[发明专利]一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，包括钻机、模拟箱体、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，地应力模拟加载系统包括第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统；瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐、减压阀、瓦斯压力表和进气阀；声发射系统包括声发射前置放大器、声发射采集盒和多个声发射探头；应力应变监测系统包括应变数据采集仪、第一应变环、第二应变环、第三应变环和应力传感器；本发明还公开了一种本煤层定向钻进过程模拟试验方法。本发明为井下实际钻孔钻进时提供了有利的依据。

技术领域

本发明属于非开挖煤矿水平钻孔定向钻进技术领域，具体涉及一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置及方法。

背景技术

我国是以煤炭作为主要能源的国家，随着国民经济的发展，煤炭的需求量与日俱增，煤炭的开采力度也越来越大。我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了我国的煤炭开采。生产实践表明，降低煤层中瓦斯含量的方法有很多，目前通过采前施工抽放钻孔预抽煤层瓦斯是较为广泛的方法之一，利用钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合治理与利用的常用且有效措施。

随着机械化程度的提高，采煤工作面较以往相比，宽度、长度都有较大幅度的提高，相应工作面的瓦斯量也随着升高，对采前预抽煤层瓦斯的要求更高。瓦斯抽放钻孔也从最开始的几十米提高到现在普遍都是几百米甚至上千米。钻孔深度和煤层段延伸率是影响瓦斯抽采效果和生产效率的重要因素，钻孔深度增加可大幅度提高钻孔的覆盖面积，减少钻孔数量，提高生产效率；煤层延伸段越长，有效钻孔越多，瓦斯抽采效率越高。煤体本就是一种非均质的岩石，由于煤层裂隙宽度、长度、方向、密度等的差异性，导致同一钻孔内煤层的透气性可能存在很大的差异性，并且随着钻孔深度的增加，瓦斯压力与抽放负压的影响，使钻孔在钻进过程中钻头受力不均而发生偏转，导致钻孔偏离最初的设计轨迹，甚至出现串孔、穿透巷道等情况，难以满足矿井预抽煤层瓦斯的要求，给矿井的安全生产带来严重的隐患。

目前，随着国民经济的迅速提高及城市化建设的迅速发展，水平定向施工技术已经得到广泛的应用。煤矿井下定向钻进技术是高效治理煤矿瓦斯的一箱重大关键技术，近几年也一直是国际社会关注和积极发展的关键技术。我国煤矿井下定向钻进技术近几年虽然取得较大进展，但有些核心技术还受制于国外。因此，迫切需要对煤矿井下钻孔钻进过程中钻孔偏移的各种原因以及钻头与周围煤体的力学机理进行分析，并探寻解决这些问题的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、操作简单、能够全面准确的模拟出钻杆钻进过程中的各种状态、能够记录丰富的试验数据、实用性强、使用效果好的本煤层定向钻进过程模拟试验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种本煤层定向钻进过程模拟试验装置，其特征在于：包括钻机、钻杆、钻头、模拟箱体、计算机、地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、应力应变监测系统、钻进角度监测系统和回收系统；

所述模拟箱体内设置有破碎区域、弹塑性区域和原始应力区域，所述模拟箱体上设置有用于连接所述瓦斯压力模拟加载系统的箱体进气口；

所述地应力模拟加载系统包括处于破碎区域的第一液压加载系统、处于弹塑性区域的第二液压加载系统和处于原始应力区域的第三液压加载系统；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐，所述瓦斯气体罐通过气体输送管以及设置在气体输送管上的减压阀、瓦斯压力表和进气阀与箱体进气口连接；