专利名称：一种测试煤岩体中气体运移过程的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采矿安全工程研究领域，尤其涉及一种测试煤岩体中气体运 移过程的方法及装置。
背景技术：
煤是一种复杂的多孔隙介质，在这些孔隙结构中吸附有大量甲烷和二氧 化碳气体。随着煤炭资源的开采向深部煤层进行，低瓦斯矿井逐渐转型为高 瓦斯矿井，吸附态气体会随着环境温度升高、应力降低解吸成游离态，并在 煤体的孔隙结构中运移。在深部煤岩体工程开挖中，游离瓦斯会随着矿井通 风迁移出巷道，但仍有大量瓦斯吸附在煤体中，其构成了各类瓦斯事故发生 的物质条件。因此，对于赋存煤层中吸附气体解吸运移特性的研究，既是目 前采矿安全工程的技术难点，也是急需解决的课题之一。
目前，国内外对煤中吸附气体解吸-运移过程的研究绝大多数停留在在不 同温度-压力条件下吸附和解吸气体的量上，以评价测试煤样的瓦斯吸附-解 吸能力。其具体过程如下首先对采集的煤样进行真空脱气，接着再注入一 定压力的气体使煤样吸附饱和，最后卸压解吸，利用流量计、压力计等仪器 对解吸气体进行检测，完成实验过程。该过程虽然可以获得煤样的最大吸附 气体量以及等温条件下的朗格缪而吸附常数，但不能反映开挖前后煤层在温 度场、应力场和渗流场等多物理场作用下吸附气体的运移规律，不能真正模 仿实际环境下煤岩体的吸附、解吸过程，使得实验数据在某种程度上缺乏可 靠性，不能为准确判断瓦斯突出形成的时间和原因提供依据，给安全生产带 来隐患。如何避免这种情况发生，提高模拟实验研究下煤体中吸附气体运移 规律的真实性和可靠性，就成为本发明要解决的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足，本发明旨在提供一种用于研究深部煤岩体 吸附气体运移规律的实验系统，以求真实再现煤体破坏过程中吸附瓦斯解 吸、瓦斯逸出以及吸附瓦斯随温度解吸、扩散的过程。
本发明是通过以下技术方案来实现的
一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，包括选取煤样，在密封状态 下对煤样施加轴向和径向压力；利用通道引导从煤样中解吸出的气体，检测 气体流量和压力，分析气体成分和含量，完成数据统计。 所述在密封状态下还包括对煤样的升温控制。 所述煤样为原始状态下提取后直接使用，煤样形状为圆柱状。 所述径向压力采用液压方式，煤样表面覆盖有防止液压油渗入的隔离层。
一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，包括加载系统、温度控制系 统、气体成份检测及计量系统和数据采集仪，温度控制系统和气体成份检测 及计量系统分别与加载系统连接，数据采集仪连接在气体成份检测及计量系 统上。
所述的加载系统为三轴压力室，三轴压力室包括密封室、油缸和两个位 于密封室中的轴向压头，密封室上设有入口和出口，油缸固定在密封室的仓 体外部，缸杆垂直伸入密封室内，两个轴向压头可分别对应连接在缸杆端部 和密封室的底座上，缸杆与其上连接的轴向压头内分别设有相互贯通的引导 通道。
所述温度控制系统包括温度控制器和加热器，加热器固定在密封室内， 温度控制器通过导线与加热器连接，温度控制器上的探测头与煤样表面接 触。所述气体成份检测及计量系统包括顺序连接的压力计、压力电磁阀、流 量计、手动开关和气相色谱仪，压力计通过管路连接在缸杆的引导通道上， 压力电磁阀和手动开关分别控制流量计和气相色谱仪连接通道的连通。
所述流量计的数量为一个以上， 一个以上的流量计相互并联，根据气体 流量大小选择不同量程流量计，以保证测量精度。
所述数据采集仪分别与压力计、流量计和气相色谱仪电连接。
本发明所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，以煤体内赋存的 原生吸附气体为研究对象，利用轴压和径向围压对原始煤样进行压力承载实 验，并利用加热器对煤样实行温度控制实验，真实地模拟了实际施工过程中 煤岩体在挖掘破坏过程中其内吸附气体随着温度和应力变化由吸附态到游离 态、从扩散到渗流的变化过程，检测出的解吸气体压力、流量以及成份、含 量数据准确可靠，为研究煤矿中瓦斯突出的形成、发生过程提供了有力的理 论和数据依据。本方法构思巧妙、合理，模拟过程逼真，充分再现了煤体破 坏过程中吸附瓦斯的解吸、运移过程。
本发明所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，利用三轴压力室 为原始提取煤样提供密封实验环境，通过改变密封室内的温度和压力，达到 模拟真实环境中多物理场作用下深部煤岩体内气体的运移情况，并通过压力 计、流量计和气相色谱仪检测得到吸出气体的相关数据。整个装置模拟过程 真实、有效，操作简单、方便，数据采集和测量过程准确、可靠。
图l为本发明的结构示意图2为温度-压力作用下煤中吸附气体解吸过程；
图3为温度作用下煤屮吸附气体解吸过程。
具体实施例方式
本发明的宗旨是在多物理场作用下真实模拟煤岩体在应力破坏后其内 吸附气体的运移过程，检测运移气体压力、流量和气体中各成份含量，为研 究煤矿巷道中瓦斯事故提供准确、可靠的实验依据，并为预防此类事故提供 判断依据。
本发明所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，其具体步骤如
下
歩骤一选取煤样，在密封状态下对煤样固定，并对煤样施加轴向和径 向压力以及进行升温控制。
选取的煤样采用原始状态下提取后直接使用的方式，尽量减少人为因素 对煤样中吸附气体的影响和破坏。煤样形状为圆柱状，圆柱状煤样的采样过 程简单，在施加径向压力时受力均匀、可靠，使用方便。密封状态下的实验 过程可以保证煤样在受控状态下进行量化地轴向和径向压力实验以及升温控 制，使煤样在多物理场作用下真实再现煤样中附着气体从吸附态到游离态以 及整个气体运移的过程，保证实验过程和实验数据的准确性和可靠性。当 然，密封状态下的煤样实验过程也可只有轴向压力或者径向压力或者温度的 升温控制，甚至是三者之间的任意组合，以检测不同条件对煤样中吸附气体 运移过程的影响。
轴向压力可以由机械传动产生。
径向压力可以采用液压的方式，液压作用力均匀、稳定，压强大、性能 可靠。为防止液体浸入煤样影响和破坏实验过程，在煤样进行固定的过程 中，可以在煤样表面覆盖隔离层，利用隔离层将煤样与液体充分隔开，同时 还能保证压力的均匀传递。
升温控制可以直接对煤样进行升温，也可对密封环境进行整体升温，其 控制过程以能准确体现煤样温度为准。实验过程的密封状态可以由能承受一定压力的密封室完成，整个实验过 程都需在密封状态下进行。
步骤二利用引导通道采集煤样中解吸出的气体，利用检测仪器对吸出 气体流量和压力进行检测，并分析气体成分和含量，完成检测数据的统计。
将密封状态下煤样解吸出的气体引导出，利用压力计和流量计以及气相 色谱仪对吸出气体进行检测，分别得到气体的压力、流量大小以及气体成份 和含量，汇总数据后得到相关曲线，通过曲线可以直接了解煤岩体中随着压 力和温度变化其吸附气体吸出的流量大小和运移情况，掌握不同状态、不同 时期下煤体内吸附瓦斯解吸过程，从而为有效避免和预防瓦斯事故提供理论 依据。
其中，引导通道需保证密封效果，并能顺利引导煤样中解吸出的气体。 由于实验屮煤样需承载均匀地径向压力，为降低引导通道对煤样实验的影 响，故引导通道的最佳位置应位于煤样的轴向，轴向的引导通道既利于加 工、使用，又可降低对煤样承载压力的影响。
为得到一定的逸出气体压力，真实模拟煤样应力破坏后气体运移的过 程，在压力计和流量计之间还设有压力控制开关，压力控制开关使压力满足 一定条件后才能将流量计的气体引导管路连通，使煤样中吸出的气体在运移 中有一个喷出的过程。由于流量计量程的限制和对精度的要求，在气体引导 管路上还可同时连接多个不同量程的流量计，以方便不同情况下的检测使 用。
下面结合附图l对本发明所述的装置做进一步的描述
一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，包括加载系统、温度控制系 统、气体成份检测及计量系统和数据采集仪。温度控制系统和气体成份检测 及计量系统分别与加载系统连接，温度控制系统完成对加载系统进行温度控 制，气体成份检测及计量系统负责对吸出气体进行量化分析，充分掌握吸出气体的成份、含量、压力等相关数据，数据采集仪则将这些相关数据进行汇 总、比较，形成相关数据曲线。
其中，加载系统为一个三轴压力室，三轴压力室包括密封室4、油缸l禾口
两个位于密封室4中的轴向压头5，密封室4上设有进油口和出油口，通过外接 油泵12可以向密封室4内注入压力油，使密封室4内形成一个均匀地带有内压 的环境。为保证压力油与煤样6表面不直接接触，在煤样6表面需套有隔离层 7。油缸1固定在密封室4的顶部，缸杆3垂直伸入密封室4内，两个轴向压头5 分别对应连接在缸杆3端部和密封室4内的底座上，轴向压头5端面上设有凸 起，缸杆3端部和密封室4底座上分别设有与凸起相配合的凹坑，轴向压头5利 用凸起插接在缸杆3端部和密封室4底面的凹坑上。缸杆3和其上连接的轴向压 头5内还贯穿有引导通道2，缸杆3上引导通道2的出口通向密封室4外部。
温度控制系统包括温度控制器8和加热器10，加热器10为 -个筒状绝缘体 支架，带有陶瓷护圈的电阻丝9盘绕在筒状支架中，加热器10固定在密封室4 内并围绕在实验煤样6的周围。温度控制器8安装在密封室4外，温度控制器8 通过导线与加热器10连接，温度控制器8上的探测头11与密封室4内煤样6的表 面相接触。
气体成份检测及计量系统包括压力计13、压力电磁阀14、两个流量计 16、两个手动开关15和气相色谱仪17。压力计13连接在引导通道2出口的管路 上，压力电磁阔14连接在压力计13与流量计16之间，压力电磁阀14为常闭状 态，当满足一定的压力后，压力电磁阀14开启。手动开关15为两个两位三通 阀，为保证流量测量的准确性和安全性，两个流量计16相互并联，两个流量 计16量程大小不同，分别针对不同气体流量进行测量。两个两位三通阀分别 控制两个流量计16和气相色谱仪17的连通，利用流量计16和气相色谱仪17完 成吸出气体的相关数据检测。
数据采集仪18分别与压力计13、流量计16和气相色谱仪17电连接，数据采集仪18将数据收集并整理后，形成各项监测数据与时间的曲线显示。
实验准备阶段，首先将选取的圆柱状煤样6用隔离层7套住，隔离层7选用 氟橡胶套密封。煤样6两端用两个轴向压头5分别贴紧，氟橡胶套两端分别与 轴向压头5表面用硅胶密封连接，保证煤样6表面不会与外界液压油接触。接 着，移动缸杆3，将缸杆3和密封室4底座的凹坑分别套在煤样6两端轴向压头5 的凸起上，将加热器10套在煤样6上，加热器10底部固定在密封室4底面上， 探测头11固定在密封室4内，探测头11与煤样6表面的氟橡胶套相接触。最 后，封闭密封室4，通过外接油泵12向密封室4内注入液压油，充满整个密封 室4。煤样6在密封室4中保持垂直状态，煤样6、加热器10和探测头11全部浸 泡在压力油中，煤样6顶端通过缸杠3及其上连接的轴向压头5内的引导通道2 与外界压力计13、流量计16以及气相色谱仪17连通。
实验中，设定加热温度，利用温度控制器8控制加热器10工作，使煤样6 温度达到实验所需温度值。通过油缸1推动缸杆3对密封室4内煤样6施加的轴 向压力，同时，密封室4中的液压油也对煤样6产生围压，围压均匀地作用在 包围在油中的煤样6侧表面。在温度场和应力作用下，煤样6中吸附的气体发 生解吸-运移过程，逸出气体从煤样6轴端通过引导通道2流出密封室4，压力 计13随时对逸出的气体进行压力值测定。由于压力电磁阀14为常闭状态，引 导通道2中的吸出气体不会直接进入流量计16的通道，而是随着解吸气体的增 多，压力达到一定数值后，压力电磁阀14才会开启。根据解吸气体流量的大 小，手动操纵两个两位三通阀接通相应的流量计16通道和气相色谱仪17通 道，通过流量计16和气相色谱仪17检测流过气体的流量、成份和含量，数据 采集仪18最后将这些检测数据汇总，并在数据采集仪18中绘出各个时间、各 个阶段、不同压力下煤样6吸附气体解吸、运移情况曲线。通过模拟各种环境 条件下深部煤岩体内吸附瓦斯突出的形成、发生过程，为预防瓦斯事故提供 理论和数据依据。如图2所示为温度与压力作用下煤中吸附瓦斯解吸运移曲线。对煤样施加 轴向压力至破坏后，气体逸出压力陡降出现负值， 一段时间后回升至常压。
煤样破裂后渗透率增加，随着温度升高各种气体浓度均增大。温度升至7(TC
后，施加侧向压力，气体压力升高，有大量气体从煤样中逸出，各组分浓度 继续增大。从实验结果可以说明，单轴压力作用下煤样内产生的新生裂隙促 使气体回流，表现为气体压力降低。而围压的作用可以减小裂隙体积，挤出 大量游离瓦斯。
如图3所示为温度作用下煤中吸附瓦斯解吸规律。在温度线性升高条件 下，煤样中游离气体受热膨胀后，向外界流动。吸附气体解吸成游离态后向 外界扩散，表现为各组分气体浓度逐渐增大。从实验结果可以说明在温度作 用下，煤样吸附能力降低。促使吸附气体解吸成游离态向外界释放。
权利要求
1、一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，其特征在于，包括选取煤样，在密封状态下对煤样施加轴向和径向压力；利用通道引导从煤样中解吸出的气体，检测气体流量和压力，分析气体成分和含量，完成数据统计。
2、 根据权利要求l所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，其特 征在于，所述在密封状态下还包括对煤样的升温控制。
3、 根据权利要求1或2所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，其 特征在于，所述煤样为原始状态下提取后直接使用，煤样形状为圆柱状。
4、 根据权利要求1或2所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的方法，其 特征在于，所述径向压力采用液压方式，煤样表面覆盖有防止液压油渗入的隔离层。
5、 一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特征在于，包括加载系 统、温度控制系统、气体成份检测及计量系统和数据采集仪，所述温度控制 系统和气体成份检测及计量系统分别与加载系统连接；所述数据采集仪连接 在气体成份检测及计量系统上。
6、 根据权利要求5所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特 征在于，所述的加载系统为三轴压力室，三轴压力室包括密封室、油缸和两 个位于密封室中的轴向压头，所述密封室上设有入口和出口；所述油缸固定 在密封室的仓体外部，缸杆垂直伸入密封室内；所述两个轴向压头可分别对 应连接在缸杆端部和密封室的底座上，缸杆与其上连接的轴向压头内分别设 有相互贯通的引导通道。
7、 根据权利要求5所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特 征在于，所述温度控制系统包括温度控制器和加热器，所述加热器固定在密封室内，温度控制器通过导线与加热器连接，温度控制器上的探测头与煤样 表面接触。
8、 根据权利要求5所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特 征在于，所述气体成份检测及计量系统包括顺序连接的压力计、压力电磁 阀、流量计、手动开关和气相色谱仪，所述压力计通过管路连接在缸杆的引 导通道上，压力电磁阀和手动开关分别控制流量计和气相色谱仪连接通道的 连通。
9、 根据权利要求8所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特 征在于，所述流量计的数量为一个以上， 一个以上的流量计相互并联，根据 气体流量大小选择不同量程流量计，以保证测量精度。
10、 根据权利要求5所述的一种测试煤岩体中气体运移过程的装置，其特 征在于，所述数据采集仪分别与压力计、流量计和气相色谱仪电连接。
全文摘要
本发明公开了一种测试煤岩体中气体运移过程的方法及装置，通过在密封状态下对选取的煤样施加轴向、径向压力和温度，并通过引导通道收集煤样中解吸出的气体，检测气体流量、压力以及成分和含量，完成多物理场作用下煤岩体内吸出气体运移情况的数据统计。其模拟实验过程真实、有效，检测数据准确、可靠，构思巧妙、合理，充分再现了煤体破坏过程中瓦斯解吸、运移的过程，为研究煤矿中瓦斯突出事故形成、发生过程提供了有力的理论和数据依据，整个装置操作简单、使用方便，非常适合用于深部煤岩体内吸附气体的运移研究。
文档编号E21B49/00GK101608545SQ200910088810
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者何满潮, 张海江, 李德建 申请人:中国矿业大学(北京)