水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统及测试方法与流程

本发明涉及煤岩实验技术领域，特别涉及一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统。本发明还涉及一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法。

背景技术：

煤层瓦斯(又称煤层气)是赋存于煤储层中以甲烷(ch4)为主的混合气体。由于甲烷的强扩散性和爆炸性等性质，瓦斯成为导致煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等矿井灾害的重要因素。同时瓦斯气体又是一种温室气体，其温室效应是同质量二氧化碳的20倍左右。然而，与煤炭相比瓦斯具有燃烧热值高、环保无污染等优点，是目前公认的清洁能源，据统计，我国陆上煤层埋深2000m以浅的煤层气(瓦斯)资源量高达32.86×1012m³，开发利用前景巨大。因此，实现煤层瓦斯的高效抽采利用，不仅可显著提升我国煤矿安全生产水平，而且对于保障我国经济可持续健康发展和国家能源安全具有重要意义。

实际上，原位煤储层是煤、瓦斯、水共存的三维地质体，煤中的水可划分为裂隙系统中的自由水和煤基质孔隙的内在水,其中内在水以物理吸附及凝聚等形式赋存于煤孔隙，尤其是低阶煤往往具有高于中高阶煤的内在水含量，例如我国褐煤的水分含量高达25～40％。在煤吸附水过程中也伴随着煤基质膨胀变形，会导致煤体孔裂隙通道变化，促使煤岩渗透率改变，并最终影响煤体瓦斯流动。目前有学者已开展了瓦斯与水共同作用下的煤体吸附解吸变形研究，但大部分试验是在不同注水条件下进行，即通过液态水侵入煤样的试验方法研究外加水分对煤中瓦斯吸附解吸变形规律的影响。由于受孔隙界面张力的影响液态水无法克服界面张力进入小孔及微孔系统，因此利用注入液态水的方法无法反映内在水分对煤吸附解吸变形特性的影响规律，同时也无法还原原位煤储层中水分对煤体吸附解吸变形特性影响的本质。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，以可避免传统试验方法中无法改变煤样内在水的不足。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，包括具有密封腔的测试罐体，以及向所述密封腔内进行充气以使置于所述密封腔内的煤样进行变形应变的供气机构，还包括对所述煤样的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机，以及与所述工业高速相机电连接的计算机系统，所述供气机构包括分别与所述密封腔相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得所述煤样可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。

进一步的，所述测试罐体包括罐体本体，以及与所述罐体本体可拆卸连接的旋盖，于所述旋盖上连接有与所述密封腔与相连通的供气管路，于所述罐体本体的侧壁上形成有至少一个供所述工业高速相机进行图像拍摄的可视窗口。

进一步的，所述可视窗口为环所述罐体本体设置的三个，所述工业高速相机为与各所述可视窗口相对应设置的三个。

进一步的，于所述供气管路上连通有抽排管路，并于所述抽排管路的出气端连接有真空泵，以及在所述真空泵上游的抽排管路上并联有具有放空阀的放气管。

进一步的，所述甲烷气体供给机构包括经由甲烷供气管路而与所述供气管路连通的高压甲烷气体储瓶，以及经由气密检测管路而与所述供气管路连通的高压氦气储瓶，于所述甲烷供气管路上设置有第一减压阀，于所述气密检测管路上设置有第二减压阀。

进一步的，所述水蒸气供给机构包括经由蒸气管路而与所述密封腔连通的恒湿玻璃皿，于所述恒湿玻璃皿内盛放有饱和盐溶液，并于所述密封腔内设置有与所述计算机系统电连接的温湿度传感器。

进一步的，于所述密封腔底部设置有支撑座，所述煤样固定于所述支撑座上，并于所述测试罐体周侧设置有升降架，所述工业高速相机因固定于所述升降架上而高度可调。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，通过设置水蒸气供给机构以向密封腔内通入水蒸气，进而可对煤样预先进行水吸附处理，之后对其进行瓦斯吸附和解吸变形特性的测试，尤其可实现具有高内在水分含量特点的煤种例如褐煤、长焰煤等低阶煤的瓦斯吸附解吸变形特性测试，充分模拟了现场原位煤储层的瓦斯吸附解吸变形特性，能够反映煤体在内在水分影响下的瓦斯吸附解吸变形特性演化规律，使得原位煤储层煤体的瓦斯吸附解吸变形机理能够得到更深入的研究，填补国内对煤体在内在水分影响下瓦斯吸附解吸变形特性研究装置的空白，其结构简单、测试方法简便，使用效果好，具有广泛的实用性。

同时，本发明还提供了一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法，该方法包括以下步骤：

s1、将煤样固定于测试罐体的密封腔内，并在测试实验开始前对密封腔进行气密性检测；

s2、利用饱和盐溶液产生的恒湿环境向密封腔内通入水蒸气，并通过工业高速相机对煤样的变形应变进行图像拍摄，以及通过计算机系统进行数据记录和图像保存，并当密封腔内的相对湿度维持至少48h不变时停止水蒸气通入，利用计算机系统分析该相对湿度下预吸附水煤样吸附水蒸气的变形规律；

s3、向密封腔内通入一定压力的甲烷气体，使甲烷在预吸附水煤样内发生吸附，利用工业高速相机继续对煤样的变形进行图像拍摄，以及通过计算机系统进行数据记录和图像保存，当吸附时间t2维持至少48h且密封腔内的压强p2不再变化时停止甲烷气体通入，利用计算机系统分析该吸附平衡压力下的预吸附水煤样吸附甲烷过程的变形规律；

s4、提高通入密封腔内的甲烷气体压力，以使得预吸附水煤样继续对进行吸附，并重复步骤s3，以获得预吸附水煤样在相同的相对湿度条件下，通入更高压力的甲烷气体时的变形应变数据，并绘制该相对湿度环境下预吸附水煤样的变形量随甲烷气体压力增加的变化曲线，然后逐级放出甲烷气体以使得预吸附水煤样形成解吸(降低气体压力即为解吸过程)，以及绘制该相对湿度环境下预吸附水煤样解吸过程中的变形量随甲烷气体压力降低的变化曲线；

进一步的，在步骤s4后，还设有步骤s5：更换不同相对湿度的饱和盐溶液，并依次重复步骤s2-s4，以获得煤样在不同相对湿度环境下吸附甲烷的变形应变数据，分析水与瓦斯共同作用下的煤样的变形特征。

进一步的，在步骤s2中，所述饱和盐溶液配制方法为：将无机盐颗粒与温度60℃的蒸馏水混合，配制成60℃条件下的饱和盐溶液，然后将该饱和盐溶液倒入密闭的恒湿玻璃皿中并恢复至室温。

本发明所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法，与如上述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统具有相同的效果，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的测试罐体的主视图；

图3为图2俯视图；

附图标记说明：

1-密封腔，2-煤样，3-工业高速相机，4-第一通讯数据线，5-计算机系统，6-罐体本体，601-可视窗口，602-钢化玻璃板，7-旋盖，801-第一连接孔，802-第二连接孔，803-第三连接孔，9-供气管路，10-第一密封螺栓，11-甲烷供气管路，1101-第一减压阀，12-高压甲烷气体储瓶，13-气密检测管路，1301-第二减压阀，14-高压氦气储瓶，15-蒸气管路，1501-第四控制阀，1502-第二密封螺栓，16-恒湿玻璃皿，17-温湿度传感器，18-第二数据通讯线，19-第三密封螺栓，20-底座，21-立柱，22-升降座，23-支撑座，24-抽排管路，25-真空泵，26-放空阀，27-放气管，28-第二控制阀，29-压力表，30-第三控制阀，31-真空计。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，如图1所示，其包括具有密封腔1的测试罐体，以及向密封腔1内进行充气以使置于该密封腔1内的煤样2进行变形应变的供气机构。该水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统还包括对煤样2的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机3，以及经由第一通讯数据线4与工业高速相机3电连接的计算机系统5，该计算机系统5可用于对工业高速相机3拍摄的图像进行分析。本实施例中供气机构包括分别与密封腔1相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得煤样2可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。

基于如上的描述，本实施例中测试罐体包括形成所述密封腔1的罐体本体6，以及与罐体本体6可拆卸连接的旋盖7，即本实施例中在罐体本体6顶部形成有密封腔1的开口，从而可便于将煤样2放置于密封腔1内，而旋盖7则与开口内壁螺纹连接而形成对密封腔1的封闭。

由图1结合图2和图3所示，本实施例中在旋盖7上开设有第一连接孔801，并在第一连接孔801上连接有供气管路9，而为了便于供气管路9与第一连接孔801连接，本实施例中供气管路9的末端连接有第一密封螺栓10，在连接时直接将第一密封螺栓10与第一连接孔801螺纹连接即可。同理，本实施例中在旋盖7上还形成有第二连接孔802以及第三连接孔803，其中第二连接孔802构成与下文所述的第二密封螺栓1502的连接，而第三连接孔803则构成下文所述的第三密封螺栓19线的连接。此外，为了便于对供气管路9进行控制和压力检测，本实施例中在供气管路9上还设置有第三控制阀30和压力表29。

为了便于对密封腔1进行抽空和放气，如图1所示，本实施例中在供气管路9上连通有抽排管路24，并在抽排管路24的出气端连接有真空泵25，以及在靠近真空泵25的抽排管路24上设置有第二控制阀28，同时在第二控制阀28上游的抽排管路24上还并联有具有放空阀26的放气管27，以及在真空泵25上连接有真空计31。

本实施例中罐体本体6采用不透明材质制成，为了不影响工业高速相机3对置于密封腔1内的煤样2进行拍摄，由图1结合图2和图3所示，本实施例中在罐体本体6的侧壁上形成有至少一个供工业高速相机3进行图像拍摄的可视窗口601，并通过透明的钢化玻璃板602对可视窗口601进行密封封盖，且该钢化玻璃板602通过螺钉固定于罐体本体6上，且该可视窗口601为环所述罐体本体6设置的三个，并分别位于罐体本体6高度方向中部位置处，工业高速相机3则为与各可视窗口601相对应设置的三。为了可使得煤样2与可视窗口601高度对应，本实施例中在密封腔1底部设置有支撑座23，上述的煤样2固定于该支撑座23顶部上。同时为了便于对工业高速相机3的布置，本实施例中在罐体本体6的周侧设置有升降架，以使得工业高速相机3因固定于升降架上而高度可调。在测试试验开始前，通过调整升降架以保证工业高速相机3的镜头与煤样2以及可视窗口601处于同一条水平线上。

本实施例中升降架采用现有结构即可，如可为立柱式台架，其具体结构可如图所示，其包括底座20，并排固连于该底座20上的多个立柱21，以及滑动套装于立柱21外周面上的升降座22，上述的工业高速相机3则固定于该升降座22上，同时在升降座22上螺接有与立柱21抵接配合的锁紧螺钉，通过旋拧锁紧螺钉即可实现升降座22与立柱21的锁紧。当然，本实施例中升降架还可采用现有技术中的其它结构，在此不再赘述。

本实施例中甲烷气体供给机构包括经由甲烷供气管路11而与供气管路9连通的高压甲烷气体储瓶12，以及经由气密检测管路13而与供气管路9连通的高压氦气储瓶14，即供气管路11与气密检测管路13汇合后与供气管路9形成连通，同时甲烷供气管路11上设置有第一减压阀1101，以通过旋拧第一减压阀1101可改变通入甲烷气体的压力，以及在气密检测管路13上设置有第二减压阀1301。本实施例中通过设置高压氦气储瓶14，可用于对密封腔1的气密性进行检测，保证试验的准确性。

本实施例中水蒸气供给机构包括经由蒸气管路15而与密封腔1连通的恒湿玻璃皿16，并在该恒湿玻璃皿16内盛放有饱和盐溶液产生恒湿环境，为了便于蒸汽管路15与密封腔1连通，本实施例中在蒸气管路15的一端上设置有与上述的第二连接孔802螺接连接的第二密封螺栓1502，在连接时通过第二密封螺栓1502与第二连接孔802连接即可，同时为了便于对蒸汽管路15进行控制，本实施例中也在蒸汽管路15上设置有第四控制阀1501。为了便于对密封腔1内的相对湿度进行检测，本实施例中在密封腔1内设置有与计算机系统5电连接的温湿度传感器17，该温湿度传感器17电连接于第二数据通讯线18的末端，而第二数据通讯线18的另一端由上述的第三连接孔803穿过后与计算机系统5电连接，同时在第二数据通讯线18靠近末端处设置有第三密封螺栓19，该第三密封螺栓19与第三连接孔803密封连接后使得温湿度传感器17悬挂于煤样2顶部上方3-5cm处。

基于如上的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法包括如下步骤：

s1、将尺寸(长×宽×高)为10×10×30mm且干燥的煤样2固定于密封腔1内的支撑座23顶部，然后对密封腔1进行气密性检测，检测方法为：首先关闭放空阀26、第二控制阀28、第四控制阀1501及第一减压阀1101，并依次打开高压氦气储瓶14、第二减压阀1301和第三控制阀30以向密封腔1注入一定压力的氦气，随后关闭高压氦气储瓶14和第二减压阀1301，并通过观察压力表29以检测密封腔1的气密性，检测完成后打开放空阀26，将充入的高压氦气完全放出，随后关闭放空阀26并打开第二控制阀28，启动真空泵25抽真空直至真空计31降至4pa并保证抽真空时间不少于4h；

s2、将一定量的k2so4颗粒与温度60℃的蒸馏水混合，配制成60℃条件下的k2so4饱和盐溶液，然后倒入密闭的恒湿玻璃皿16并恢复至室温，以使得恒湿玻璃皿16内形成相对湿度达96％的湿环境，依次关闭第三控制阀30、第二控制阀28及真空泵25，然后打开第四控制阀1501向密封腔1内充入水蒸气；同时通过工业高速相机3对煤样2的变形应变进行图像拍摄，以及通过计算机系统5进行数据记录和图像保存，并当密封腔1内的相对湿度维持至少48h不变时认为在该相对湿度下煤样2吸附水蒸气达到平衡，关闭第四控制阀1501以停止水蒸气继续通入，利用计算机系统5分析该相对湿度下煤样2吸附水蒸气的变形规律；

s3、打开第三控制阀30、高压甲烷气体储瓶12和第一减压阀1101向密封腔1内通入一定压力的甲烷气体后关闭第三控制阀30，使甲烷在预吸附水的煤样2内发生吸附，利用工业高速相机3继续对煤样2的变形进行图像拍摄，以及通过计算机系统5进行数据记录和图像保存，当吸附时间t2维持至少48h且密封腔1内的压强p2(通过观测压力表29确定密封腔1内的压强p2)不再变化时停止甲烷气体通入，利用计算机系统5分析该吸附平衡压力下的预吸附水的煤样2吸附甲烷过程的变形规律；

s4、通过旋拧第一减压阀1101逐级提高通入密封腔1内的甲烷气体压力，以使得预吸附水煤样继续对进行吸附，并重复步骤s3，以获得煤样2在相同的相对湿度条件下，通入更高压力的甲烷气体时的变形应变数据，并绘制该相对湿度下煤样2的变形量随甲烷气体压力增加的变化曲线；然后关闭第一减压阀1101并打开放空阀26，逐级放出甲烷气体以使得预吸附水煤样形成解吸，以及绘制该相对湿度环境下预吸附水煤样解吸过程中的变形量随甲烷气体压力降低的变化曲线。

在步骤s4之后还设有步骤s5：更换不同相对湿度的饱和盐溶液，并依次重复步骤s2-s4，以获得煤样在不同相对湿度环境下吸附甲烷的变形应变数据，分析水与瓦斯共同作用下的煤样的变形特征，具体操作为：关闭高压甲烷气体储瓶12及第一减压阀1101，依次打开放空阀26和第三控制阀30，将密封腔1内及各相应管路中的甲烷气体完全放出，配置nacl饱和盐溶液(配置方法与上述的k2so4饱和盐溶液配置方法相同)并替换恒湿玻璃皿16中的k2so4饱和盐溶液，密封恒湿玻璃皿16使其内形成相对湿度达75％的湿环境，依次重复s2-s4步骤，获得煤样2在相对湿度达75％环境下吸附甲烷的变形数据，分析水与瓦斯共同作用下的煤样2吸附变形特征。当然在步骤s5中可配置多种饱和盐溶液并依次进行替换，以获得煤样2在不同相对湿度环境下吸附甲烷的变形应变数据，如还可在恒湿玻璃皿16内分别配置相对湿度为56％的硝酸镁饱和盐溶液以及相对湿度为43％的碳酸钾饱和盐溶液(配置方法同上)，依次获得煤样2在相对湿度达56％和相对湿度43％的环境下吸附甲烷的变形数据。

本发明所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统及测试方法，通过同时设置甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，进而在试验时可通过水蒸气供给机构改变相对湿度以使得煤样吸附变形，从而可研究不同相对湿度下煤岩吸附水蒸气变形规律以及水与瓦斯共同影响下的煤岩体积变形规律，能较好地反映具有较高内在水含量特征低阶煤的煤体变形特征，不仅有助于原位煤储层瓦斯渗流理论研究，而且将有利于工程现场煤层瓦斯高效抽采及灾害防治，其装置结构简单，测试方法简便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。