外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统及测试方法
【专利摘要】外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统及方法。目前，国内外针对外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的研究较少，缺少外水侵入对瓦斯在煤体里渗流影响的基础理论和实验研究，仅有的一些研究成果只是含水率对瓦斯吸附解吸的影响等方面开展了研究工作，而且大多将煤体提前湿润，这与煤矿现场实施水力措施的实际情况差别较大。一种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其组成包括：储气瓶（2）、平流泵（3）、真空泵（4）、煤样夹持器（23）、温度控制系统（25）数字流量计（10）、位移传感器（6）、温度传感器（7）、计算机采集系统（8）、压力控制系统（24）、气液分离器（9）。本发明应用于外水侵入含瓦斯煤体渗流及测试方法。
【专利说明】外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统及测试方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统及测试方法，是涉及流体力学、弹塑性力学等相关学科的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，尤其是适用于实验室模拟在不同注气压力、不同注水压力条件下含瓦斯煤体渗流特性的研究。
[0002]【背景技术】:
随着煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯压力和瓦斯含量都明显增大，再加上我国煤层透气性较低，煤矿的瓦斯抽采难度会越来越大，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸事故频发，为了增大煤层透气性，提高瓦斯抽采效率，煤层注水、水力冲孔、水力割缝等技术措施在煤矿得到普遍的推广。
[0003]含瓦斯煤体注水后具有以下几方面作用:(I)注水后煤层弹性模量降低，泊松系数增加，应力降低，煤层的弹性潜能降低，可以降低突出危险性；(2)注水后，煤体湿润，煤体塑性增大，使煤体瓦斯的放散速度变缓，减少突出的瓦斯内能；(3)驱替瓦斯，注水后使煤体裂隙和孔隙里面的游离瓦斯和部分吸附瓦斯排出煤体，降低了瓦斯压力和瓦斯含量。
[0004]目前，国内外针对外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的研究较少，缺少外水侵入对瓦斯在煤体里渗流影响的基础理论和实验研究，仅有的一些研究成果只是针对含水率对瓦斯吸附解吸的影响等方面开展了研究工作，而且大多将煤体提前湿润，这与煤矿现场实施水力措施的实际情况差别较大，
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统及测试方法。
[0005]上述的目的通过以下的技术方案实现:
种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其组成包括:储气瓶、平流泵、真空泵、煤样夹持器、温度控制系统、数字流量计、位移传感器、温度传感器、计算机采集系统、压力控制系统、气液分离器，所述的储气瓶、所述的平流泵、所述的真空泵通过管路分别与所述的煤样夹持器连接，所述的温度控制系统、所述的压力控制系统、所述的位移传感器分别与所述的煤样夹持器连接，所述的气液分离器通过管路与所述的煤样夹持器连接、所述的数字流量计通过管路与所述的气液分离器连接，所述的数字流量计、所述的位移传感器、所述的温度传感器分别与所述的计算机采集系统连接。
[0006]所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的储气瓶内装有浓度99.99%的CH4气体，所述的温度控制系统通过在保温层内安装电阻加热，将实验温度调整到预定温度环境，所述的计算机采集系统采集温度、位移、流量数据，所述的压力控制系统包括手动加压泵A、手动加压泵B，所述的手动加压泵A通过管道对所述的煤样夹持器加围压，所述的手动加压泵B通过管道对所述的煤样夹持器加轴压，所述的储气瓶通过管路对夹持器中煤样注入一定压力的气体，所述的平流泵通过管路对夹持器中煤样恒压注水。
[0007]所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的储气瓶与减压阀连接，所述的减压阀与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门一、阀门二、阀门五，所述的平流泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门三，所述的真空泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门四，所述的压力控制系统与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门六、阀门七、压力表一、压力表二，所述的气液分离器与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门八。
[0008]所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的减压阀控制进气口气体压力，所述的管路采用耐高压胶管，气管、接头和压力表连接采用高压密封接头，并配备有耐高压组合垫。
[0009]所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统的测试方法，该方法包括如下步骤:
(1)安装煤样:将制作好Φ50X10mm的煤样，安装在煤样夹持器中，检查夹持器的密封性，固定煤样夹持器；
(2)真空脱气:在保证系统连接正确、气密性完好的前提下，利用真空泵对整体试验系统进行真空脱气，关闭阀门八，阀门六，阀门七，打开阀门四，阀门五，直到关闭真空泵后系统真空度2小时内保持稳定，即完成真空脱气；
(3)吸附瓦斯:调节温度控制系统将煤样保持稳定温度环境下，打开阀门一、阀门二，阀门五，关闭阀门八，充入99.99%的CH4气体，吸附瓦斯12h煤样达到吸附平衡；
(4)围压和轴压的加载:打开阀门六，加载大于气体压力的围压到预定实验条件后关闭阀门六，打开阀门七，加载轴压到预定的实验条件后关闭阀门七；
(5)渗透率测定:注入预定压力的CH4气体和注入预定压力的水，打开阀门八，待煤样瓦斯气体流量稳定后，测定通过气液分离器后的气体流量数据；
(6)改变不同的气体压力、注水压力、围压、轴压、温度等实验条件，进行下一组实验。
[0010]本发明的有益效果:
1.本发明通过对煤体瓦斯吸附平衡后进行不同注气压力、不同注水压力条件下，开展煤层注水对含瓦斯煤体渗流的影响，更真实模拟了煤矿现场含瓦斯煤层实施水力技术措施的实际情况，对现场普遍使用的水力冲孔、水力割缝等技术措施的基础理论和机理研究具有重要的指导意义，填补国内外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响测试系统的空白，可以有效测试含瓦斯煤体在外水侵入后其渗流特征所受影响，测试系统结构简单、测试方法简便，使用效果好。
[0011]本发明测试系统可进行煤层注水等开采环境下含瓦斯煤体渗流影响实验，将各种因素全面考虑进去，更真实的反映外水侵入状况下，含瓦斯煤层渗流的情况，从根本上保证了测试系统的可靠性和准确性。
[0012]本发明压力测试系统加载稳定，保压效果好，采用手动加载，先加载围压和轴压，后加载气体压力和注水压力，并保证气体压力和注水压力始终小于围压，使测试系统更能符合现场的实际情况。
[0013]本发明加载装置具有良好的气密性和耐爆性，能进行不同注水压力下、不同气体压力下的含瓦斯煤体渗流影响实验，实验条件与水力冲孔、水力割缝等条件下煤层瓦斯渗流的情况更加接近。
[0014]本发明测试系统具有结构简单、测试方法简便、使用效果好、可靠性高、成本低等特点，可为外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的基础理论和机理研究提供更全面的实验手段。
[0015]本发明所有数据都由计算机采集系统自动采集，保证了数据采集的可靠性。能够更真实模拟含瓦斯煤体实施水力措施(包括煤层注水、水力冲孔、水力割缝等)后所处的环境，本测试系统及方法对外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的机理和实验研究有重要的意义和价值，外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响测试系统的注水设备采用平流泵，可实现恒压注水。
[0016]【专利附图】
【附图说明】:
附图1是本发明的结构连接示意图。
[0017]实施例1:
一种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其组成包括:储气瓶、平流泵、真空泵、煤样夹持器、温度控制系统、数字流量计、位移传感器、温度传感器、计算机采集系统、压力控制系统、气液分离器，所述的储气瓶、所述的平流泵、所述的真空泵通过管路分别与所述的煤样夹持器连接，所述的温度控制系统、所述的压力控制系统、所述的位移传感器分别与所述的煤样夹持器连接，所述的气液分离器通过管路与所述的煤样夹持器连接、所述的数字流量计通过管路与所述的气液分离器连接，所述的数字流量计、所述的位移传感器、所述的温度传感器分别与所述的计算机采集系统连接。
[0018]实施例2:
根据实施例1所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的储气瓶内装有浓度99.99%的CH4气体，所述的温度控制系统通过在保温层内安装电阻加热，将实验温度调整到预定温度环境，所述的计算机采集系统采集温度、位移、流量数据，所述的压力控制系统包括手动加压泵A、手动加压泵B，所述的手动加压泵A通过管道对所述的煤样夹持器加围压，所述的手动加压泵B通过管道对所述的煤样夹持器加轴压，所述的储气瓶通过管路对夹持器中煤样注入一定压力的气体，所述的平流泵通过管路对夹持器中煤样恒压注水。
[0019]实施例3:
根据实施例1或2所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的储气瓶与减压阀连接，所述的减压阀与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门一、阀门二、阀门五，所述的平流泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门三，所述的真空泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门四，所述的压力控制系统与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门六、阀门七、压力表一、压力表二，所述的气液分离器与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门八。
[0020]实施例4:
根据实施例1或2或3所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，所述的减压阀控制进气口气体压力，所述的管路采用耐高压胶管，气管、接头和压力表连接采用高压密封接头，并配备有耐高压组合垫。
[0021]实施例5:
一种实施例1一4所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统的测试方法，该方法包括如下步骤:
(I)安装煤样:将制作好Φ50X 10mm的煤样，安装在煤样夹持器中，检查夹持器的密封性，固定煤样夹持器； (2)真空脱气:在保证系统连接正确、气密性完好的前提下，利用真空泵对整体试验系统进行真空脱气，关闭阀门八，阀门六，阀门七，打开阀门四，阀门五，直到关闭真空泵后系统真空度2小时内保持稳定，即完成真空脱气；
(3)吸附瓦斯:调节温度控制系统将煤样保持稳定温度环境下，打开阀门一、阀门二，阀门五，关闭阀门八，充入99.99%的CH4气体，吸附瓦斯12h煤样达到吸附平衡；
(4)围压和轴压的加载:打开阀门六，加载大于气体压力的围压到预定实验条件后关闭阀门六，打开阀门七，加载轴压到预定的实验条件后关闭阀门七；
(5)渗透率测定:注入预定压力的CH4气体和注入预定压力的水，打开阀门八，待煤样瓦斯气体流量稳定后，测定通过气液分离器后的气体流量数据；
(6)改变不同的气体压力、注水压力、围压、轴压、温度等实验条件，进行下一组实验。
[0022]实施例6:
测试系统主要技术指标
(1)压力测试系统
①轴压控制范围:0?60Mpa;
②围压控制范围:0?80Mpa;
③轴向加载方式:手动控制；
④围向加载方式:手动控制；
⑤气体压力供给范围:0?17Mpa;
⑥注水压力供给范围:0?17Mpa;
(2)温度测试系统
①温度控制范围:0?100°C；
②温度控制方式:电加热；
③温度控制误差:±0.01°C;
(3)煤体注水设备
外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统中注水设备选用平流泵，其主要技术指标:最大流速可达24mL/min或100 mL/min。标准控制单元:包括RS-232串行通迅口，运行/停止输入口和远程的模拟控制。
[0023]实施例7:
(I)煤体注水设备
外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响测试系统的注水设备采用平流泵，可实现恒压注水，可实现煤层注水过程的连续性和稳定性。
[0024]其具体技术参数:
①流速:0.1-100.0ml/min (PreplOO),0.1-24.0ml/min (Prep24);②压力:0_4000psi(Prep 100)，O-6OOOpsi (Pr印 24);③压力波动:压力最大值 4000psi时，流速 100mL/min时为±1% ;④零压力校正:±2psi;⑤流速准确度:±2%，流速精确度:0.15% RSD0
[0025](2)气体压力控制系统
气体压力控制系统包括储气罐、减压阀和管路3部分，供给气体为纯度99.99%的瓦斯(CH4)气体，减压阀控制进气口气体压力；管路采用耐高压胶管，为了确保进气口和出气口的气密性，气管、接头和压力表连接采用高压密封接头，并配备有耐高压组合垫。
[0026](3)计算机采集系统
计算机采集系统主要由计算机、压力传感器、位移传感器、温度传感器和气体质量流量计及相关配套测试软件组成。
[0027](4)真空脱气系统
真空抽取系统包括真空泵、真空计和管路3部分，其中真空计选择智能复合型真空计，在实验室开始前首先要打开真空泵对整个测试系统进行抽真空，关闭真空泵保证负压稳定一段时间。具体操作步骤:调节阀门四、阀门五处于打开状态，调节阀门二、阀门三、阀门六、阀门七、阀门八处于关闭状态，进行抽真空脱气2个小时，然后关闭阀门四、阀门五保证负压稳定一段时间。
[0028]实施例8:
煤体制作及参数测定
本测试系统所选煤样为原煤，这样和现场的实际情况更接近，煤样的制作方法为:①从新鲜掘进工作面选取尺寸大小合适的煤块，升井后对块煤进行密封，然后带回实验室；②用Φ50Χ 10mm岩芯管钻垂直煤样层理方向钻取,保证煤样中的原层位物性参数不变；(1)在钻取煤芯的过程中要保持匀速缓慢钻取，以确保钻取煤样的完整为了保证煤样在受载时上下端面能够受力均匀，在钻孔煤样后利用切割机将煤样上下两端打磨光滑、平整。煤样制作好后需要测定的参数有:煤的水分、灰分、挥发分、真密度、视密度、吸附常数a和b等值。
[0029]实施例9:
外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试方法:
测试内容主要有:
(I)注气压力为:0.6Mpa、0.9Mpa、l.2Mpa、l.5Mpa时；
注水压力为:0.6Mpa、0.8Mpa、l.0Mpa> 1.2Mpa时；
围压为:2Mpa、3Mpa、4Mpa、5Mpa时；
轴压为:5Mpa、15Mpa、20Mpa、25Mpa时；
温度为15°、30°、45°、60°条件下的含瓦斯煤体渗流试验。
[0030](2)试验顺序设计:①先固定实验温度，然后把围压、轴压增加到一定载荷；②复杂路径改变注气压力和注水压力；③再增加围压和轴压到更大载荷，改变气体压力和注水压力大小，用以模拟煤体加载应力条件；④同样的方法进行卸载，重复同样的实验步骤，更好的搞清含瓦斯煤体在不同加卸载阶段下气体压力、注水压力和有效应力对含瓦斯煤层渗透率的影响，在实验的过程中一定要遵循气体压力和注水压力小于围压。⑤在围压和轴压保持一定的情况下，改变注水压力的大小，研究不同注水压力梯度下瓦斯非线性渗流特征，同样的方法，改变气体压力的大小，研究不同气体压力梯度下瓦斯非线性渗流特征。
[0031](3)改变实验温度，实验温度为15°、30°、45°、60°，在选择某一温度的情况下，重复(I)和(2)的实验过程，研究不同温度环境下外水侵入对含瓦斯煤体渗透率变化规律的影响。
【权利要求】
1.一种外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其组成包括:储气瓶、平流泵、真空泵、煤样夹持器、温度控制系统、数字流量计、位移传感器、温度传感器、计算机采集系统、压力控制系统、气液分离器，其特征是:所述的储气瓶、所述的平流泵、所述的真空泵通过管路分别与所述的煤样夹持器连接，所述的温度控制系统、所述的压力控制系统、所述的位移传感器分别与所述的煤样夹持器连接，所述的气液分离器通过管路与所述的煤样夹持器连接、所述的数字流量计通过管路与所述的气液分离器连接，所述的数字流量计、所述的位移传感器、所述的温度传感器分别与所述的计算机采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其特征是:所述的储气瓶内装有浓度99.99%的CH4气体，所述的温度控制系统通过在保温层内安装电阻加热，将实验温度调整到预定温度环境，所述的计算机采集系统采集温度、位移、流量数据，所述的压力控制系统包括手动加压泵A、手动加压泵B，所述的手动加压泵A通过管道对所述的煤样夹持器加围压，所述的手动加压泵B通过管道对所述的煤样夹持器加轴压，所述的储气瓶通过管路对夹持器中煤样注入一定压力的气体，所述的平流泵通过管路对夹持器中煤样恒压注水。
3.根据权利要求1或2所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其特征是:所述的储气瓶与减压阀连接，所述的减压阀与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门一、阀门二、阀门五，所述的平流泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门三，所述的真空泵与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门四，所述的压力控制系统与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门六、阀门七、压力表一、压力表二，所述的气液分离器与所述的煤样夹持器之间的管路上安装有阀门八。
4.根据权利要求1或2或3所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统，其特征是:所述的减压阀控制进气口气体压力，所述的管路采用耐高压胶管，气管、接头和压力表连接采用高压密封接头，并配备有耐高压组合垫。
5.一种权利要求1一4之一所述的外水侵入对含瓦斯煤体渗流影响的测试系统的测试方法，其特征是:该方法包括如下步骤: (1)安装煤样:将制作好Φ50X10mm的煤样，安装在煤样夹持器中，检查夹持器的密封性，固定煤样夹持器； (2)真空脱气:在保证系统连接正确、气密性完好的前提下，利用真空泵对整体试验系统进行真空脱气，关闭阀门八，阀门六，阀门七，打开阀门四，阀门五，直到关闭真空泵后系统真空度2小时内保持稳定，即完成真空脱气； (3)吸附瓦斯:调节温度控制系统将煤样保持稳定温度环境下，打开阀门一、阀门二，阀门五，关闭阀门八，充入99.99%的CH4气体，吸附瓦斯Ia煤样达到吸附平衡； (4)围压和轴压的加载:打开阀门六，加载大于气体压力的围压到预定实验条件后关闭阀门六，打开阀门七，加载轴压到预定的实验条件后关闭阀门七； (5)渗透率测定:注入预定压力的CH4气体和注入预定压力的水，打开阀门八，待煤样瓦斯气体流量稳定后，测定通过气液分离器后的气体流量数据； (6)改变不同的气体压力、注水压力、围压、轴压、温度等实验条件，进行下一组实验。
【文档编号】G01N15/08GK104502251SQ201410808492
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月23日
【发明者】刘佳佳, 王丹, 陈文胜, 张迎新, 张保勇, 徐海梅, 吴琼, 张强 申请人:黑龙江科技大学