含瓦斯煤水气两相渗流实验系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于不同载荷、不同温度、不同含水率和不同瓦斯压力的水气两 相介质条件下的含瓦斯煤渗流实验技术，是一种模拟真实煤矿环境条件的含瓦斯煤水气两 相渗流实验系统和方法。
【背景技术】
[0002] 煤层中瓦斯气体的吸附-解吸-渗流特性受煤层瓦斯压力、地应力、煤体物理力学 性质、围岩结构、地下水和地温等诸多因素的影响，尤其是随着煤矿开采深度逐年加深，这 种多因素耦合关系表现得更加明显。以往的含瓦斯煤水气两相吸附-解吸-渗流实验系统 都是采用液态水进行实验，由于液态水与瓦斯气体很难均匀混合，无法做到真正意义上的 水气两相渗流。
[0003] 国内已公开的专利文献CN201210409446. 0公开了一种受载含瓦斯煤水气两相吸 附-解吸-渗流实验系统和方法，该试验系统能够对于在不同的恒定外部加载压力和不同 瓦斯压力下进行含瓦斯煤水气两相吸附-解吸-渗流实验，但是没有考虑液态水对煤体的 渗流特性的影响，也没有考虑温度对实验的影响；已公开的专利文献CN201210283984. X公 开了一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，这套试验装置功能比较齐 全，既能够实现多种影响因素对含瓦斯煤渗流特性的综合作用，同时也考虑了温度对实验 的影响，取得了较好的进展，但是却仍然没有克服液态水对煤体渗流特性的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有实验技术的不足，提供一种含瓦斯煤水气两相渗流实验系统 和方法，通过改变不同的加载条件、加载路径和实验温度，可以模拟煤矿井下条件，实现含 瓦斯煤水气两相的渗流实验和其他条件下的瓦斯吸附解吸实验。
[0005] -种含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其包括气体混合装置，所述气体混合装置 包括顺次连接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部设有集液口；所述混合罐的进口分别连 接水蒸气输送管路和高压瓦斯输送管路；所述吸附罐连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持 器的出气口管路通过四通阀分为两个支路，其中一个支路连接真空泵，另一支路顺次连接 水汽计量装置和气体流量计。
[0006] 具体来说，所述水蒸气输送管路上依次设有水蒸气发生器、减压阀、压力表和开 关；所述高压瓦斯输送管路上依次设有高压瓦斯罐、第一压力表、减压阀、第二压力表和开 关；所述混合罐设有压力表和温度计；所述吸附罐设有压力表。
[0007] 所述吸附罐与煤样夹持器进气口之间的管路上依次设有减压阀、压力表和开关； 所述煤样夹持器出气口与四通阀之间的管路上设有压力表。
[0008] 所述的水汽计量装置由精密电子天平和置于精密电子天平上、且装有干燥剂的密 封管组成。
[0009] 所述水汽计量装置和气体流量计分别连接至数据实时采集装置。数据实时采集装 置主要由导线和数据采集系统组成，可用于对整个实验过程的数据变化的监控和采集。 [0010] 采用上述实验系统进行含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法，其包括如下步骤： 1) 组装好实验系统，并检测实验系统的密封性； 2) 将准备好的干燥煤样装入煤样夹持器，并将气体混合装置和煤样夹持器放入恒温水 浴池中，用以使气体混合装置中的气体及干燥煤样均保持恒定实验温度； 3) 真空脱气：先对煤样施加预定的围压和轴压，然后对气体混合装置和煤样夹持器进 行真空脱气，并维持真空状态不低于3h ; 4) 水气两相吸附：通过水蒸气发生器和高压瓦斯罐向气体混合装置内充入水蒸气和瓦 斯气体，待气体混合装置内的气体压力稳定后，再次对煤样施加预定的围压和轴压，然后向 煤样中充入水蒸气和瓦斯混合气体，进行煤样吸附； 5) 水气两相渗流：待煤样吸附平衡后，从煤样内部出来的水蒸气及瓦斯通过水汽计量 装置和气体流量计进行两相渗流实验； 6) 数据采集及处理：当气体流量计的流量稳定后，记录下气体流量数据，同时记录在水 气两相渗流实验前后精密电子天平测得的液态水的质量变化值；然后将精密电子天平测得 的质量变化量换算成标准状况下水蒸气的气体体积流量Q 1，气体流量计测得的瓦斯气体体 积流量换算成标准状况下瓦斯气体体积流量Q2，得到标况下的气体气体体积流量Qci=Qi +Q2; 利用拟压法评估含瓦斯煤水气两相渗流渗透率大小，具体公式如下：
【主权项】
1. 一种含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其特征在于，包括气体混合装置，所述气体混 合装置包括顺次连接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部设有集液口；所述混合罐的进口 分别连接水蒸气输送管路和高压瓦斯输送管路；所述吸附罐连接煤样夹持器的进气口，煤 样夹持器的出气口管路通过四通阀分为两个支路，其中一个支路连接真空泵，另一支路顺 次连接水汽计量装置和气体流量计。
2. 如权利要求1所述含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其特征在于，所述水蒸气输送 管路上依次设有水蒸气发生器、减压阀、压力表和开关；所述高压瓦斯输送管路上依次设有 高压瓦斯罐、第一压力表、减压阀、第二压力表和开关；所述混合罐设有压力表和温度计； 所述吸附罐设有压力表。
3. 如权利要求2所述含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其特征在于，所述吸附罐与煤 样夹持器进气口之间的管路上依次设有减压阀、压力表和开关；所述煤样夹持器出气口与 四通阀之间的管路上设有压力表。
4. 如权利要求3所述含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其特征在于，所述水汽计量装 置由精密电子天平和置于精密电子天平上、且装有干燥剂的密封管组成。
5. 如权利要求4所述含瓦斯煤水气两相渗流实验系统，其特征在于，所述水汽计量装 置和气体流量计分别连接至数据实时采集装置。
6. 采用权利要求1至4任一所述实验系统进行含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法，其 特征在于，包括如下步骤： 1) 组装好实验系统，并检测实验系统的密封性； 2) 将准备好的干燥煤样装入煤样夹持器，并将气体混合装置和煤样夹持器放入恒温水 浴池中，用以使气体混合装置中的气体及干燥煤样均保持恒定实验温度； 3) 真空脱气：先对煤样施加预定的围压和轴压，然后对气体混合装置和煤样夹持器进 行真空脱气，并维持真空状态不低于3h ; 4) 水气两相吸附：通过水蒸气发生器和高压瓦斯罐向气体混合装置内充入水蒸气和瓦 斯气体，待气体混合装置内的气体压力稳定后，再次对煤样施加预定的围压和轴压，然后向 煤样中充入水蒸气和瓦斯混合气体，进行煤样吸附； 5) 水气两相渗流：待煤样吸附平衡后，从煤样内部出来的水蒸气及瓦斯通过水汽计量 装置和气体流量计进行两相渗流实验； 6) 数据采集及处理：当气体流量计的流量稳定后，记录下气体流量数据，同时记录在水 气两相渗流实验前后精密电子天平测得的液态水的质量变化值；然后将精密电子天平测得 的质量变化量换算成标准状况下水蒸气的气体体积流量Q 1，气体流量计测得的瓦斯气体体 积流量换算成标准状况下瓦斯气体体积流量Q2，得到标况下的气体气体体积流量Qci=Qi +Q2; 利用拟压法评估含瓦斯煤水气两相渗流渗透率大小，具体公式如下：
式中：Kg为渗透率；Qtl为标准状况下的气体体积流量；P和f分别为平均气体动力黏度 和平均压缩因子；L为多孔介质渗流长度；A为多孔介质横截面积；Ptl为标准状况下的气体 压力；P iS进气端压力；Pe为出气端压力；τ为实验环境绝对温度；τ ^为标准状况下绝对温 度。
【专利摘要】本发明公开了一种含瓦斯煤水气两相渗流实验系统和方法，该实验系统主要包括气体混合装置，所述气体混合装置包括顺次连接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部设有集液口；所述混合罐的出口分别连接水蒸气输送管路和高压瓦斯输送管路；所述吸附罐连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持器的出气口管路通过四通阀分为两个支路，其中一个支路连接真空泵，另一支路顺次连接水汽计量装置和气体流量计。该实验系统首次采用水蒸气和瓦斯气体相协同运动，实现含瓦斯煤中水气两相的渗透行为，同时通过数据实时连续采集装置准确观测到含瓦斯煤的渗透率以及其含水率等的变化趋势，具有操作简便、测量准确等优点；克服了液态水与瓦斯气体难以直接混合的不足。
【IPC分类】G01N15-08, G01N5-02
【公开号】CN104729948
【申请号】CN201510113407
【发明人】王登科, 魏建平, 付启超, 刘勇, 姚邦华, 夏玉玲
【申请人】河南理工大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月16日