一种破碎煤岩体气体渗透试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种破碎煤岩体气体渗透试验装置及方法，属于煤岩体渗流领域。
【背景技术】
[0002]煤炭、天然气开采中会遇到许多破碎岩体气体渗流问题，如煤层破碎开发煤层气、采动诱发瓦斯突出、采空区或破碎煤岩中实施瓦斯抽放、采空区注氮灭火、天然气采集和储运等。仅就煤矿瓦斯(又称煤层气)而言，一方面煤炭是我国能源主体，占到一次能源构成的70%左右，但国有煤矿中有44.4%的矿井是高瓦斯和瓦斯突出矿井。另一方面，煤层气是高效的清洁能源和优质化工原料。据测算，我国煤层气资源总量为25-35万亿立方米，居世界第二位。开发利用煤层气，对实施国民经济可持续发展战略具有十分重要的意义。为更好地治理煤矿瓦斯、高效经济地开发利用煤层气等，对破碎煤岩体气体渗透的分析研宄非常必要。
[0003]目前国内外对岩石渗透特性的研宄主要集中在质地密实的标准岩心试件，对于采矿工程中经常遇到的破碎煤岩体气体渗透性的测试装置相对空白。对于处于采空区中“O”型圈内瓦斯气体富集规律的研宄涉及不同温度、不同轴压以及不同气体压差条件下破碎煤岩体的渗流性质的研宄。经检索发明专利ZL200820030674.6公布了一种气体渗透性测试试验装置。但其渗透测试装置存在以下几个缺点:(I)当煤层气注热开采过程中温度是一个变化值，该装置显然不能研宄温度对破碎煤岩体气体渗流性质的影响；(2)当采矿工程遇到复杂工况时，显然气体压力不仅来自一个方向，该装置不能对多方向气体压力下破碎煤岩体渗流性质进行研宄；(3)由于缸筒只提供被动约束，故压缩过程中围压变化情况完全未知，这严重影响了对破碎煤岩介质渗透特性的认识；(4)压盖与缸筒接触不能实现良好气密性，这严重影响了气体渗透参数的准确性；(5)压盖轴向位移采用压力机轴向进程，由于压力机活塞传递力(或位移)给压盖然后压盖在传递给破碎煤岩介质，这之间存在的传递不紧密性也制约了轴向位移的测量精度。
【发明内容】
[0004]本发明旨在提供一种气密性更佳、轴向位移参数精确的破碎煤岩体气体渗透试验装置，同时该装置能实现不同温度以及不同方向气压对破碎煤岩体渗流性质的影响的研宄。本发明还提供了破碎煤岩体气体渗透试验方法。
[0005]本发明提供了一种破碎煤岩体气体渗透试验装置，包括缸筒，缸筒上方设有压盖，缸筒下方为底座，其特征在于:
所述缸筒外侧设有温控室，温控室由圆筒构成，圆筒下部通过螺栓与底座连接，
所述压盖为阶梯形结构，压盖中心设有通孔，推头从该通孔内穿过，推头下方通过螺纹与推板连接，推头和推板上设有与缸筒内部相通的出气口，推头上方设有位移传感器；缸筒内壁上均匀设有压力传感器，缸筒筒壁上均匀设有气孔，气孔穿过缸筒和温控室筒壁与外部相通，在缸筒中部设有抽真空孔；缸筒底部设有进气口，进气口穿过底座与外部相通；缸筒底部和推板下方分别设有透气板，透气板上设有若干个孔；
温控室顶部设有进水孔，温控室中部设有温度计，底部设有排水口，排水口穿过底座与外部相通；
所述位移传感器、压力传感器连接导线、数据采集装置、计算机处理装置。
[0006]上述装置中，所述缸筒上部与压盖之间，温控室圆筒与底座之间通过螺栓连接，且连接处设有O型密封圈；所述推头与压盖之间设有O型密封圈。
[0007]上述装置中，所述透气板与推板、缸筒底部之间分别设有纱布。
[0008]上述装置中，所述缸筒内的压力传感器沿圆周方向均匀分布四个，且沿缸筒内部上、中、下平行设置三层，共有十二个压力传感器。
[0009]上述装置中，所述缸筒内的气孔沿圆周方向均匀分布四个，且沿缸筒上、下平行设置两层，每层各有两个侧壁进气孔和两个侧壁出气孔，共有八个气孔，侧壁进气孔与侧壁出气孔分别呈轴对称分布。
[0010]本发明提供了一种破碎煤岩体气体渗透试验方法，采用上述试验装置，其特征在于:包括以下步骤:
(1)、把破碎煤岩体用不同粒径砂石筛分成不同块度的破碎体；
(2)由温控室的进水孔、出水孔持续循环流入水；
(3)、打开压盖，将筛分好的破碎煤岩体倒入缸筒中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密封；
(4)、由抽真空孔对缸筒内煤岩体抽真空；
(5 )、由进气口向缸筒内持续注入甲烷，使试样吸附饱和；
(6)、由进气口以及缸筒侧壁进气孔分别注入一定压力甲烷气体，记录初始进气口、侧壁进气孔和出气口、侧壁出气孔流量及压力，由微机控制电液伺服压力机对试验装置加压，当位移传感器显示破碎煤岩体轴向压缩位移为2、4、6、8、10、12、14_时分别记录进、出气口、?壁对应进、出气孔的气压、流量以及压力机轴向压力、缸筒内壁压力传感器环向压力值变化，试验结束，取出试验试样。
[0011]上述方法中，所述破碎体的粒度为22.5mm以下，提供不同的破碎体的粒径组合，获得压力机给予不同压缩情况下破碎煤岩体的渗流性质。
[0012]上述方法中，所述温控室内注入水的温度为0~100°C ;由温控室的进水孔、出水孔持续循环流入不同温度的水，获得不同温度下破碎煤岩体在不同轴向压缩条件下进、出气口、?壁对应进、出气孔的气压、流量以及压力机轴向压力、缸筒内壁压力传感器环向压力值变化情况。
[0013]上述方法中，所述缸筒内注入甲烷的压强为10kPa~1000kPa ;进气口以及侧壁进气口采用不同压力梯度的气体，获得不同方向压差下，压力机给予不同压缩情况下破碎煤岩体的渗流性质。
[0014]上述方法中，所述破碎体为多层煤体、岩石组合体。
[0015]本发明提供的试验装置及试验方法可以获得不同温度下(例如20°C、40°C、60°C、80°C、100°C )，不同方向压差下(进气口以及侧壁进气口采用不同压力梯度的气体)、不同粒径组合情况下(如1.25-2.5mm,2.5~5mm、5~7.5mm三者质量比为1:2:3)压力机给予不同压缩(压缩4mm、6mm、8mm、1mm等)情况下破碎煤岩体的渗流性质。
[0016]本发明的有益效果:
与传统装置相比:(I)本装置及方法克服了传统试验装置不能实现热场对破碎煤岩体气体渗流性质影响的研宄；(2)本发明成功克服了传统装置不能实现不同方向气体压差下破碎煤岩体气体渗流性质的研宄；(3)传统装置在压力机加载下破碎煤岩体环向压力变化未知，对破碎体在轴向加压侧向被动约束条件下力学性质的认识不足，本发明实现了在压力机加载下破碎煤岩体环向压力变化的测试，获得了破碎体在轴向加压侧向被动约束条件下的力学性质；(4)传统装置轴向位移直接采用压力机轴向进程，事实上由于各部件配合的不紧密性，采用该参数作为破碎体轴向压缩程度是不科学、不准确的；而本发明采用位移传感器后数据处理的方式克服了上述问题，同时本装置部件配合气密性也远好于传统装置；(5)传统装置不能测试不同块度粒径的煤岩体组合(如上层为25-20mm煤体，中间层为15-10mm粒径的泥岩、下层为2.5_5mm粒径煤体三层堆积在一块)情况下每层渗流场流量、压力差变化特性，不能对流场进行全面分析，本装置沿侧壁等分成两段，每段各设两个进、出气孔，共8个侧壁进、出气孔，可全面测试多层破碎体压实过程中每层渗流场变化情况。
【附图说明】
[0017]图1是本发明破碎煤岩体气体渗透试验装置的结构示意图，
图中:1、推头，2、出气口，3、O型密封圈，4、推板，5、压盖，6、缸筒，7、螺纹，8_1、进气孔，8-2、出气孔，9、温控室，10、透气板，11、进气口，12、压力传感器，13、纱布，14、螺栓，15、位移传感器，16、温度计，17、进水孔，18、出水孔、19抽真空孔，20、底座。
【具体实施方式】
[0018]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0019]实施例1:
本实施例提供一种破碎煤岩体气体渗透试验装置。
[0020]如图1所示，该装置包括缸筒6，缸筒6上方设有压盖5，缸筒6下方为底座20 ；
所述缸筒6外侧设有温控室9，温控室9由圆筒构成，圆筒下部通过螺栓与底座20连接，
所述压盖5为阶梯形结构，压盖5中心设有通孔，推头I从该通孔内穿过，推头I下方通过螺纹7与推板4连接，推头I和推板4上设有与缸筒内部相通的出气口 2，推头I上方设有位移传感器15 ;缸筒6内壁上均匀设有压力传感器12，缸筒6筒壁上均匀设有气孔，气孔包括进气孔8-1和出气孔8-2，气孔穿过缸筒6和温控室9筒壁与外部相通，在缸筒6中部设有抽真空孔19 ;缸筒6底部设有进气口 11，进气口 11穿过底座20与外部相通；缸筒6底部和推板4下方分别设有透气板10，透气板10上设有若干个孔；
温控室9顶部设有进水孔17，温控室9中部设有温度计16，底部设有排水口 18，排水口18穿过底座20与外部相通；
所述位移传感器15、压力传感器12连接导线、数据采集装置、计算机处理装置。
[0021]上述装置中，所述缸筒6上部与压盖5之间，温控室9圆筒与底座20之间通过螺栓14连接，且连接处设有O型密封圈3 ;所述推头I与压盖5之间设有O型密封圈3。
[0022]上述装置中，所述透气板10与推板4、缸筒6底部之间分别设有纱布13。
[0023]上述装置中，所述缸筒6内的压力传感器12沿圆周方向均匀分布四个，且沿缸筒内部上、中、下平行设置三层，共有十二个压力传感器。
[0024]上述装置中，所述缸筒6内的气孔沿圆周方向均匀分布四个，且沿缸筒上、下平行设置两层，共有八个气孔。每层各有两个侧壁进气孔8-1和两个侧壁出气孔8-2，共有八个气孔，侧壁进气孔与侧壁出气孔分别呈轴对称分布。
[0025]实施例2:
研宄不同温度下破碎煤岩体渗流性质。
[0026]本实施例通过以下步骤来实现:
1)、把破碎煤体用不同粒径砂石筛分成2.5~5mm粒径的破碎煤体；
2 )、由