件下的原位环境。其中，胶套可以将压力液与测试煤样隔离。

可控冲击波发生子系统包括控制器及可控冲击波发生器，可控冲击波发生器设置于上述夹持器中。在上述夹持器装入测试煤样后，该可控冲击波发生器位于该测试煤样的中心。用户可以通过控制器控制可控冲击波发生器启动，对测试煤样进行可控冲击波实验。可以理解的是，用户可以控制进行多次可控冲击波实验，以观测不同次数可控冲击波对测试煤样的渗透率和内部裂隙结构的影响。

扫描子系统可以包括发射器及接收器，该发射器及接收器相对设置于夹持器两侧。由发射器发射扫描射线、声波等，由接收器接收，通过接收到的扫描结果可以得到测试煤样在受到可控冲击之前的内部裂隙及受到可控冲击之后的内部裂隙。上述发射器可以发射X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的接收器一同围绕被测物体作一个接一个的断面扫描。

气体注入子系统包括气体注入泵、气体管路及流量计，该气体管路连通气体注入泵及夹持器、夹持器及外界空间，该流量计设置于气体管路中。气体注入泵可以将氮气等气体注入上述夹持器的测试煤样中，通过流量计采集的流量数据可以计算得到测试煤样的渗透率。

数据采集分析子系统与上述接收器及流量计连接，可以接收流量计采集的气体流量以及接收器采集的扫描图像，并根据上述气体流量及扫描图像分析测试煤样的渗透率和内部裂隙结构变化。

本实施例提供的可控冲击波煤层增透评价系统，可以在模拟的煤层原位环境中对测试煤样进行可控冲击波实验，并通过发射器及接收器对测试煤样进行扫描，可以确定可控冲击波实验对内部裂隙结构的影响，通过流量计采集的气体流量信息，可以确定可控冲击波实验对渗透率的影响，从而得到模拟原位条件下可控冲击波的煤层增透效果评价结果，上述观测过程无需将测试煤样卸压取出，裂隙及渗透率演化特征观测结果更加准确，进一步，可以得到多次可控冲击波作用后煤样内部裂隙演化规律和渗透率变化，进而得到最佳的可控冲击波作业次数。

为保证获得测试煤样清晰的扫描结果，最大程度减少原位环境模拟系统对扫描光线的吸收，上述外壳采用聚醚醚酮PEEK材料，和/或，胶套采用丁腈橡胶。

PEEK材料具有机械强度高、耐高温等特性，且可透过X射线，在CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)扫描时不产生伪影，不会对测试煤样的扫描结果产生干扰。外壳的厚度为8-12mm。例如，选用10mm壁厚的PEEK作为原位环境模拟系统外壳，保证了原位环境模拟系统可承受上述25MPa压力、70℃的温度压力环境。

胶套采用丁腈橡胶，由于丁腈橡胶具有较好的耐热性和气密性，密度约为1.25g/cm3，在CT扫描结果中可以较好地与测试煤样区别开。

胶套的外壁与外壳的内壁的距离可以为4-6mm。例如，胶套外壁距离原位环境模拟系统外壳内壁5mm，既可以保证围压控制装置提供的压力液可以充分进入原位环境模拟系统施加围压，又可以尽量减少发射器(例如X光机)距离测试煤样的距离，增加CT放大倍数。

可选地，上述轴压控制装置包括第一液压管路，该第一液压管路连接至液压顶板及液压底板，用于向上述液压顶板及液压底板提供液压动力，使其向测试煤样施加轴向压力；上述围压控制装置包括第二液压管路，该第二液压管路连接至胶套及外壳之间空间，用于向上述外壳及胶套之间的空间注入压力液，以向胶套施加周向压力。

第二液压管路中的压力液为去离子水。采用去离子水作为压力液，充填在胶套和原位环境模拟系统的外壳之间，可以最大程度减少水中杂质对X射线吸收，保证CT扫描效果。

可选地，上述温控装置设置于第二液压管路，用于加热第二液压管路中的压力液。可以实现在不影响发射器工作的条件下执行对测试煤样的加热。

可选地，上述原位环境模拟子系统还包括转台，上述夹持器设置于转台上。在扫描子系统运行的过程中，转台旋转从而带动夹持器及其中的测试煤样旋转，接收器可以采集到测试煤样的多个轴向剖面的扫描结果，拼接后即可得到测试煤样的扫描结果。示例性地，转台以每2s转动10°的速度转动，转动一周360°后，接收器可以得到多张扫描图像。

可选地，上述发射器为X光机，上述接收器为X射线接收器。

图1是本发明的一个实施例中一种可控冲击波煤层增透评价系统的结构流程图，示出了该系统包括原位环境模拟子系统、可控冲击波发生子系统、扫描子系统、气体注入子系统及数据采集分析子系统。

其中，原位环境模拟子系统包括夹持器11、轴压控制装置12、围压控制装置13及温控装置14。可控冲击波发生子系统包括控制器21及可控冲击波发生器22。可控冲击波发生器22在上述夹持器11中。

扫描子系统包括X光机31及X射线接收器32。

气体注入子系统包括气体注入泵41、气体管路42及氮气流量计43，在气体管路42上设置有注气阀门421、出口阀门422以及气体压力传感器423。本实施例中以气体是氮气为例，上述气体注入子系统还包括氮气气源44。在上述夹持器11中还设置有胶套111，在胶套111中容纳有测试煤样112，在夹持器11下方设置有数控转台15。

以下详细介绍可控冲击波煤层增透评价系统的实验过程。

(1)将可控冲击波发生器22装入测试煤样112中，再将测试煤样112装入原位环境模拟子系统的胶套111中，然后将原位环境模拟系统安装在数控转台15上。

(2)将原位环境模拟系统与气体注入泵41、温控装置14、轴压控制装置12、围压控制装置13、氮气流量计43连接，并检测系统气密性。

(3)启动温控装置14、轴压控制装置12和围压控制装置13，使得原位环境模拟系统中温度和压力达到实验设定值。

(4)依次打开氮气气源44、气体注入泵41、注气阀门421、出口阀门422，以设定气体压力向测试煤样112中注入氮气。待氮气流量计43显示流量稳定2小时以上后，测定测试煤样112的渗透率。随后依次关闭氮气气源44、气体注入泵41、注气阀门421。

(5)启动X光机31、X射线接收器32、数控转台15和数据采集分析系统50，开始对测试煤样112进行扫描.扫描完成后关闭X光机31、X射线接收器32、数控转台15，数据采集分析系统50对扫描的数据进行处理分析，得到测试煤样112的CT扫描图像。

(6)启动可控冲击波发生器22，对测试煤样112进行一次可控冲击波实验.

(7)重复步骤(4)-(5)，得到一次可控冲击波实验后测试煤样112的渗透率和内部裂隙结构变化。

(8)按实验设定可控冲击波实验次数重复步骤(6)-(7)，得到不同次数可控冲击波作用后测试煤样112的渗透率和内部裂隙结构变化。

本实施例的原位环境模拟系统可提供试件尺寸为Φ50×100mm，轴压与围压可分别达25MPa，环境温度达70℃的温度压力模拟环境。

为保证获得清晰的测试煤样的CT图像，最大程度减少原位环境模拟系统的外壳、围压压力液对X光线的吸收，采用以下创新技术：

(1)原位环境模拟系统的外壳采用PEEK材料，壁厚10mm；(2)测试煤样包裹的胶套采用丁腈橡胶，壁厚3mm；(3)胶套外壁距离原位环境模拟系统的外壳内壁5mm；(4)围压控制装置采用的压力液为去离子水。

围压控制装置由一台注入泵和一台抽出泵组成，通过温控装置加热注入的压力液，实现在不影响X光机的条件下测试煤样的加热。

通过不同次数可控冲击波作业后测试煤样的渗透率测试和CT扫描，可以得到多次可控冲击波作用后煤体内部裂隙演化规律和渗透率变化，实现模拟原位条件下可控冲击波煤层增透效果评价，得出最佳的可控冲击波作业次数。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。