一種破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置及方法，屬于煤巖體滲流領域。
【背景技術】
[0002]煤炭、天然氣開采中會遇到許多破碎巖體氣體滲流問題，如煤層破碎開發煤層氣、采動誘發瓦斯突出、采空區或破碎煤巖中實施瓦斯抽放、采空區注氮滅火、天然氣采集和儲運等。僅就煤礦瓦斯(又稱煤層氣)而言，一方面煤炭是我國能源主體，占到一次能源構成的70%左右，但國有煤礦中有44.4%的礦井是高瓦斯和瓦斯突出礦井。另一方面，煤層氣是高效的清潔能源和優質化工原料。據測算，我國煤層氣資源總量為25-35萬億立方米，居世界第二位。開發利用煤層氣，對實施國民經濟可持續發展戰略具有十分重要的意義。為更好地治理煤礦瓦斯、高效經濟地開發利用煤層氣等，對破碎煤巖體氣體滲透的分析研宄非常必要。
[0003]目前國內外對巖石滲透特性的研宄主要集中在質地密實的標準巖心試件，對于采礦工程中經常遇到的破碎煤巖體氣體滲透性的測試裝置相對空白。對于處于采空區中“O”型圈內瓦斯氣體富集規律的研宄涉及不同溫度、不同軸壓以及不同氣體壓差條件下破碎煤巖體的滲流性質的研宄。經檢索發明專利ZL200820030674.6公布了一種氣體滲透性測試試驗裝置。但其滲透測試裝置存在以下幾個缺點:(I)當煤層氣注熱開采過程中溫度是一個變化值，該裝置顯然不能研宄溫度對破碎煤巖體氣體滲流性質的影響；(2)當采礦工程遇到復雜工況時，顯然氣體壓力不僅來自一個方向，該裝置不能對多方向氣體壓力下破碎煤巖體滲流性質進行研宄；(3)由于缸筒只提供被動約束，故壓縮過程中圍壓變化情況完全未知，這嚴重影響了對破碎煤巖介質滲透特性的認識；(4)壓蓋與缸筒接觸不能實現良好氣密性，這嚴重影響了氣體滲透參數的準確性；(5)壓蓋軸向位移采用壓力機軸向進程，由于壓力機活塞傳遞力(或位移)給壓蓋然后壓蓋在傳遞給破碎煤巖介質，這之間存在的傳遞不緊密性也制約了軸向位移的測量精度。
【發明內容】
[0004]本發明旨在提供一種氣密性更佳、軸向位移參數精確的破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置，同時該裝置能實現不同溫度以及不同方向氣壓對破碎煤巖體滲流性質的影響的研宄。本發明還提供了破碎煤巖體氣體滲透試驗方法。
[0005]本發明提供了一種破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置，包括缸筒，缸筒上方設有壓蓋，缸筒下方為底座，其特征在于:
所述缸筒外側設有溫控室，溫控室由圓筒構成，圓筒下部通過螺栓與底座連接，
所述壓蓋為階梯形結構，壓蓋中心設有通孔，推頭從該通孔內穿過，推頭下方通過螺紋與推板連接，推頭和推板上設有與缸筒內部相通的出氣口，推頭上方設有位移傳感器；缸筒內壁上均勻設有壓力傳感器，缸筒筒壁上均勻設有氣孔，氣孔穿過缸筒和溫控室筒壁與外部相通，在缸筒中部設有抽真空孔；缸筒底部設有進氣口，進氣口穿過底座與外部相通；缸筒底部和推板下方分別設有透氣板，透氣板上設有若干個孔；
溫控室頂部設有進水孔，溫控室中部設有溫度計，底部設有排水口，排水口穿過底座與外部相通；
所述位移傳感器、壓力傳感器連接導線、數據采集裝置、計算機處理裝置。
[0006]上述裝置中，所述缸筒上部與壓蓋之間，溫控室圓筒與底座之間通過螺栓連接，且連接處設有O型密封圈；所述推頭與壓蓋之間設有O型密封圈。
[0007]上述裝置中，所述透氣板與推板、缸筒底部之間分別設有紗布。
[0008]上述裝置中，所述缸筒內的壓力傳感器沿圓周方向均勻分布四個，且沿缸筒內部上、中、下平行設置三層，共有十二個壓力傳感器。
[0009]上述裝置中，所述缸筒內的氣孔沿圓周方向均勻分布四個，且沿缸筒上、下平行設置兩層，每層各有兩個側壁進氣孔和兩個側壁出氣孔，共有八個氣孔，側壁進氣孔與側壁出氣孔分別呈軸對稱分布。
[0010]本發明提供了一種破碎煤巖體氣體滲透試驗方法，采用上述試驗裝置，其特征在于:包括以下步驟:
(1)、把破碎煤巖體用不同粒徑砂石篩分成不同塊度的破碎體；
(2)由溫控室的進水孔、出水孔持續循環流入水；
(3)、打開壓蓋，將篩分好的破碎煤巖體倒入缸筒中，使其均勻自然堆積，然后關閉壓蓋，擰緊螺絲實現缸體密封；
(4)、由抽真空孔對缸筒內煤巖體抽真空；
(5 )、由進氣口向缸筒內持續注入甲烷，使試樣吸附飽和；
(6)、由進氣口以及缸筒側壁進氣孔分別注入一定壓力甲烷氣體，記錄初始進氣口、側壁進氣孔和出氣口、側壁出氣孔流量及壓力，由微機控制電液伺服壓力機對試驗裝置加壓，當位移傳感器顯示破碎煤巖體軸向壓縮位移為2、4、6、8、10、12、14_時分別記錄進、出氣口、?壁對應進、出氣孔的氣壓、流量以及壓力機軸向壓力、缸筒內壁壓力傳感器環向壓力值變化，試驗結束，取出試驗試樣。
[0011]上述方法中，所述破碎體的粒度為22.5mm以下，提供不同的破碎體的粒徑組合，獲得壓力機給予不同壓縮情況下破碎煤巖體的滲流性質。
[0012]上述方法中，所述溫控室內注入水的溫度為0~100°C ;由溫控室的進水孔、出水孔持續循環流入不同溫度的水，獲得不同溫度下破碎煤巖體在不同軸向壓縮條件下進、出氣口、?壁對應進、出氣孔的氣壓、流量以及壓力機軸向壓力、缸筒內壁壓力傳感器環向壓力值變化情況。
[0013]上述方法中，所述缸筒內注入甲烷的壓強為10kPa~1000kPa ;進氣口以及側壁進氣口采用不同壓力梯度的氣體，獲得不同方向壓差下，壓力機給予不同壓縮情況下破碎煤巖體的滲流性質。
[0014]上述方法中，所述破碎體為多層煤體、巖石組合體。
[0015]本發明提供的試驗裝置及試驗方法可以獲得不同溫度下(例如20°C、40°C、60°C、80°C、100°C )，不同方向壓差下(進氣口以及側壁進氣口采用不同壓力梯度的氣體)、不同粒徑組合情況下(如1.25-2.5mm,2.5~5mm、5~7.5mm三者質量比為1:2:3)壓力機給予不同壓縮(壓縮4mm、6mm、8mm、1mm等)情況下破碎煤巖體的滲流性質。
[0016]本發明的有益效果:
與傳統裝置相比:(I)本裝置及方法克服了傳統試驗裝置不能實現熱場對破碎煤巖體氣體滲流性質影響的研宄；(2)本發明成功克服了傳統裝置不能實現不同方向氣體壓差下破碎煤巖體氣體滲流性質的研宄；(3)傳統裝置在壓力機加載下破碎煤巖體環向壓力變化未知，對破碎體在軸向加壓側向被動約束條件下力學性質的認識不足，本發明實現了在壓力機加載下破碎煤巖體環向壓力變化的測試，獲得了破碎體在軸向加壓側向被動約束條件下的力學性質；(4)傳統裝置軸向位移直接采用壓力機軸向進程，事實上由于各部件配合的不緊密性，采用該參數作為破碎體軸向壓縮程度是不科學、不準確的；而本發明采用位移傳感器后數據處理的方式克服了上述問題，同時本裝置部件配合氣密性也遠好于傳統裝置；(5)傳統裝置不能測試不同塊度粒徑的煤巖體組合(如上層為25-20mm煤體，中間層為15-10mm粒徑的泥巖、下層為2.5_5mm粒徑煤體三層堆積在一塊)情況下每層滲流場流量、壓力差變化特性，不能對流場進行全面分析，本裝置沿側壁等分成兩段，每段各設兩個進、出氣孔，共8個側壁進、出氣孔，可全面測試多層破碎體壓實過程中每層滲流場變化情況。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置的結構示意圖，
圖中:1、推頭，2、出氣口，3、O型密封圈，4、推板，5、壓蓋，6、缸筒，7、螺紋，8_1、進氣孔，8-2、出氣孔，9、溫控室，10、透氣板，11、進氣口，12、壓力傳感器，13、紗布，14、螺栓，15、位移傳感器，16、溫度計，17、進水孔，18、出水孔、19抽真空孔，20、底座。
【具體實施方式】
[0018]下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。
[0019]實施例1:
本實施例提供一種破碎煤巖體氣體滲透試驗裝置。
[0020]如圖1所示，該裝置包括缸筒6，缸筒6上方設有壓蓋5，缸筒6下方為底座20 ；
所述缸筒6外側設有溫控室9，溫控室9由圓筒構成，圓筒下部通過螺栓與底座20連接，
所述壓蓋5為階梯形結構，壓蓋5中心設有通孔，推頭I從該通孔內穿過，推頭I下方通過螺紋7與推板4連接，推頭I和推板4上設有與缸筒內部相通的出氣口 2，推頭I上方設有位移傳感器15 ;缸筒6內壁上均勻設有壓力傳感器12，缸筒6筒壁上均勻設有氣孔，氣孔包括進氣孔8-1和出氣孔8-2，氣孔穿過缸筒6和溫控室9筒壁與外部相通，在缸筒6中部設有抽真空孔19 ;缸筒6底部設有進氣口 11，進氣口 11穿過底座20與外部相通；缸筒6底部和推板4下方分別設有透氣板10，透氣板10上設有若干個孔；
溫控室9頂部設有進水孔17，溫控室9中部設有溫度計16，底部設有排水口 18，排水口18穿過底座20與外部相通；
所述位移傳感器15、壓力傳感器12連接導線、數據采集裝置、計算機處理裝置。
[0021]上述裝置中，所述缸筒6上部與壓蓋5之間，溫控室9圓筒與底座20之間通過螺栓14連接，且連接處設有O型密封圈3 ;所述推頭I與壓蓋5之間設有O型密封圈3。
[0022]上述裝置中，所述透氣板10與推板4、缸筒6底部之間分別設有紗布13。
[0023]上述裝置中，所述缸筒6內的壓力傳感器12沿圓周方向均勻分布四個，且沿缸筒內部上、中、下平行設置三層，共有十二個壓力傳感器。
[0024]上述裝置中，所述缸筒6內的氣孔沿圓周方向均勻分布四個，且沿缸筒上、下平行設置兩層，共有八個氣孔。每層各有兩個側壁進氣孔8-1和兩個側壁出氣孔8-2，共有八個氣孔，側壁進氣孔與側壁出氣孔分別呈軸對稱分布。
[0025]實施例2:
研宄不同溫度下破碎煤巖體滲流性質。
[0026]本實施例通過以下步驟來實現:
1)、把破碎煤體用不同粒徑砂石篩分成2.5~5mm粒徑的破碎煤體；
2 )、由