一種礦用封孔材料性能測試裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料密封性能測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種礦用封孔材料性能測試裝置及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]瓦斯作為煤礦井下五大災(zāi)害之一，同樣也是一種清潔能源。目前，治理瓦斯問題的關(guān)鍵是瓦斯抽采，而井下封孔質(zhì)量是瓦斯抽采的關(guān)鍵。井下封孔是利用膠囊、聚氨酯形成一段封閉空間，然后利用注漿栗將封孔材料注入鉆孔內(nèi)。然而，實驗室進(jìn)行封孔材料密封性能測試時，漿液往往是注入到鋼管或者PVC管內(nèi)，利用鋼管或者PVC管來代替鉆孔，進(jìn)而把漿液注入的管內(nèi)，再利用真空栗抽氣，進(jìn)而檢測材料的密封性能。在這方面，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。
[0003]現(xiàn)有文獻(xiàn)中有記載，通過在PVC管內(nèi)壁粘涂一層煤粉，模擬瓦斯抽采鉆孔，進(jìn)而進(jìn)行聚氨酯的密封性能(李敏，煤礦聚氨酯封孔的實驗研究，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2011);利用內(nèi)壁粗糙的無縫鋼管模擬鉆孔，鋼管兩端設(shè)置堵頭，在堵頭之間注入封孔材料，進(jìn)而進(jìn)行封孔參數(shù)的確定(倪冠華，脈動水力壓裂鉆孔密封參數(shù)的測定及分析，中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，42(2));利用PVC管模擬鉆孔，通過在PVC管上直徑不同的孔來模擬裂隙，采用“兩堵一注”的方法進(jìn)行材料的封孔性能測試(成艷英，本煤層鉆孔瓦斯抽采失效機(jī)制及高效密封技術(shù)研究，中國礦業(yè)大學(xué)，2014年)。
[0004]通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在密封材料密封性能測試方面，大多忽略了地應(yīng)力的影響。因此，需繼續(xù)研究出一種考慮地應(yīng)力影響的技術(shù)方案以解決上述問題。鑒于此，本發(fā)明人為此研制出一種礦用封孔材料性能測試裝置及其使用方法，有效的解決了上述問題，本案由此產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供的一種礦用封孔材料性能測試裝置及其使用方法，通過對煤粉施加軸向壓力和圍壓，來模擬井下煤層所處的真實地應(yīng)力環(huán)境，解決了因忽略地應(yīng)力，而不能對材料封孔性能做出合理評估的問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種礦用封孔材料性能測試裝置，包括密封筒、軸向加壓裝置、注水裝置、注漿系統(tǒng)和氣密性檢測系統(tǒng)，密封筒由外至內(nèi)包括外筒、橡膠筒和花管，橡膠筒和外筒之間構(gòu)成封閉的注水室，花管和橡膠筒之間構(gòu)成煤粉室，花管內(nèi)構(gòu)成注漿室;煤粉室內(nèi)填充煤粉，注水裝置和注水室連通，注水裝置用于向注水室加高壓水推動橡膠筒徑向壓縮煤粉室，軸向加壓裝置安裝于煤粉室一端用于軸向壓縮煤粉室，注漿系統(tǒng)和注漿室連通用于向注漿室內(nèi)注入封孔材料，氣密性檢測系統(tǒng)亦和注漿室連通用于檢測注漿室密封性能。
[0007]所述注水裝置包括水栗、注水管、水壓表和注水閥門，水栗通過注水管和注水室連通，注水管上安裝有水壓表。
[0008]所述軸向加壓裝置包括壓實板、加壓桿、液壓裝置、液壓管和液壓控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)通過液壓管和液壓裝置相連，液壓裝置上安裝有加壓桿，加壓桿前端安裝壓實板，壓實板呈環(huán)形，壓實板套設(shè)在花管外并壓置在煤粉室的一端，加壓桿推動壓實板軸向壓縮煤粉，壓實板將該煤粉室的一端密封。
[0009]所述注漿系統(tǒng)包括注漿端、注漿栗、注漿管和注漿壓力表，注漿端密封安裝在花管的一端，注漿端具有和花管連通的進(jìn)漿管和出漿管，進(jìn)漿管和出漿管分別安裝有注漿閥門和回漿閥門，注漿栗通過注漿管和進(jìn)漿管連通，注漿管上安裝有注漿壓力表。
[0010]所述注漿系統(tǒng)和氣密性檢測系統(tǒng)分別安裝在花管的兩端，氣密性檢測系統(tǒng)包括抽真空端、真空栗、真空管、真空管閥門和真空表，抽真空端密封安裝在花管的一端，花管在靠近該端的內(nèi)側(cè)安裝有隔板，隔板將花管分隔成兩段，一段為注漿室，另一段和抽真空端共同構(gòu)成真空室，真空管一端通過抽真空端和花管連通，真空管另一端和真空栗連接，真空管上安裝有真空管閥門和真空表。
[0011]所述煤粉室在位于軸向加壓裝置的一端密封，在另一端安裝有密封用的呈環(huán)形的封口蓋，封口蓋的內(nèi)孔壁開設(shè)密封槽，密封槽用于和花管保持密封，封口蓋上開設(shè)通氣孔，通氣孔通過安裝或拆卸螺栓進(jìn)行封堵或通氣。
[0012]所述煤粉室在位于軸向加壓裝置的一端安裝有煤粉的加料裝置，加料裝置包括送料管、加料斗和加料閥門，加料斗通過送料管和煤粉室連通，加料斗下方安裝有加料閥門。
[0013]—種礦用封孔材料性能測試裝置的使用方法，使用步驟如下:
(I)實驗準(zhǔn)備:清理密封筒，保證花管、橡膠筒內(nèi)壁干凈沒有殘余物后，進(jìn)行設(shè)備的安裝；
(2 )形成模擬鉆孔:將煤粉裝入煤粉室內(nèi)，直至煤粉裝滿煤粉室；
(3)加載圍壓、軸壓:利用軸向加壓裝置對煤粉加載軸壓，利用注水裝置向注水室加高壓水推動橡膠筒壓縮煤粉室以加載圍壓，待煤粉所處壓力達(dá)到礦井實際條件時，保持此壓力至規(guī)定時間；
(4)注漿:利用注漿系統(tǒng)向注漿室內(nèi)注由封孔材料構(gòu)成的漿液，待漿液壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，停止注漿，保持該壓力；
(5)封孔性能檢測:帶漿液凝固后，利用氣密性檢測系統(tǒng)檢測注漿室的密封性能；
(6)儀器整理:實驗結(jié)束后，放掉注水室內(nèi)的水和煤粉室內(nèi)的煤粉，將各部件拆除，清理儀器設(shè)備。
[0014]所述設(shè)備安裝的步驟為:將外筒固定，將封口蓋安裝到煤粉室的一端，同時把封口蓋上的通氣孔利用螺栓密封，并將花管通過封口蓋內(nèi)孔送入密封筒內(nèi)，將壓實板套設(shè)于煤粉室另一端的花管上，壓實板與軸向加壓裝置的加壓桿連接在一起，通過軸向加壓裝置將壓實板退至最右端，形成最大煤粉室，把注漿系統(tǒng)的注漿端與花管一端安裝在一起，把氣密性檢測系統(tǒng)的抽真空端與花管另一端安裝在一起，把注水裝置的注水管和注水室連通，將加料裝置的送料管和煤粉室連通；
形成模擬鉆孔的具體步驟為:利用軸向加壓裝置將壓實板退至煤粉室最右端，將送料管送入煤粉室，打開加料閥門，通過加料斗將煤粉裝入煤粉室內(nèi)，裝入過程中，利用搗棒將煤粉搗入煤粉室，再利用軸向加壓裝置推動壓實板將煤粉送入煤粉室內(nèi)部，然后將壓實板退至最右端，循環(huán)按照此步驟，直至煤粉裝滿煤粉室； 注漿的具體步驟為:打開注漿閥門、回漿閥門，通過注漿管向注漿室內(nèi)注漿，待出漿管內(nèi)有漿液流出時，關(guān)閉回漿閥門，并繼續(xù)向注漿室內(nèi)注漿，待漿液壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，關(guān)閉注漿閥門，保持該壓力；
封孔性能檢測的具體步驟為:利用真空栗對真空室抽真空，待真空表示數(shù)達(dá)到-0.1MPa時，關(guān)閉真空管閥門和真空栗，觀察真空表示數(shù)變化，以確定封孔材料的密封性能；
儀器整理的具體步驟為:實驗結(jié)束后，首先緩緩打開注水閥門，把注水室內(nèi)的水放出來，待水放完之后，打開真空管閥門，將水壓表、注漿壓力表和真空表取下，打開封口蓋，利用軸向加壓裝置將煤粉推出煤粉室，將花管取出來，清理儀器設(shè)備。
[0015]在步驟(4)之前，還進(jìn)行整個裝置的氣密性檢查，步驟為:
安裝封口蓋上的螺栓，關(guān)閉注漿閥門、回漿閥門、注水閥門、加料閥門，利用真空栗對真空室抽負(fù)壓，待真空表示數(shù)達(dá)到-0.1MPa時，關(guān)閉真空管閥門和真空栗，保持lh，觀察真空表示數(shù)變化，示數(shù)無變化，則裝置氣密性良好，否則對裝置進(jìn)行檢查重新安裝，再重新測試；煤粉室連通大氣:將封口蓋上的螺栓取下，使煤粉室、注漿室和真空室與大氣相通。
[0016]采用上述方案后，本發(fā)明的密封筒分為三層，增加煤粉室和注水室，煤粉室用于填充更多的煤粉，然后通過注水裝置向注水室加高壓水，推動橡膠筒徑向壓縮煤粉室，從而對煤粉加載圍壓，通過軸向加壓裝置軸向壓縮煤粉室，從而對煤粉加載軸壓，來模擬井下煤層所處的真實地應(yīng)力環(huán)境，因此通過氣密性檢測系統(tǒng)檢測出的封孔材料的密封性能，更加接近真實使用時的封孔材料密封性能，解決了因