[发明专利]一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统及方法

权利要求书

1.一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，其特征在于：包括加载装置、脱气装置、注气装置、割缝装置、数据采集装置、实验腔体(8)、煤层16和气渣分离器(17)；

所述实验腔体(8)包括箱体(801)和上盖(802)；所述箱体(801)整体为一个矩形箱体；所述上盖(802)可覆盖箱体(801)的上端敞口处；所述箱体(801)的底部和侧壁上设置有若干供管道或管线穿过的通孔；所述箱体(801)的底部通孔中嵌合有下密封套筒(8011)；

所述煤层(16)布置在实验腔体(8)内腔中；所述煤层(16)底部设置有孔洞；所述下密封套筒(8011)的一端伸入孔洞中，另一端伸出实验腔体(8)底部；

所述割缝装置包括超高压水泵(1)、压力控制装置(2)和自旋式割缝器(3)。所述超高压水泵(1)、压力控制装置(2)和自旋式割缝器(3)通过管道依次连接；所述自旋式割缝器(3)穿过下密封套筒(8011)后，布置在煤层(16)底部孔洞中；

所述数据采集装置包括气压采集仪(9)、转接头(10)、气管(11)、应变采集仪(12)、应变片(13)和计算机(20)；所述的气压采集仪(9)和应变采集仪(12)均与计算机(20)连接；所述气压采集仪(9)、转接头(10)和气管(11)通过管线依次连接；所述应变采集仪(12)、转接头(10)和应变片(13)通过管线依次连接；所述气管(11)和应变片(13)布置在煤层(16)内；

所述脱气装置和注气装置通过箱体(801)侧壁上的孔洞与实验腔体(8)内腔连接；

所述气渣分离器(17)的入口端与下密封套筒(8011)连接，出口端与阀门(18)和流量计(19)连接；

工作时，脱气装置对实验腔体(8)内腔抽真空；注气装置在设定的瓦斯压力下对实验腔体(8)内充气，煤层(16)吸附瓦斯；加载装置对煤层(16)施加三个方向的围压；

试验时，水经由超高压水泵(1)加压后，通过压力控制装置(2)流向自旋式割缝器(3)。自旋式割缝器(3)产生高速射流对孔洞周围的煤体进行切割；形成一条垂直于孔洞轴向方向的圆盘状缝槽；所述气压采集仪(9)、应变采集仪(12)和流量计(19)实时采集气压、应变和瓦斯流量的变化。

2.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，其特征在于：模拟系统还包括三通阀(5)；所述三通阀(5)通过箱体(801)侧壁上的通孔与实验腔体(8)内腔气密连接；所述脱气装置包括真空泵(4)；所述真空泵(4)通过管线与三通阀(5)连接；所述注气装置包括气瓶(6)和减压阀(7)；所述气瓶(6)通过管线依次与减压阀(7)和三通阀(5)连接。

3.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，其特征在于：所述自旋式割缝器(3)包括芯管(301)和射流本体(302)；所述射流本体(302)上设有两个中心对称的锥直型射流通道(3021)；从射流通道(3021)射出的高压流体水力的反冲产生使射流本体(302)自旋的扭力矩。

4.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，其特征在于：所述加载装置包括布置在实验腔体(8)内腔中的三块压板(15)，及其附属的液压缸和油泵(14)；所述油泵(14)驱动压板(15)，对煤层(16)施加三向均布应力。

5.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统，其特征在于：模拟系统还包括固定装置；所述固定装置包括两块钢板以及连接两块钢板的若干连接杆；所述实验腔体(8)布置在两块钢板之间。

6.一种关于权利要求1所述含瓦斯煤超高压水射流割缝相似模拟系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作煤层(16)，并在煤层(16)中布置气管(11)和应变片(13)；

2)在煤层(16)底部开挖孔洞；

3)将煤层(16)置于箱体(801)中，连接转接头(10)与应变片(13)和气管(11)；启动并调试应变采集仪(12)、气压采集仪(9)和计算机(20)；盖上上盖(802)，检查系统气密性；

4)启动脱气装置对实验腔体(8)抽真空；24小时后，关闭脱气装置；打开注气装置，在设定的瓦斯压力下对实验腔体(8)充气，待气压采集仪(9)和应变采集仪(12)采集到的气压和应变均不发生变化时，关闭注气装置；

5)启动加载装置对煤层(16)施加设定的三个方向应力；

6)启动超高压水泵(1)，调节压力控制装置(2)使水射流压力为设定压力，打开阀门(18)；自旋式割缝器(3)喷射出超高压水射流，对煤层(16)进行旋转式割缝；

7)实时记录气压采集仪(9)、应变采集仪(12)和流量计(19)采集到的气压、应变和瓦斯流量；5min后，关闭超高压水泵(1)，待气压、应变和瓦斯流量的示数不变时，关闭加载装置，打开上盖(802)，取出煤层(16)；

8)改变初始瓦斯压力、初始三向应力或射流冲击压力，重复实验步骤1)～7)，得到不同工况下气压、应变和瓦斯流量的变化曲线。