一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發明屬于煤礦安全技術領域，涉及一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法及裝置。所述裝置由氣調系統、等壓滲吸系統和等壓加水系統組成。所述裝置通過玻璃瓶對液態蒸餾水的單獨密封并與實驗煤樣一起預置于密閉煤樣罐內；煤樣吸附平衡后，需要水分進入含瓦斯煤時，打破玻璃瓶，從而實現了含瓦斯煤等壓加水；通過等壓滲吸裝置，實現了含瓦斯煤的等壓滲吸，并通過瓦斯解吸儀定量收集置換出的瓦斯。本發明簡單易行、原理可靠，可以實現不同吸附平衡和不同含水率條件下的等壓滲吸實驗，解決目前無法定量、準確的研究煤層注水后水分對瓦斯滲吸置換作用的問題，有助于更好地認清煤層注水治理瓦斯機理，為煤礦更好利用煤層注水技術治理瓦斯提供參考。
【專利說明】
一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置
技術領域
[0001]本發明屬于煤礦安全技術領域，涉及一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法及裝置。
【背景技術】
[0002]瓦斯是煤礦安全的“第一殺手”。在治理煤層瓦斯方面，通過向煤層中注水來消除煤層瓦斯危險性的方法被證明為有效，并在我國得到了應用和推廣。但是由于對煤層注水治理瓦斯機理目前仍存在著較大的分歧，這個在很大程度上限制了煤層注水防治瓦斯技術的發展和應用。
[0003]目前，國內外學者對煤層注水治理瓦斯機理進行了研究并取得一些成果，例如在煤礦現場方面，一些學者用不同方法進行了煤礦現場試驗，證實了水分能夠使煤體塑性增強，脆性減弱，使煤體塑性變形，釋放出一部分彈性潛能，增大工作面卸壓帶長度，促進了煤層的消突，同時高壓注水能夠使煤體壓裂、疏松，使煤層透氣性增大并能驅趕出游離瓦斯，進而降低了瓦斯含量和瓦斯壓力，達到治理瓦斯的效果，同時也通過對煤層注水區域內瓦斯濃度、瓦斯流量以及殘余瓦斯含量等參數的考察，認為水分不僅能夠對瓦斯解吸起到封堵作用，也能夠通過滲吸作用將瓦斯置換出來，促進瓦斯的解吸。但由于水分對瓦斯解吸的影響是煤體、瓦斯和水分的微觀效應的綜合效應，在現場無法定量研究，因此國內外學者在實驗室開展了水分對瓦斯解吸的影響研究；在實驗室方面，很多學者主要是通過設計實驗裝置，進行高壓注水，然后通過煤體中瓦斯解吸速度和殘余瓦斯含量等參數進行水分對瓦斯解吸的影響方面研究，認為水分能夠抑制瓦斯的解吸；另外一部分學者發現注水后煤樣罐中壓力升高明顯，證實了水分能夠置換出煤體中瓦斯，促進解吸。在高壓注水時，煤樣罐中壓力突然的升高促進了游離瓦斯的重新吸附以及高壓水能夠驅替出煤樣中的游離瓦斯，無法剝離開抑制、驅趕與置換作用，因此也無法研究抑制、置換和驅替作用的作用機理和影響程度。一些學者也對等壓吸水后滲吸置換效應進行了單因素的研究，但等壓吸水后發生的置換作用使得實驗系統內壓力升高，使得游離瓦斯重新吸附，這也造成了置換量測試數據的不準確。
[0004]滲吸是指在多孔介質中，潤濕相流體利用毛細管力作用置換非潤濕相流體。在低滲透裂縫性油藏注水開采過程中，水分在毛細管力作用下從裂縫滲吸進入含油的基質巖塊中，可以將基質的原油置換出來，許多研究學者認為滲吸驅油是裂縫性油藏的有效驅油機理。煤體是一種非均質多孔介質，孔隙、裂隙分布極度復雜。煤層注水后，水分進入煤體裂隙和孔隙，在毛細管力的作用下進入孔隙置換出瓦斯，一方面由于煤體是多孔介質，存在著毛細管力；另一方面由于水比甲烷對煤體更有親和力，能夠置換出瓦斯。因此，如果能研究出一種實驗裝置和實驗方法定量、準確的測定出水分對煤體瓦斯的置換量，就能夠定量研究出水分對煤體中瓦斯解吸的促進程度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于設計一種可以定量、準確的測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置，以解決高壓注水的干擾和滲吸過程置換出的游離瓦斯因壓力升高而被重新吸附的問題，能夠單因素、定量的研究水分的置換作用，進而為逐一的研究抑制、驅替作用奠定基礎，以助于更好的認清煤層注水治理瓦斯機理，也為煤礦更好利用煤層注水技術治理瓦斯提供參考。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置，由氣調系統、等壓滲吸系統和等壓加水系統組成。
[0007]所述的氣調系統包括甲烷充氣系統和真空脫氣系統，甲烷充氣系統包括通過管路依次連接的高壓甲烷氣瓶1、閥門2、參考罐3、壓力傳感器4、閥門5，真空脫氣系統包括通過管路依次連接的真空栗6、復合真空計7、閥門8，甲烷充氣系統和真空脫氣系統通過管路共同連接于三通9，三通9通過管路連接于等壓滲吸系統。
[0008]所述的等壓加水系統設置于恒溫箱29內部，與三通10連接的管路另一端連接可旋轉針閥23，且管路上有閥門22，可旋轉針閥23設置在煤樣罐25的罐蓋中心接口上，煤樣罐25內放置型煤26，型煤26中心有預留孔洞，孔洞底部放置微凸起的圓柱體鐵塊27，圓柱體鐵塊27上放置密閉的儲水玻璃瓶28，儲水玻璃瓶28上端位于可旋轉針閥23正下端，煤樣罐25的罐蓋左側還有一處接口且有壓力傳感器24設置于此接口處。
[0009]所述的等壓滲吸系統通過三通10分別連接右側的氣調系統和左側的等壓加水系統，三通10向上通過第一段管路連接密閉腔體12且管路上設置閥門11，第一段管路從密閉腔體12底部中心穿入密閉腔體12內部，第一段管路在密閉腔體內部由一段長度為5?1cm軟膠管13連接第二段管路，第二段管路從軟膠管12上部中心穿出并且管路末端連接瓦斯解吸儀16;密閉腔體12上部開設三個接口，第二段管路從中心接口穿過，左側接口連接閥門15，右側接口連接安裝精密壓力表14以及氮氣充氣系統，氮氣充氣系統由管路依次連接的閥門17、壓力傳感器18、參考罐19、閥門20、高壓氮氣氣瓶21組成。
所述的壓力傳感器4、壓力傳感器18、壓力傳感器24都連接有顯示器。
[0010]—種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置，利用上述的含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置，按如下步驟進行。
[0011]步驟一，型煤制備:將采集到的新鮮煤樣篩分至不同的粒度，按照一定的配比混合均勻后加入適量的水，在恒定的壓力下加工制作成中心預留有孔洞的特制型煤，置于紅外干燥箱中在105°C條件下干燥處理，直至型煤恒重為止；
步驟二，水樣制備:依據干燥型煤質量和實驗擬定含水率，將一定質量的蒸餾水裝入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶裝入蒸餾水后仍有剩余體積，采用蠟封方式使液態石蠟占據全部剩余體積，待液態石蠟凝固后，用膠密封玻璃瓶；
步驟三，實驗樣品裝罐:先將上部微凸起的圓柱體鐵塊放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后將其整體裝入煤樣罐，之后將儲水玻璃瓶緩慢裝入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接觸鐵塊的微凸起部分，然后密封煤樣罐；
步驟四，真空脫氣:通過氣調系統的真空脫氣系統將煤樣罐真空脫氣至1Pa以下；步驟五，充入氣體:設定恒溫水浴溫度，在特定溫度下，通過甲烷充氣系統向煤樣罐沖入甲烷氣體，待達到吸附平衡壓力Po后，關閉甲烷充氣系統； 步驟六，設定壓力:在密閉腔體中加入水使其淹沒軟膠管，通過氮氣充氣系統調節，使精密壓力表14顯示數值?工與吸附平衡壓力Po相等；
步驟七，等壓加水:煤樣吸附平衡后，向下旋轉密閉煤樣罐頂部的旋轉針閥，針閥向下運動擠壓玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前預置微凸起的圓柱體鐵塊，瓶底受到擠壓而破碎，從而實現水分等壓進入含瓦斯煤；
步驟八，等壓滲吸測試:等壓加水后，水進入煤樣，驅替煤體中的甲烷氣體，使得煤樣罐中的壓力P2升高。當煤樣罐中的壓力P2大于精密壓力表14顯示數值Pi時，密閉腔體內的軟膠管打開，煤樣罐中的甲烷氣體可通過等壓滲吸系統到達瓦斯解吸儀，氣體通過管路排出，因此煤樣罐中的壓力P2降低；當煤樣罐中的壓力P2小于或等于精密壓力表14顯示數值Pdt，軟膠管在水和氣的作用下再次閉合。
[0012]本發明提供了一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法及裝置，能夠研究水分對瓦斯解吸影響。該實驗裝置不僅能夠排除高壓注水的干擾，而且能夠解決滲吸過程置換出的游離瓦斯因壓力升高而被重新吸附的問題，單獨、準確定量的研究不同吸附平衡壓力、不同含水率下的置換效應，為逐一的研究抑制、驅替作用提供理論支撐，有助于更好地認清煤層注水治理瓦斯機理，為煤礦現場充分的利用煤層注水治理瓦斯提供技術指導。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0014]為了使本發明的目的、技術方案以及優點以更加簡單、清楚的方式展現出來，本發明將結合示意圖進行詳細闡述。
[0015]本發明涉及一種含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置，包括氣調系統、等壓滲吸系統和等壓加水系統，所述氣調系統是用于向煤樣罐中充填甲烷并調節吸附平衡的壓力值，所述等壓滲吸系統排除了滲吸置換出的瓦斯造成煤樣罐壓力的升高引起游離瓦斯重新吸附的影響，所述等壓加水排除了高壓注水帶來的影響。
[0016]所述的氣調系統，由通過管路依次連接的高壓甲烷氣瓶1、閥門2、參考罐3、壓力傳感器4、閥門5組成甲烷充氣系統和通過管路依次連接的真空栗6、復合真空計7、閥門8組成的真空真空脫氣系統兩個部分組成，兩部分系統共同連接于三通9，并通過三通9連接到整個含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置中，主要用于向等壓加水系統中的煤樣罐充入甲烷氣體，并使煤樣罐中的型煤吸附平衡。
[0017]所述的等壓滲吸系統通過三通10連接入整個測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置中，并且通過此三通10連通右側的氣調系統和左側的等壓加水系統，三通10向上的管路連接密閉腔體12且管路末端連接于瓦斯解吸儀16，位于密閉腔體12內部中段的管路用5cm軟膠管代替，軟膠管通過活動金屬卡子與管路進行連接，保證氣密性;密閉腔體12的罐蓋上開設三個接口，上述管路從中心接口穿出，左側接口連接閥門15，閥門15用于向密閉腔體12內加水和泄氣調節壓力，右側接口連接精密壓力表14以及氮氣充氣系統，精密壓力表14用于監測密閉腔體12內部壓力，氮氣充氣系統由管路依次連接的閥門17、壓力傳感器18、參考罐19、閥門20、高壓氮氣氣瓶21組成，充氣系統用于保證密閉腔體12內部壓力恒定;使用時須通過閥門15向密閉腔體12內加入占罐體總體積3/4的水，使得水淹沒軟膠管13，然后通過氮氣充氣系統向密閉腔體12充氣至特定值，當煤樣罐25中的壓力?2大于精密壓力表14顯示數值Pdf，密閉腔體12內的軟膠管13打開，煤樣罐25中的甲烷氣體可通過等壓滲吸系統到達瓦斯解吸儀16，氣體通過管路排出，因此煤樣罐中的壓力內降低；當煤樣罐25中的壓力P2小于精密壓力表14顯示數值丹時，軟膠管13在水和氣的作用下再次閉合。
[0018]所述的等壓加水系統，由煤樣罐25，型煤26、儲水玻璃瓶28、可旋轉針閥23、壓力傳感器24、閥門22、圓柱體鐵塊27及管路組成，整個等壓加水系統放置于恒溫水域29內，壓力傳感器24與顯示器連接，通過數據采集模塊在電腦上進行實時監控煤樣罐25內壓力；型煤26吸附平衡后，向下旋轉密閉煤樣罐25頂部的旋轉針閥23，針閥23向下運動擠壓儲水玻璃瓶28，由于儲水玻璃瓶28底提前預置微凸起的圓柱體鐵塊27，瓶底受到擠壓而破碎，從而實現水分等壓進入型煤26。
[0019]本發明涉及一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置，具體實驗過程如下:
步驟一，型煤制備:將采集到的原煤在粉碎機上粉碎后，采用0.25mm和0.5mm的組合篩分別篩選出0.25mm?0.5mm和0.25mm以下兩種粒度的煤粉，按1:2的比例混合均勾后加入適量的水，在壓力機上以恒定80KN的壓力下壓制Ih制作成中心有孔洞的特制型煤，型煤規格為Φ 50mm X 80mm,中心孔洞尺寸為Φ 22mm X 80mm，制備完成后將型煤置于紅外干燥箱內，在105°C條件下干燥至型煤恒重為止；
步驟二，水樣制備:依據干燥型煤質量和實驗擬定含水率將一定質量的蒸餾水裝入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶裝入蒸餾水后仍有部分剩余空間，采用蠟封方式使液態石蠟占據剩余空間，以消除這部分體積對實驗帶來的干擾，待液態蠟凝固后，采用A-B膠密封玻璃瓶；步驟三，實驗樣品裝罐:先將上部微凸起的圓柱體鐵塊放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后將其整體裝入煤樣罐，之后將儲水玻璃瓶緩慢裝入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接觸鐵塊的微凸起部分，然后密封煤樣罐；
步驟四，真空脫氣:通過氣調系統的真空脫氣系統將煤樣罐真空脫氣至1Pa以下；步驟五，充入氣體:設定恒溫水浴溫度，在特定溫度下，通過甲烷充氣系統向煤樣罐沖入甲烷氣體，待達到吸附平衡壓力Po后，關閉甲烷充氣系統；
步驟六，設定壓力:在密閉腔體中加入水使其淹沒軟膠管，通過氮氣充氣系統調節，使精密壓力表14顯示數值?工與吸附平衡壓力Po相等。
[0020]步驟七，含瓦斯煤等壓加水:煤樣吸附平衡后，向下旋轉密閉煤樣罐頂部的旋轉針閥，針閥向下運動擠壓玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前預置微凸起的圓柱體鐵塊，瓶底受到擠壓而破碎，從而實現水分等壓進入含瓦斯煤。
[0021 ]步驟八，等壓滲吸測試:通過等壓加水，水分接觸型煤并且開始發生滲吸作用，打開閥門，能夠使煤樣罐中的壓力保持恒定，排出因滲吸置換出的瓦斯造成系統壓力升高引起游離瓦斯重新吸附的影響，實驗等壓滲吸，置換出的瓦斯進入瓦斯解吸儀，利用秒表每30秒計數一次，直至瓦斯解吸儀讀數2h不再變化，進而定量、準確的測量出置換量。
[0022]本實驗裝置可以通過等壓加水系統以及等壓滲吸系統，研究型煤在不同含水率、不同吸附平衡壓力下等壓滲吸效應，進而能夠準確的分析水分、吸附平衡壓力對滲吸置換效應的影響。
[0023]以上實施例僅以說明而非限制本發明的技術方案，參照上述實施例進行詳細的說明，本領域的普通技術人員能夠按照實施例進行實驗操作。在不改變本發明原理和方法上，對實驗裝置進行局部的替換，均應包括在本發明的權利要求范圍之內。
【主權項】
1.一種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置，其特征在于，由氣調系統、等壓滲吸系統和等壓加水系統組成； 所述的氣調系統包括甲烷充氣系統和真空脫氣系統，甲烷充氣系統包括通過管路依次連接的高壓甲烷氣瓶(I)、閥門(2)、參考罐(3)、壓力傳感器(4)、閥門(5)，真空脫氣系統包括通過管路依次連接的真空栗(6)、復合真空計(7)、閥門(8)，甲烷充氣系統和真空脫氣系統通過管路共同連接于三通(9)，三通(9)通過管路連接于等壓滲吸系統； 所述的等壓滲吸系統通過三通(10)分別連接右側的氣調系統和左側的等壓加水系統，三通(10)向上通過第一段管路連接密閉腔體(12)且管路上設置閥門(11)，第一段管路從密閉腔體(12)底部中心穿入密閉腔體(12)內部，第一段管路在密閉腔體內部由一段長度為5?1cm軟膠管(13)連接第二段管路，第二段管路從軟膠管(12)上部中心穿出并且管路末端連接瓦斯解吸儀(16);密閉腔體(12)上部開設三個接口，第二段管路從中心接口穿過，左側接口連接閥門(15)，右側接口連接安裝精密壓力表(14)以及氮氣充氣系統，氮氣充氣系統由管路依次連接的閥門(17)、壓力傳感器(18)、參考罐(19)、閥門(20)、高壓氮氣氣瓶(21)組成； 所述的等壓加水系統設置于恒溫水浴(29)內部，與三通(10)連接；另一端連接可旋轉針閥(23)，且管路上有閥門(22)，可旋轉針閥(23 )設置在煤樣罐(25)的罐蓋中心接口上，煤樣罐(25)內放置型煤(26)，型煤(26)中心有預留孔洞，孔洞底部放置微凸起的圓柱體鐵塊(27)，圓柱體鐵塊(27)上放置密閉的儲水玻璃瓶(28)，儲水玻璃瓶(28)上端位于可旋轉針閥(23)正下端，煤樣罐(25)的罐蓋左側還有一處接口且有壓力傳感器(24)設置于此接口處。2.—種測試含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗方法與裝置，其特征在于，利用權力要求I所述的含瓦斯煤體等壓滲吸效應的實驗裝置按如下步驟進行: 步驟一，型煤制備:將采集到的新鮮煤樣篩分至不同的粒度，按照一定的配比混合均勻后加入適量的水，在恒定的壓力下加工制作成中心預留有孔洞的特制型煤，置于紅外干燥箱中在105°C條件下干燥處理，直至型煤恒重為止； 步驟二，水樣制備:依據干燥型煤質量和實驗擬定含水率，將一定質量的蒸餾水裝入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶裝入蒸餾水后仍有剩余體積，采用蠟封方式使液態石蠟占據全部剩余體積，待液態石蠟凝固后，用膠密封玻璃瓶； 步驟三，實驗樣品裝罐:先將上部微凸起的圓柱體鐵塊放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后將其整體裝入煤樣罐，之后將儲水玻璃瓶緩慢裝入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接觸鐵塊的微凸起部分，然后密封煤樣罐； 步驟四，真空脫氣:通過氣調系統的真空脫氣系統將煤樣罐真空脫氣至1Pa以下；步驟五，充入氣體:設定恒溫水浴溫度，在特定溫度下，通過甲烷充氣系統向煤樣罐沖入甲烷氣體，待達到吸附平衡壓力Po后，關閉甲烷充氣系統； 步驟六，設定壓力:在密閉腔體中加入水使其淹沒軟膠管，通過氮氣充氣系統調節，使精密壓力表(14)顯示數值?工與吸附平衡壓力Po相等。3.步驟七，等壓加水:煤樣吸附平衡后，向下旋轉密閉煤樣罐頂部的旋轉針閥，針閥向下運動擠壓玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前預置微凸起的圓柱體鐵塊，瓶底受到擠壓而破碎，從而實現水分等壓進入含瓦斯煤； 步驟八，等壓滲吸測試:等壓加水后，水進入煤樣，驅替煤體中的甲烷氣體，使得煤樣罐中的壓力內升高；當煤樣罐中的壓力內大于精密壓力表(14)顯示數值丹時，密閉腔體內的軟膠管打開，煤樣罐中的甲烷氣體可通過等壓滲吸系統到達瓦斯解吸儀，氣體通過管路排出，煤樣罐中的壓力P2降低；當煤樣罐中的壓力P2小于或等于精密壓力表(14)顯示數值Pdt，軟膠管在水和氣的作用下再次閉合。
【文檔編號】G01N15/08GK105910974SQ201610412555
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】王兆豐, 樊亞慶, 張建國, 陳金生, 呂有廠, 岳基偉, 陳喜恩, 顧熠凡, 孫矩正, 董家昕
【申請人】河南理工大學, 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司