一种煤体渗透率测试装置的制作方法

本实用新型属于煤体渗透率测试技术领域，尤其涉及一种煤体渗透率测试装置。

背景技术：

我国煤炭资源相当丰富，煤层中赋存有大量瓦斯(煤层气)，是一种重要的能源，对煤层气的开发能为社会提供强大的动力供应。煤体渗透率是衡量煤体的渗透性的参数，在煤层气勘探开发领域，煤层气储层渗透率的大小是影响煤层气是否有开发价值的重要参数，煤体渗透率的各向异性测定是煤层气开发的基础，而渗透率的测定通过实验室进行实验分析是最便捷最准确的方法。

在矿井治理过程中瓦斯也是一种有害气体，在矿井中可以使工作人员窒息，当瓦斯浓度达到一定限度还有发生爆炸的危险，这样既影响国家财产和矿井的安全生产，也威胁工作人员的生命财产安全，而且将这些气体直接排入大气还会造成环境污染。如果能把煤层气直接抽采并加以利用既减少了这类灾害的发生也可以达到变废为宝的目的，因此煤层气的开发对于环境保护和经济发展均具有重大意义。

煤体在受到采动的情况下，原始地应力会遭到破坏，煤层所受地应力会随采动的影响而不断地发生变化。同时，煤层地应力主导有效应力的变化，直接或间接的控制着渗透率。但是以往测试渗透率的设备只是测试煤样某一状态下的渗透率，并不能反映渗透率的真实情况。因此基于以上种种原因，必须对煤体在不同受压情况下的渗透率各向异性进行研究。通过煤体在受到不同压力情况模拟不同地应力，从而研究不同受力情况下煤体渗透率的各向异性以及不同压力下煤体渗透率的变化规律，分析煤体结构及其内部的裂隙情况，从而指导煤层气的开发利用，变废为宝，而且还可以使矿井进行安全生产，避免灾害的发生。

现有的煤体渗透率测量方法有周期加载法、脉冲法和稳态法，其中以脉冲法和稳态法为主，其主要存在以下问题：

现有实验设备对煤体破坏过程中和破坏后的渗透率进行测量存在很大困难。大多数设备中煤样夹持器的密封性不好，很多情况下都采用操作者手工记录，使测量的渗透率与真实值存在较大误差。而且现有的设备只是单一的测量煤体渗透率，不能与超声波参数的测量同时进行。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种煤体渗透率测试装置及其使用方法，把渗透率测量装置和超声波测量装置融合在一起，可达到在一个加压过程中同时测量渗透率和超声波参数的目的。同时还可以测量样品在受压过程中的应力应变。该方法简便直接，测试结果由数据处理系统自动记录，操作省事省力。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种煤体渗透率测试装置，包括支架、夹持器、围压泵、轴压泵、气瓶和气体增压泵；夹持器设在支架中，夹持器包括上下开口的筒体，筒体的上端和下端分别滑动穿装有岩心塞，岩心塞分别沿轴向设有通气孔，筒体的侧壁设有与筒体的内腔连通的围压接口，围压接口通过管路与围压泵连接；夹持器上方的支架上设有轴压腔，轴压腔的下端设有伸缩杆，伸缩杆的下端与筒体上端的岩心塞的上端连接，轴压腔通过轴压管路与轴压泵连接；筒体上端的岩心塞中的通气孔通过管路与气体增压泵的出气端连接，气体增压泵的进气端与气瓶连接。

优选的，筒体的上端和下端分别设有压冒，岩心塞分别滑动的穿装在对应的压冒中，筒体的内腔中设有橡胶套，橡胶套中套装有煤样，橡胶套的上端和下端分别卡装有封头，位于筒体的内腔中的岩心塞滑动的穿装在对应的封头中。

优选的，封头的外壁套装有与对应的筒体的内壁匹配的方形密封圈和圆形密封圈。

优选的，橡胶套的上端和下端分别设有锥形内腔，封头设有与锥形内腔匹配的锥形面。

优选的，岩心塞与对应的煤样的端面分别设有多孔板。

优选的，岩心塞内置有超声波换能器，超声波换能器通过线路与超声波脉冲发生器连接，超声波脉冲发生器通过线路与数字示波器连接。

优选的，筒体下端的岩心塞中的通气孔通过管路与气体收集装置连接，管路上还设有真空泵、出口压力传感器、流量计和阀门。

优选的，气体增压泵和夹持器之间的管路上设有进口压力传感器。

优选的，还设有数据采集系统，数字示波器、进口压力传感器、出口压力传感器和流量计分别与数据采集系统连接。

一种基于煤体渗透率测试装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)样品制备：根据要研究的对象，采取相应的样品，然后按照不同的方向钻取圆柱形的煤样，使其上、下两个端面与轴向垂直，并保证其表面平整光滑，并用游标卡尺测量煤样的长度及其直径；

(2)关闭气路的阀门；

(3)取一个制备好的煤样，将其放入夹持器，然后装上岩心塞；将夹持器安装在支架上，使其稳定；

(4)将围压泵的管路连接到围压接口上，启动围压泵，设置围压参数进行加压；

(5)启动轴压泵，设置轴压参数进行加压；

(6)启动真空泵抽真空，使系统内压力低于40pa，然后关闭真空泵；

(7)打开气瓶的阀门，向煤样通入气体，待其吸附平衡；

(8)吸附平衡后，打开数据处理系统，进行参数的设置，包括煤样长度、煤样直径、测试气体黏度、大气压力；

(9)在数据处理系统中设置好参数后，打开阀门开始测试；

(10)测试结束后，关闭阀门；然后再次设置轴压压力值，待其吸附平衡后进行下次测试；

测试过程中的所有参数，包括煤样长度、煤样直径、气体黏度、大气压力、进口压力传感器的数值、出口压力传感器的数值、流量计的数值以及根据公式计算出的渗透率结果均会自动保存在Excel文件中；

根据达西公式，气体渗透率的公式为：

式中，K—气体渗透率；A—煤样截面积，根据煤样直径计算；L—煤样长度；P1、P2—煤样入口及出口压力；P0—大气压力；μ—气体黏度；Q0—流量计流量；

在测量渗透率时，样品的轴压和围压施加20分钟之后，待煤体内部稳定便可测量煤样的纵、横波速；

波速计算公式如下：

超声波的纵、横波波速计算公式：

纵波：VP＝L/tP-tD

横波：VS＝L/tS-tD

式中：VP—纵波波速；VS—横波波速；L—煤样长度；tP—纵波在样品中走的时间；tS—横波在样品中走的时间；tO—仪器系统的零延时。

优选的，在测量渗透率时，样品的轴压和围压施加20分钟之后，待煤体内部稳定，测量煤样的纵、横波速，测量步骤如下：

(1)打开超声波脉冲发生器和数字示波器；

(2)将夹持器上部岩心塞的纵波测量线路连接到超声波脉冲发生器的接口上；

(3)将夹持器下部岩心塞的纵波测量线路连接到数字示波器的接口上；

(4)调节数字示波器上控制旋钮，直至数字示波器上出现理想的波形图；

(5)操作数据处理系统记录纵波数据；

(6)取下夹持器上部岩心塞的纵波的量线路，然后将横波测量线路连接到超声波脉冲发生器的接口上；

(7)取下夹持器下部岩心塞的纵波的量线路，然后将横波测量线路连接到数字示波器的接口上；

(8)操作数据处理系统记录横波数据。

本实用新型具有的优点是：

1.本实用新型的煤体渗透率测试装置结构简单、操作简便，测试结果准确，不仅可以测试煤体渗透率，同时还可以测试其他岩石试件的渗透率和超声波特性，具有可移植性，通用性比较强等特点。

2.本实用新型的煤体渗透率测试装置中的超声波脉冲发生器可以激发一定频率的超声波，在数字示波器调整好波形后，可采集通过煤体的声波信号，通过超声波波速的变化可以反映煤体内部孔裂隙的变化和分布，把渗透率和超声波在同一过程中测量，使测试结果更加准确可靠。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中夹持器的纵剖面示意图；

图3为图2中多孔板的俯视图；

图4为利用纵波数据绘制的曲线图；

图中：1为轴压泵，2为气瓶，3为气体增压泵，4为进口压力传感器，5为夹持器，6为煤样，7为出口压力传感器，8为流量计，9为阀门，10为数据采集系统，11为围压泵，12为真空泵，13为轴压管路，14为支架，15为气体收集装置，16为超声波脉冲发生器，17为数字示波器；51为岩心塞，52为封头，53为压冒，54为筒体，55为围压接口，56为橡胶套，57为方形密封圈，58为圆形密封圈，59为多孔板，510为超声波换能器。

具体实施方式

一种煤体渗透率测试装置，如图1-3所示，包括轴压泵1、气瓶2、气体增压泵3、夹持器5、围压泵11和支架14。夹持器5设在支架14中，夹持器5包括上下开口的筒体54，筒体54的上端和下端分别滑动穿装有岩心塞51，岩心塞51分别沿轴向设有通气孔，筒体54的侧壁设有与筒体54的内腔连通的围压接口55，围压接口55通过管路与围压泵11连接。

夹持器5上方的支架14上设有轴压腔，轴压腔的下端设有伸缩杆，伸缩杆的下端与筒体54上端的岩心塞51的上端连接，轴压腔通过轴压管路13与轴压泵1连接；筒体54上端的岩心塞51中的通气孔通过管路与气体增压泵3的出气端连接，气体增压泵3的进气端与气瓶2连接。

筒体54的上端和下端分别设有压冒53，压冒53与筒体54均是螺纹连接，连接结构牢固。

岩心塞51分别滑动的穿装在对应的压冒53中，筒体54的内腔中设有橡胶套56，橡胶套56中套装有煤样6，橡胶套56的上端和下端分别卡装有封头52，位于筒体54的内腔中的岩心塞51滑动的穿装在对应的封头52中。岩心塞51、封头52、压冒53、筒体54均由钢材制成。

封头52的外壁套装有与对应的筒体54的内壁匹配的方形密封圈57和圆形密封圈58。

橡胶套56的上端和下端分别设有锥形内腔，封头52设有与锥形内腔匹配的锥形面。由于锥形结构的存在，因此压力越大夹持器5内楔贴合的就越紧密，可达到良好的密封效果，这样能保证实验系统的密闭性。

岩心塞51与对应的煤样6的端面分别设有多孔板59。岩心塞51内置有超声波换能器510，超声波换能器510通过线路与超声波脉冲发生器16连接，超声波脉冲发生器16通过线路与数字示波器17连接。超声波脉冲发生器16采用奥林巴斯(OLYMPUS)5077PR脉冲发生器，该测试仪配备纵波(P波)、横波(S波)激发系统。数字示波器17采用泰克TDS2014C系列数字示波器，数字示波器首先将被测试信号抽样和量化，以二进制信号保存在存储器中，通过具体算法把被测信号的离散值以连续的形式在屏幕上显现出来，该示波器具有捕获瞬态波形、存储波形等功能特点。

超声波换能器510设在岩心塞51中，既可以传递信号，也可以承受压力，岩心塞51对超声波换能器510起到较好的保护作用。

筒体54下端的岩心塞51中的通气孔通过管路与气体收集装置15连接，管路上还设有真空泵12、出口压力传感器7、流量计8和阀门9。气体增压泵3和夹持器5之间的管路上设有进口压力传感器4。气体收集装置15通过排水法收集管路中排出的气体，以免瓦斯逸出，造成安全隐患。

还设有数据采集系统10，数字示波器17、进口压力传感器4、出口压力传感器7和流量计8分别与数据采集系统10连接，数据采集系统10用于采集装置中的各项参数并进行数据处理。

本实用新型能够在变换围压和轴压的情况下，对煤体在不同压力下的渗透率进行实时测量。超声波脉冲发生器可以激发一定频率的超声波，在数字示波器调整好波形，后可采集通过煤体的声波信号，通过超声波波速的变化可以反映煤体内部孔裂隙的变化和分布。两个压力传感器和高精度流量计均与数据采集系统相连接，在进行数据采集时，数据采集系统会自行采集数据，数据采集的同时，可自动计算对应的渗透率并保存，因此在操作过程非常简便，把渗透率和超声波在同一过程中测量，使测试结果更加准确可靠。

一种基于煤体渗透率测试装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)样品制备：根据要研究的对象，采取相应的样品，然后按照不同的方向钻取圆柱形的煤样6，使其上、下两个端面与轴向垂直，并保证其表面平整光滑，并用游标卡尺测量煤样6的长度及其直径；煤样6规格为Φ25mm×50mm—60mm或Φ50mm×50mm—100mm；

(2)关闭气路的阀门9；

(3)取一个制备好的煤样6，将其放入夹持器5，然后装上岩心塞51；将夹持器5安装在支架14上，使其稳定；

(4)将围压泵11的管路连接到围压接口55上，启动围压泵11，设置围压参数进行加压；

(5)启动轴压泵1，设置轴压参数进行加压；

(6)启动真空泵12抽真空，使系统内压力低于40pa，然后关闭真空泵12；

(7)打开气瓶2的阀门，向煤样6通入气体，待其吸附平衡；

(8)吸附平衡后，打开数据处理系统，进行参数的设置，包括煤样6长度、煤样6直径、测试气体黏度、大气压力；

(9)在数据处理系统中设置好参数后，打开阀门9开始测试；

(10)测试结束后，关闭阀门9；然后再次设置轴压压力值，待其吸附平衡后进行下次测试；

测试过程中的所有参数，包括煤样长度、煤样直径、气体黏度、大气压力、进口压力传感器的数值、出口压力传感器的数值、流量计的数值以及根据公式计算出的渗透率结果均会自动保存在Excel文件中；

根据达西公式，气体渗透率的公式为：

式中，K—气体渗透率；A—煤样截面积，根据煤样直径计算；L—煤样长度；P1、P2—煤样入口及出口压力；P0—大气压力；μ—气体黏度；Q0—流量计8流量；

在测量渗透率时，样品的轴压和围压施加20分钟之后，待煤体内部稳定便可测量煤样6的纵、横波速。测量步骤如下：

(1)打开超声波脉冲发生器16和数字示波器17。

(2)将夹持器5上部岩心塞51的纵波测量线路连接到超声波脉冲发生器16的接口上。

(3)将夹持器5下部岩心塞51的纵波测量线路连接到数字示波器17的接口上。

(4)调节数字示波器17上控制旋钮，直至数字示波器17上出现理想的波形图。

(5)操作数据处理系统记录纵波数据。

(6)取下夹持器5上部岩心塞51的纵波的量线路，然后将横波测量线路连接到超声波脉冲发生器16的接口上。

(7)取下夹持器5下部岩心塞51的纵波的量线路，然后将横波测量线路连接到数字示波器17的接口上。

(8)操作数据处理系统记录横波数据。

波速计算公式如下：

超声波的纵、横波波速计算公式：纵波：VP＝L/tP-tD

横波：VS＝L/tS-tD

式中：VP—纵波波速；VS—横波波速；L—煤样长度；tP—纵波在样品中走的时间；tS—横波在样品中走的时间；tO—仪器系统的零延时。

由图4可知，随着加载时间的持续，纵波波速不断增加，在1.5MPa之前波速增加较快，说明煤体内部，大部分裂隙孔隙发生闭合，渗透率将会降低；之后波速增加缓慢，在压力达到3.6MPa左右时波速达到最大值，此后随着应力的增加波速变小，说明煤体在压力作用下发生裂隙的扩展并产生了新的孔裂隙，之后煤体渗透率会增加。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。