[0001] 本发明涉及煤矿开采技术领域，具体地，涉及一种模拟石门揭煤装置及方法。

[0002] 在煤矿开采过程中，石门揭煤是一项复杂而危险的工程。由于煤层中通常含有大量的瓦斯气体，在石门揭煤过程中，煤体的突然暴露会导致瓦斯瞬间涌出，极易引发瓦斯突
出事故，严重威胁着煤矿工人的生命安全和矿井的正常生产。为了降低瓦斯突出风险，提高
石门揭煤的安全性和效率，通常需要在揭煤前进行瓦斯抽采。然而，传统的瓦斯抽采方法存
在抽采效率低、抽采时间长等问题，难以满足快速揭煤的需求。此外，随着煤矿开采深度的
不断增加，煤层的地质条件变得更加复杂，瓦斯压力和含量也不断增大，这给石门揭煤和瓦
斯抽采工作带来了更大的挑战。相关技术中，石门揭煤需要在现场逐步尝试得到石门揭煤
方案的各相关参数，安全风险大，效率较低，因此，为了有效地模拟实际工况，为现场的石门
揭煤方案提供验证的模型，并对所提供的石门揭煤方案进行效果分析，有必要提供一种可
在实验室实施的模拟石门揭煤装置与模拟方法。

[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本
发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特
定方位进行构造和操作。

[0046] 并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

[0047] 此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于
本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0048] 此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的
相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

[0049] 实施例一

[0050] 本发明提供了一种模拟石门揭煤装置，包括环境模拟系统、试样组2、瓦斯预处理系统3、采探系统4以及监控系统。环境模拟系统用于模拟地层环境。试样组2设置于环境模
拟系统内，包括岩层试样21、煤层试样22。瓦斯预处理系统3用于作用于试样组2、促进瓦斯
解吸以及采集瓦斯。采探系统4对应试样组2设置，采探系统4用于模拟石门揭煤。监控系统
用于监控环境模拟系统的瓦斯流量以及应力、瓦斯预处理系统3工作过程中的流量以及压
力以及采探系统4工作过程中的作用力以及瓦斯浓度。

[0051] 本实施例的模拟石门揭煤装置，试样组2设置于环境模拟系统内部，环境模拟系统通过向试样组2通入瓦斯、施加压力等手段模拟试样组2在地层中的环境，并使煤层试样22
吸附足够的瓦斯，模拟实际的工作环境的煤层中瓦斯的含量。瓦斯预处理系统3作用于试样
组2，促进瓦斯解吸，并对瓦斯进行抽采，模拟实际工作中进行石门揭煤前的预处理。随后将
瓦斯预处理系统3拆下，并安装采探系统4，采探系统4沿岩层试样21至煤层试样22的方向，
向试样组2内部钻探，直至取出部分煤层试样22。监控系统对环境模拟系统的瓦斯流量以及
应力、瓦斯预处理系统3工作过程中的流量以及压力以及采探系统4工作过程中的作用力以
及瓦斯浓度等因素进行监控，通过分析上述项目的数据，能够判断瓦斯预处理系统3是否能
够充分发挥作用、瓦斯突出发生的可能性大小等。

[0052] 其中，环境模拟系统的数量可以是多个，多个环境模拟系统中可设置具有不同特性的试样组2，瓦斯预处理系统3以及采探系统4对上述多个试样组2分别进行差异化处理，
从而一次获得多组实验数据，提高实验效率。

[0053] 其中，环境模仿系统对试样组2通入瓦斯、瓦斯预处理系统3对试样组2进行预处理以及采探系统4对试样组2模拟石门揭煤可以在不同的地点进行，从而降低对实验室环境的
要求，便于实验的开展。

[0054] 实施例二

[0055] 在实施例一的基础上，环境模拟系统包括环境模拟箱11、瓦斯注入机构12以及压力模拟机构13，试样组2以及压力模拟机构13设置于环境模拟箱11内，压力模拟机构13对应
试样组2设置，瓦斯注入机构12连接于环境模拟箱11，瓦斯注入机构12用于向环境模拟箱11
内的煤层试样22注入瓦斯。环境模拟箱11上设有预留孔111，预留孔111对应试样组2设置，
瓦斯预处理系统3、采探系统4通过预留孔111连接于试样组2。试样组2可以直接在环境模拟
箱11中预先制成，通过更换容纳有不同特性的试样组2的环境模拟箱11，可以便捷地对不同
特性的试样组2进行实验，有利于提高实验效率。

[0056] 其中，瓦斯注入机构12包括瓦斯罐121、注气泵122、注气管路123以及注气嘴124，注气嘴124自环境模拟箱11的外部贯穿至内部，注气管路123将瓦斯罐121、注气泵122以及
注气嘴124连通，其中注气管路123可以具有流量表、压力表以及阀门，以便实验人员观察。
瓦斯注入机构12使用时，将环境模拟箱11封闭，通过注气嘴124向环境模拟箱11中注入一定
量的瓦斯后关闭，将环境模拟箱11静止2‑3日，使煤层试样22充分吸附瓦斯，从而模拟煤在
地层中吸附有瓦斯的状态。需要说明的是，在环境模拟箱11静止期间，瓦斯注入机构12可以
保持与环境模拟箱11之间的连接，也可以在注气嘴124上设置单独的阀门，注气完成后关闭
注气嘴124上的阀门，即可断开环境模拟箱11与瓦斯注入机构12之间的连接，注气完成后的
环境模拟箱11可以在适宜的环境下集中静置。

[0057] 作为一种可选的实施方式，环境模拟箱11包括内箱112、外箱113以及封闭板114，外箱113套设于内箱112之外，预留孔111自外箱113贯穿至内箱112，封闭板114设置于外箱
113或内箱112内部且覆盖于预留孔111，试样组2设置于内箱112内部。预留孔111的设置可
以对瓦斯预处理系统3以及采探系统4的安装起到指示作用，并可以提前在预留孔111附近
布置监控系统的部件，以便监控系统获得及时准确的数据，但在瓦斯注入机构12向煤层试
样22中加注瓦斯时，瓦斯易从预留孔111中泄露，不仅降低了瓦斯加注的效率还会对实验人
员的安全造成威胁。使用封闭板114能够在瓦斯注入机构12向煤层试样22中加注瓦斯的过
程中封闭预留孔111，完成瓦斯加注后，再破坏封闭板114以安装瓦斯预处理系统3和采探系
统4，从而降低瓦斯泄漏的风险，保护实验人员的安全。需要说明的是，封闭板114的材料应
当选用柔性材料，例如橡胶、硅胶等，以提升封闭板114对预留孔111的密封作用。

[0058] 作为一种可选的实施方式，内箱112为柔性材质，压力模拟机构13包括第一水囊131以及第二水囊132，第一水囊131设置于内箱112与外箱113之间，且与预留孔111相对设
置，第二水囊132设置于所属于内箱112与外箱113之间，第二水囊132与第一水囊131相邻设
置且与第一水囊131位于内箱112的不同侧。将第一水囊131以及第二水囊132安装于上述位
置后，再封闭外箱113，第一水囊131以及第二水囊132由于外箱113内壁的挤压作用可以对
内箱112表面形成压力，由于内箱112为柔性材质，压力会传递至试样组2，通过调整第一水
囊131以及第二水囊132充水的体积可以控制试样组2受到的压力；另一方面，内箱112为柔
性材质，也便于内箱112内部元件的线路可以从内箱112盖子与开口的接缝或边角处引出，
其中内箱112内部的元件可以是下文中的应力传感器52、超声波发生机构32的部件等。

[0059] 作为一种可选的实施方式，监控系统包括第一流量计51以及应力传感器52，第一流量计51设置于瓦斯注入机构12。应力传感器52设置于试样组2表面，且对应第一水囊131
和第二水囊132设置。应力传感器52能够获取第一水囊131以及第二水囊132对试样组2的压
力数据，便于实验人员对实验的精准控制。

[0060] 作为一种可选的实施方式，瓦斯预处理系统3包括水力割缝机构31、超声波发生机构32以及瓦斯抽采机构33，水力割缝机构31用于自环境模拟系统外部贯穿至试样组2内部；
超声波发生机构32安装于煤层试样22；瓦斯抽采机构33用于自环境模拟系统外部插入至煤
层试样22。通过水力割缝以及超声波促进煤层对瓦斯的吸附是石门揭煤作业中的常用手
段，使用水力割缝机构31以及超声波发生机构32对试样组2进行预处理能够还原实际生产
中石门揭煤的过程，有助于提高实验结果与实际生产的匹配程度，从而提升实验的指导性
作用。

[0061] 其中超声波发生机构32包括超声波换能器321，超声波换能器321安装于煤层试样22内部，超声波换能器321用于产生超声波，从而促进煤层试样22中瓦斯的解吸。水力割缝
机构31包括依次连接的水箱311、水泵312、输水管路313、高压割缝管道314以及割缝喷头
315，其中高压割缝管道314自预留孔111伸入环境模拟箱11内部，割缝喷头315连接于高压
割缝管道314端部并伸入煤层试样22，下文的第一压力计53以及第二流量计55可以设置于
输水管路313。

[0062] 作为一种可选的实施方式，监控系统包括第一压力计53、第二压力计54、第二流量计55以及第三流量计56，第一压力计53以及第二流量计55设置于水力割缝机构31，第二压
力计54以及第三流量计56设置于瓦斯抽采机构33。本实施方式能够对水力割缝机构31以及
瓦斯抽采机构33实现量化监控，便于实验人员调控水力割缝机构31以及瓦斯抽采机构33。

[0063] 作为一种可选的实施方式，采探系统4包括电钻41、支架42以及轨道43，轨道43平行于预留孔111轴线设置，支架42滑动连接于轨道43，电钻41对应预留孔111设置，且电钻41
连接于支架42。沿预留孔111轴线方向，岩层试样21相较煤层试样22更靠近外箱113。采探系
统4工作时，使用人力或其他驱动器件沿轨道43匀速推动支架42，使电钻41穿过预留孔111，
并从岩层试样21贯穿至煤层试样22，从而模拟石门揭煤过程。

[0064] 作为一种可选的实施方式，监控系统包括测力计57以及瓦斯传感器58，测力计57设置于电钻41与支架42的连接处，瓦斯传感器58对应预留孔111设置。测力计57能够反应试
样组2对电钻41的作用力，从而判断瓦斯从试样组2内排出的情况，瓦斯传感器58能够直观
地反应模拟石门揭煤过程中是否有瓦斯突出的风险。

[0065] 实施例三

[0066] 本发明提供了一种模拟石门揭煤的方法，基于上述实施例中的模拟石门揭煤装置实现，方法包括：

[0067] S10：制作并安装试样组2；

[0068] S20：启动环境模拟系统模拟地层环境、并向煤层试样22中注入瓦斯，启动监控系统；

[0069] S30：安装并启动瓦斯预处理系统3，解吸并采集瓦斯，对试样组2进行预处理；

[0070] S40：拆卸瓦斯预处理系统3，安装并启动采探系统4，向试样组2掘进采探；

[0071] S50：采集监控系统反馈的数据。

[0072] 具体地，S10包括：

[0073] S11：分别制作煤层试样22以及岩层试样21，将岩层试样21拼接于煤层试样22外部；

[0074] S12：在煤层试样22上打孔并安装超声波换能器321；

[0075] S13：将试样组2安装于内箱112，使岩层试样21相较煤层试样22更靠近预留孔111，安装封闭板114；

[0076] S14：将应力传感器52安装于试样组2表面，将应力传感器52、超声波换能器321等的线路自内箱112盖子与开口处的接缝处引出。

[0077] 具体地，S20：启动环境模拟系统模拟地层环境、并向煤层试样22中注入瓦斯，启动监控系统包括：

[0078] S21：第一水囊131以及第二水囊132充水并安装至内箱112与外箱113之间，关闭外箱113，启动应力传感器52，观察应力传感器52示数；

[0079] S22：瓦斯注入机构12连接至内箱112，开启注气泵122向内箱112的煤层试样22通入一定量的瓦斯后关闭注气泵122，环境模拟箱11静置2‑3天；

[0080] S23：称量环境模拟箱11(包括其中的试样组2)重量，开启瓦斯传感器58。

[0081] 具体地，S30包括：

[0082] S31：沿预留孔111打穿封闭板114，通过预留孔111安装水力割缝机构31；

[0083] S32：启动水力割缝机构31以及超声波发生机构32，促进煤层试样22中瓦斯解吸；

[0084] S33：迅速拆下水力割缝机构31并在预留孔111安装瓦斯抽采机构33，对环境模拟箱11中的瓦斯进行抽采，观察记录抽采瓦斯的总量。

[0085] S34：称量水力割缝机构31等产生的试样组2碎屑重量。

[0086] 具体地，S40包括：

[0087] S41：拆下水力割缝机构31，安装采探系统4，使电钻41的钻头对准预留孔111且距离预留孔111约15mm；

[0088] S42：开启电钻41，缓慢匀速推动支架42，直至电钻41穿透煤层试样22，过程中，观察测力计57示数以及瓦斯传感器58示数；

[0089] S43：抽出电钻41，收集试样组2碎屑，称量环境模拟箱11(包括其中的试样组2)剩余重量。

[0090] 需要说明的是，可以将电钻41钻头的长度配置为恰好能够贯穿煤层试样22，便于多次实验中控制变量。

[0091] 需要说明的是，可以设置一个对照组实验，不运行水力割缝机构31以及超声波发生机构32，获取不进行瓦斯解吸的情况下进行模拟石门揭煤的相关情况。

[0092] 此外，还可以调整水力割缝机构31和超声波发生机构32的相关参数，多次实验：

[0093] 多次实验中，瓦斯监测仪的读数更低的实验组次，则说明瓦斯排出更完全，煤层试样22中残留的瓦斯更少，瓦斯突出的可能性更小，可以更安全的进行石门揭煤。

[0094] 多次实验中，对比采探系统4采下试样组2碎屑重量，试样组2碎屑重量较小的组次说明则说明瓦斯排出更完全，煤层试样22中残余的瓦斯总量更少，使得碎屑的单位重量更
轻，瓦斯突出的可能性更小，可以更安全的进行石门揭煤。

[0095] 多次试验中，瓦斯抽采系统进行瓦斯抽采的效率较高的组次，说明水力割缝机构31以及超声波发生机构32对煤层试样22中瓦斯解吸更完全，有利于减少残留在模拟煤层中
的瓦斯，提高石门揭煤的效率。

[0096] 多次试验中，测力计57示数更小、数值跳动幅度和频率更小的组次，说明试样组2中残留瓦斯更不容易对电钻41的钻头产生反冲力，瓦斯排出更完全，煤层试样22中残留的
瓦斯更少，瓦斯突出的可能性更小，可以更安全的进行石门揭煤。

[0097] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0098] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。