CN110927018B - 煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型及使用方法，涉及煤层注水防尘技术领域，模型包括煤板、水晶胶模具板和透明塑料底座，水晶胶浇铸在煤板之上形成水晶胶模具板，煤板放置在透明塑料底座内，煤板和水晶胶模具板接触面所在平面上，在两端分别设置有注水端和出水端，注水端连接有平流泵，出水端连接有样口瓶，透明塑料底座上还设置有升降螺栓；使用该仿真模型调配不同含煤颗粒注液，调整裂隙大小和角度，从而可以直接观测水载颗粒在不同煤样、多种尺寸裂隙、多角度裂隙条件下的运移、沉积、架桥过程，并根据样口瓶测量构建裂隙中水载微颗粒沉积模型，实现了煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程可视化，模拟更加简便准确。
Description
技术领域
本发明涉及煤层注水防尘技术领域，尤其是一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型及其使用方法。
背景技术
矿山、隧道、水电站等地下工程的富水破碎岩体的治理中，通常采用注浆方法，对受注围岩进行加固，并起到堵水的作用，改善其水文地质和工程地质条件，提升围岩承载能力和隔水性能，并取得了良好的效果。但是在深井围岩微裂隙复合含水层的治理中，研究岩石微裂隙注浆堵水技术需要进行渗流实验，在渗流实验中渗流试件的制作至关重要，并且渗流实验中不能监测微裂隙的结构面变形情况和开度情况。为了制备含有不同开度、不同粗糙度的渗流试块，研究微裂隙的开度和粗糙度相互耦合对渗流的影响，并监测渗流对微裂隙的结构面变形和开度情况的影响，从而能够更好的研究裂隙扩张和注浆问题，需要对现有的试件仿真模型的制作方法做进一步的改进。
发明内容
为了实现了煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程可视化，方便、准确的模拟渗流，预测注入悬浮颗粒溶液对裂隙产生的堵塞程度，更好的研究揭示煤体裂隙结构中水载微颗粒的机械架桥机制以及破桥技术，减少煤体渗透率的损伤，提高煤层注水减尘效果，本发明提供了一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型及使用方法，具体技术方案如下。
一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，包括平流泵、透明PVC管、样口瓶、水晶胶模具板、煤板和透明塑料底座；水晶胶浇铸在煤板之上形成水晶胶模具板，煤板放置在透明塑料底座内；所述煤板和水晶胶模具板接触面所在平面上，在透明塑料底座两端分别设置有注水端和出水端；所述注水端通过透明PVC管连接有平流泵，出水端通过透明PVC管连接有样口瓶，透明塑料底座上还设置有升降螺栓；煤板为长方体状，煤板的上表面粗糙且其余表面光滑；所述透明塑料底座前后挡板的高度大于左右挡板的高度。
优选的是，透明塑料底座使用高强度透明塑料制作而成，所述平流泵泵送含煤颗粒注液。
优选的是，升降螺栓调节水晶胶模具板和煤板之间模拟裂隙的宽度，升降螺栓的调节范围是0-7mm。
优选的是，样口瓶中的液体通过浊度计和库尔特计数器检测，水晶胶模具板相对的位置设置高清摄像头记录水载微颗粒的运移、沉积和架桥过程。
还优选的是，煤板放置在透明塑料底座的玻璃板上。
煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型的使用方法，使用上述的一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，步骤包括：
步骤A.加工煤板，煤板呈长方体，上表面为粗糙原表面，其余表面打磨光滑；
步骤B.制作水晶胶模具板，将水晶胶浇筑在煤板上表面，固化成形后分离煤板和水晶胶模具板，水晶胶模具板下表面和煤板上表面的粗糙表面相互配合；
步骤C.透明塑料底座的注水端通过透明PVC管连接有平流泵，出水端通过透明PVC管连接有样口瓶；
步骤D.安放煤板和水晶胶模具板于透明塑料底座上，通过升降螺栓调整水晶胶模具板和煤板之间模拟裂隙的宽度、水晶胶模具板和煤板的倾斜角度；
步骤E.通过平流泵向注水端注入含煤颗粒注液，直接观测水载微颗粒在煤样自然裂隙中的运移、沉积、架桥过程；
步骤F.收集出水端流入样口瓶内的液体，通过浊度计和库尔特计数器检测流出液体中的颗粒浓度及其粒径，构建裂隙中水载微颗粒沉积模型。
还优选的是，裂隙中水载微颗粒沉积模型的构件包括：a.检测样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；b.重复使用煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型，分别改变含煤颗粒注液浓度、含煤颗粒注液的粒径大小、裂隙的宽度、倾斜角度，并记录样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；c.通过线性拟合得到影响裂隙堵塞的主控因素，结合临界流速得出颗粒粒径范围及最佳颗粒粒径与裂隙宽度的匹配度。
本发明的有益效果是：通过提供的一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，可以可视化观测煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程，并完成不同煤样尺寸、不同角度、不同裂隙宽度条件下的，水载微颗粒在裂隙中的运移、沉积、架桥等过程模拟，该模型的制作方法操作简便，成本低，成功率高，且易于观察；另外使用该煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型的方法，能够通过模拟预测注入悬浮颗粒溶液对裂隙产生的堵塞程度，更好的研究揭示煤体裂隙结构中水载微颗粒的机械架桥机制以及破桥技术，减少煤体渗透率的损伤，提高煤层注水减尘效果。
附图说明
图1是煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型结构示意图；
图2是图1的A-A截面示意图；
图3是水晶胶模具板和煤板结构示意图；
图4是进水端结构示意图；
图5是煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型使用方法流程图；
图中：1-平流泵；2-透明PVC管；3-样口瓶；4-水晶胶模具板；5-煤板；6-透明塑料底座；7-玻璃板；8-升降螺栓；9-注水端；10-出水端。
具体实施方式
结合图1至图5所示，本发明提供的煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型及使用方法具体实施方式如下。
一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，如图1和图2所示，具体结构包括平流泵1、透明PVC管2、样口瓶3、水晶胶模具板4、煤板5和透明塑料底座6；平流泵1用于输送含煤颗粒注液，透明PVC管2可以方便注液流动的观察，样口瓶3用于采集经过裂隙模型后的液体，煤板5和水晶胶模具板4模拟还原煤体裂隙，水晶胶模具板4即可以和煤板5完好的配合，还可以直观的观察，透明塑料底座实现角度、缝隙大小的调节；通过该仿真模型可以可视化观测煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程，并完成不同煤样尺寸、不同角度、不同裂隙宽度条件下的，水载微颗粒在裂隙中的运移、沉积、架桥等过程模拟，该模型的制作方法操作简便，成本低，成功率高，且易于观察。
其中水晶胶浇铸在煤板之上形成水晶胶模具板4，浇筑过程保证两者稳定接触，煤板5放置在透明塑料底座内，透明塑料底座6使用高强度的透明塑料材料制作而成，透明塑料底座6内的底部还可以设置玻璃板7，玻璃板7采用高透的玻璃材料。煤板5和水晶胶模具板4接触面所在的平面上，在透明塑料底座6两端分别设置有注水端9和出水端10，从而方便注入含煤颗粒注液；为了方便控制进出水的流量可以在注水端和出水端设置阀门，根据需要选择阀门的形式。注水端9通过透明PVC管连接有平流泵1，出水端10通过透明PVC管2连接有样口瓶，透明塑料底座6上还设置有升降螺栓8。煤板5为长方体状，煤板5的上表面粗糙且其余表面光滑，煤板5上的粗糙表面符合煤体内的自然节理面特征。透明塑料底座6前后挡板的高度大于左右挡板的高度，从而保证煤板和水晶胶模具板可以倾斜一定的角度。
透明塑料底座6使用高强度透明塑料制作而成，平流泵1用于泵送含煤颗粒注液，泵送压力可以调节。升降螺栓8调节水晶胶模具板4和煤板5之间模拟裂隙的宽度，升降螺栓8的调节裂隙宽度的范围是0-7mm，调整倾角变化的范围是0-30°。其中水晶胶模具板4和煤板5还可以通过其它常规的调整方式进行调节，也可以自动调节并测量两者之间的宽度，模拟原生煤体裂隙中裂隙的开度，其开度可以准确的确定。为了适应倾角的调节，可以在不同的高度设置多个注水端，方便透明PVC管的连接，从而方便调整不同角度进行仿真模拟。另外为了更好的模拟还可以将注水端的形状设置为图4所示的剖面结构，从而使液体在宽度方向上从整个缝隙流入流出，进一步保证了模拟结果的准确性。
样口瓶中的液体通过浊度计和库尔特计数器检测，可以得到样口瓶中液体的颗粒浓度及其粒径，水晶胶模具板4相对的位置设置高清摄像头记录水载微颗粒的运移、沉积和架桥过程。煤板5放置在透明塑料底座的玻璃板上，进一步的方便调整角度还方便了观测。
一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型的使用方法，如图5所示，使用上述的一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，步骤包括：
步骤A.加工煤板，煤板呈长方体，上表面为粗糙原表面，其余表面打磨光滑。煤板的尺寸根据透明塑料底座和模拟的需要进行制作，其厚度在30cm左右为宜。
步骤B.制作水晶胶模具板，将水晶胶浇筑在煤板上表面，固化成形后分离煤板和水晶胶模具板，水晶胶模具板下表面和煤板上表面的粗糙表面相互配合；其中水晶胶模具板的尺寸根据仿真模型的尺寸设置，另外水晶胶模具板的厚度应与煤板相近；另外还可以在煤板上均匀撒一层脱模剂，从而保证水晶胶模具板和煤板快速平稳分离。
步骤C.透明塑料底座的注水端通过透明PVC管连接有平流泵，出水端通过透明PVC管连接有样口瓶。高强度透明塑料制作成无盖的长方体结构的高强度透明塑料底座，注水端和出水端尺寸设计可以根据渗流的流量大小进行设定。
步骤D.安放煤板和水晶胶模具板于透明塑料底座上，通过升降螺栓调整水晶胶模具板和煤板之间模拟裂隙的宽度、水晶胶模具板和煤板的倾斜角度。
步骤E.通过平流泵向注水端注入含煤颗粒注液，直接观测水载微颗粒在煤样自然裂隙中的运移、沉积、架桥过程，使上述自然过程的模拟更加直观。
步骤F.收集出水端流入样口瓶内的液体，通过浊度计和库尔特计数器检测流出液体中的颗粒浓度及其粒径，构建裂隙中水载微颗粒沉积模型。
裂隙中水载微颗粒沉积模型的构件包括：a.检测样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；b.重复使用煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型，分别改变含煤颗粒注液浓度、含煤颗粒注液的粒径大小、裂隙的宽度、倾斜角度，并记录样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；c.通过线性拟合得到影响裂隙堵塞的主控因素，结合临界流速得出颗粒粒径范围及最佳颗粒粒径与裂隙宽度的匹配度，进而可以用于预测在一定范围内注入一定量的悬浮颗粒溶液产生的堵塞程度。
其中，裂隙内部微粒的运移、沉积、架桥过程是研究裂隙渗流的关键，为了研究微裂隙的开度和粗糙度相互耦合对渗流的影响，需要监测渗流对微裂隙的结构面变形和开度情况的影响，从而能够更好的研究裂隙扩张和注浆问题。其中水载微颗粒在煤样自然裂隙中，微粒在裂隙中的运移还需同时考虑介质渗流速度、裂隙发育、威力浓度和粒径的变化，微粒剥离释放速率增加，微粒在裂隙表面沉积滞留，增加了微粒架桥堵塞的可能性。模拟不同煤样尺寸、不同角度、不同裂隙宽度，可以揭示煤体裂隙结构中水载微颗粒的机械架桥机制以及破桥技术，进而减少煤体渗透率的损伤，提高煤层注水减尘效果。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型的使用方法，其特征在于，使用一种煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程的仿真模型，包括平流泵、透明PVC管、样口瓶、水晶胶模具板、煤板和透明塑料底座；水晶胶浇铸在煤板之上形成所述水晶胶模具板，煤板放置在透明塑料底座内；所述煤板和水晶胶模具板接触面所在的平面上，在透明塑料底座两端分别设置有注水端和出水端；所述注水端通过透明PVC管连接有平流泵，出水端通过透明PVC管连接有样口瓶，透明塑料底座上还设置有升降螺栓；所述煤板为长方体状，煤板的上表面粗糙且其余表面光滑；所述透明塑料底座前后挡板的高度大于左右挡板的高度；所述透明塑料底座使用高强度透明塑料制作而成，所述平流泵泵送含煤颗粒注液；所述升降螺栓调节水晶胶模具板和煤板之间模拟裂隙的宽度，升降螺栓的调节范围是0-7mm；所述样口瓶中的液体通过浊度计和库尔特计数器检测，水晶胶模具板相对的位置设置高清摄像头记录水载微颗粒的运移、沉积和架桥过程；所述煤板放置在透明塑料底座的玻璃板上；
步骤包括：
步骤A.加工煤板，煤板呈长方体，上表面为粗糙原表面，其余表面打磨光滑；
步骤B.制作水晶胶模具板，将水晶胶浇筑在煤板上表面，固化成形后分离煤板和水晶胶模具板，水晶胶模具板下表面和煤板上表面的粗糙表面相互配合；
步骤C.透明塑料底座的注水端通过透明PVC管连接有平流泵，出水端通过透明PVC管连接有样口瓶；
步骤D.安放煤板和水晶胶模具板于透明塑料底座上，通过升降螺栓调整水晶胶模具板和煤板之间模拟裂隙的宽度、水晶胶模具板和煤板的倾斜角度；
步骤E.通过平流泵向注水端注入含煤颗粒注液，直接观测水载微颗粒在煤样自然裂隙中的运移、沉积、架桥过程；
步骤F.收集出水端流入样口瓶内的液体，通过浊度计和库尔特计数器检测流出液体中的颗粒浓度及其粒径，构建裂隙中水载微颗粒沉积模型；
所述裂隙中水载微颗粒沉积模型的构件包括：a.检测样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；b.重复使用煤体裂隙结构内水载微颗粒运移过程仿真模型，分别改变含煤颗粒注液浓度、含煤颗粒注液的粒径大小、裂隙的宽度、倾斜角度，并记录样口瓶中流出液体的颗粒浓度及其粒径大小；c.通过线性拟合得到影响裂隙堵塞的主控因素，结合临界流速得出颗粒粒径范围及最佳颗粒粒径与裂隙宽度的匹配度。
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