基于虚拟现实的煤层瓦斯压力直接法测定实验

李晓伟， 裴晓东， 陈树亮

(中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤层瓦斯压力是煤层瓦斯重要参数，在矿井安全生产过程中十分重要[1-3]。它是计算煤层瓦斯含量、透气性系数等参数的主要依据[4]。其测定方法分为直接法和间接法两种，其中直接法测定值是煤层与瓦斯突出危险性区域预测、防突措施效果检验的重要标准之一[5]。但由于直接法测定需要现场测定，故本科教学十分困难，而采用实验室模拟的方式进行教学时候，虽然有一定效果，但由于设备复杂，无法模拟实际煤层的瓦斯渗流过程，故教学效果相对较差。而煤矿卓越工程师的培养，要求毕业学生必须能够掌握相应矿井安全知识及技能，因此开发一种直观的适合煤矿井下直接法瓦斯压力测试实验系统尤为重要。虚拟现实技术可以将部分无法直观显示的过程进行计算机处理显示，使实验者在计算机上完成测试，使实验较为直观，同时便于资源共享。因此，开发基于虚拟现实的煤层瓦斯压力直接测定实验，对完善煤矿卓越工程师培养有重要意义。

1 瓦斯压力测定模型的选择

煤层瓦斯压力直接测定的技术原理是根据生产需要，选择地质赋存稳定的地点，通过煤层或者岩石预先施工一钻孔至测试压力煤层[6-7]，然后在钻孔中放置一根煤层至孔口的气体通道，最后将气体通道和钻孔之间的空间及钻孔孔周的裂隙密封，使之在煤层位置形成一个密闭空间。由于密闭空间气体压力小于煤层瓦斯压力，因此，瓦斯在瓦斯梯度的作用下不断向密闭空间渗透，最后使钻孔中气体压力和煤层瓦斯压力基本相同[8-9]，达到气体平衡状态，最后通过连在气体通道上的压力表读出数据。

直接测定法根据密封方式不同分为黄泥封孔法、水泥砂浆封孔法和胶囊黏液封孔法[10-12]，其中胶囊黏液封孔法的原理是利用的固体胶囊膨胀和钻孔形成密封空间，在密封空间内注入高压黏液，高压黏液封堵气体泄漏通道，完成测压，其技术原理是固体封液体、液体封气体的固、液、气三相密封[13]，如图1所示。其优点是密封原理先进，同时能够随时密封减少气体泄漏，减少平衡时间，且密封位置固定，液相黏液可随钻孔变形，不受高应力影响[14-15]，因此应用较为广泛。故本次实验选用其作为教学示范。

1-气体入口，2-第1段胶囊，3-气体通道，4-水管通道，5-连接滑道，6-黏液通道，7-第2段胶囊，8-钻孔裂隙圈，9-连接支撑杆，10水泵，11-黏液泵，12-压力表

图1 胶囊黏液封孔器测试原理示意图

2 测试模型的构建

本实验属于专业实验范畴，进入实验主界面后，选择瓦斯压力测试实验，即可进入该实验场景，如图2所示。考虑到本实验面向安全工程专业大三本科学生开设，学生仅进行了认识实习实践教学，对瓦斯压力测定无直观感受，因此场景的构建力求真实，模拟构建井下真实巷道环境，界面采用3D模式，旋转鼠标，可实现不同视角场景的切换。进入界面后配以测压原理、设备组成及注意事项等音频资料，使学生首先有一个直观认识，同时考虑到部分学生不能一次性掌握，在右侧设置小灯，轻点后弹出音频资料的文字内容，供其重复学习。

图2 瓦斯压力测试模型

模型将实验分为4个部分：设备展示、设备组装、具体操作与设备拆卸。其中设备展示环节的目的是培训学生对测压设备基础认知，设备组装环节的目的是让学生了解与掌握设备组装准备过程，具体操作环节的目的是让实验者在前两项学习的基础上完成实验实际操作，设备拆卸环节的目的是让实验者掌握测压设备的安全回收。

3 设备展示

设备展示过程主要目的是将分体设备展示给实验者，以提高实验人员对设备功能的认识。其展示过程主要分为3个部分：胶囊段1、伸缩连接杆、胶囊连接杆2，如图3所示。鼠标单击设备展示菜单，直接弹出3个下拉菜单，可分别单击进行设备展示。展示过程中，主要展示设备的内部管线布置，主要设备部件等，如图3所示，同时，展示过程中也有音频资料配合学习。设备展示过程完成后，实验者结合测压原理图及实物展示，基本能够掌握设备的测试原理和结构特征。

图3 设备展示

4 设备组装

设备组装过程是本实验的核心，主要是使实验者能掌握测压设备的组装步骤，以及在组装过程中的注意事项，设备组装过程应在设备展示的基础上进行。按照现场设备的实际操作步骤：首先连接瓦斯管与第1和第2胶囊，对接胶囊之间上述部件的3根管线，其中带红色标记的接头相对接，粗管与粗管对接，细管与细管对接。然后将3根管线的一端接到第2根胶囊的末端，对接方法同上。再将3根管线的另一端连接到压力表和乳化泵，其中带红色标记的接头接压力表，细管接水泵(图1中10)，粗管接黏液泵(图1中11)。 本虚拟实验完全模拟井下测压时设备的组装过程。

虚拟实验过程中，完全模拟井下测试过程，将设备连接分为3个下拉菜单：胶囊1与伸缩杆相连、伸缩杆与胶囊2相连，胶囊2与外部设备相连。实验过程如下：

(1) 点击菜单胶囊1与伸缩杆相连菜单(见图4)，完成伸缩杆与胶囊1相连，同时点击灯泡标致配以语音解释，主要提醒实验者需要注意各标致管线的连接及原理，同时介绍伸缩杆和管线螺旋的作用，配音可以进行重播和文字显示。

图4 胶囊1与连接杆设备连接

点击菜单2伸缩杆与胶囊2相连，完成第2段胶囊的连接工作。本阶段连接与菜单1相同，配以语音，但语音仅完成管线连接提醒，重复部分不再进行解释；

点击菜单3胶囊2与外部设备，完成胶囊与压力表、注水泵、黏液泵的连接,如图5所示。连接过程中同样配以小窗和音频资料，提示实验者连接管线是注意顺序和接口的对应性。

图5 胶囊2与外部设备连接

5 具体操作

具体操作部分主要培养实验者对设备的使用过程，本项分为3个下拉菜单，分别为放置设备、灌注清水及灌注黏液。放置设备过程是将连接好的设备送入测试钻孔，当实验者点击该菜单，设备进入钻孔，如图6所示，此时音频提示实验者设备进入钻孔的最终位置、测试安全等注意事项。

图6 测压设备进入钻孔

按照本设备的测试原理：固体封液体，液体封气体，首先应形成固体封孔空间，为高压液体灌注创造先决条件。因此，设备放入后，实验者应首先点击灌注清水菜单，点击后显示清水试压泵，提示实验人员灌入清水，同时需要按照顺序关闭泄压阀，打开截止阀，并点击手柄进行加压，完成清水灌注，如图7所示。此过程音频提示主要是提示实验人员清水灌注的压力、速度等注意事项。

图7 灌注清水

水泵注水完成后，胶囊在受限钻孔空间内膨胀，两段胶囊与钻孔紧密接触，在两段胶囊之间形成封闭空间，为黏液注入创造了条件。此时实验人员应点击菜单灌注黏液，完成注入高压黏液步骤。灌注过程与灌注清水类似，不再赘述，如图8所示。

图8 灌注黏液

完成以上操作后，设备的具体操作过程全部完成，此时音频提示实验者测试的时间为10～20天，按照AQ1047-2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法，如果瓦斯压力在3天内变化小于15 kPa，即可认为瓦斯压力稳定，测压工作可以结束，如图9所示。

图9 瓦斯压力稳定

6 设备拆卸

瓦斯压力测试属于高压测试，如淮南区域瓦斯压力最高可达6.3 MPa，因此其拆卸过程必须遵照相应的步骤，以保证测试安全。设备拆卸过程和测试过程相反，但又有不同。因此设备拆卸按照过程设置4个菜单：钻孔泄压、黏液泄压、水泵泄压及设备拆卸。4个菜单需要按照顺序点击，完成设备的最后拆卸过程。

钻孔泄压，是指瓦斯压力测定完成后，钻孔空间内储存有大量高压瓦斯，如果直接拆除设备，瓦斯突然膨胀，会产生较大能量，同时在钻孔的加速下，设备会急速从钻孔中射出，容易伤及操作人员。因此，实验中，完全按照现场操作过程，要求实验人员完成瓦斯泄压操作。点击钻孔泄压后，系统提示点击压力表泄压阀，完成点击后，系统开始泄压，如图10所示。此时音频提示，泄压的作用及泄压时间等要求。

图10 钻孔泄压

钻孔泄压完成后，点击黏液泄压菜单，此时，系统需要实验人员按照顺序打开截止阀和泄压阀，完成黏液泄压。黏液卸压完成后，实验人员需要点击水泵泄压菜单，和黏液泄压相同，需要按照顺序打开截止阀和泄压阀，完成水泵泄压。此时音频提醒实验人员，水泵泄压，截止阀打开要缓慢，防止快速泄压出现危险，同时要求操作人员必须从侧面拉住(下向钻孔)或者托住(上向钻孔)设备。防止设备掉落，如图11所示。完成泄压后，点击设备拆卸，设备从钻孔中一节一节拆出，放入专用箱子中，完成拆卸。所有实验过程全部完成。

图11 水泵泄压

7 结 语

实践教学培养学生动手能力的重要教学步骤，但部分煤矿井下实验如瓦斯压力测定等，无法直接在实验室进行模拟。针对这一问题，本实验在虚拟现实的基础上，模拟井下测试过程，首先建立测压模型，通过音频等手段对瓦斯压力测定的原理进行简介，然后模拟设备展示、连接、组装、现场使用及设备的安全拆卸过程，使实验者熟悉并掌握瓦斯压力测定的步骤及注意事项，为达到更好的教学效果，使实验者完全掌握测压的相关知识，所有过程，均赋予音频提醒，如不能完全掌握，可随时对音频资料进行浏览。通过以上模拟过程，完全能够使实验者掌握瓦斯压力测试过程，提高实验效果。

参考文献(References)：

[1] 齐黎明, 程根银, 陈学习. 瓦斯压力测定时间及其受控因素分析[J]. 中国安全科学学报,2013,23(1):67-69.

[2] 王宏图, 鲜学福, 尹光志. 煤矿深部开采瓦斯压力计算的解析算法[J]. 煤炭学报, 1999, 24(3):279-283.

[3] 王 浩, 蒋承林, 张建军.煤层瓦斯压力测定中的钻孔注浆新技术研究[J].中国安全科学学报, 2011, 21(6):78-83.

[4] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 1992.

[5] 国家安全生产监督管理总局. 防治煤与瓦斯突出规定[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2009.

[6] 张占存, 贺振国, 邹永洺. 新型煤层瓦斯压力测定封孔技术[J]. 煤矿安全, 2014, 45(6):45-47，51.

[7] 胡东亮, 周福宝, 张仁贵. 影响煤层瓦斯压力测定结果的关键因素分析[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(2):28-31.

[8] 林柏泉, 崔恒信. 矿井瓦斯防治理论与技术[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1998．

[9] AQ 1047-2007国家安全生产监督管理总局. 煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法[S]. 2007:1-5.

[10] JIANG Chenglin, WANG Chen, Li Xiaowei,etal. Quick determination of gas pressure before uncovering coal in cross-cuts and shafts[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2008(4):494-499.

[11] 蒋承林, 王智立, 崔正中. 下行超深钻孔快速测定煤层瓦斯压力技术[J]. 中国煤炭，2014, 40(5):114-117.

[12] 蒋承林, 曹 军, 蒋宏伟. 本煤层聚氨酯—预注浆—高压注浆封孔测压技术[J]. 煤炭技术,2014,33(9):315-317.

[13] 程远平, 张晓磊, 王 亮. 地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2013, 30(3): 408-414.

[14] 王佑安. 煤矿安全手册第二篇，矿井瓦斯防治[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1994.

[15] 李建铭. 煤与瓦斯突出防治技术手册[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2006.