基于虛擬現實的煤層瓦斯壓力直接法測定實驗

李曉偉， 裴曉東， 陳樹亮

(中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯重要參數，在礦井安全生產過程中十分重要[1-3]。它是計算煤層瓦斯含量、透氣性系數等參數的主要依據[4]。其測定方法分為直接法和間接法兩種，其中直接法測定值是煤層與瓦斯突出危險性區域預測、防突措施效果檢驗的重要標準之一[5]。但由于直接法測定需要現場測定，故本科教學十分困難，而采用實驗室模擬的方式進行教學時候，雖然有一定效果，但由于設備復雜，無法模擬實際煤層的瓦斯滲流過程，故教學效果相對較差。而煤礦卓越工程師的培養，要求畢業學生必須能夠掌握相應礦井安全知識及技能，因此開發一種直觀的適合煤礦井下直接法瓦斯壓力測試實驗系統尤為重要。虛擬現實技術可以將部分無法直觀顯示的過程進行計算機處理顯示，使實驗者在計算機上完成測試，使實驗較為直觀，同時便于資源共享。因此，開發基于虛擬現實的煤層瓦斯壓力直接測定實驗，對完善煤礦卓越工程師培養有重要意義。

1 瓦斯壓力測定模型的選擇

煤層瓦斯壓力直接測定的技術原理是根據生產需要，選擇地質賦存穩定的地點，通過煤層或者巖石預先施工一鉆孔至測試壓力煤層[6-7]，然后在鉆孔中放置一根煤層至孔口的氣體通道，最后將氣體通道和鉆孔之間的空間及鉆孔孔周的裂隙密封，使之在煤層位置形成一個密閉空間。由于密閉空間氣體壓力小于煤層瓦斯壓力，因此，瓦斯在瓦斯梯度的作用下不斷向密閉空間滲透，最后使鉆孔中氣體壓力和煤層瓦斯壓力基本相同[8-9]，達到氣體平衡狀態，最后通過連在氣體通道上的壓力表讀出數據。

直接測定法根據密封方式不同分為黃泥封孔法、水泥砂漿封孔法和膠囊黏液封孔法[10-12]，其中膠囊黏液封孔法的原理是利用的固體膠囊膨脹和鉆孔形成密封空間，在密封空間內注入高壓黏液，高壓黏液封堵氣體泄漏通道，完成測壓，其技術原理是固體封液體、液體封氣體的固、液、氣三相密封[13]，如圖1所示。其優點是密封原理先進，同時能夠隨時密封減少氣體泄漏，減少平衡時間，且密封位置固定，液相黏液可隨鉆孔變形，不受高應力影響[14-15]，因此應用較為廣泛。故本次實驗選用其作為教學示范。

1-氣體入口，2-第1段膠囊，3-氣體通道，4-水管通道，5-連接滑道，6-黏液通道，7-第2段膠囊，8-鉆孔裂隙圈，9-連接支撐桿，10水泵，11-黏液泵，12-壓力表

圖1 膠囊黏液封孔器測試原理示意圖

2 測試模型的構建

本實驗屬于專業實驗范疇，進入實驗主界面后，選擇瓦斯壓力測試實驗，即可進入該實驗場景，如圖2所示。考慮到本實驗面向安全工程專業大三本科學生開設，學生僅進行了認識實習實踐教學，對瓦斯壓力測定無直觀感受，因此場景的構建力求真實，模擬構建井下真實巷道環境，界面采用3D模式，旋轉鼠標，可實現不同視角場景的切換。進入界面后配以測壓原理、設備組成及注意事項等音頻資料，使學生首先有一個直觀認識，同時考慮到部分學生不能一次性掌握，在右側設置小燈，輕點后彈出音頻資料的文字內容，供其重復學習。

圖2 瓦斯壓力測試模型

模型將實驗分為4個部分：設備展示、設備組裝、具體操作與設備拆卸。其中設備展示環節的目的是培訓學生對測壓設備基礎認知，設備組裝環節的目的是讓學生了解與掌握設備組裝準備過程，具體操作環節的目的是讓實驗者在前兩項學習的基礎上完成實驗實際操作，設備拆卸環節的目的是讓實驗者掌握測壓設備的安全回收。

3 設備展示

設備展示過程主要目的是將分體設備展示給實驗者，以提高實驗人員對設備功能的認識。其展示過程主要分為3個部分：膠囊段1、伸縮連接桿、膠囊連接桿2，如圖3所示。鼠標單擊設備展示菜單，直接彈出3個下拉菜單，可分別單擊進行設備展示。展示過程中，主要展示設備的內部管線布置，主要設備部件等，如圖3所示，同時，展示過程中也有音頻資料配合學習。設備展示過程完成后，實驗者結合測壓原理圖及實物展示，基本能夠掌握設備的測試原理和結構特征。

圖3 設備展示

4 設備組裝

設備組裝過程是本實驗的核心，主要是使實驗者能掌握測壓設備的組裝步驟，以及在組裝過程中的注意事項，設備組裝過程應在設備展示的基礎上進行。按照現場設備的實際操作步驟：首先連接瓦斯管與第1和第2膠囊，對接膠囊之間上述部件的3根管線，其中帶紅色標記的接頭相對接，粗管與粗管對接，細管與細管對接。然后將3根管線的一端接到第2根膠囊的末端，對接方法同上。再將3根管線的另一端連接到壓力表和乳化泵，其中帶紅色標記的接頭接壓力表，細管接水泵(圖1中10)，粗管接黏液泵(圖1中11)。 本虛擬實驗完全模擬井下測壓時設備的組裝過程。

虛擬實驗過程中，完全模擬井下測試過程，將設備連接分為3個下拉菜單：膠囊1與伸縮桿相連、伸縮桿與膠囊2相連，膠囊2與外部設備相連。實驗過程如下：

(1) 點擊菜單膠囊1與伸縮桿相連菜單(見圖4)，完成伸縮桿與膠囊1相連，同時點擊燈泡標致配以語音解釋，主要提醒實驗者需要注意各標致管線的連接及原理，同時介紹伸縮桿和管線螺旋的作用，配音可以進行重播和文字顯示。

圖4 膠囊1與連接桿設備連接

點擊菜單2伸縮桿與膠囊2相連，完成第2段膠囊的連接工作。本階段連接與菜單1相同，配以語音，但語音僅完成管線連接提醒，重復部分不再進行解釋；

點擊菜單3膠囊2與外部設備，完成膠囊與壓力表、注水泵、黏液泵的連接,如圖5所示。連接過程中同樣配以小窗和音頻資料，提示實驗者連接管線是注意順序和接口的對應性。

圖5 膠囊2與外部設備連接

5 具體操作

具體操作部分主要培養實驗者對設備的使用過程，本項分為3個下拉菜單，分別為放置設備、灌注清水及灌注黏液。放置設備過程是將連接好的設備送入測試鉆孔，當實驗者點擊該菜單，設備進入鉆孔，如圖6所示，此時音頻提示實驗者設備進入鉆孔的最終位置、測試安全等注意事項。

圖6 測壓設備進入鉆孔

按照本設備的測試原理：固體封液體，液體封氣體，首先應形成固體封孔空間，為高壓液體灌注創造先決條件。因此，設備放入后，實驗者應首先點擊灌注清水菜單，點擊后顯示清水試壓泵，提示實驗人員灌入清水，同時需要按照順序關閉泄壓閥，打開截止閥，并點擊手柄進行加壓，完成清水灌注，如圖7所示。此過程音頻提示主要是提示實驗人員清水灌注的壓力、速度等注意事項。

圖7 灌注清水

水泵注水完成后，膠囊在受限鉆孔空間內膨脹，兩段膠囊與鉆孔緊密接觸，在兩段膠囊之間形成封閉空間，為黏液注入創造了條件。此時實驗人員應點擊菜單灌注黏液，完成注入高壓黏液步驟。灌注過程與灌注清水類似，不再贅述，如圖8所示。

圖8 灌注黏液

完成以上操作后，設備的具體操作過程全部完成，此時音頻提示實驗者測試的時間為10～20天，按照AQ1047-2007煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法，如果瓦斯壓力在3天內變化小于15 kPa，即可認為瓦斯壓力穩定，測壓工作可以結束，如圖9所示。

圖9 瓦斯壓力穩定

6 設備拆卸

瓦斯壓力測試屬于高壓測試，如淮南區域瓦斯壓力最高可達6.3 MPa，因此其拆卸過程必須遵照相應的步驟，以保證測試安全。設備拆卸過程和測試過程相反，但又有不同。因此設備拆卸按照過程設置4個菜單：鉆孔泄壓、黏液泄壓、水泵泄壓及設備拆卸。4個菜單需要按照順序點擊，完成設備的最后拆卸過程。

鉆孔泄壓，是指瓦斯壓力測定完成后，鉆孔空間內儲存有大量高壓瓦斯，如果直接拆除設備，瓦斯突然膨脹，會產生較大能量，同時在鉆孔的加速下，設備會急速從鉆孔中射出，容易傷及操作人員。因此，實驗中，完全按照現場操作過程，要求實驗人員完成瓦斯泄壓操作。點擊鉆孔泄壓后，系統提示點擊壓力表泄壓閥，完成點擊后，系統開始泄壓，如圖10所示。此時音頻提示，泄壓的作用及泄壓時間等要求。

圖10 鉆孔泄壓

鉆孔泄壓完成后，點擊黏液泄壓菜單，此時，系統需要實驗人員按照順序打開截止閥和泄壓閥，完成黏液泄壓。黏液卸壓完成后，實驗人員需要點擊水泵泄壓菜單，和黏液泄壓相同，需要按照順序打開截止閥和泄壓閥，完成水泵泄壓。此時音頻提醒實驗人員，水泵泄壓，截止閥打開要緩慢，防止快速泄壓出現危險，同時要求操作人員必須從側面拉住(下向鉆孔)或者托住(上向鉆孔)設備。防止設備掉落，如圖11所示。完成泄壓后，點擊設備拆卸，設備從鉆孔中一節一節拆出，放入專用箱子中，完成拆卸。所有實驗過程全部完成。

圖11 水泵泄壓

7 結 語

實踐教學培養學生動手能力的重要教學步驟，但部分煤礦井下實驗如瓦斯壓力測定等，無法直接在實驗室進行模擬。針對這一問題，本實驗在虛擬現實的基礎上，模擬井下測試過程，首先建立測壓模型，通過音頻等手段對瓦斯壓力測定的原理進行簡介，然后模擬設備展示、連接、組裝、現場使用及設備的安全拆卸過程，使實驗者熟悉并掌握瓦斯壓力測定的步驟及注意事項，為達到更好的教學效果，使實驗者完全掌握測壓的相關知識，所有過程，均賦予音頻提醒，如不能完全掌握，可隨時對音頻資料進行瀏覽。通過以上模擬過程，完全能夠使實驗者掌握瓦斯壓力測試過程，提高實驗效果。

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