本发明涉及矿井保护层开采和瓦斯抽采技术领域。
背景技术
我国大多数煤层具有透气性差、瓦斯压力较低、煤层对瓦斯吸附能力强的特点，在煤层渗透率较低的情况下直接抽采煤层瓦斯困难较大且效率低下。煤层压力是影响煤层孔隙裂隙发育和渗透性高低的重要原因。目前，通过外部动力作用使原始煤层受到卸压作用而改变煤体内部孔隙裂隙结构，提高煤层渗透性是解决瓦斯威胁和提高瓦斯抽采效率的有效方法之一。但是，煤体内部瓦斯压力对孔隙裂隙发育的作用也不可忽视，煤层卸压后，在瓦斯压力作用下，孔隙裂隙将发生膨胀变形，进而影响瓦斯流动。以往的实验室瓦斯试验装置并不能实现模拟煤体压力变化时内部的瓦斯流动，也无法模拟煤体压力和瓦斯压力耦合作用下的瓦斯流动特征。因此，需要一种既可以为煤体提供循环加卸压条件，又可以提供不同瓦斯平衡压力的试验装置，实现对煤体内部压力、煤体瓦斯压力、煤体瓦斯流动三者之间关系的研究，从而为矿井保护层开采和提高卸压瓦斯抽采效率提供理论依据，保障矿井安全高效生产。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服实验室已有瓦斯试验装置无法模拟煤体压力和瓦斯压力变化时煤体内部瓦斯流动的不足，提供了一种密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置与试验方法，实现了煤体压力和瓦斯压力变化时对煤体内部瓦斯流动影响的模拟和试验研究。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置与试验方法，包括密封腔体、加卸载装置、瓦斯供给与控制系统、瓦斯流量动态监测及数据采集系统；所述密封腔体为一外圆内方柱体结构，在柱体内部挖一立方体内腔；所述加卸载装置由电控液压泵站、油管、弹性液压油腔组成；所述瓦斯供给与控制系统、瓦斯流量动态监测及数据采集系统和密封腔体的进气口、出气口通过钢制瓦斯管路密封连接。
所述密封腔体由立方体内腔、密封盖、进气口、出气口、进油口、回油口、钢板垫层组成，所述立方体内腔用于将煤粉压制成块煤试样；进气口和出气口分别置于密封腔体左右两侧对称的中心位置，进油口和回油口置于密封腔体前后两侧对称的中心位置；所述钢板垫层置于内腔中煤粉上方，通过垫层使煤粉受力均匀。
所述加卸载装置由电控液压泵站、油管、弹性液压油腔组成，弹性液压油腔位于煤体中央，油管和密封腔体的进油口、回油口密封连接，通过控制供油量的多少可实现连续循环调节压力值，通过弹性液压油腔将压力传递给煤体，以实现改变煤体所承受压力。
所述瓦斯供给与控制系统包括高压瓦斯罐、调压阀、钢制瓦斯管路、瓦斯管路开关，各个部件之间通过钢制瓦斯管路相互串联并与密封腔体的进气口进行密封连接。
所述瓦斯流量动态监测及数据采集系统包括精密流量计、数据采集计算机、瓦斯压力表、钢制瓦斯管路，各个部件之间通过钢制瓦斯管路相互串联，并与密封腔体出气口进行密封连接，数据采集计算机和精密流量计通过usb接口连接。
基于密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置的试验方法，包括以下步骤：
a.装置安装：
将密封腔体和加卸载装置连接后，把煤粉置于立方体内腔中压制成块煤试样，拧上密封盖，然后把瓦斯供给与控制系统和瓦斯流量动态监测及数据采集系统与密封腔体密封连接。
b.装置密封：
密封盖和密封腔体通过密封螺纹和密封垫圈连接；进气口、出气口和进油口、回油口处通过密封螺纹和密封胶密封连接，并严格检查各接口处密封效果。
c.瓦斯吸附与流动：
打开高压瓦斯罐和瓦斯管路开关，通过调压阀调节流入密封腔体块煤试样内的瓦斯压力值，持续通恒压瓦斯24h，使块煤试样充分吸附气体，然后打开出气口处开关，使块煤试样达到动态吸附平衡，监测瓦斯压力和瓦斯流速，并监测后续加卸压后动态平衡前后的瓦斯压力、瓦斯流速和瓦斯流量等。
d.连续加卸压：
本发明采用以下的方式对块煤试样进行加卸压：
弹性液压油腔置于块煤试样中央部位，初始油压值和块煤试样原始压力一致，当块煤试样瓦斯达到动态平衡后，通过电控液压泵站改变对弹性液压油腔供油量的多少来控制其对块煤试样施加的压力，达到块煤试样加卸压的目的，从而改变块煤试样瓦斯动态平衡。
f、流量监测及数据采集：
在块煤试样的整个试验过程中，瓦斯压力表、精密流量计和数据采集计算机始终处于工作状态，通过数据采集分析软件实时动态监测块煤试样内瓦斯流量、瓦斯压力、瓦斯速度等数据。
本发明的有益功能效果：
1.本发明密封盖内侧有密封螺纹和密封垫圈，能够与腔体密封连接，密封方式简单且密封性好；钢板垫层紧贴密封盖下面和块煤试样上面，保证块煤试样均匀受力；进气口和出气口、进油口和回油口处通过密封螺纹密封连接，并在接口处外侧打密封胶，密封效果良好；密封腔体进气口和出气口处内壁置有组合金属筛网，可实现块煤试样的面通气功能。
2.本发明可以通过加卸载装置，连续循环的对块煤试样进行加卸压并可以恒定的保持在某一压力值，实现对矿井实际生产中的煤层加卸压情况的相似模拟。
3.本发明采用瓦斯流量动态监测及数据采集系统，可实时动态监测块煤试样瓦斯的流量变化，数据采集方便，自动化程度高。
4.本发明可以通过球形弹性液压油腔的体积变化，计算出块煤试样的变形量，可用于研究煤层压力、瓦斯压力、孔隙裂隙之间的耦合关系。
附图说明
图1为本发明一种基于密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置与试验方法的结构示意图
图2为图1中密封腔体和加卸载装置的结构示意图
图3为图1中腔体密封盖和密封腔体俯视图
图中：1-高压瓦斯罐；2-调压阀；3-钢制瓦斯管路；4a-瓦斯管路开关；4b-进气口开关；4c-出气口开关；5-瓦斯压力表；6-精密流量计；7-进气口；8-密封腔体；9-块煤试样；10-弹性液压油腔；11-组合金属筛网；12-出气口；13a、13b、13c-密封螺纹；14-密封垫圈；15-钢板垫层；16-密封盖；17-数据采集计算机；18-电控液压泵站；19-进油管；20-回油管；21-进油口；22-回油口；23-液压油；24-立方体内腔。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2和图3所示，一种基于密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置与试验方法，包括密封腔体、加卸载装置、瓦斯供给与控制系统、瓦斯流量动态监测及数据采集系统。所述密封腔体8为一外圆内方柱体结构；所述加卸载装置由电控液压泵站18、进油管19、回油管20、弹性液压油腔10组成；所述瓦斯供给与控制系统、瓦斯流量动态监测系统和密封腔体的进气口7、出气口12通过钢制瓦斯管路3密封连接。
所述密封腔体8为一外圆内方柱体结构，密封腔体8包括立方体内腔24、进气口7、出气口12、钢板垫层15、密封盖16、进油口21、回油口22。所述进气口7和出气口12接口处钢制瓦斯管路开有密封螺纹13a，缠裹一定厚度生料带后与进气口7、出气口12密封连接，并在接口处外侧打密封胶密封，密封效果良好；所述进油口21、回油口22和密封腔体内外两侧油管通过密封螺纹13c连接，并在接口处外侧打密封胶密封，密封效果良好；所述立方体内腔24内放置煤粉，钢板垫层15置于煤粉之上，通过在钢板垫层15上部施加一定时间恒定压力，将煤粉制作块煤试样9；密封盖8和密封腔体16通过密封螺纹13b和密封垫圈14连接密封连接；所述密封腔体进气口7、出气口12内壁置有组合金属筛网11，可实现块煤试样的面通气效果。
所述瓦斯供给与控制系统位于密封腔体左侧，包括高压瓦斯罐1、调压阀2、钢制瓦斯管路3、瓦斯开关4a，各个部件之间通过钢制瓦斯管路3相互串联，并与密封腔体进气口7密封连接，通过调压阀2来控制钢制瓦斯管路3内的瓦斯流量和密封腔体内块煤试样9的瓦斯吸附平衡压力。
所述加卸载装置包括电控液压泵站18、进油管19、回油管20、弹性液压油腔10，通过控制弹性液压油腔10内液压油23的多少来控制输出压力，通过弹性液压油腔10将压力传递给块煤试样9，进油口21、回油口22和密封腔体内外两侧的油管端头均开有密封螺纹13c，可使进油口21、回油口22和内外两侧的油管密封连接，接口处外侧打密封胶，密封效果良好。试验时，先将煤粉置于立方体内腔24中，然后把钢板垫层15覆压在煤粉之上，通过在钢板垫层15上部施加一定时间恒定压力(此时所施加的压力与弹性液压油腔10内油压值一致)，将煤粉压制成块煤试样9，最后将密封盖16与密封腔体8连接。
所述瓦斯流量动态监测及数据采集系统位于密封腔体左右两侧，包括钢制瓦斯管路3、瓦斯压力表5、精密流量计6、数据采集计算机17，各个部件之间通过钢制瓦斯管路3相互串联，并与密封腔体出气口12进行密封连接，数据采集计算机17和精密流量计6通过usb接头连接，能够实时监测记录流经钢制瓦斯管路和密封腔体内块煤试样的瓦斯压力、瓦斯流量和瓦斯流速变化值。
基于密封腔内连续加卸压的瓦斯试验装置的试验方法，包括以下步骤：
a.装置安装：
先将弹性液压油腔10、进油管19、回油管20和进油口21、回油口22密封连接后，再把煤粉置于立方体内腔24中，钢板垫层15放在煤粉之上并施加一定压力，压制成块煤试样9，将密封盖16和密封腔体8连接，最后再把瓦斯供给与控制系统和瓦斯流量动态监测及数据采集系统与密封腔体8密封连接。
b.装置密封：
密封盖16和密封腔体8通过密封螺纹13b和密封垫圈14连接；进气口7、出气口12和进油口21、回油口22处分别通过密封螺纹13a、13c和密封胶密封连接，并严格检查各接口处密封效果。
c.瓦斯吸附与流动：
打开高压瓦斯罐1和瓦斯管路开关4a，通过调压阀2调节瓦斯压力值，打开进气口开关7，关闭出气口开关12，使瓦斯流经瓦斯压力表5、精密流量计6、组合金属筛网11进入密封腔体内块煤试样9，持续通恒压瓦斯24h，使块煤试样9充分吸附气体，然后打开出气口开关12，直至块煤试样9达到动态吸附平衡，监测记录瓦斯压力和流速，并监测记录后续加卸压后动态平衡前后的瓦斯压力、瓦斯流速和瓦斯流量等。
d.连续加卸压：
本发明采用以下的方式对块煤试样进行加卸压：
弹性液压油腔10置于块煤试样9中央部位，初始油压值和块煤试样9原始压力一致，当块煤试样9瓦斯达到动态平衡后，通过电控液压泵站18改变对弹性液压油腔10内液压油23的多少来控制其对块煤试样9施加的压力，达到对块煤试样9加卸压的目的，从而改变块煤试样9的瓦斯动态平衡，加卸压过程可控，可连续按照一定梯度加卸压。
f、流量监测及数据采集：
在对块煤试样9的整个试验过程中，瓦斯压力表5、精密流量计6和数据采集计算机17始终处于工作状态，通过数据采集分析软件实时动态监测块煤试样9内瓦斯流量、瓦斯压力、瓦斯速度等数据。同时，可通过弹性液压油腔10体积的变化值，计算得出块煤试样9内部结构的变形量。