变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置及方法，该实验装置主要包括：总管路、供气装置、吸附装置、真空装置、负压抽放装置及废气处理装置。该实验方法主要包括以下三个步骤：煤样抽真空、煤样在设定的压力和温度下达到吸附饱和、煤样在设定的负压下进行解吸。本发明模拟了在煤矿井下温度和压力条件下，煤样瓦斯吸附饱和后在不同抽采负压下解吸的实验。本发明为煤样瓦斯负压解吸规律的研究提供基础实验装置，而且为煤矿井下钻孔瓦斯负压抽采确定负压值提供实验支撑。
【专利说明】变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤样瓦斯解吸实验装置及方法，具体涉及在实验室模拟不同抽采负压下煤样瓦斯解吸实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国是煤炭资源大国，瓦斯气储量丰富，位居世界第三位，埋深2000米以内的瓦斯气资源量达31.46万亿立方米。瓦斯气的开发不仅可以缓解天然气供需紧张的矛盾，还可改善煤矿的安全生产条件，增加洁净能源，减少大气污染，带动相关产业的发展。
[0003]瓦斯气抽采分为地面开发和井下抽采，前者为采煤前抽采的瓦斯气，该方法在技术上有一定要求，且受到瓦斯气赋存条件、开采地质等多方面因素的影响，投资成本较大；后者有本层抽采、邻近层抽采和采空区抽采方式。
[0004]矿井瓦斯生成于煤的变质阶段，主要以吸附于微孔隙表面以及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存。煤体-围岩体系在瓦斯压力与岩体应力共同作用下处于相对静止的平衡状态。当井工采矿活动进入煤层及其围岩中，这种平衡状态受到扰动，导致煤岩体应力场重新分布与煤岩层中瓦斯的重新运移。在平衡状态改变过程中，煤体的微细观结构变化除了受到围岩应力的作用外，很大程度上还受到游离态瓦斯产生的孔隙气体压力和吸附态瓦斯产生的煤体膨胀变形的影响。
[0005]在煤矿开采过程中，煤体与瓦斯气体之间存在着十分复杂的互动关系，煤层瓦斯的吸附、解析和运移过程都是在一定的载荷条件下发生的，深部开采更是如此。
[0006]煤矿井下钻孔瓦斯负压抽采是瓦斯抽放的主要技术手段，负压大小是决定瓦斯抽放能力的一个重要因素。生产实践和相关研究表明:瓦斯抽放量会随着抽放负压的增大而提高，但是当抽放负压增大到一定程度后，抽放效果就不会明显增加，有时反而会影响抽放效果。
[0007]近年来，许多研究者开始了煤岩吸附、吸附变形以及渗透性测量方面的研究，并相继开发了测试煤岩吸附量以及吸附、解吸变形的技术和装置。例如，中国专利申请201210283984.X公开了一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实难系统，用于研究含瓦斯煤吸附膨胀变形受外载荷和温度的影响特性和规律；中国专利申请201210557924.2公开了一种瓦期吸附解吸实验装置，用于煤的吸附常数、极限瓦斯解吸量的测定，可以测定出不同温度、不同压力、不同变质程度和不同粒度条件下的损失气量、钻屑解吸指示和扩散系数等参数，该试验装置结构复杂，但其发明所指变压仅仅是煤样吸附瓦斯过程的压力是可调的，亦即模拟煤储层中的瓦斯压力，它的解吸过程的压力还是在大气压力环境下，即常压。
[0008]为了能够很好的研究煤中吸附的瓦斯气体在负压环境下瓦斯解吸规律特征以及不同负压对煤中吸附瓦斯解吸的影响和影响程度，有必要研制出一套瓦斯气体在煤中受压力和温度影响的吸附解吸实验装置。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置及方法，从而方便、高精度的测量研究不同负压条件下煤样的瓦斯解吸规律，确定煤矿井下瓦斯抽采过程中的负压。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]一种变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，包括:
[0012]总管路；
[0013]供气装置，所述供气装置包括高压气瓶，所述高压气瓶的出口装有气瓶用减压器；
[0014]吸附装置，所述吸附装置包括恒温水浴箱及置于恒温水浴箱中的煤样罐，所述煤样罐的进气口上装有压力表，所述吸附装置与所述供气装置通过三通阀连接到所述总管路上；
[0015]真空装置，所述真空装置包括真空泵、真空计、进气管和分支连接管，所述分支连接管的一端通过四通与真空泵、真空计和进气管相连接，所述分支连接管的另一端通过另一四通与总管路相连接；
[0016]负压抽放装置，包括真空泵、进气管和流量计，所述流量计的进气口通过四通连接到总管路上，所述流量计的出口通过三通与所述进气管及真空泵连接；
[0017]废气处理装置，所述废气处理装置包括水浴及倒置于水浴中的量筒，所述废气处理装置通过四通与总管路上的吸附装置、真空装置和负压抽放装置相连通。
[0018]进一步地，所述恒温水浴箱上装有温度调节器。
[0019]进一步地，所述煤样罐的进气口上装有的压力表包括负压表。
[0020]进一步地，所述真空装置的真空泵、真空计、进气管及分支连接管上分别设有截止阀。
[0021]进一步地，所述负压抽放装置中的进气管上设有气体调节阀。
[0022]进一步地，所述流量计的进气口上设有球形阀。
[0023]进一步地，所述流量计与计算机连接，通过计算机记录负压抽采瓦斯流量。
[0024]进一步地，所述废气处理装置的进气口上设有截止阀和稳流阀。
[0025]利用上述实验装置进行变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，包括以下步骤:
[0026]I)将煤样放入煤样罐中，利用真空装置对煤样抽真空；
[0027]2)打开供气装置中的高压气瓶，对煤样罐进行充气24h以上，充气压力为0.1MPa ?13MPa ；
[0028]3)当煤样罐中的气体压力达到预设压力并持续2h不变后，煤样达到吸附饱和，停止充气；
[0029]4)打开废气处理装置，排出废气，至煤样罐中的压力为零后关闭废气处理装置；
[0030]5)打开负压抽放装置，使煤样罐在预设负压值O?IOOkpa下进行解吸，并记录负压抽采瓦斯流量，当煤样罐中的负压值持续20min低于预设负压值后，关闭负压抽放装置，负压解吸完成。
[0031]进一步地，步骤I)煤样抽真空过程中，控制煤样罐中的温度为恒温99°C。
[0032]进一步地，步骤I)中，煤样罐中的真空值低于20Pa时，停止抽真空。[0033]进一步地，步骤2)中，在煤样吸附饱和过程中模拟地层温度，控制煤样罐中的温度为恒温20°C?99°C之间。
[0034]进一步地，步骤2)中，所述高压气瓶内的压力为13MPa?15MPa。
[0035]进一步地，步骤3)中，所述预设压力为0.1MPa?13MPa。
[0036]进一步地，步骤4)中，通过稳流阀，使废气平稳进入废气处理装置。
[0037]本发明模拟了在煤矿井下温度和压力条件下，煤样瓦斯吸附饱和后在不同抽采负压下解吸的实验。本发明为煤样瓦斯负压解吸规律的研究提供基础实验装置，而且为煤矿井下钻孔瓦斯负压抽采确定负压值提供实验支撑。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]附图是本发明实验装置的整体结构示意图。
[0039]I高压气瓶；2气瓶用减压器；3，4四通；5，15真空泵；6真空计；7压力表；8煤样罐；9恒温水浴箱；10水浴；11大量筒；12稳流阀；13球形阀；14流量计；16计算机；17，27进气管；18气体调节阀;19，20，21，22，23截止阀;24负压表;25，26三通。
【具体实施方式】
[0040]以下结合附图具体说明本发明变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置的具体结构及实验方法。
[0041]该实验装置的整体结构如图1所示，包括:
[0042]总管路，
[0043]供气装置，该供气装置包括高压气瓶I，其出口装有气瓶用减压器2 ；
[0044]吸附装置，该吸附装置包括恒温水浴箱9及置于恒温水浴箱9中的煤样罐8，在恒温水浴箱9上装有温度调节器，在煤样罐8的进气口上装有压力表7，上述吸附装置与供气装置通过三通25连接到总管路上；
[0045]真空装置，该真空装置包括真空泵5、真空计6、进气管27和分支连接管，在真空泵5上装有截止阀22，在真空计6上装有截止阀20，在进气管27上装有截止阀21，在分支连接管上装有截止阀19，分支连接管的一端通过四通4与真空泵5、真空计6和进气管27连接，另一端通过四通3与总管路相连接；
[0046]负压抽放装置，包括真空泵15、进气管17和流量计14，在进气管17上设有气体调节阀18，流量计14的进气口通过四通3连接到总管路上，该进气口上设有球形阀13，流量计14的出口通过三通26与进气管17及真空泵15连接；
[0047]废气处理装置，该废气处理装置包括水浴10及倒置于水浴10中的大量筒11，该废气处理装置通过四通3与总管路上的吸附装置、真空装置和负压抽放装置相连通，在与总管路相通的进气口上装有截止阀23和稳流阀12。
[0048]利用该实验装置进行变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，主要包括以下三个步骤:煤样抽真空、煤样在设定的压力和温度下达到吸附饱和、煤样在设定的负压下进行解吸。
[0049]I)煤样抽真空:
[0050]首先将所有阀门关闭，将制备好的干燥煤样放入煤样罐8中，拧紧煤样罐8，将煤样罐8放入恒温水浴箱9中，调节恒温水浴箱9的温度调节器使温度为99°C，打开截止阀19、20、22，打开真空泵5对煤样进行抽真空，观察真空计6，当真空计6的测量值达到20Pa时，则认为已经抽真空，关闭真空泵5，依次关闭截止阀22、20、19，打开截止阀21。
[0051]2)煤样在目标压力和温度下达到吸附饱和:
[0052]调节恒温水浴箱9的温度调节器使温度在20°C?99°C之间，打开高压气瓶1，使气体进入总管路，调节与高压气瓶I (瓶内压力15MPa)相连接的气瓶用减压器2上的出气口调节阀，使出气压即充气压力在0.1MPa?13MPa之间，向煤样罐8充气24h后，观察压力表7，当其读数达到目标压力并连续2h以上未发生变化后，关闭气瓶用减压器2。
[0053]3)煤样在设定的负压下进行解吸:
[0054]打开截止阀23，调节稳流阀12，使气体平稳经过废气处理水浴10，流入集气大量筒11，观察压力表7，当读数为O的时候，关闭截止阀23，打开球形阀13，气体调节阀18，打开真空泵15，调节气体调节阀18，当负压表24读数达到预设负压值(O?IOOkpa)后，打开流量计14和计算机16中的流量记录软件，自动记录负压抽采瓦斯流量，当负压表24上的读数持续20min低于设定负压值后，认为负压解吸完成，依次关闭流量记录软件，气体调节阀18，球形阀13和真空泵15。后续对流量记录值进行处理分析。
[0055]本实验装置对煤样瓦斯负压解吸规律实验的具体步骤如下:
[0056]1.煤样制备
[0057]取新鲜煤样粉碎，筛取0.2mm?0.25mm颗粒300ml装入磨口瓶中置于烘干机中在105°C条件下加热2h，冷却后将煤样放入与空气隔绝的容器中密封待用。
[0058]2.煤样真空脱气
[0059]检查整套实验设备的气密性，确定气密性完好后，关闭实验装置所有阀门。称取适量的处理后的干燥煤样装入煤样罐8中，在煤样上面覆盖一层脱脂棉；将煤样罐8放入恒温水浴箱9中，调节恒温水浴箱9的温度调节器使温度为99°C，然后打开截止阀19，20，22，打开真空泵5进行脱气，直到真空计6上显示20Pa以下即关闭真空泵5 ;关闭截止阀22，20，19，打开截止阀21。
[0060]3.煤样吸附饱和
[0061 ] 向恒温水浴箱9注入适量清水，将恒温水浴箱9的温度调节到目标值，水浴箱自动进行加热，当显示水温达到目标温度时，打开气瓶用减压器2的进气阀门，调节出气阀门使其读数为目标压力值，开始对煤样罐8中煤样进行充气24h，然后观察压力表7当其读数达到目标压力值并连续2h以上未发生变化，则认为煤样达到吸附平衡，关闭气瓶用减压器2的进气阀门和出气阀门。大量筒11注满清水，打开截止阀23，调节稳流阀12使气体平稳流入大量筒11，当压力表7的读数为O时，关闭截止阀23，记录大量筒11的液面高度h，h的体积即为煤样罐8与管路内的气体体积，同时记录室内温度，大气压力和水温，以便将气体体积换算为标准状态数据。
[0062]4.负压抽气过程
[0063]打开球形阀13，气体调节阀18，打开真空泵15，调节气体调节阀18使负压表24上的读数达到目标值，然后运行计算机16中流量计14的流量记录软件，当负压表24上的读数持续20min低于设定负压值后，依次关闭流量记录软件，气体调节阀18，球形阀13和真空泵15。同时记录实验室气温和气压以便将气体体积数据转换为标准状态数据。[0064]5.实验结束
[0065]将解吸数据转换为标准状态解吸量。整理实验记录，分析计算实验数据。
[0066]本实验设备可以针对同一地点样品，在相同条件下达到气体吸附饱和后，不同抽放负压进行吸附气体抽放，通过实验给出最佳的抽放负压。煤样不可反复使用，调整抽放负压都需更换新煤样。
[0067]下表是200g煤样在0.5MPa，34 V达到吸附饱和后，解吸负压为Okpa，IOkpa,20kpa,30kpa,40kpa情况下前120min不同时间间隔的累积解吸量。
[0068]解吸负mmmiiifk {mt吸负m 解吸负m
解吸时40kpa 时3()kpa 时 K oni^ y 1-1fiiT IOkpa 时 Okpa 时 IC
InJ/sΜ:斯解吸斯解吸M.:, >J斯_吸从斯解吸W:
".Z1,/ , , fr^!k>n/ml/g
ij1./ml/g/mt/g /ml, g/ml/g
100.990.950.880.80165 0.57
201.141.061650.956650.S I 1650.51165
301.161.0816ο0.976650.861650.53165
401.181.101650.996650.881650.55165
501.21.121651,016650,901650,57165
601.221.M1651.036650.921650.59165
701.241.1616δ1.056650.9116δ0.61165
801.251.171651.066650.951650.62165
901.26I, 181651,0766α0.961650.6316α
1001.271.191651.086650.971650.64165
1101.281.2016α1.096650.981650,65165
1201.291.211651.106650.991650.66165
1301.31,221651,116651,()01650,67165
1801.361.281651.176651.061650.73165
2.101.41.321651.2166ο1.101650.77165
3001.441.361651.256651.141650.81165
3601.48I, 101651,296651.1816α0.85165
4201.521.141651.336651.221650.89165
180Ι.δ?1.1616ο1.356651.211650,9116α
5401.561.481651.376651.261650.93165
6601.581.501651,396651,281650,95165
7201.621.54165I, 436651,32165 0.97
8.101.661.58165L 17665L 36165 0.99
9601.71.621651.516651.40165 1.02
10801.741,66165L 556651.-14165 1.04
1200I, 781.701651.596651.48165 I.07
15001.811.761601.656651.51165 1.1
18001.91.82165L 716651.60165 1.15
21001.961.881651,776651,66165 1,2
24002.021.9416ο1,836651.72165 1.24
27002.082.00165L 89665L 78165 1.28
30002, 122.041651.936651.82165 L 34
36002.22, 121652.016651.90165 1.4
12002.282.201652,096651,98165 1.Φ1
18002.342.261652.Ιδ66δ2.04165 1.>19
[0069]54002.42,321652.216652.1016S 1.δδ
60002.462.381652.276652.16165 1.6
72002.572.^191652.386652.27165 1.64
[0070]其结果表明:煤样在负压条件下的瓦斯解吸量随着解吸负压的增加而增大，但是达到一定负压后这一变化不是很明显。如表格中数据显示，负压从Okpa到40kpa，瓦斯解吸量急剧增加，但是负压在30kpa和40kpa时瓦斯解吸量变化不大；Okpa时的总解吸量远低于解吸负压40kpa时瓦斯解吸总量。
【权利要求】
1.一种变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，包括: 总管路； 供气装置，所述供气装置包括高压气瓶，所述高压气瓶的出口装有气瓶用减压器； 吸附装置，所述吸附装置包括恒温水浴箱及置于恒温水浴箱中的煤样罐，所述煤样罐的进气口上装有压力表，所述吸附装置与所述供气装置通过三通阀连接到所述总管路上； 真空装置，所述真空装置包括真空泵、真空计、进气管和分支连接管，所述分支连接管的一端通过四通与真空泵、真空计和进气管相连接，所述分支连接管的另一端通过另一四通与总管路相连接； 负压抽放装置，包括真空泵、进气管和流量计，所述流量计的进气口通过四通连接到总管路上，所述流量计的出口通过三通与所述进气管及真空泵连接； 废气处理装置，所述废气处理装置包括水浴及倒置于水浴中的量筒，所述废气处理装置通过四通与总管路上的吸附装置、真空装置和负压抽放装置相连通。
2.如权利要求1所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，其特征在于，所述恒温水浴箱上装有温度调节器。
3.如权利要求1所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，其特征在于，所述真空装置的真空泵、真空计、进气管及分支连接管上分别设有截止阀。
4.如权利要求1所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，其特征在于，所述负压抽放装置中的进气管上设有气体调节阀；所述流量计的进气口上设有球形阀；所述流量计与计算机连接，通过计算机记录负压抽采瓦斯流量。
5.如权利要求1所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置，其特征在于，所述废气处理装置的进气口上设有截止阀和稳流阀。
6.利用权利要求1-5任一所述的实验装置进行变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，包括以下步骤: 1)将煤样放入煤样罐中，利用真空装置对煤样抽真空； 2)打开供气装置中的高压气瓶，对煤样罐进行充气24h以上，充气压力为0.1MPa~13MPa ； 3)当煤样罐中的气体压力达到预设压力并持续2h没有变化时，煤样达到吸附饱和，停止充气； 4)打开废气处理装置，排出废气，至煤样罐中的压力为零后关闭废气处理装置； 5)打开负压抽放装置，使煤样罐在预设负压值O~IOOkpa下进行解吸，并记录负压抽采瓦斯流量，当煤样罐中的负压值持续20min低于预设负压值，关闭负压抽放装置，负压解吸完成。
7.如权利要求6所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，步骤I)煤样抽真空过程中，控制煤样罐中的温度为恒温99°C，所述煤样罐中的真空值低于20Pa时，停止抽真空。
8.如权利要求6所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，步骤2)中，在煤样吸附饱和过程中模拟地层温度，控制煤样罐中的温度为恒温20°C~99°C之间。
9.如权利要求6所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，步骤3)中，所述预设压力为0.1MPa~13MPa。
10.如权利要求6所述的变压条件下煤样瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，步骤2)中，所述高压气瓶内的压强为13MPa~15MPa，步骤4)中，通过稳流阀，使废气平稳进入废气处理 装置。
【文档编号】G01N7/14GK103760064SQ201410031865
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】张建国, 吕有厂, 王满, 王英伟, 黄再娟, 章晓岚, 王峰 申请人:平顶山天安煤业股份有限公司