一种煤岩非线性渗透系数测试装置及方法与流程

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种煤岩非线性渗透系数测试装置及方法。

背景技术：

煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对主要位置，50年代的比例曾高达90％。预计到2015年，我国将达到39亿吨的煤炭生产量。然而，新形势下我国煤炭工业的发展面临着严峻的挑战。频繁发生的重特大瓦斯灾害事故，已成为煤矿安全生产最严重的制约因素。我国煤层赋存条件复杂，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井约占1/3，防治煤矿瓦斯灾害成为安全生产的重中之重。此外，瓦斯(煤层气)是一种清洁、高效的能源，在国际油价居高不下、减排压力空前增加的大环境下，亟需加大瓦斯的开发利用力度，将其作为优化我国能源结构的重要资源。瓦斯抽采不仅是有效防治煤矿瓦斯灾害和实现安全本质型生产的区域性措施，也是煤层气开发的主要技术手段。目前，针对矿井瓦斯抽采的问题，在实施工艺技术上已经接近成熟。但如何有效的运用这一手段，科学地实施矿井瓦斯治理，尚缺乏理论指导。因此，如何将煤层瓦斯流动理论与瓦斯抽采相结合，成为当前我国煤炭行业实施科学抽采亟需解决的问题。其中，如何测试煤岩非线性渗透系数，便成为实施科学抽采规划的关键。

有鉴于此，本发明公开了一种测试煤岩非线性渗透系数与钻孔抽采瓦斯物理模拟的装置及方法，解决了如何测试煤岩非线性渗透系数的问题，为深入研究煤层瓦斯流动机理，探求煤自身物性参数对瓦斯在煤体内运移的控制机制提供了技术支撑。同时也为矿井制定合理的抽采规划方案提供了依据。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决实施矿井瓦斯治理时缺乏理论指导的问题，提供一种煤岩非线性渗透系数测试装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：包括煤样密封装置、入口端压力控制系统、出口端压力控制系统和真空管路系统，煤样密封装置包括恒温槽和气室，气室安装在恒温槽内，气室内安装有与气室密封连接的密封腔体，密封腔体的中部穿设有中空的圆柱状钢杆，钢杆的下部穿出密封腔体的部分为连接出气端，密封腔体的上方密封安装有弯折状的顶盖，顶盖的环形面上均匀设置若干筛孔，顶盖上部设有上部密封挡块，气室为圆筒形结构且气室侧面设有侧室阀门；

入口端压力控制系统包括入口端压力控制器、入口端压力传感器和高压气瓶减压阀，入口端压力控制器、入口端压力传感器和气室侧面的侧室阀门安装在三通管的三个管路上，高压气瓶减压阀连接在入口端压力控制器所在管路上，气室侧面的侧室阀门所在的管路上安装有入口端质量流量计；

出口端压力控制系统包括出口端质量流量计、出口端气体压力控制器和出口端压力传感器，连接出气端、出口端气体压力控制器和压力传感器安装在三通管的三个管路上，出口端质量流量计安装在连接出气端所在管路上；

真空管路系统包括真空泵，真空泵与入口端压力控制器管路连接且该管路上安装有真空泵阀门。

进一步，恒温槽为恒温水浴槽或者恒温空气浴槽。

进一步，密封腔体的底部设有与密封腔体固定连接的底部托盘，底部托盘的中部固定安装有凸台，气室通过法兰与底部托盘上的凸台密封连接，气室与底部托盘密封连接的法兰上开设有凹槽，凹槽内设有密封圈。

进一步，上部密封挡块外侧设有格米圈、密封圈和导向带，格米圈和密封圈对封缸体内的煤样上端面进行二次密封，导向带能够使上部密封挡块上下移动。

一种煤岩非线性渗透系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

s1：将制备好的煤粒压入模具中，冷压一次成型，将煤粒制成圆柱体，利用取芯装置将圆柱体煤样制备成所需的圆环柱体型；

s2：将制备好的圆环柱体型煤样放入到密封腔体内，在密封腔体底部和顶部涂抹一定量的密封剂，实现待测试煤样的端面密封，在煤样顶部放置上部密封挡块；

s3：将密封腔体放入到气室内，设置气室内的气体压力；

s4：调节流出圆环柱形煤样试件的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样的环形柱体内流动，待气体渗透达到稳定流动状态后，测量气体稳定流动时的气体流量；

s5：煤岩非线性渗透系数的计算：根据前期进行的不同气含量下的瓦斯渗透测试结果的分析，得到煤岩非线性渗流的数学模型为：

式中：k0为煤岩的极限渗透率m/s；μ为气体粘度pa.s；δp为煤岩两端的气体压力梯度；w为煤岩吸附气体量m³；μap是表征煤体气体流动孔道特征的参数，反映了煤体渗透特性随吸附气体量改变的敏感性大小。

根据比流量形式有：

式中：q为比流量，1大气压、t℃时，1m²面积上流过的瓦斯流量，m³/(m².d)；α＝μap/μ；λ＝bk0/2μpn，其中b为单位换算系数，pn为1个大气压。

煤样试件在瓦斯气体压力差的驱动下，流出煤样的瓦斯量为：

式中：q为流出煤样的瓦斯气体量m³/d；m为煤样试件的高度。

其边界条件为：

由于吸附量代入式(3)可得：

将式(4)进行积分可得：

由式(5)可得：

实验中，参数p1、p2、q以及吸附常数a、b是直接获取的。将任意两个工况下的q代入到式(5)中首先将λ消元，而后建立函数λ(α)，并对函数λ(α)进行线性化处理，将函数λ(α)的近似值αk处进行一阶taylor展开，有：

略去高阶无穷小项有

λ(αk)+λ′(αk)(α-αk)≈0(8)

故有迭代格式

根据式(10)即可求取参数α的数值，相应的在获取α的数值后，代入任一工况下的式(6)中即可求取相应的λ。

s6：在进行应力-吸附耦合作用对煤样非线性渗透系数影响的实验时，通过将上部密封挡块与加压装置相接触，通过加压装置施加不同的压力即可使煤样承受相应的应力，重复以上步骤即可获得煤样在受载条件下的非线性渗透系数，获得应力对煤样非线性渗透系数的影响规律；

s7：在测定完煤样在受载条件下的非线性渗透系数后，关闭气室侧面的侧室阀门，并保持连接出气端阀门为开启状态，测定不同时间对应的气体流量，进而可完成钻孔抽采瓦斯的物理模拟。

进一步，步骤s1中的型煤试件的制备包括以下步骤：

s11：将待测煤样粉碎，并筛分出0.2～0.25mm粒径的煤粉，将一定量的煤粉放入型煤模具中；型煤模具为圆筒状，底部托盘凸台的直径与模具内径相同；底部托盘中心设置一圆柱形钢杆；圆柱形钢杆的直径为圆环柱体型的煤样试件的内径。

s12：利用加压装置，将模具内的煤粉压制成为待测尺寸的煤样试件，成型后拆卸底部托盘，通过脱样模具结合加压装置将型煤试件从模具中推出；其中脱样模具为厚度、外径与圆筒状模具相同的刚性圆筒；若采用原煤试件，则仅需采用煤芯钻取装置，将原煤制备成实验所需的圆环柱体型煤样试件。

进一步，步骤s2中测试煤样的端面密封，具体包括以下步骤：

在密封腔体的底部托盘的凸台和顶部，涂抹一定量的密封剂，将煤样试件放置在该凸台上，将设置有密封圈、格米圈与导向带的上部密封挡块放置在顶盖上，再将顶盖放置在煤样试件上，使顶盖底部法兰与底部托盘法兰相契合，并用螺栓紧固，其中顶盖的环形面均匀设置的筛孔，作为气体进入煤样试件的通道。

进一步，步骤s3中设置气室内的气体压力，具体包括以下步骤：

s31：将气室放置到恒温水浴槽或恒温空气浴槽中，并将温度调节至设计温度。

s32：打开设置于气室侧面的侧室阀门，使气室与气源相通。

s33：通过调节设置于气室侧面的侧室阀门与气源之间的入口端气体压力控制器，使气室内的气体压力为设计压力。

进一步，步骤s4中各项操作，具体包括以下步骤：

s41：打开连接出气端的阀门，使设置于顶盖上的空心筛孔与出气端的气体管路相通。

s42：通过调节底部托盘的阀门与气源之间的出口端气体压力控制器，使煤样出气端的气体压力为设计压力。

s43：待气体流动稳定后，测量出气端的气体流量与压力的数值，而后改变设计压力，重复以上步骤，利用s5中的计算公式即可获得煤岩的非线性渗透系数。

进一步，步骤s6在测定煤样受载条件下的非线性渗透系数测定实验时，具体包括以下步骤：通过上部密封挡块与加压装置相连接，所述上部密封挡块为不锈钢材质，其形状为圆柱体形，侧面开凹槽，用以设置格米圈、密封圈与导向带；所述格米圈、密封圈位于上部密封挡块中部，其作用在于对煤样上端面实施二次密封，保证在上部密封挡块移动的过程中，煤样端面的气密性；所述导向带为橡胶材质，其与上部密封挡块、气室表面接触，可保证上部挡块的移动方向为轴向。

本发明的测试原理：

本发明测试煤岩非线性渗透系数的目的就是获取煤样试件的吸附影响因子和极限渗透率的数值。其中将圆环柱体型煤样试件的轴向端面通过密封缸体的底部托盘与上部密封挡块、顶盖，结合密封剂实施密封处理，从而避免气室内的气体自煤样试件轴向端面进入煤样，影响实验测试结果。然后将装有煤样的密封缸体与带有法兰的气室相连接，并用螺栓紧固保证气室的气密性。测试前，设置煤样试件的初始状态；开启真空泵，打开真空泵阀门，对煤样试件进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。测试时，打开测试气体气瓶阀门，气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，设置于气室出口端质量流量计自实验开始便记录气体流量，待测试气体在煤样试件内部流动达到稳定状态后，两个压力传感器的连续误差小于5％，记录此时的读数。同时记录煤样入口端和出口端的气体压力值。改变煤样试件的初始状态，重复以上步骤，并记录相应的实验参数。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种煤岩非线性渗透系数测试装置及方法，通过2个工况下的渗流测试实验即可获得煤岩试件相应的非线性渗透系数，本发明的煤岩非线性渗透系数的测试方法与装置与以往的实验方法相比具有以下优点：

1、本发明煤岩非线性渗透系数测试装置特有的圆环柱形煤样采用特有的顶、底板配合密封剂完成了煤样试件的轴向密封，煤样试件环形外表面与密封腔体接触，实现了约束环形应变下的密封，符合多孔介质渗流理论的实验基础。

2、本发明煤岩非线性渗透系数测试装置通过设置于密封腔体环形表面上的筛孔使得气体能够均匀的进入至煤样试件内部；同时，用于放置煤样试件的气室可提供稳定气源，并且其内部气体的压力可通过压力控制器进行调节，为研究煤层瓦斯流动理论奠定了基础。

3、本发明提供的煤岩非线性渗透系数测试装置的计算方法以非线性渗流模型为基础，充分考虑了气体压力在煤岩试件内部的衰减特征，能够精确的描述煤的吸附特征对气体在煤体内运移的影响。

4、本发明提供的煤岩非线性渗透系数测试装置还可进行煤矿井下钻孔抽采瓦斯的模拟实验，通过充入一定量的瓦斯使其在煤样试件内流动，观测其气体流量变化特征，可为煤矿进行抽采工程设计提供依据。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明煤岩非线性渗透系数测试装置的煤样密封示意图；

图2为本发明煤岩非线性渗透系数测试装置的系统图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

说明书附图中的附图标记包括：

上部密封挡块11、顶盖12、侧室阀门13、底部托盘14、法兰15、连接出气端16、凹槽17、密封腔体18、筛孔19、气室20。

如图1、图2所示的煤岩非线性渗透系数测试装置，包括煤样密封装置、入口端压力控制系统、出口端压力控制系统和真空管路系统，煤样密封装置包括恒温槽和气室20，恒温槽为恒温水浴槽或者恒温空气浴槽。气室20安装在恒温槽内，气室20内安装有与气室20密封连接的密封腔体18，密封腔体18的底部设有与密封腔体18固定连接的底部托盘14，底部托盘14的中部固定安装有凸台，气室20通过法兰15与底部托盘14上的凸台密封连接，气室20与底部托盘14密封连接的法兰15上开设有凹槽17，凹槽17内设有密封圈。密封腔体18的中部穿设有中空的圆柱状钢杆，钢杆的下部穿出密封腔体18的部分为连接出气端16，密封腔体18的上方密封安装有弯折状的顶盖12，顶盖12的环形面上均匀设置若干筛孔19，顶盖12上部设有上部密封挡块11，上部密封挡块11外侧设有格米圈、密封圈和导向带，格米圈和密封圈对封缸体内的煤样上端面进行二次密封，导向带能够使上部密封挡块11上下移动。气室20为圆筒形结构且气室20侧面设有侧室阀门13。

入口端压力控制系统包括入口端压力控制器、入口端压力传感器和高压气瓶减压阀，入口端压力控制器、入口端压力传感器和气室20侧面的侧室阀门13安装在三通管的三个管路上，高压气瓶减压阀连接在入口端压力控制器所在管路上，气室20侧面的侧室阀门13所在的管路上安装有入口端质量流量计。

出口端压力控制系统包括出口端质量流量计、出口端气体压力控制器和出口端压力传感器，连接出气端16、出口端气体压力控制器和压力传感器安装在三通管的三个管路上，出口端质量流量计安装在连接出气端16所在管路上。

真空管路系统包括真空泵，真空泵与入口端压力控制器管路连接且该管路上安装有真空泵阀门。

一种煤岩非线性渗透系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

s1：将煤样试件在轴向应变约束下进行密封；具体包括以下步骤：

s11：将密封剂涂抹在密封腔体18底部托盘14的凸台和煤样的上端面；

s12：将煤样试件放置在涂抹了密封剂的密封腔体18底部托盘14的凸台上，并将顶盖12与密封腔体18底部托盘14连接，待密封试剂发生反应，利用螺栓紧固密封腔体18底部托盘14与顶盖12的连接法兰15。密封腔体18结合密封剂的用途是将煤样试件在约束轴向应变的条件下，使密封腔体18顶盖12同时对煤样试件实施环形应变约束；密封腔体18的顶盖12的环形周围设置了均匀的筛孔19，气室20内的气体可以通过该筛孔19进入煤样试件内部，作为气体流动的通道；所述密封剂为环氧树脂和丙酮混合而成。

s13：将装有煤样试件的密封腔体18放入气室20内，并采用螺栓将密封腔体18底部托盘14法兰15与气室20法兰15相联接，并紧固。所述气室20法兰15端面刻一定深度和厚度的环形凹槽17，在该凹槽17内放入一环形橡胶圈作为密封垫圈，螺栓紧固时，两法兰15端面通过挤压密封垫圈形成密封环境，从而隔绝气室20内气体的泄漏。

s14：将入口气体压力控制器数值调制实验设计参数，并通过管路及三通将入口气体压力控制器与压力传感器、气室20侧面的侧室阀门13相连；

s2：将装有煤样试件的气室20放入恒温水浴中，保持煤样试件内渗透温度为预设温度值；所述恒温水浴箱用于保持实验过程中煤样内气体渗透的温度一致。

s3：实验前，开启真空泵，打开真空泵阀门，对煤样进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。打开调节流入和流出煤样试件内部的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样试件内流动，使气体渗透达到稳定流动状态，测量气体稳态渗流时气体渗透量；以及测量煤样试件的入口端压力值和出口端压力值；

s4：通过质量流量计测量煤样试件出口端气体流量；

所述煤样试件测量具体包括以下步骤：

s41：分别将两个气体压力控制器设置于气室20两端，并通过三通及管路将入口气体压力控制器与压力传感器及气室20侧面的侧室阀门13相连；通过三通及管路将出口气体压力控制器与质量流量计及压力传感器相连

s42：将入口气体压力控制器与高压气瓶的减压阀出口和真空泵通过三通相连，并将装有煤样试件的气室20整体放入恒温水浴箱内，并设定好实验温度；温度一般取30度。实验前，打开真空泵对煤样进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。

s43：保持气室20出口侧面的侧室阀门13关闭，然后打开高压气瓶减压阀开关，使气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，待煤样试件吸附气体96h后，打开气室20出口侧面的侧室阀门13、质量流量计及压力传感器电源，待压力传感器读数的连续误差小于5％后，即可认为气体流动达到稳定状态，读取质量流量计及进口、出口压力传感器示数。

s5：根据煤样试件入口端压力值、出口端压力值和流速按以下公式来计算煤岩非线性渗透系数：

根据前期进行的不同气含量下的瓦斯渗透测试实验结果的分析，得到煤岩非线性渗流的数学模型为：

式中：k0为煤岩的极限渗透率m/s；μ为气体粘度pa.s；δp为煤岩两端的气体压力梯度；w为煤岩吸附气体量m³；μap是表征煤体气体流动孔道特征的参数，反映了煤体渗透特性随吸附气体量改变的敏感性大小。方程(1)的物理意义为：渗流阻力由两部分组成，第一部分为粘性阻力，它与渗流速度的一次方成正比；第二部分为吸附作用引起的附加阻力，它与煤岩内的吸附气量成正比，宏观上可以认为是增加了气体的粘性。当w＝0，方程(1)即为darcylaw流动方程，因此煤岩内气体的流动不仅取决于压差的大小，同时还受其内部吸附气量的影响。

参考周世宁提出的比流量形式，则有

式中：q为比流量，1大气压、t℃时，1m²面积上流过的瓦斯流量，m³/(m².d)；a＝μap/μ；λ＝bk0/2μpn，其中b为单位换算系数，pn为1个大气压。

煤岩非线性渗透系数的测试实质就是通过实验的方法获取煤样的参数α与λ。本方案中的煤样试件在瓦斯气体压力差的驱动下，流出煤样的瓦斯量为：

式中：q为流出煤样的瓦斯气体量，m³/d；m为煤样试件的高度。

其边界条件为：

由于吸附量代入式(3)可得：

将式(4)进行积分可得：

由式(5)可得：

实验中，参数p1、p2、q以及吸附常数a、b是直接获取的。因此，很容易根据两个不同的工况计算出参数α与λ的数值。本方案中采用的是常规数值分析中应用广泛的牛顿迭代法，即：将任意两个工况下的q代入到式(5)中首先将λ消元，而后建立函数λ(α)，并对函数λ(α)进行线性化处理，将函数λ(α)的近似值αk处进行一阶taylor展开，有：

略去高阶无穷小项有

λ(αk)+λ′(αk)(α-αk)≈0(8)

故有迭代格式

根据式(10)即可求取参数α的数值，相应的在获取α的数值后，代入任一工况下的式(6)中即可求取相应的λ。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。