CN114965150B - 联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法 - Google Patents
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Abstract
联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，具体包括以下步骤：（一）设计一种测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备；（二）、制备煤样；（三）、对煤样加载；（四）、气密性测试；（五）、标定死体积；（六）、抽真空；（七）、充甲烷，计算单位质量煤样的吸附瓦斯量；（八）、注液，计算得到单位质量煤样的残存瓦斯量；（九）、钻进产尘，检测煤尘浓度及煤尘粒径分布；（十）、重复步骤（二）～（九），改变加载应力、吸附平衡压力、注液量或注液压力；（十一）、对煤层注液进行综合评价。本发明能够相似模拟井下煤层上覆地应力和瓦斯赋存下注液及注液后切割煤体产尘，为深入研究煤层注液协同治理瓦斯及粉尘提供理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体地说，涉及一种联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法。
背景技术
煤炭是我国的主要能源资源，煤矿的安全生产对于我国经济的发展具有重要的意义。在煤炭的持续开采过程中，瓦斯灾害与粉尘灾害严重影响着我国煤矿的安全生产。煤层注水是一项综合灾害防治措施，常应用于瓦斯治理及粉尘治理，然而煤层注水在煤矿的应用还存在一些瓶颈。在煤层注水治理瓦斯方领域，2009年之前，煤层注水作为区域防突措施和局部防突措施广泛应用于防治煤与瓦斯突出，一些工程实验表明注过水的煤层仍然会发生突出，原因在于煤层注水的参数及注水机理不清楚。在煤层注水防治粉尘领域，大多数研究聚焦于水或改性水对不含瓦斯颗粒煤的润湿性，而这些研究与井下煤层的赋存条件及注水工艺完全不同，其造成煤层注水润湿含瓦斯煤体防治粉尘的机理也不清楚。目前，相关专利论文虽然对井下煤层注水封孔工艺、井下煤层注水***、煤层注水润湿范围、煤层注水增强剂、水分对瓦斯解吸的影响及液体对粉尘的润湿性等方面进行了报道，但这些报道存在的不足如下：（1）不能对煤层的赋存条件及井下煤层注水工艺进行真实的模拟；（2）煤层注水治理瓦斯的前提是水分侵入孔隙，水分侵入孔隙后造成煤体被有效润湿，有效润湿后降低煤炭开采过程粉尘的产生量，煤层注水治理瓦斯、防治煤尘是协同的。随着开采深度及开采强度的增加，瓦斯灾害及粉尘灾害逐渐严重。因此，综合评价煤层注水的效果需要同时考虑治理瓦斯及防治粉尘的效果；（3）煤层注水的参数及注入液体的性质是影响煤层注水效果的关键因素，在井下进行工业性实验时，由于现场环境条件、地质条件的复杂性，无法有效的获得注水参数；（4）目前没有相关的实验装备及相关研究对井下煤层注液协同治理瓦斯及粉尘的效果进行同时报道。
为了准确评价煤层注水协同治理瓦斯及粉尘的效果，有必要设计一种联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，以实现在不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下煤层注液及注液后切割煤体产尘的相似模拟，为深入研究煤层注液协同治理瓦斯及粉尘提供理论指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，本发明能够相似模拟井下煤层上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下煤层注液及注液后切割煤体产尘，为深入研究煤层注液治理瓦斯、防尘提供理论指导。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，具体包括以下步骤：
（一）设计一种测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备，该测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备包括煤层注液相似模拟装置和产尘相似模拟装置，煤层注液相似模拟装置与产尘相似模拟装置可拆卸组装连接，煤层注液相似模拟装置包括充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***、煤样加载釜***和恒温***，充甲烷***的甲烷出口、氦气标定***的氦气出口、高压注液***的液体出口和抽真空***的抽气口通过并联连接的方式均与煤样加载釜***的进气口连接，充甲烷***、氦气标定***、高压注液***和煤样加载釜***的部分构件均设在恒温***中；
（二）、组装好煤层注液相似模拟装置，制备煤样，并将制备好的煤样放置到煤样加载釜***内；
（三）、通过四套加载装置对煤样进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆应力的相似模拟；
（四）、对该煤层注液相似模拟装置进行气密性测试；
（五）、通过氦气标定***标定充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***和煤样加载釜***之间的死体积；
（六）、通过抽真空***对煤样加载釜***内部抽真空；
（七）、通过充甲烷***向煤样加载釜***内充甲烷，使煤样吸附甲烷，直至达到吸附平衡压力，实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，计算煤样达到吸附平衡后单位质量煤样的吸附瓦斯量；
（八）、通过高压注液***向煤样注液直至达到设定注液量或注液压力，则液体在煤样内运移，使煤样内吸附的部分瓦斯被置换为游离态瓦斯，液体在煤样中运移达到平衡后，，将煤样加载釜***内的游离气释放，煤样解吸，计算得到单位质量煤样的残存瓦斯量；
（九）、将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置组装连接，通过产尘相似模拟装置对煤样进行钻进产生煤尘，检测煤尘浓度及煤尘粒径分布，测试结束后，将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置拆开，并将煤样从煤样加载釜***内取出；
（十）、重复步骤（二）～（九），改变加载应力和吸附平衡压力，相似模拟井下煤层不同上覆地应力和不同瓦斯压力赋存条件，改变注液量或注液压力，测得不同地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布；
（十一）、综合分析对比不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布，瓦斯的残存量越小，说明煤体的突出危险性越小；煤尘浓度越小，说明液体对含瓦斯煤体的润湿效果越好；煤尘粒径分布范围越大，粒径越分散，对人体的危害就越大；根据分析结果对煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果进行综合评价，从而选择出在不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下最优的注水参数：注液量和注液压力。
充甲烷***包括高压甲烷瓶和甲烷参考罐，高压甲烷瓶的甲烷出口与甲烷参考罐的甲烷进口通过甲烷输出管路连接，甲烷参考罐的甲烷出口连接有甲烷充入管路，甲烷充入管路的另一端与煤样加载釜***的进气口连接，甲烷输出管路上沿气体流动方向依次设置有甲烷调压阀和第一气体阀门，甲烷充入管路上沿气体流动方向依次设置有第一精密压力表、第二气体阀门和第三气体阀门；
氦气标定***包括氦气瓶和氦气参考罐，氦气瓶的氦气出口与氦气参考罐的氦气进口通过氦气输出管路连接，氦气参考罐的氦气出口连接有氦气充入管路，氦气充入管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第二气体阀门和第三气体阀门之间，氦气输出管路上沿气体流动方向依次设置有氦气调压阀和第四气体阀门，氦气充入管路上沿气体流动方向依次设置有第二精密压力表和第五气体阀门；
高压注液***包括第一储水箱和第一高压注液泵，第一储水箱的出水口与第一高压注液泵的进水口通过第一液体管路连接，第一高压注液泵的出水口连接有第二液体管路，第二液体管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第三气体阀门和煤样加载釜***的进气口之间，第一液体管路上设置有第一液体阀门，第二液体管路上沿液体流动方向依次设置有第二液体阀门、第三精密压力表和第三液体阀门；
抽真空***包括真空泵，真空泵的抽气口连接有抽真空管路，抽真空管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第三气体阀门和煤样加载釜***的进气口之间，抽真空管路上沿气体流动方向依次设置有第六气体阀门和真空计，真空泵的出气口与外界大气连接。
煤样加载釜***包括釜体、解吸仪和四套加载装置，釜体为左侧和右侧均敞口的长方体箱体结构，釜体的左侧和右侧均通过若干根螺栓可拆卸固定连接有端盖，左侧的端盖的四侧边与釜体的左侧口之间以及右侧的端盖的四侧边与釜体的右侧口之间均压设有第一O型密封圈，釜体的底部通过第一机架固定支撑在地面上，四套加载装置结构相同且分别圆周阵列安装在釜体的前侧、下侧、后侧和上侧，左侧的端盖的中心设有注入通孔，注入通孔为煤样加载釜***的进气口，甲烷充入管路的另一端连接在注入通孔中，右侧的端盖的中心设有解吸通孔，解吸通孔和解吸仪的进气口通过解吸管路连接，解吸管路上沿气体流动方向依次设置有排空管路、第四精密压力表和第七气体阀门，排空管路上设置有第八气体阀门。
前侧的加载装置包括加载缸体、加载活塞、加载板、第二储水箱和第二高压注液泵，加载缸体沿前后方向水平设置，加载缸体的后端外圆周一体成型有法兰板，法兰板通过若干根螺栓固定连接在釜体的前侧板前侧面中部，加载活塞密封滑动设置在加载缸体内，加载缸体内同中心设有加载导杆，加载导杆的前端与加载活塞的后侧面中部一体成型固定连接，加载导杆水平贯穿滑动连接在加载缸体的后侧板和釜体的前侧板中部，加载导杆的后端伸入到釜体内，加载板设置在釜体内前侧部并与釜体的前侧板平行，加载导杆的后端与加载板的前侧面中部螺纹固定连接，加载活塞的外圆周上固定嵌设有两个前后间隔设置且与加载缸体内壁滑动接触的第二O型密封圈，加载缸体的后侧板和釜体的前侧板内部均同中心固定嵌设有第三O型密封圈，加载导杆同中心穿过两个第三O型密封圈并与两个第三O型密封圈的内圆滑动接触，加载缸体的前侧板中部设有位于加载活塞前侧的加压注液口，加载缸体的后端部上侧壁上设有位于加载活塞后侧的卸压注液口，第二储水箱的出水口与第二高压注液泵的进水口通过第三液体管路连接，第二高压注液泵的出水口与加压注液口通过第四液体管路连接，第三液体管路上设置有第四液体阀门，第四液体管路上沿液体流动方向依次设置有第五液体管路、第五液体阀门、第五精密压力表和第一排液管路，第五液体管路的另一端连接在卸压注液口中，第五液体管路上沿液体流动方向依次设置有第六液体阀门、第六精密压力表和第二排液管路，第一排液管路上设置有第七液体阀门，第二排液管路上设置有第八液体阀门。
恒温***包括恒温箱，甲烷参考罐、氦气参考罐和煤样加载釜***均设置在恒温箱内。
产尘相似模拟装置包括长方体亚克力桶和钻机，长方体亚克力桶的长度方向沿左右方向水平设置且其左侧和右侧均敞口，长方体亚克力桶的底部通过第二机架固定支撑在地面上，钻机沿左右方向水平设置在长方体亚克力桶内，长方体亚克力桶的内底面上沿左右方向固定设置有滑轨，滑轨上滑动设置有滑座，钻机的机身固定安装在滑座的顶部，长方体亚克力桶的内底面右侧中部固定设置有位于滑轨右侧的固定支座，滑座与固定支座之间铰接有沿左右方向水平设置的电动推杆，长方体亚克力桶的右侧口右上方设置有抽风机，长方体亚克力桶的内顶面沿左右方向固定设置有风筒，风筒的左端延伸至长方体亚克力桶内上侧中部右侧，风筒的右端向右延伸出长方体亚克力桶的右侧口并与抽风机的抽吸端连接，长方体亚克力桶的左侧口套在釜体的右端外部并与釜体的前侧板、下侧板、后侧板和上侧板均通过螺栓可拆卸固定连接，长方体亚克力桶的左侧口与釜体的右侧口左右对应连通。
步骤（二）具体为：按照设计要求组装好煤层注液相似模拟装置，将从采煤工作面取回的实验煤样进行切割并打磨成六面体形状的煤样，然后在煤样的左侧面中部钻设一个钻孔，钻孔完毕后再将煤样放置在干燥箱内干燥，直至煤样的质量不发生改变，视为干燥结束，称量煤样的质量并记为m，使用一根钢管***钻孔中，并采用聚氨酯将钻孔的孔口封堵，钢管的右端封堵，钢管的右侧部为花管结构，然后，打开釜体上的左右两个端盖，将煤样放置到釜体内下侧的加载板上且位于四块加载板所围成的空间中，再将钢管的左端连接在左侧的端盖上的注入通孔中右端部，进而使钢管与甲烷充入管路连通，最后将左侧的端盖通过若干根螺栓固定安装在釜体的左侧口，右侧的端盖通过若干根螺栓固定安装在釜体的右侧口；
步骤（三）具体为：同时操作四套加载装置实现对煤样挤压加载，四套加载装置的操作过程相同，这里以前侧的加载装置为例进行说明：启动第二高压注液泵，设定加载应力σ，打开第四液体阀门、第五液体阀门和第八液体阀门，则第二高压注液泵将第二储水箱中的水经由第三液体管路抽出并通过第四液体管路和加压注液口注入到加载缸体内前侧部，注入入到加载缸体内前侧部的高压水推动加载活塞向后移动，加载活塞后侧的加载缸体内的空气或水便通过第二排液管路排出，进而使加载导杆向后推动加载板，使加载板的后侧面挤压煤样的前侧面，对煤样进行挤压加载，直至第五精密压力表达到设定的加载应力σ，关闭第二高压注液泵、第四液体阀门、第五液体阀门和第八液体阀门，如此，便可对煤样的前侧面、后侧面、上侧面和下侧面进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆地应力的相似模拟；
步骤（四）具体为：关闭所有的阀门，即第一气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、第四气体阀门、第五气体阀门、第一液体阀门、第二液体阀门、第三液体阀门、第六气体阀门、第七气体阀门、第八气体阀门以及四套加载装置的第四液体阀门、第五液体阀门、第六液体阀门、第七液体阀门和第八液体阀门均关闭，然后打开恒温箱电源，设置恒温箱内的温度为实验所需的温度，然后打开氦气瓶的阀门，同时调节氦气调压阀的出口压力并保持恒定，打开第四气体阀门，则氦气瓶通过氦气输出管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶的阀门和第四气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p，然后打开第五气体阀门和第三气体阀门，观察第二精密压力表和第四精密压力表的示数，如果第二精密压力表和第四精密压力表的示数在一定时间能保持稳定不变，说明整体装置不漏气，气密性良好，反之则漏气，当测得整体装置不漏气后，打开第八气体阀门，将甲烷充入管路、氦气参考罐、氦气充入管路和釜体内的氦气通过排空管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门、第五气体阀门和第八气体阀门；
步骤（五）具体为：打开氦气瓶的阀门，同时将氦气调压阀的出口压力调为p 1并保持恒定，打开第四气体阀门，则氦气瓶通过氦气输出管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶的阀门和第四气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p 1，然后打开第五气体阀门和第三气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p 2，其中，第四气体阀门和第五气体阀门之间的体积V 1实验开始前已预先标定好，按照公式p 1 V 1/Z 1=p 2 V 2/Z 2可计算出V 2，Z 1、Z 2分别为p 1、p 2压力下的压缩因子，V 2-V 1即为第五气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、第三液体阀门、第六气体阀门、第七气体阀门和釜体之间的死体积，标定完毕后，打开第八气体阀门，将甲烷充入管路、氦气参考罐、氦气充入管路和釜体内的氦气通过排空管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门、第五气体阀门和第八气体阀门；
步骤（六）具体为：打开真空泵和第六气体阀门，真空泵对釜体内部抽真空，当真空计的示数小于20Pa时，视为抽真空结束，关闭真空泵和第六气体阀门。
步骤（七）具体为：打开高压甲烷瓶的阀门，将甲烷调压阀的出口压力调为p 3，打开第一气体阀门，则高压甲烷瓶通过甲烷输出管路向甲烷参考罐内充入一定压力的甲烷，关闭第一气体阀门，待第一精密压力表的示数稳定后，记录第一精密压力表的示数p 3，然后打开第二气体阀门和第三气体阀门，则甲烷参考罐内的甲烷通过甲烷充入管路、钢管和花管结构向釜体内煤样的钻孔中充入甲烷气体，然后关闭第二气体阀门和第三气体阀门，并记录第四精密压力表的示数p 4，煤样开始吸附甲烷，待煤样吸附甲烷一段时间后，观察第四精密压力表的示数是否达到实验所需的吸附平衡压力P，如果未达到，则打开第二气体阀门和第三气体阀门继续向釜体内充入甲烷气体，并记录第四精密压力表的示数p n，直至第四精密压力表的示数达到实验所需的吸附平衡压力P，关闭第二气体阀门和第三气体阀门，如此，便实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，则单位质量煤样的吸附瓦斯量为，其中Z 3、Z n、Z分别为p 3、p n、P压力下的压缩因子，V 3为第一气体阀门和第二气体阀门之间的体积，T为实验温度，m为煤样的质量。
步骤（八）具体为：启动第一高压注液泵，设定注液量Q或注液压力P z ，打开第一液体阀门、第二液体阀和第三液体阀门，则第一高压注液泵将第一储水箱中的水经由第一液体管路抽出并通过第二液体管路、甲烷充入管路、注入通孔、钢管和花管结构注入釜体内煤样的钻孔中，当注液量达到设定的注液量Q或注液压力达到设定的注液压力P z 时，停止注液，关闭第一高压注液泵、第一液体阀门、第二液体阀和第三液体阀门，则注入的液体在煤样内部发生运移，由于煤对液体的吸附能力大于煤对瓦斯的吸附能力，因此液体在煤样内部运移的过程中与煤样内吸附的瓦斯发生相互作用，造成吸附态瓦斯被置换为游离态瓦斯，煤样被润湿，釜体内的压力升高，待第四精密压力表的示数达到稳定时记录其压力为Pe，此时说明液体在煤样中运移已经达到平衡状态，釜体内单位质量煤样被置换出的瓦斯体积为，式中q z 为单位质量煤样置换瓦斯量，P e为液体在煤样中运移达到平衡后釜体内的压力，Z e为P e压力条件下的压缩因子，然后打开第八气体阀门释放釜体内的游离气体，待第四精密压力表的示数降为0后，关闭第八气体阀门，打开第七气体阀门，煤样中的瓦斯开始解吸，解吸的瓦斯通过解吸管路进入解吸仪中，解吸仪记录不同时刻的瓦斯解吸量，直至煤样不再解吸，视为解吸平衡，则解吸平衡时单位质量煤样的瓦斯解吸量为/>，其中V e 为解吸平衡后煤样的瓦斯解吸量，q e 为解吸平衡后单位质量煤样的瓦斯解吸量，则注水后单位质量煤样的残存瓦斯量为q c =q x -q z -q e。
步骤（九）具体为：拆掉釜体上的右侧的端盖，将长方体亚克力桶的左侧口套在釜体的右端外部并与釜体通过螺栓固定连接，长方体亚克力桶的左侧口与釜体的右侧口左右对应连通，长方体亚克力桶通过第二机架固定支撑在地面上，长方体亚克力桶便可相似模拟井下掘进采煤巷道，启动钻机和抽风机，通过电动推杆推动钻机沿着滑轨向左以一定的推进速度向煤样钻进，相似模拟井下采煤作业，在钻进过程中钻机的钻头与煤样切割摩擦产生煤尘，抽风机通过风筒将长方体亚克力桶内气体抽出模拟井下掘进采煤巷道内的负压通风，然后，采用多个煤尘取样器在长方体亚克力桶内不同的地点取样，再将取样后的煤尘取样器送回实验室检测煤尘浓度c及煤尘粒径分布，测试结束，将长方体亚克力桶与釜体拆开分离，然后同时操作四套加载装置实现对煤样进行卸压松开，四套加载装置的操作过程相同，这里以前侧的加载装置为例进行说明：启动第二高压注液泵，打开第四液体阀门、第六液体阀门和第七液体阀门，则第二高压注液泵将第二储水箱中的水经由第三液体管路抽出并通过第四液体管路、第五液体管路和卸压注液口注入到加载缸体内后侧部，注入到加载缸体内后侧部的高压水推动加载活塞向前移动，加载活塞前侧的加载缸体内的水便通过第一排液管路排出，进而使加载导杆向前拉动加载板，使加载板的后侧面与煤样的前侧面分离，对煤样进行卸压松开，直至加载活塞退回到初始位置，关闭第二高压注液泵、第四液体阀门、第六液体阀门和第七液体阀门，如此，便可实现对煤样进行卸压松开，最后将煤样从釜体内取出。
本发明能够相似模拟井下煤层上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下煤层注液及注液后切割煤体产尘，为深入研究煤层注液协同治理瓦斯及粉尘提供理论指导。
附图说明
图1是本发明的煤层注液相似模拟装置的结构示意图。
图2是本发明的煤样加载釜***的结构示意图。
图3是本发明的煤层注液相似模拟装置与产尘相似模拟装置组装连接后的结构示意图。
图4是本发明的制备好的煤样的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-4所示，联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，具体包括以下步骤：
（一）设计一种测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备，该测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备包括煤层注液相似模拟装置和产尘相似模拟装置，煤层注液相似模拟装置与产尘相似模拟装置可拆卸组装连接，煤层注液相似模拟装置包括充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***、煤样加载釜***和恒温***，充甲烷***的甲烷出口、氦气标定***的氦气出口、高压注液***的液体出口和抽真空***的抽气口通过并联连接的方式均与煤样加载釜***的进气口连接，充甲烷***、氦气标定***、高压注液***和煤样加载釜***的部分构件均设在恒温***中；
（二）、组装好煤层注液相似模拟装置，制备煤样76，并将制备好的煤样76放置到煤样加载釜***内；
（三）、通过四套加载装置32对煤样76进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆地应力的相似模拟；
（四）、对该煤层注液相似模拟装置进行气密性测试；
（五）、通过氦气标定***标定充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***和煤样加载釜***之间的死体积；
（六）、通过抽真空***对煤样加载釜***内部抽真空；
（七）、通过充甲烷***向煤样加载釜***内充甲烷，使煤样76吸附甲烷，直至达到吸附平衡压力，实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，计算煤样76达到吸附平衡后单位质量煤样的吸附瓦斯量；
（八）、通过高压注液***向煤样76注液直至达到设定注液量或注液压力，则液体在煤样76内运移，使煤样76内吸附的部分瓦斯被置换为游离态瓦斯，液体在煤样76中运移达到平衡后，将煤样加载釜***内的游离气释放，煤样解吸，计算得到单位质量煤样的残存瓦斯量；
（九）、将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置组装连接，通过产尘相似模拟装置对煤样76进行钻进产生煤尘，检测煤尘浓度及煤尘粒径分布，测试结束后，将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置拆开，并将煤样76从煤样加载釜***内取出；
（十）、重复步骤（二）～（九），改变加载应力和吸附平衡压力，相似模拟井下煤层不同上覆地应力和不同瓦斯压力赋存条件，改变注液量或注液压力，测得不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布；
（十一）、综合分析对比不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布，瓦斯的残存量越小，说明煤体的突出危险性越小；煤尘浓度越小，说明液体对含瓦斯煤体的润湿效果越好；煤尘粒径分布范围越大，粒径越分散，对人体的危害就越大；根据分析结果对煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果进行综合评价，从而选择出在不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下最优的注水参数：注液量和注液压力。
充甲烷***包括高压甲烷瓶1和甲烷参考罐2，高压甲烷瓶1的甲烷出口与甲烷参考罐2的甲烷进口通过甲烷输出管路3连接，甲烷参考罐2的甲烷出口连接有甲烷充入管路4，甲烷充入管路4的另一端与煤样加载釜***的进气口连接，甲烷输出管路3上沿气体流动方向依次设置有甲烷调压阀5和第一气体阀门6，甲烷充入管路4上沿气体流动方向依次设置有第一精密压力表7、第二气体阀门8和第三气体阀门9；
氦气标定***包括氦气瓶10和氦气参考罐11，氦气瓶10的氦气出口与氦气参考罐11的氦气进口通过氦气输出管路12连接，氦气参考罐11的氦气出口连接有氦气充入管路13，氦气充入管路13的另一端连接在甲烷充入管路4上且位于第二气体阀门8和第三气体阀门9之间，氦气输出管路12上沿气体流动方向依次设置有氦气调压阀14和第四气体阀门15，氦气充入管路13上沿气体流动方向依次设置有第二精密压力表16和第五气体阀门17；
高压注液***包括第一储水箱18和第一高压注液泵19，第一储水箱18的出水口与第一高压注液泵19的进水口通过第一液体管路20连接，第一高压注液泵19的出水口连接有第二液体管路21，第二液体管路21的另一端连接在甲烷充入管路4上且位于第三气体阀门9和煤样加载釜***的进气口之间，第一液体管路20上设置有第一液体阀门22，第二液体管路21上沿液体流动方向依次设置有第二液体阀门23、第三精密压力表24和第三液体阀门25；
抽真空***包括真空泵26，真空泵26的抽气口连接有抽真空管路27，抽真空管路27的另一端连接在甲烷充入管路4上且位于第三气体阀门9和煤样加载釜***的进气口之间，抽真空管路27上沿气体流动方向依次设置有第六气体阀门28和真空计29，真空泵26的出气口与外界大气连接。
煤样加载釜***包括釜体30、解吸仪31和四套加载装置32，釜体30为左侧和右侧均敞口的长方体箱体结构，釜体30的左侧和右侧均通过若干根螺栓可拆卸固定连接有端盖33，左侧的端盖33的四侧边与釜体30的左侧口之间以及右侧的端盖33的四侧边与釜体30的右侧口之间均压设有第一O型密封圈34，釜体30的底部通过第一机架35固定支撑在地面上，四套加载装置32结构相同且分别圆周阵列安装在釜体30的前侧、下侧、后侧和上侧，左侧的端盖33的中心设有注入通孔36，注入通孔36为煤样加载釜***的进气口，甲烷充入管路4的另一端连接在注入通孔36中，右侧的端盖33的中心设有解吸通孔37，解吸通孔37和解吸仪31的进气口通过解吸管路38连接，解吸管路38上沿气体流动方向依次设置有排空管路39、第四精密压力表40和第七气体阀门41，排空管路39上设置有第八气体阀门42。
前侧的加载装置32包括加载缸体43、加载活塞44、加载板45、第二储水箱46和第二高压注液泵47，加载缸体43沿前后方向水平设置，加载缸体43的后端外圆周一体成型有法兰板48，法兰板48通过若干根螺栓固定连接在釜体30的前侧板前侧面中部，加载活塞44密封滑动设置在加载缸体43内，加载缸体43内同中心设有加载导杆49，加载导杆49的前端与加载活塞44的后侧面中部一体成型固定连接，加载导杆49水平贯穿滑动连接在加载缸体43的后侧板和釜体30的前侧板中部，加载导杆49的后端伸入到釜体30内，加载板45设置在釜体30内前侧部并与釜体30的前侧板平行，加载导杆49的后端与加载板45的前侧面中部螺纹固定连接，加载活塞44的外圆周上固定嵌设有两个前后间隔设置且与加载缸体43内壁滑动接触的第二O型密封圈50，加载缸体43的后侧板和釜体30的前侧板内部均同中心固定嵌设有第三O型密封圈51，加载导杆49同中心穿过两个第三O型密封圈51并与两个第三O型密封圈51的内圆滑动接触，加载缸体43的前侧板中部设有位于加载活塞44前侧的加压注液口52，加载缸体43的后端部上侧壁上设有位于加载活塞44后侧的卸压注液口53，第二储水箱46的出水口与第二高压注液泵47的进水口通过第三液体管路54连接，第二高压注液泵47的出水口与加压注液口52通过第四液体管路55连接，第三液体管路54上设置有第四液体阀门56，第四液体管路55上沿液体流动方向依次设置有第五液体管路57、第五液体阀门58、第五精密压力表59和第一排液管路60，第五液体管路57的另一端连接在卸压注液口53中，第五液体管路57上沿液体流动方向依次设置有第六液体阀门61、第六精密压力表62和第二排液管路63，第一排液管路60上设置有第七液体阀门64，第二排液管路63上设置有第八液体阀门65。
恒温***包括恒温箱66，甲烷参考罐2、氦气参考罐11和煤样加载釜***均设置在恒温箱66内。
产尘相似模拟装置包括长方体亚克力桶67和钻机68，长方体亚克力桶67的长度方向沿左右方向水平设置且其左侧和右侧均敞口，长方体亚克力桶67的底部通过第二机架69固定支撑在地面上，钻机68沿左右方向水平设置在长方体亚克力桶67内，长方体亚克力桶67的内底面上沿左右方向固定设置有滑轨70，滑轨70上滑动设置有滑座71，钻机68的机身固定安装在滑座71的顶部，长方体亚克力桶67的内底面右侧中部固定设置有位于滑轨70右侧的固定支座72，滑座71与固定支座72之间铰接有沿左右方向水平设置的电动推杆73，长方体亚克力桶67的右侧口右上方设置有抽风机74，长方体亚克力桶67的内顶面沿左右方向固定设置有风筒75，风筒75的左端延伸至长方体亚克力桶67内上侧中部右侧，风筒75的右端向右延伸出长方体亚克力桶67的右侧口并与抽风机74的抽吸端连接，长方体亚克力桶67的左侧口套在釜体30的右端外部并与釜体30的前侧板、下侧板、后侧板和上侧板均通过螺栓可拆卸固定连接，长方体亚克力桶67的左侧口与釜体30的右侧口左右对应连通。
步骤（二）具体为：按照设计要求组装好煤层注液相似模拟装置，将从采煤工作面取回的实验煤样进行切割并打磨成六面体形状的煤样76，然后在煤样76的左侧面中部钻设一个钻孔77，钻孔77完毕后再将煤样76放置在干燥箱内干燥，直至煤样76的质量不发生改变，视为干燥结束，称量煤样76的质量并记为m，使用一根钢管78***钻孔77中，并采用聚氨酯79将钻孔77的孔口封堵，钢管78的右端封堵，钢管78的右侧部为花管结构80，然后，打开釜体30上的左右两个端盖33，将煤样76放置到釜体30内下侧的加载板45上且位于四块加载板45所围成的空间中，再将钢管78的左端连接在左侧的端盖33上的注入通孔36中右端部，进而使钢管78与甲烷充入管路4连通，最后将左侧的端盖33通过若干根螺栓固定安装在釜体30的左侧口，右侧的端盖33通过若干根螺栓固定安装在釜体30的右侧口；
步骤（三）具体为：同时操作四套加载装置32实现对煤样76挤压加载，四套加载装置32的操作过程相同，这里以前侧的加载装置32为例进行说明：启动第二高压注液泵47，设定加载应力σ，打开第四液体阀门56、第五液体阀门58和第八液体阀门65，则第二高压注液泵47将第二储水箱46中的水经由第三液体管路54抽出并通过第四液体管路55和加压注液口52注入到加载缸体43内前侧部，注入到加载缸体43内前侧部的高压水推动加载活塞44向后移动，加载活塞44后侧的加载缸体43内的空气或水便通过第二排液管路63排出，进而使加载导杆49向后推动加载板45，使加载板45的后侧面挤压煤样76的前侧面，对煤样76进行挤压加载，直至第五精密压力表59达到设定的加载应力σ，关闭第二高压注液泵47、第四液体阀门56、第五液体阀门58和第八液体阀门65，如此，便可对煤样76的前侧面、后侧面、上侧面和下侧面进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆地应力的相似模拟；
步骤（四）具体为：关闭所有的阀门，即第一气体阀门6、第二气体阀门8、第三气体阀门9、第四气体阀门15、第五气体阀门17、第一液体阀门22、第二液体阀门23、第三液体阀门25、第六气体阀门28、第七气体阀门41、第八气体阀门42以及四套加载装置32的第四液体阀门56、第五液体阀门58、第六液体阀门61、第七液体阀门64和第八液体阀门65均关闭，然后打开恒温箱66电源，设置恒温箱66内的温度为实验所需的温度，然后打开氦气瓶10的阀门，同时调节氦气调压阀14的出口压力并保持恒定，打开第四气体阀门15，则氦气瓶10通过氦气输出管路12向氦气参考罐11内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶10的阀门和第四气体阀门15，待第二精密压力表16的示数稳定后，记录第二精密压力表16的示数p，然后打开第五气体阀门17和第三气体阀门9，观察第二精密压力表16和第四精密压力表40的示数，如果第二精密压力表16和第四精密压力表40的示数在一定时间能保持稳定不变，说明整体装置不漏气，气密性良好，反之则漏气，当测得整体装置不漏气后，打开第八气体阀门42，将甲烷充入管路4、氦气参考罐11、氦气充入管路13和釜体30内的氦气通过排空管路39向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门9、第五气体阀门17和第八气体阀门42；
步骤（五）具体为：打开氦气瓶10的阀门，同时将氦气调压阀14的出口压力调为p 1并保持恒定，打开第四气体阀门15，则氦气瓶10通过氦气输出管路12向氦气参考罐11内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶10的阀门和第四气体阀门15，待第二精密压力表16的示数稳定后，记录第二精密压力表16的示数p 1，然后打开第五气体阀门17和第三气体阀门9，待第二精密压力表16的示数稳定后，记录第二精密压力表16的示数p 2，其中，第四气体阀门15和第五气体阀门17之间的体积V 1实验开始前已预先标定好，按照公式p 1 V 1/Z 1=p 2 V 2/Z 2可计算出V 2，Z 1、Z 2分别为p 1、p 2压力下的压缩因子，V 2-V 1即为第五气体阀门17、第二气体阀门8、第三气体阀门9、第三液体阀门25、第六气体阀门28、第七气体阀门41和釜体30之间的死体积，标定完毕后，打开第八气体阀门42，将甲烷充入管路4、氦气参考罐11、氦气充入管路13和釜体30内的氦气通过排空管路39向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门9、第五气体阀门17和第八气体阀门42；
步骤（六）具体为：打开真空泵26和第六气体阀门28，真空泵26对釜体30内部抽真空，当真空计29的示数小于20Pa时，视为抽真空结束，关闭真空泵26和第六气体阀门28。
步骤（七）具体为：打开高压甲烷瓶1的阀门，将甲烷调压阀5的出口压力调为p 3，打开第一气体阀门6，则高压甲烷瓶1通过甲烷输出管路3向甲烷参考罐2内充入一定压力的甲烷，关闭第一气体阀门6，待第一精密压力表7的示数稳定后，记录第一精密压力表7的示数p 3，然后打开第二气体阀门8和第三气体阀门9，则甲烷参考罐2内的甲烷通过甲烷充入管路4、钢管78和花管结构80向釜体30内煤样76的钻孔77中充入甲烷气体，然后关闭第二气体阀门8和第三气体阀门9，并记录第四精密压力表40的示数p 4，煤样76开始吸附甲烷，待煤样76吸附甲烷一段时间后，观察第四精密压力表40的示数是否达到实验所需的吸附平衡压力P，如果未达到，则打开第二气体阀门8和第三气体阀门9继续向釜体30内充入甲烷气体，并记录第四精密压力表40的示数p n，直至第四精密压力表40的示数达到实验所需的吸附平衡压力P，关闭第二气体阀门8和第三气体阀门9，如此，便实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，则单位质量煤样的吸附瓦斯量为，其中Z 3、Z n、Z分别为p 3、p n、P压力下的压缩因子，V 3为第一气体阀门6和第二气体阀门8之间的体积，T为实验温度，m为煤样76的质量。
步骤（八）具体为：启动第一高压注液泵19，设定注液量Q或注液压力P z ，打开第一液体阀门22、第二液体阀和第三液体阀门25，则第一高压注液泵19将第一储水箱18中的水经由第一液体管路20抽出并通过第二液体管路21、甲烷充入管路4、注入通孔36、钢管78和花管结构80注入釜体30内煤样76的钻孔77中，当注液量达到设定的注液量Q或注液压力达到设定的注液压力P z 时，停止注液，关闭第一高压注液泵19、第一液体阀门22、第二液体阀和第三液体阀门25，则注入的液体在煤样76内部发生运移，由于煤对液体的吸附能力大于煤对瓦斯的吸附能力，因此液体在煤样76内部运移的过程中与煤样76内吸附的瓦斯发生相互作用，造成吸附态瓦斯被置换为游离态瓦斯，煤样76被润湿，釜体30内的压力升高，待第四精密压力表40的示数达到稳定时记录其压力为Pe，此时说明液体在煤样76中运移已经达到平衡状态，釜体30内单位质量煤样被置换出的瓦斯体积为，式中q z 为单位质量煤样置换瓦斯量，P e为液体在煤样76中运移达到平衡后釜体30内的压力，Z e为P e压力条件下的压缩因子，然后打开第八气体阀门42释放釜体30内的游离气体，待第四精密压力表40的示数降为0后，关闭第八气体阀门42，打开第七气体阀门41，煤样76中的瓦斯开始解吸，解吸的瓦斯通过解吸管路38进入解吸仪31中，解吸仪31记录不同时刻的瓦斯解吸量，直至煤样76不再解吸，视为解吸平衡，则解吸平衡时单位质量煤样的瓦斯解吸量为/>，其中V e 为解吸平衡后煤样76的瓦斯解吸量，q e 为解吸平衡后单位质量煤样的瓦斯解吸量，则注水后单位质量煤样的残存瓦斯量为q c =q x -q z -q e。
步骤（九）具体为：拆掉釜体30上的右侧的端盖33，将长方体亚克力桶67的左侧口套在釜体30的右端外部并与釜体30通过螺栓固定连接，长方体亚克力桶67的左侧口与釜体30的右侧口左右对应连通，长方体亚克力桶67通过第二机架69固定支撑在地面上，长方体亚克力桶67便可相似模拟井下掘进采煤巷道，启动钻机68和抽风机74，通过电动推杆73推动钻机68沿着滑轨70向左以一定的推进速度向煤样76钻进，相似模拟井下采煤作业，在钻进过程中钻机68的钻头与煤样76切割摩擦产生煤尘，抽风机74通过风筒75将长方体亚克力桶67内气体抽出模拟井下掘进采煤巷道内的负压通风，然后，采用多个煤尘取样器81在长方体亚克力桶67内不同的地点取样，再将取样后的煤尘取样器81送回实验室检测煤尘浓度c及煤尘粒径分布，测试结束，将长方体亚克力桶67与釜体30拆开分离，然后同时操作四套加载装置32实现对煤样76进行卸压松开，四套加载装置32的操作过程相同，这里以前侧的加载装置32为例进行说明：启动第二高压注液泵47，打开第四液体阀门56、第六液体阀门61和第七液体阀门64，则第二高压注液泵47将第二储水箱46中的水经由第三液体管路54抽出并通过第四液体管路55、第五液体管路57和卸压注液口53注入到加载缸体43内后侧部，注入到加载缸体43内后侧部的高压水推动加载活塞44向前移动，加载活塞44前侧的加载缸体43内的水便通过第一排液管路60排出，进而使加载导杆49向前拉动加载板45，使加载板45的后侧面与煤样76的前侧面分离，对煤样76进行卸压松开，直至加载活塞44退回到初始位置，关闭第二高压注液泵47、第四液体阀门56、第六液体阀门61和第七液体阀门64，如此，便可实现对煤样76进行卸压松开，最后将煤样76从釜体30内取出。
甲烷调压阀5、氦气调压阀14、第一高压注液泵19、真空泵26、真空计29、解吸仪31、第二高压注液泵47、恒温箱66、钻机68和电动推杆73均为现有常规装置，在市场上可以购置，具体构造和工作原理不再赘述。
本发明能够相似模拟井下煤层上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下煤层注液及注液后切割煤体产尘，为深入研究煤层注液协同治理瓦斯及粉尘提供理论指导。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（一）设计一种测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备，该测试煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果的装备包括煤层注液相似模拟装置和产尘相似模拟装置，煤层注液相似模拟装置与产尘相似模拟装置可拆卸组装连接，煤层注液相似模拟装置包括充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***、煤样加载釜***和恒温***，充甲烷***的甲烷出口、氦气标定***的氦气出口、高压注液***的液体出口和抽真空***的抽气口通过并联连接的方式均与煤样加载釜***的进气口连接，充甲烷***、氦气标定***、高压注液***和煤样加载釜***的部分构件均设在恒温***中；
（二）、组装好煤层注液相似模拟装置，制备煤样，并将制备好的煤样放置到煤样加载釜***内；
（三）、通过四套加载装置对煤样进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆应力的相似模拟；
（四）、对该煤层注液相似模拟装置进行气密性测试；
（五）、通过氦气标定***标定充甲烷***、氦气标定***、高压注液***、抽真空***和煤样加载釜***之间的死体积；
（六）、通过抽真空***对煤样加载釜***内部抽真空；
（七）、通过充甲烷***向煤样加载釜***内充甲烷，使煤样吸附甲烷，直至达到吸附平衡压力，实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，计算煤样达到吸附平衡后单位质量煤样的吸附瓦斯量；
（八）、通过高压注液***向煤样注液直至达到设定注液量或注液压力，则液体在煤样内运移，使煤样内吸附的部分瓦斯被置换为游离态瓦斯，液体在煤样中运移达到平衡后，将煤样加载釜***内的游离气释放，煤样解吸，计算得到单位质量煤样的残存瓦斯量；
（九）、将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置组装连接，通过产尘相似模拟装置对煤样进行钻进产生煤尘，检测煤尘浓度及煤尘粒径分布，测试结束后，将产尘相似模拟装置与该煤层注液相似模拟装置拆开，并将煤样从煤样加载釜***内取出；
（十）、重复步骤（二）～（九），改变加载应力和吸附平衡压力，相似模拟井下煤层不同上覆地应力和不同瓦斯压力赋存条件，改变注液量或注液压力，测得不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布；
（十一）、综合分析对比不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下不同注液量或注液压力所对应的单位质量煤样的残存瓦斯量q c 、钻进造成的煤尘浓度c及煤尘粒径分布，瓦斯的残存量越小，说明煤体的突出危险性越小；煤尘浓度越小，说明液体对含瓦斯煤体的润湿效果越好；煤尘粒径分布范围越大，粒径越分散，对人体的危害就越大；根据分析结果对煤层注液协同治理瓦斯及粉尘作用效果进行综合评价，从而选择出在不同上覆地应力和瓦斯压力赋存条件下最优的注水参数：注液量和注液压力。
2.根据权利要求1所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：充甲烷***包括高压甲烷瓶和甲烷参考罐，高压甲烷瓶的甲烷出口与甲烷参考罐的甲烷进口通过甲烷输出管路连接，甲烷参考罐的甲烷出口连接有甲烷充入管路，甲烷充入管路的另一端与煤样加载釜***的进气口连接，甲烷输出管路上沿气体流动方向依次设置有甲烷调压阀和第一气体阀门，甲烷充入管路上沿气体流动方向依次设置有第一精密压力表、第二气体阀门和第三气体阀门；
氦气标定***包括氦气瓶和氦气参考罐，氦气瓶的氦气出口与氦气参考罐的氦气进口通过氦气输出管路连接，氦气参考罐的氦气出口连接有氦气充入管路，氦气充入管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第二气体阀门和第三气体阀门之间，氦气输出管路上沿气体流动方向依次设置有氦气调压阀和第四气体阀门，氦气充入管路上沿气体流动方向依次设置有第二精密压力表和第五气体阀门；
高压注液***包括第一储水箱和第一高压注液泵，第一储水箱的出水口与第一高压注液泵的进水口通过第一液体管路连接，第一高压注液泵的出水口连接有第二液体管路，第二液体管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第三气体阀门和煤样加载釜***的进气口之间，第一液体管路上设置有第一液体阀门，第二液体管路上沿液体流动方向依次设置有第二液体阀门、第三精密压力表和第三液体阀门；
抽真空***包括真空泵，真空泵的抽气口连接有抽真空管路，抽真空管路的另一端连接在甲烷充入管路上且位于第三气体阀门和煤样加载釜***的进气口之间，抽真空管路上沿气体流动方向依次设置有第六气体阀门和真空计，真空泵的出气口与外界大气连接。
3.根据权利要求2所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：煤样加载釜***包括釜体、解吸仪和四套加载装置，釜体为左侧和右侧均敞口的长方体箱体结构，釜体的左侧和右侧均通过若干根螺栓可拆卸固定连接有端盖，左侧的端盖的四侧边与釜体的左侧口之间以及右侧的端盖的四侧边与釜体的右侧口之间均压设有第一O型密封圈，釜体的底部通过第一机架固定支撑在地面上，四套加载装置结构相同且分别圆周阵列安装在釜体的前侧、下侧、后侧和上侧，左侧的端盖的中心设有注入通孔，注入通孔为煤样加载釜***的进气口，甲烷充入管路的另一端连接在注入通孔中，右侧的端盖的中心设有解吸通孔，解吸通孔和解吸仪的进气口通过解吸管路连接，解吸管路上沿气体流动方向依次设置有排空管路、第四精密压力表和第七气体阀门，排空管路上设置有第八气体阀门。
4.根据权利要求3所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：前侧的加载装置包括加载缸体、加载活塞、加载板、第二储水箱和第二高压注液泵，加载缸体沿前后方向水平设置，加载缸体的后端外圆周一体成型有法兰板，法兰板通过若干根螺栓固定连接在釜体的前侧板前侧面中部，加载活塞密封滑动设置在加载缸体内，加载缸体内同中心设有加载导杆，加载导杆的前端与加载活塞的后侧面中部一体成型固定连接，加载导杆水平贯穿滑动连接在加载缸体的后侧板和釜体的前侧板中部，加载导杆的后端伸入到釜体内，加载板设置在釜体内前侧部并与釜体的前侧板平行，加载导杆的后端与加载板的前侧面中部螺纹固定连接，加载活塞的外圆周上固定嵌设有两个前后间隔设置且与加载缸体内壁滑动接触的第二O型密封圈，加载缸体的后侧板和釜体的前侧板内部均同中心固定嵌设有第三O型密封圈，加载导杆同中心穿过两个第三O型密封圈并与两个第三O型密封圈的内圆滑动接触，加载缸体的前侧板中部设有位于加载活塞前侧的加压注液口，加载缸体的后端部上侧壁上设有位于加载活塞后侧的卸压注液口，第二储水箱的出水口与第二高压注液泵的进水口通过第三液体管路连接，第二高压注液泵的出水口与加压注液口通过第四液体管路连接，第三液体管路上设置有第四液体阀门，第四液体管路上沿液体流动方向依次设置有第五液体管路、第五液体阀门、第五精密压力表和第一排液管路，第五液体管路的另一端连接在卸压注液口中，第五液体管路上沿液体流动方向依次设置有第六液体阀门、第六精密压力表和第二排液管路，第一排液管路上设置有第七液体阀门，第二排液管路上设置有第八液体阀门。
5.根据权利要求4所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：恒温***包括恒温箱，甲烷参考罐、氦气参考罐和煤样加载釜***均设置在恒温箱内。
6.根据权利要求5所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：产尘相似模拟装置包括长方体亚克力桶和钻机，长方体亚克力桶的长度方向沿左右方向水平设置且其左侧和右侧均敞口，长方体亚克力桶的底部通过第二机架固定支撑在地面上，钻机沿左右方向水平设置在长方体亚克力桶内，长方体亚克力桶的内底面上沿左右方向固定设置有滑轨，滑轨上滑动设置有滑座，钻机的机身固定安装在滑座的顶部，长方体亚克力桶的内底面右侧中部固定设置有位于滑轨右侧的固定支座，滑座与固定支座之间铰接有沿左右方向水平设置的电动推杆，长方体亚克力桶的右侧口右上方设置有抽风机，长方体亚克力桶的内顶面沿左右方向固定设置有风筒，风筒的左端延伸至长方体亚克力桶内上侧中部右侧，风筒的右端向右延伸出长方体亚克力桶的右侧口并与抽风机的抽吸端连接，长方体亚克力桶的左侧口套在釜体的右端外部并与釜体的前侧板、下侧板、后侧板和上侧板均通过螺栓可拆卸固定连接，长方体亚克力桶的左侧口与釜体的右侧口左右对应连通。
7.根据权利要求6所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：步骤（二）具体为：按照设计要求组装好煤层注液相似模拟装置，将从采煤工作面取回的实验煤样进行切割并打磨成六面体形状的煤样，然后在煤样的左侧面中部钻设一个钻孔，钻孔完毕后再将煤样放置在干燥箱内干燥，直至煤样的质量不发生改变，视为干燥结束，称量煤样的质量并记为m，使用一根钢管***钻孔中，并采用聚氨酯将钻孔的孔口封堵，钢管的右端封堵，钢管的右侧部为花管结构，然后，打开釜体上的左右两个端盖，将煤样放置到釜体内下侧的加载板上且位于四块加载板所围成的空间中，再将钢管的左端连接在左侧的端盖上的注入通孔中右端部，进而使钢管与甲烷充入管路连通，最后将左侧的端盖通过若干根螺栓固定安装在釜体的左侧口，右侧的端盖通过若干根螺栓固定安装在釜体的右侧口；
步骤（三）具体为：同时操作四套加载装置实现对煤样挤压加载，四套加载装置的操作过程相同，这里以前侧的加载装置为例进行说明：启动第二高压注液泵，设定加载应力σ，打开第四液体阀门、第五液体阀门和第八液体阀门，则第二高压注液泵将第二储水箱中的水经由第三液体管路抽出并通过第四液体管路和加压注液口注入到加载缸体内前侧部，注入到加载缸体内前侧部的高压水推动加载活塞向后移动，加载活塞后侧的加载缸体内的空气或水便通过第二排液管路排出，进而使加载导杆向后推动加载板，使加载板的后侧面挤压煤样的前侧面，对煤样进行挤压加载，直至第五精密压力表达到设定的加载应力σ，关闭第二高压注液泵、第四液体阀门、第五液体阀门和第八液体阀门，如此，便可对煤样的前侧面、后侧面、上侧面和下侧面进行加载至设定的加载应力，实现井下煤层上覆地应力的相似模拟；
步骤（四）具体为：关闭所有的阀门，即第一气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、第四气体阀门、第五气体阀门、第一液体阀门、第二液体阀门、第三液体阀门、第六气体阀门、第七气体阀门、第八气体阀门以及四套加载装置的第四液体阀门、第五液体阀门、第六液体阀门、第七液体阀门和第八液体阀门均关闭，然后打开恒温箱电源，设置恒温箱内的温度为实验所需的温度，然后打开氦气瓶的阀门，同时调节氦气调压阀的出口压力并保持恒定，打开第四气体阀门，则氦气瓶通过氦气输出管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶的阀门和第四气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p，然后打开第五气体阀门和第三气体阀门，观察第二精密压力表和第四精密压力表的示数，如果第二精密压力表和第四精密压力表的示数在一定时间能保持稳定不变，说明整体装置不漏气，气密性良好，反之则漏气，当测得整体装置不漏气后，打开第八气体阀门，将甲烷充入管路、氦气参考罐、氦气充入管路和釜体内的氦气通过排空管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门、第五气体阀门和第八气体阀门；
步骤（五）具体为：打开氦气瓶的阀门，同时将氦气调压阀的出口压力调为p 1并保持恒定，打开第四气体阀门，则氦气瓶通过氦气输出管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气瓶的阀门和第四气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p 1，然后打开第五气体阀门和第三气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数p 2，其中，第四气体阀门和第五气体阀门之间的体积V 1实验开始前已预先标定好，按照公式p 1 V 1/Z 1=p 2 V 2/Z 2可计算出V 2，Z 1、Z 2分别为p 1、p 2压力下的压缩因子，V 2-V 1即为第五气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、第三液体阀门、第六气体阀门、第七气体阀门和釜体之间的死体积，标定完毕后，打开第八气体阀门，将甲烷充入管路、氦气参考罐、氦气充入管路和釜体内的氦气通过排空管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门、第五气体阀门和第八气体阀门；
步骤（六）具体为：打开真空泵和第六气体阀门，真空泵对釜体内部抽真空，当真空计的示数小于20Pa时，视为抽真空结束，关闭真空泵和第六气体阀门。
8. 根据权利要求6所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：步骤（七）具体为：打开高压甲烷瓶的阀门，将甲烷调压阀的出口压力调为p 3，打开第一气体阀门，则高压甲烷瓶通过甲烷输出管路向甲烷参考罐内充入一定压力的甲烷，关闭第一气体阀门，待第一精密压力表的示数稳定后，记录第一精密压力表的示数p 3，然后打开第二气体阀门和第三气体阀门，则甲烷参考罐内的甲烷通过甲烷充入管路、钢管和花管结构向釜体内煤样的钻孔中充入甲烷气体，然后关闭第二气体阀门和第三气体阀门，并记录第四精密压力表的示数p 4，煤样开始吸附甲烷，待煤样吸附甲烷一段时间后，观察第四精密压力表的示数是否达到实验所需的吸附平衡压力P，如果未达到，则打开第二气体阀门和第三气体阀门继续向釜体内充入甲烷气体，并记录第四精密压力表的示数p n，直至第四精密压力表的示数达到实验所需的吸附平衡压力P，关闭第二气体阀门和第三气体阀门，如此，便实现井下煤层瓦斯压力赋存的相似模拟，则单位质量煤样的吸附瓦斯量为，其中Z 3、Z n、Z分别为p 3、p n、P压力下的压缩因子，V 3为第一气体阀门和第二气体阀门之间的体积，T为实验温度，m为煤样的质量。
9.根据权利要求8所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：步骤（八）具体为：启动第一高压注液泵，设定注液量Q或注液压力P z ，打开第一液体阀门、第二液体阀和第三液体阀门，则第一高压注液泵将第一储水箱中的水经由第一液体管路抽出并通过第二液体管路、甲烷充入管路、注入通孔、钢管和花管结构注入釜体内煤样的钻孔中，当注液量达到设定的注液量Q或注液压力达到设定的注液压力P z 时，停止注液，关闭第一高压注液泵、第一液体阀门、第二液体阀和第三液体阀门，则注入的液体在煤样内部发生运移，由于煤对液体的吸附能力大于煤对瓦斯的吸附能力，因此液体在煤样内部运移的过程中与煤样内吸附的瓦斯发生相互作用，造成吸附态瓦斯被置换为游离态瓦斯，煤样被润湿，釜体内的压力升高，待第四精密压力表的示数达到稳定时记录其压力为Pe，此时说明液体在煤样中运移已经达到平衡状态，釜体内单位质量煤样被置换出的瓦斯体积为，式中q z 为单位质量煤样置换瓦斯量，P e为液体在煤样中运移达到平衡后釜体内的压力，Z e为P e压力条件下的压缩因子，然后打开第八气体阀门释放釜体内的游离气体，待第四精密压力表的示数降为0后，关闭第八气体阀门，打开第七气体阀门，煤样中的瓦斯开始解吸，解吸的瓦斯通过解吸管路进入解吸仪中，解吸仪记录不同时刻的瓦斯解吸量，直至煤样不再解吸，视为解吸平衡，则解吸平衡时单位质量煤样的瓦斯解吸量为/>，其中V e 为解吸平衡后煤样的瓦斯解吸量，q e 为解吸平衡后单位质量煤样的瓦斯解吸量，则注水后单位质量煤样的残存瓦斯量为q c =q x -q z -q e。
10.根据权利要求8所述的联动测试煤层注水治理瓦斯及粉尘作用效果的方法，其特征在于：步骤（九）具体为：拆掉釜体上的右侧的端盖，将长方体亚克力桶的左侧口套在釜体的右端外部并与釜体通过螺栓固定连接，长方体亚克力桶的左侧口与釜体的右侧口左右对应连通，长方体亚克力桶通过第二机架固定支撑在地面上，长方体亚克力桶便可相似模拟井下掘进采煤巷道，启动钻机和抽风机，通过电动推杆推动钻机沿着滑轨向左以一定的推进速度向煤样钻进，相似模拟井下采煤作业，在钻进过程中钻机的钻头与煤样切割摩擦产生煤尘，抽风机通过风筒将长方体亚克力桶内气体抽出模拟井下掘进采煤巷道内的负压通风，然后，采用多个煤尘取样器在长方体亚克力桶内不同的地点取样，再将取样后的煤尘取样器送回实验室检测煤尘浓度c及煤尘粒径分布，测试结束，将长方体亚克力桶与釜体拆开分离，然后同时操作四套加载装置实现对煤样进行卸压松开，四套加载装置的操作过程相同，这里以前侧的加载装置为例进行说明：启动第二高压注液泵，打开第四液体阀门、第六液体阀门和第七液体阀门，则第二高压注液泵将第二储水箱中的水经由第三液体管路抽出并通过第四液体管路、第五液体管路和卸压注液口注入到加载缸体内后侧部，注入到加载缸体内后侧部的高压水推动加载活塞向前移动，加载活塞前侧的加载缸体内的水便通过第一排液管路排出，进而使加载导杆向前拉动加载板，使加载板的后侧面与煤样的前侧面分离，对煤样进行卸压松开，直至加载活塞退回到初始位置，关闭第二高压注液泵、第四液体阀门、第六液体阀门和第七液体阀门，如此，便可实现对煤样进行卸压松开，最后将煤样从釜体内取出。
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| GR01 | Patent grant | ||
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