CN115015052A - 一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***及实验方法，注液调控单元包括配液箱、变压调频泵和注水管路，试样固定单元包括透明模具和底座，透明模具为上端开口的中空结构，透明模具固定在底座上方，在透明模具的左右侧壁上分别开设有进水口、出水口，配液箱与变压调频泵相连，变压调频泵与进水口相连；测距成像单元包括支架、快速相机和两组激光测距仪，两组激光测距仪能进行煤块试样上渗流通道宽度的三角测距，快速相机能对煤块试样进行整体结构高清成像；在透明模具进水口处和出水口处的管路上均设有流量计。本发明能获得颗粒阻塞效应下渗流结构变形特征，为改善煤层注水渗透性能，提高注水源头减尘效果提供基础理论保障。
Description
技术领域
本发明涉及煤层注水防尘技术领域，特别涉及一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***及实验方法。
背景技术
在煤矿井下有限的作业空间内，规模化采掘产生大量煤尘、矽尘而引发的职业健康问题正成为制约煤炭行业高质量可持续发展的瓶颈，严重制约健康中国战略发展。理论表明煤层注水技术可以实现源头高效减尘，满足无尘化矿井建设与生产要求，然而实践发现在采取多种增渗措施后，低渗煤层仍然无法达到理想减尘效果；而且在部分煤层虽然其孔隙度较高，但实际渗透性较差，尤其是在大范围脆性煤层中，煤层地质成藏始终伴生自然颗粒，而机械破坏仍会造成次生颗粒，颗粒随动力水进入渗流通道产生阻塞效应，进一步加剧水力增渗难度。
目前在不同领域多针对砂岩等岩石材料开展流体携载固体颗粒运移机理研究，较少涉及煤体这一裂-孔隙双重介质，并且在进行储层结构渗流特性研究过程中所依托的实验***多为封闭渗流实验，无法实现固体颗粒运移过程的可视化。在构造真实储层结构物理模型时，基本采用相似材料、光刻技术等进行模拟，难以还原天然煤岩特有的胶结物与粗糙性。在结构特征分析过程中，多基于静态结构进行分析，很少围绕颗粒阻塞效应下的结构变化过程进行动态分析。在开展煤岩体裂-孔隙双重介质渗流特性研究时，采用的流体多为水或其他理想单相流体，很少利用水-颗粒两相混合流体。渗流特性阐释多采用渗透率这一特定参数，较少涉及流体渗流过程中水压分布、流速分布等其他参数。进行理论分析或者实验研究时多针对单一渗流过程，较少根据渗流结构及尺度变化细分为多个阶段。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***及实验方法，以实现水侵煤体过程中水载微颗粒两相流体运移全过程可视化，获得颗粒阻塞效应下渗流结构变形特征，为改善煤层注水渗透性能，减少压力水动力损失，有效扩展水侵范围，增加水分布均匀性，有效提高注水源头减尘效果提供基础理论保障。
为了实现上述目的，本发明提出了一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，包括注液调控单元、试样固定单元、测距成像单元和数据监测单元；
所述注液调控单元包括配液箱、变压调频泵和注水管路，所述试样固定单元包括透明模具和底座，所述透明模具为上端开口的中空结构，透明模具固定在底座上方，透明模具内用于放置煤块试样，在底座的底面四角各设有一角度调节柱，底座上还设有震动块，在透明模具的左侧壁上开设有进水口、右侧壁上开设有出水口，所述配液箱通过注水管路与变压调频泵相连，所述变压调频泵通过注水管路与透明模具的进水口相连，透明模具的出水口连接有出水管路；
所述测距成像单元包括支架、快速相机和两组激光测距仪，所述支架围绕底板架设，快速相机和两组激光测距仪均安装在支架顶端，两组激光测距仪能进行煤块试样上渗流通道宽度的三角测距，快速相机能对煤块试样进行整体结构高清成像；所述数据监测单元包括计算机和数据采集器，在透明模具进水口处和出水口处的管路上均设有流量计，所述变压调频泵、两流量计、两组激光测距仪、快速相机均与数据采集器电连接，数据采集器与计算机电连接。
上述方案中：在配液箱内设置有自动搅拌装置，方便快速、均匀配置水和煤粒两相混合液。
上述方案中：所述支架包括两门型架，两门型架在顶部通过两对角支架连成一个整体，所述快速相机安装在两对角支架的交汇点处，两组激光测距仪各自对应一个门型架安装，每组激光测距仪均安装在门型架的横梁上。
上述方案中：所述透明模具和底板均由高透明玻璃板制作而成。
本发明还提出了一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，基于上述水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，该实验方法包括以下步骤：
S1、选取煤块试样，在煤块试样表面开设渗流通道；
S2、将煤块试样放置于透明模具内，并让煤块试样的渗流通道与透明模具的进水口和出水口连通，煤块试样周围通过凝胶填充固定；
S3、在配液箱中加入煤粒与水混合形成混合液，混合液通过注水管路依次通过变压调频泵、煤块试样表面的渗流通道，最后通过出水管路排出；
S4、两组激光测距仪利用三角法激光测距原理，进行渗流通道宽度三角测距，同时利用快速相机进行整体结构高清成像，结合分形盒维数法获得煤块试样表面渗流通道面积占比以及分形维数变化规律；通过数据采集器自动记录和储存对应数据，并通过计算机分析；实现对颗粒阻塞效应下渗流通道的全过程定量表征，明确不同因素对渗流通道形态演化的作用机理，依据进/出水口流量实时监测数据，阐明颗粒阻塞各阶段对于渗流通道内水渗流状况的影响机理。
上述方案中：在步骤S3中，选取不同粒径的煤粒与水混合形成混合液，一种粒径的煤粒对应一次上述实验。
上述方案中：在步骤S3中，水与煤粒能按不同的质量比进行配置，一种质量比对应一次上述实验。
上述方案中：在步骤S3中，变压调频泵能调节注液流速和时长。
上述方案中：在步骤S3中，利用角度调节柱能调整底板的角度，从而调节煤块试样的角度。
上述方案中：在步骤S3中，震动器能激励底板震动，从而带动煤块试样震动。
本发明的有益效果是：
根据测距成像单元两组激光测距仪测试数据，利用三角法激光测距原理，可以测算渗流通道(裂隙)不同位置处隙宽变化情况；同时观测水载煤颗粒在模型裂隙结构中运移、沉积、以及在裂隙限制区架桥等过程，将快速相机高清图像基于自建小波分析程序进行降噪及二值化处理，进一步结合分形盒维数法获得煤块试样表面裂隙结构整体面积占比以及分形维数变化规律，完成对于颗粒阻塞效应下渗流通道的全过程定量表征；研究构造裂隙及流速情况下，含煤颗粒溶液浓度、煤颗粒粒径大小对水载煤颗粒机械架桥影响规律；改变变压调频泵注液速度，研究固定裂隙及煤颗粒情况下，含煤颗粒溶液流速对裂隙中水载煤颗粒架桥过程的影响；通过调节角度调节柱，研究固定煤颗粒参数及流速情况下，裂隙的大小及角度对水载煤颗粒机械架桥的影响；将煤颗粒粒径与裂隙直径之比定义为匹配度，并结合实验数据测算临界流速与匹配度、煤块试样表面粗糙度之间关系，揭示水载煤颗粒的桥堵机制，并分析最佳匹配度与流速，为控制颗粒桥堵提供理论指导，为煤体增渗提供理论基础。
附图说明
图1是水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***的结构示意图。
图2是煤块试样放置于透明模具中的示意图。
具体实施方式
如图1—2所示，一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，主要由注液调控单元，试样固定单元，测距成像单元和数据监测单元组成。
注液调控单元包括配液箱1、变压调频泵4和注水管路3，试样固定单元包括透明模具8和底座6，透明模具8为上端开口的中空结构，透明模具8固定在底座6上方，透明模具8内用于放置煤块试样11。在底座6的底面四角各设有一角度调节柱7，底座6上还设有震动块9。在透明模具8的左侧壁上开设有进水口、右侧壁上开设有出水口，配液箱1通过注水管路3与变压调频泵4相连，变压调频泵4通过注水管路3与透明模具8的进水口相连，透明模具8的出水口连接有出水管路。
测距成像单元包括支架10、快速相机15和两组激光测距仪14，支架10围绕底板6架设，快速相机15和两组激光测距仪14均安装在支架10顶端，两组激光测距仪14能进行煤块试样11上渗流通道101宽度的三角测距，快速相机15能对煤块试样11进行整体结构高清成像。数据监测单元包括计算机12和数据采集器11，在透明模具8进水口处和出水口处的管路上均设有流量计5，变压调频泵4、两流量计5、两组激光测距仪14、快速相机15均与数据采集器13电连接，数据采集器13与计算机12电连接。
最好是，在配液箱1内设置有自动搅拌装置2，方便快速、均匀配置水和煤粒两相混合液。
最好是，支架10包括两门型架，两门型架在顶部通过两对角支架连成一个整体，快速相机15安装在两对角支架的交汇点处，两组激光测距仪14各自对应一个门型架安装，每组激光测距仪14均安装在门型架的横梁上。
最好是，透明模具8和底板均由高透明玻璃板制作而成。
基于上述水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***的一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，主要由以下步骤组成：
S1、选取煤块试样11，在煤块试样11表面开设渗流通道101(模拟裂隙)，也可直接采集自带裂隙结构的煤块试样11。渗流通道101可以有多条，但各渗流通道101均相互连通，且需保证至少有一条渗流通道101与透明模具8上的进、出水口连通。
S2、将煤块试样11放置于透明模具8内，并让煤块试样11的渗流通道101与透明模具8的进水口和出水口连通，煤块试样11周围通过凝胶填充固定。
S3、在配液箱1中加入煤粒与水混合形成混合液，混合液通过注水管路3依次通过变压调频泵4、煤块试样11表面的渗流通道101，最后通过出水管路排出。
S4、两组激光测距仪14利用三角法激光测距原理，进行渗流通道101宽度三角测距，同时利用快速相机15进行整体结构高清成像，结合分形盒维数法获得煤块试样11表面渗流通道101面积占比以及分形维数变化规律；通过数据采集器13自动记录和储存对应数据，并通过计算机12分析；实现对颗粒阻塞效应下渗流通道101的全过程定量表征。
选取不同粒径的煤粒进行多组上述实验，煤粒的粒径范围可以为20～40目、40～60目、60～80目、80～100目或100～120目；按不同的质量比配置水-煤粒混合液，采用不同浓度的水-煤粒混合液进行多组上述实验；通过变压调频泵4调节混合液注液流速和时长，以不同的流速或时长进行多组上述实验；利用角度调节柱7调整底板6的角度，从而调节煤块试样11的角度，煤块试样11以不同的角度(包括水平角度)进行多组上述实验；通过震动器9激励底板6震动，从而带动煤块试样11震动，煤块试样11以不同的振动频率(包括静止状态)进行多组上述实验。
通过多组实验，明确煤粒粒径、含煤颗粒溶液浓度、不同流速及注水时间、裂隙角度、裂隙震动频率对裂隙形态演化的作用机理；依据进/出水口流量实时监测数据，阐明颗粒阻塞各阶段对于裂隙通道内水渗流状况的影响机理。
Claims (10)
1.一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，其特征在于：包括注液调控单元、试样固定单元、测距成像单元和数据监测单元；
所述注液调控单元包括配液箱(1)、变压调频泵(4)和注水管路(3)，所述试样固定单元包括透明模具(8)和底座(6)，所述透明模具(8)为上端开口的中空结构，透明模具(8)固定在底座(6)上方，透明模具(8)内用于放置煤块试样(11)，在底座(6)的底面四角各设有一角度调节柱(7)，底座(6)上还设有震动块(9)，在透明模具(8)的左侧壁上开设有进水口、右侧壁上开设有出水口，所述配液箱(1)通过注水管路(3)与变压调频泵(4)相连，所述变压调频泵(4)通过注水管路(3)与透明模具(8)的进水口相连，透明模具(8)的出水口连接有出水管路；
所述测距成像单元包括支架(10)、快速相机(15)和两组激光测距仪(14)，所述支架(10)围绕底板(6)架设，快速相机(15)和两组激光测距仪(14)均安装在支架(10)顶端，两组激光测距仪(14)能进行煤块试样(11)上渗流通道(101)宽度的三角测距，快速相机(15)能对煤块试样(11)进行整体结构高清成像；所述数据监测单元包括计算机(12)和数据采集器(11)，在透明模具(8)进水口处和出水口处的管路上均设有流量计(5)，所述变压调频泵(4)、两流量计(5)、两组激光测距仪(14)、快速相机(15)均与数据采集器(13)电连接，数据采集器(13)与计算机(12)电连接。
2.根据权利要求1所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，其特征在于：在配液箱(1)内设置有自动搅拌装置(2)。
3.根据权利要求1所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，其特征在于：所述支架(10)包括两门型架，两门型架在顶部通过两对角支架连成一个整体，所述快速相机(15)安装在两对角支架的交汇点处，两组激光测距仪(14)各自对应一个门型架安装，每组激光测距仪(14)均安装在门型架的横梁上。
4.根据权利要求1所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，其特征在于：所述透明模具(8)和底板均由高透明玻璃板制作而成。
5.一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：基于权利要求1—4任一项所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***，实验方法包括以下步骤：
S1、选取煤块试样(11)，在煤块试样(11)表面开设渗流通道(101)；
S2、将煤块试样(11)放置于透明模具(8)内，使煤块试样(11)的渗流通道(101)与透明模具(8)的进水口和出水口连通，煤块试样(11)周围通过凝胶填充固定；
S3、在配液箱(1)中加入煤粒与水混合形成混合液，混合液通过注水管路(3)依次通过变压调频泵(4)、煤块试样(11)表面的渗流通道(101)，最后通过出水管路排出；
S4、两组激光测距仪(14)利用三角法激光测距原理，进行渗流通道(101)宽度三角测距，同时利用快速相机(15)进行整体结构高清成像，结合分形盒维数法获得煤块试样(11)表面渗流通道(101)面积占比以及分形维数变化规律；通过数据采集器(13)自动记录和储存对应数据，并通过计算机(12)分析；实现对颗粒阻塞效应下渗流通道(101)的全过程定量表征，明确不同因素对渗流通道(101)形态演化的作用机理，依据进/出水口流量实时监测数据，阐明颗粒阻塞各阶段对于渗流通道(101)内水渗流状况的影响机理。
6.根据权利要求5所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：在步骤S3中，选取不同粒径的煤粒与水混合形成混合液，一种粒径的煤粒对应一次上述实验。
7.根据权利要求5所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：在步骤S3中，水与煤粒能按不同的质量比进行配置，一种质量比对应一次上述实验。
8.根据权利要求5所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：在步骤S3中，变压调频泵(4)能调节注液流速和时长。
9.根据权利要求5所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：在步骤S3中，利用角度调节柱(7)能调整底板(6)的角度，从而调节煤块试样(11)的角度。
10.根据权利要求5所述的水载微颗粒运移过程可视化仿真实验方法，其特征在于：在步骤S3中，震动器(9)能激励底板(6)震动，从而带动煤块试样(11)震动。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210869205.8A Pending CN115015052A (zh) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | 一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验***及实验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115015052A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114414449A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 四川大学 | 一种新型智能职业健康实时检测装置 |
-
2022
- 2022-07-21 CN CN202210869205.8A patent/CN115015052A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114414449A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 四川大学 | 一种新型智能职业健康实时检测装置 |
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