[发明专利]一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验系统及实验方法

说明书

本发明公开了一种水载微颗粒运移过程可视化仿真实验系统及实验方法，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。

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系统及实验方法。

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系统多为封闭渗流实验，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系统及实验方法，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系统，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。