疏水改变煤层透气性模拟试验装置与增透方法与流程

本发明涉及疏水改变煤层透气性模拟试验装置与增透方法。

背景技术：

煤层透气性对煤体内瓦斯的赋存状态、流动特性有显著影响，而煤体及其赋存围岩内的有压水将对煤层的透气性有重要影响作用。煤层中有压水的存在不仅影响煤对瓦斯的吸附、解吸，还会阻塞瓦斯在煤微孔隙流动的通道，在煤体孔隙内产生毛细现象，进而形成毛细管阻力，阻碍了瓦斯进出煤微孔隙内部。故，疏导煤层内有压水及顶底板围岩内的有压水将可能在很大程度上改变煤层的透气性。而目前对煤层透气性的研究大多都没有考虑到疏水对煤层透气性的影响，相关的实验室相似模拟装置更鲜有报道。因此，要想清楚掌握疏水对煤层透气性的影响规律，开发可靠的模拟试验装置显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有疏导煤层及顶板有压水对煤层透气性影响研究的不足，提供一种疏水改变煤层透气性模拟试验装置与增透方法，实现对疏导煤层及顶板有压水对煤层透气性影响的相似模拟研究，为有效保证现场安全高效生产提供指导。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种疏水改变煤层透气性模拟试验装置，包括主体框架、瓦斯施加机构、瓦斯放散控制机构、疏水机构、动态可视观测机构；所述主体框架主要由方形腔体构成，方形腔体与腔体盖子通过螺栓连接，腔体盖子中间设有透明防弹玻璃；所述瓦斯施加机构位于主体框架左侧，包括高压瓦斯罐、瓦斯压力表、瓦斯开关、瓦斯流量计、管路；所述瓦斯放散控制机构位于主体框架右侧，包括瓦斯开关、瓦斯流量计、瓦斯压力表、管路；所述疏水机构位于主体框架上侧，包括水箱、高压水泵、水压表、开关、管路；所述动态可视观测机构位于主体框架前侧的腔体盖子上，包括透明防弹玻璃上及上面的12个螺纹孔，通过调节螺纹孔的密封状态可动态观测主体框架内部疏水状态；所述主体框架、瓦斯施加机构、瓦斯放散控制机构、疏水机构通过管路进行连接，动态可视观测机构通过螺栓固定在主体框架前侧。

所述主体框架包括方形腔体、进气口、出气口，进水口、腔体盖子，O型密封圈，进气口、出气口位于方形腔体的左右两侧，进水口位于方形腔体的上侧，腔体盖子位于方形腔体的前侧，方形腔体外沿与腔体盖子外沿均设有螺栓孔，方型腔体与腔体盖子通过螺栓连接，O型密封圈位于方形腔体与腔体盖子中间。

所述腔体盖子上设有动态可视观测机构，所述动态可视观测机构由上下框架、透明防弹玻璃组合而成，透明防弹玻璃固定于上下框架之间。

所述透明防弹玻璃上设有四排均匀分布的螺纹孔，每排设有三个螺纹孔，每个螺纹孔配有相应的螺栓，所述螺栓可对螺纹孔进行动态密封及解封。

所述瓦斯施加机构包括高压瓦斯罐、瓦斯压力表、瓦斯开关、瓦斯流量计、管路，所述高压瓦斯罐、瓦斯压力表、瓦斯开关、瓦斯流量计通过管路相关串联并与主体框架左侧的进气口上的接头进行连接。

所述瓦斯放散机构包括瓦斯开关、瓦斯流量计、瓦斯压力表、管路；所述瓦斯开关、瓦斯流量计、瓦斯压力表通过管路相互串联，并与主体框架右侧出气口上的接头进行连接。

所述疏水机构包括水箱、高压水泵、水压表、开关、管路，所述水箱、高压水泵、水压表、开关、通过管路相互串联，并与主体框架上侧进水口上的接头进行连接，通过高压水泵可将水箱中的水泵入主体框架中的试样中。

所述动态可视观测机构位于腔体盖子上，包括透明防弹玻璃及上面的螺纹孔，通过调节螺纹孔的密封状态可动态观测主体框架内部疏水状态。

疏水改变煤层透气性增透方法，包括如下步骤：

a、试样制备：将方形腔体平放，用硬纸片将方形腔体垂直进水口方向分成两个矩形空间，靠近进水口处1/4空间填满砂子，另外3/4空间填满煤粉，将其压实后取出硬纸片，然后加压成型。

b、密封装配：将动态可视观测机构装配于方形腔体上，采用O型密封圈进行密封，并且通过内六角螺栓将动态可视观测机构同方形腔体契合，动态可视观测机构上的螺纹孔全部用内六角螺栓密封住，并将进气口接头同瓦斯施加机构连接，出气口接头与瓦斯放散机构连接，进水口接头疏水机构连接，并依次检查各接口密封性。

c、通气吸附：打开进气口开关，关闭出气口开关，对方形腔体内试样通瓦斯8小时以上，使试样充分吸附瓦斯后，关闭进气口。

d、注水：使方形腔体进水口朝上，打开进水口开关，向方型腔体内试样压水，同时打开放气口排放瓦斯，通过透明防弹玻璃观测顶板水对试样的影响范围。

e、疏水增透：本发明可采用三种方法对试样疏水增透：

(1)疏导顶板水卸压增透：关闭进水口，依次打开腔体盖子上透明防弹玻璃上端第一排放水孔，对试样顶板进行疏水卸压，同时监测出气口处瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过疏导顶板有压水，减少顶板有压水流入下部煤层，封堵瓦斯在煤微孔隙、裂隙中的运移通道；同时，疏导顶板水可实现对含水煤层的局部卸压，在压力梯度的驱使下，促进吸附于煤体中的瓦斯解吸，转化为游离瓦斯；另外，对顶板疏水卸压可增加煤层内瓦斯运移通道的畅通性、连通性，为瓦斯在煤层中运移提供条件。

(2)疏导煤层水卸压增透：关闭腔体盖子上透明防弹玻璃上端第一排放水孔，按照不同组合方式，依次打开透明防弹玻璃上第二至四排放气孔，对试样煤层进行疏水卸压，同时监测出气口和放气孔处瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过疏导煤层有压水，减小水对煤体瓦斯解吸的抑制作用，促进吸附于煤体的瓦斯转化为游离瓦斯，增加游离瓦斯量和瓦斯压力梯度，加快瓦斯在煤层中的运移；同时，疏导煤层有压水使煤层孔隙、裂隙结构中的水流出，疏通瓦斯在微孔隙、裂隙流动的通道，减少微孔隙、裂隙结构内形成阻碍瓦斯运移水膜的出现，增大煤层的透气性；另外，通过局部疏导煤层有压水，使未疏水部分煤体与疏水部分煤体形成压力差，促使未疏水部分煤体产生压裂增透效应，增大煤层的透气性。

(3)煤层水压致裂增透：关闭放气口，通过腔体盖子上透明防弹玻璃中部的放气孔向煤层中钻孔，然后，将致裂筛管插入钻孔中并封孔，致裂筛管外接高压水泵，对试样煤层进行水压致裂增透，同时通过透明防弹玻璃观测煤层致裂情况；待煤层充分致裂后，关闭致裂筛管开关，打开致裂筛管周围放气孔，对煤层疏水卸压；一段时间后，在放气口和致裂筛管周围放气孔处接负压抽采泵，负压抽采煤层内瓦斯，同时监测抽采管路上瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过对煤层水压致裂增大煤层透气性，然后疏水卸压，实现促进煤体瓦斯解吸、渗流，达到对煤层增透的目的。

f、数据观测：在对试样疏水增透过程中，通过透明防弹玻璃和瓦斯放散控制机构实时观测疏水对煤层透气性影响情况。

本发明的有益效果：

1、本发明可通过调节进水口、放水孔及放气孔开关模拟疏导煤层内有压水，通过透明防弹玻璃和瓦斯流量计实时观测疏水对煤层透气性影响情况，为疏水对煤层透气性的研究提供良好而仿真的试验研究设备。

2、腔体盖子上设有透明防弹玻璃，可动态可视观测顶板水的影响范围和试样的疏水情况。

3、腔体盖子上透明防弹玻璃上设有四排螺纹孔，可分级逐步对腔体内试样疏水和放散瓦斯，同时可通过该螺纹孔向试样插入压裂管，对试样压裂增透。

附图说明

图1为本发明疏水改变煤层透气性模拟试验装置的主视图；

图2为本发明疏水改变煤层透气性模拟试验装置的主体框架的俯视图；

图3为本发明疏水改变煤层透气性模拟试验装置的主体框架的分解图；

图中：1—下边框；2—上边框；3—透明防弹玻璃；4—进气口接头；5—进水口接头；

6—出气口接头；7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18—边框固定内六角螺栓；19、20、21—放水螺纹孔；22、23、24、25、26、27、28、29、30—放气螺纹孔；31—方形腔体；32—高压瓦斯罐；33—瓦斯压力表；34—管路；35—瓦斯开关；36—瓦斯流量计；。37—水箱；38—管路；39—高压水泵；40—水压表；41—瓦斯开关；42—瓦斯压力表；43—管路；44—瓦斯开关；45—瓦斯流量计；46—软管。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，一种疏水改变煤层透气性模拟试验装置，包括主体框架、瓦斯施加机构、瓦斯放散控制机构、疏水机构、动态可视观测机构；所述主体框架主要由方形腔体31构成，腔体31与腔体盖子通过螺栓连接7-18，腔体盖子中间设有透明防弹玻璃3；所述透明防弹玻璃3上设有四排螺纹孔19-30，第一排螺纹孔为放水孔19-21，二至四排为放气孔22-30；所述腔体左右侧面分别设有进气口、出气口，腔体上侧面设有进水口5；所述瓦斯放散控制机构通过管路与出气口、放气孔22-30相连。

所述主体框架包括方形腔体31，所述方形腔体31左右两个相对侧面中心分别设有进气口、出气口，方形腔体31上侧面中心设有进水口；方型腔体外沿与腔体盖子外沿均设有螺栓孔，腔体31与腔体盖子通过螺栓7-18连接。所述腔体盖子上设有动态可视观测机构，所述动态可视观测机构由上下框架1、2、透明防弹玻璃3组合而成，透明防弹玻璃3固定于上下框架1、2之间。所述透明防弹玻璃上设有四排均匀分布的螺纹孔19-30，每排设有三个螺纹孔19-30；所述螺纹孔19-30可连接螺栓进行密封。

所述瓦斯施加机构包括高压瓦斯罐32、瓦斯压力表33、管路34、管路开关35和瓦斯流量计36；所述高压瓦斯罐32、瓦斯压力表33、管路34、管路开关35和瓦斯流量计36通过管路34与方形腔体31进气口接头4相连。

所述瓦斯放散控制机构包括瓦斯开关43、瓦斯流量计44、瓦斯压力表45、软管46；所述瓦斯开关43、瓦斯流量计44、瓦斯压力表45、软管46通过管路34与方形腔体31出气口接头6相连。

所述疏水机构包括水箱37、管路38、高压水泵39、水压表40和开关41；所述水箱37、管路38、高压水泵39、水压表40和开关41通过管路与进水口接头5相连。所述疏水机构由高压水泵39将水箱37中的水泵入方形腔体31中，从而可以观测方形腔体31内试样的疏水情况。

疏水改变煤层透气性增透方法，利用上述试验装置，包括如下步骤：

a、试样制备：将方形腔体31平放，用硬纸片将方形腔体31垂直进水口方向分成两个矩形空间，靠近进水口处1/4空间填满砂子，另外3/4空间填满煤粉，将其压实后取出硬纸片，然后加压成型。

b、密封装配：将动态可视观测机构装配于方形腔体上，采用O型密封圈进行密封，并且通过内六角螺栓将动态可视观测机构同方形腔体31契合，动态可视观测机构上的螺纹孔全部用内六角螺栓密封住，并将进气口接头4同瓦斯施加机构连接，出气口接头6与瓦斯放散机构连接，进水口接头5同疏水机构连接，并依次检查各接口密封性。

c、通气吸附：打开进气口开关35，关闭出气口开关42，对方形腔体31内试样通瓦斯8小时以上，使试样充分吸附瓦斯后，关闭进气口。

d、注水：使方形腔体31进水口朝上，打开进水口开关41，向方型腔体31内试样压水，同时打开放气口42排放瓦斯，通过透明防弹玻璃3观测顶板水对试样的影响范围。

e、疏水增透：本发明可采用三种方法对试样疏水增透：

(1)疏导顶板水卸压增透：关闭进水口，依次打开腔体盖子上透明防弹玻璃上端第一排放水孔19-21，对试样顶板进行疏水卸压，同时监测出气口处瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过疏导顶板有压水，减少顶板有压水流入下部煤层，封堵瓦斯在煤微孔隙、裂隙中的运移通道；同时，疏导顶板水可实现对含水煤层的局部卸压，在压力梯度的驱使下，促进吸附于煤体中的瓦斯解吸，转化为游离瓦斯；另外，对顶板疏水卸压可增加煤层内瓦斯运移通道的畅通性、连通性，为瓦斯在煤层中运移提供条件。

(2)疏导煤层水卸压增透：关闭腔体盖子上透明防弹玻璃3上端第一排放水孔19-21，按照不同组合方式，依次打开透明防弹玻璃3上第二至四排放气孔22-30，对试样煤层进行疏水卸压，同时监测出气口和放气孔处瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过疏导煤层有压水，减小水对煤体瓦斯解吸的抑制作用，促进吸附于煤体的瓦斯转化为游离瓦斯，增加游离瓦斯量和瓦斯压力梯度，加快瓦斯在煤层中的运移；同时，疏导煤层有压水使煤层孔隙、裂隙结构中的水流出，疏通瓦斯在微孔隙、裂隙流动的通道，减少微孔隙、裂隙结构内形成阻碍瓦斯运移水膜的出现，增大煤层的透气性；另外，通过局部疏导煤层有压水，使未疏水部分煤体与疏水部分煤体形成压力差，促使未疏水部分煤体产生压裂增透效应，增大煤层的透气性。

(3)煤层水压致裂增透：关闭放气口6，通过腔体盖子上透明防弹玻璃中部22-27的放气孔向煤层中钻孔，然后，将致裂筛管插入钻孔中并封孔，致裂筛管外接高压水泵，对试样煤层进行水压致裂增透，同时通过透明防弹玻璃观测煤层致裂情况；待煤层充分致裂后，关闭致裂筛管开关，打开致裂筛管周围放气孔，对煤层疏水卸压；一段时间后，在放气口6和致裂筛管周围放气孔处接负压抽采泵，负压抽采煤层内瓦斯，同时监测抽采管路上瓦斯流量计的瓦斯放散参数(瓦斯放散速度、累积瓦斯放散量)。通过对煤层水压致裂增大煤层透气性，然后疏水卸压，实现促进煤体瓦斯解吸、渗流，达到对煤层增透的目的。

f、数据观测：在对试样疏水增透过程中，通过透明防弹玻璃3和瓦斯放散控制机构实时观测疏水对煤层透气性影响情况。

本发明的工作原理：(1)通过疏导有压水，减小水对煤体瓦斯解吸的抑制作用，促进吸附于煤体的瓦斯转化为游离瓦斯，增加游离瓦斯量和瓦斯压力梯度，加快瓦斯在煤层中的运移。

(2)通过疏导有压水，使煤层孔隙、裂隙结构中的水流出，疏通瓦斯在微孔隙、裂隙流动的通道，减少微孔隙、裂隙结构内形成阻碍瓦斯运移水膜的出现，增大煤层的透气性；通过疏导有压水，实现对含水煤层的局部卸压，在压力梯度的驱使下，吸附于煤体中的瓦斯解吸，转化为游离瓦斯；同时对煤体疏水卸压可增加煤层内瓦斯运移通道的畅通性、连通性，为瓦斯在煤层中运移提供条件。

(3)通过局部疏导有压水，使未疏水部分与疏水部分形成压力差，促使未疏水部分产生压裂增透效应，增大煤层的透气性。

(4)通过对煤层水压致裂增大煤层透气性，然后疏水卸压，实现促进煤体瓦斯解吸、渗流，达到对煤层增透的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进如改变防弹玻璃上螺纹孔数量等，均应包含在本发明的保护范围之内。