一种声场作用下含水煤体热效应传播规律实验装置及实验方法与流程

本发明属于煤层气高效开采技术领域，涉及一种声场作用下含水煤体热效应传播规律实验装置及实验方法。

背景技术：

煤层气属于非常规天然气，是含煤岩系中有机质在成煤过程中生成的以甲烷为主的混有一些有害毒物的多组分气体。甲烷含量大于95％的煤层气，其发热量可达到每立方米8000千卡以上。我国煤层气在埋深2000米以浅，储量约36.8万亿立方米，全球排名第三，与我国陆上常规天然气资源量相当，它是一笔可支配的较洁净的能矿资源和化工原料，

为了进一步提高煤层气抽采率，当前国内外主要采用水力压裂、水力割缝、水平井技术、松动爆破、注气等方法，但由于我国煤矿地质条件极其复杂，这些方法就显得十分局限。上世纪五、六十年代，美国、前苏联就开始了利用声波处理油层，取得了很好的效果，能提高岩体的渗透率、降粘、解堵等，从而提高石油的采收率。近几年我国也将声波技术应用到采油工程中，先后在大庆、玉门、胜利油田进行过现场实验，提高原油产量15～50％，采收率提高10～15％，对石油的抽采取得了明显的效果。

实验研究证实，超声波对提高煤层气解吸、扩散、渗流有很好的效果，且有着安全、高效、环保、经济等优势，但目前对超声波作用提高煤层气抽采的机理研究不够深入，其实验室研究装置开发得也很少，未见可控超声波作用下煤体热效应传播规律实验装置的报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种声场作用下含水煤体热效应传播规律实验装置及实验方法，能够用于实验室研究不同功率、不同频率的超声波作用下不同含水率煤体热效应传播规律，并进一步分析超声波振动效应、热效应、空化效应作用下煤体孔隙结构及渗透率的变化规律。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种声场作用下含水煤体热效应传播规律实验装置，包括：箱体，用于放置煤体并提供实验发生位置；实验条件调节模块，包括用于产生超声波的发生器、以及用于将超声波的能量转换成内能的换能器，所述发生器和换能器电性连接，所述换能器设置在箱体外部；实验数据采集模块，包括温度传感器，设有若干个，沿远离换能器的方向线性布置在箱体底部以及箱体远离换能器的一侧上，所有温度传感器均设置在箱体外部；控制系统，用于调节发生器的功率、记录温度传感器采集的温度值、并记录在实验条件调节模块中发生器的功率产生变化后，温度传感器采集的温度值随实验进行时间发生变化的规律，该控制系统与实验条件调节模块以及实验数据采集模块均为电性连接。

可选地，还包括用于压实煤体的承压板及加载装置，所述承压板设置在箱体内部且与箱体的内轮廓形状、大小相匹配；所述加载装置设置在所述承压板远离所述箱体的一侧上，用于向承压板上加载压力压实煤样。

可选地，所述加载装置为千斤顶。

可选地，所述温度传感器呈长条状，沿箱体高度设置在箱体内，在箱体底部的所述温度传感器的投影呈m*n式阵列设置，m、n为正整数。

可选地，所述实验数据采集模块还包括压力传感器，用于采集所述箱体内声场空化效应产生的大量水泡破灭瞬间产生的压力，所述控制系统还用于记录压力传感器采集的压力值、并记录在实验条件调节模块中发生器的功率产生变化后，压力传感器采集的压力值随实验进行时间发生变化的规律。

可选地，所述压力传感器呈长条状，沿箱体高度设置在箱体内，在箱体底部的所述压力传感器的投影呈a*b式阵列设置，a。b为正整数。

可选地，所述箱体底部设有排水管。

可选地，所述发生器设有x台，单台发生器的最大功率为a千瓦，所有发生器总功率为x*a千瓦，其中，x为正整数，a＞0。

可选地，所述箱体为长方体，其尺寸为l*w*h。

可选地，5m≤l≤15m、2m≤w≤10m、1m≤h≤10m。

可选地，所述温度传感器的精度为0.1℃。

可选地，所述超声波换能器的频率三档可调，分别为25khz、28khz、40khz。

可选地，所述发生器的输出功率10档可调。

可选地，所述控制系统还包括显示器，用于显示温度传感器采集的温度值随实验进行时间发生变化的实验数据。

一种声场作用下含水煤体热效应传播规律的实验方法，包括以下步骤：

分析煤样成分，确定煤样中水分、灰分、挥发分、固定碳、杂质的质量百分；加工煤样颗粒，使其满足实验所需直径；将煤样处理成所需含水率；箱体中装水；将煤样放置于箱体中；为煤样施加声场作用；采集声场作用中煤样的温度和压力变化；声场作用一定时间后，停止声场作用；分析煤样温度和压力变化数据。

可选地，“在将煤样放置与箱体中”步骤中，煤样采用分层压实的方式压紧。

可选地，上述实验方法应用上述实验装置进行实验。

本发明的有益效果在于：

1.本发明中的实验方法能够用于实验室研究可控超声波振动效应、热效应、空化效应作用下煤体热效应的传播规律；

2.本发明中的换能器频率有25khz、28khz、40khz三种可调，单台发生器功率在0～3kw可调，单台发生器有10个档，六台发生器可同时运行，从而能够用于实验室研究不同频率、不同功率超声波作用下不同含水率煤体热效应传播规律；

3.本发明中温度传感器连接显示器，实现了实时、自动采集煤体温度的变化曲线。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一视角的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～2，附图中的元件标号分别表示：箱体1、承压板2、加载装置3、发生器4、换能器5、温度传感器6、显示器7、压力传感器8。

本发明涉及一种声场作用下含水煤体热效应传播规律实验装置，包括：箱体1，用于放置煤体并提供实验发生位置；实验条件调节模块，包括用于产生超声波的发生器4、以及用于将超声波的能量转换成内能的换能器5，所述发生器4和换能器5电性连接，所述换能器5设置在箱体1外部；实验数据采集模块，包括温度传感器6，设有若干个，沿远离换能器5的方向线性布置在箱体1底部以及箱体1远离换能器5的一侧上，所有温度传感器6均设置在箱体1外部；控制系统，用于调节发生器4的功率、记录温度传感器6采集的温度值、并记录在实验条件调节模块中发生器4的功率产生变化后，温度传感器6采集的温度值随实验进行时间发生变化的规律，该控制系统与实验条件调节模块以及实验数据采集模块均为电性连接。

可选地，还包括用于压实煤体的承压板2及加载装置3，所述承压板2设置在箱体1内部且与箱体1的内轮廓形状、大小相匹配；所述加载装置3设置在所述承压板2远离所述箱体1的一侧上，用于向承压板2上加载压力压实煤样；所述加载装置3为千斤顶；所述温度传感器6呈长条状，沿箱体1高度设置在箱体1内，在箱体1底部的所述温度传感器6的投影呈m*n式阵列设置，m、n为正整数；所述实验数据采集模块还包括压力传感器8，用于采集所述箱体1内声场空化效应产生的大量水泡破灭瞬间产生的压力，所述控制系统还用于记录压力传感器8采集的压力值、并记录在实验条件调节模块中发生器4的功率产生变化后，压力传感器8采集的压力值随实验进行时间发生变化的规律；所述压力传感器8呈长条状，沿箱体1高度设置在箱体1内，在箱体1底部的所述压力传感器8的投影呈a*b式阵列设置，a。b为正整数。

可选地，所述箱体1底部设有排水管；所述发生器4设有x台，单台发生器4的最大功率为a千瓦，所有发生器4总功率为x*a千瓦，其中，x为正整数，a＞0；所述箱体1为长方体，其尺寸为l*w*h；5m≤l≤15m、2m≤w≤10m、1m≤h≤10m；所述温度传感器6的精度为0.1℃；所述超声波换能器5的频率三档可调，分别为25khz、28khz、40khz；所述发生器4的输出功率10档可调；所述控制系统还包括显示器7，用于显示温度传感器6采集的温度值随实验进行时间发生变化的实验数据。

本发明还涉及一种声场作用下含水煤体热效应传播规律的实验方法，包括以下步骤：分析煤样成分，确定煤样中水分、灰分、挥发分、固定碳、杂质的质量百分；加工煤样颗粒，使其满足实验所需直径；将煤样处理成所需含水率；箱体1中装水；将煤样放置于箱体1中；为煤样施加声场作用；采集声场作用中煤样的温度和压力变化；声场作用一定时间后，停止声场作用；分析煤样温度和压力变化数据。可选地，“在将煤样放置与箱体1中”步骤中，煤样采用分层压实的方式压紧；上述实验方法应用上述实验装置进行实验。

在本实施例中，所述上配有移动支架以及用于加载的千斤顶，量程0—500kn，6台可控超声波发生器4，单台发生器3kw，总功率18kw，功率可调。换能器5频率为25khz、28khz、40khz，三种频率可切换，换能器5集中布置在箱体1的一侧，共四排，发生器4与换能器5用电缆连接。换能器5振幅控制：换能器5工作过程中负载发生变化时，能自动调整驱动特性，调整振幅。温度传感器6布置为：4排3列，12个温度传感器6，列间距0.8m，行间距1m。压力传感器8布置4个，布置在中部，行距2m、列间距1m。

本实施例的具体操作步骤如下，将煤矿现场取回的煤块用粉碎机加工成煤粉，粒径为0.2mm—10mm；将煤粉加入适量的水，并搅拌均匀；将煤粉放入箱体1中，先人工夯实煤粉，然后用千斤顶压实煤体，采用分层的方法将箱体1填满煤体；向箱体1中加入大量的水，使煤体处于饱水状态，煤体被水浸泡在箱体1中；在煤体中布置温度传感器6、压力传感器8，压力传感器8和温度传感器6与控制系统电性连接，启动控制系统，打开采集软件，自动采集煤体不同点的温度和声波空化效应产生的压力；开启发生器4，向煤体施加声场，测定不同频率、不同功率、不同振幅的声场长时间作用下煤体温度、水泡破灭压力的变化规律；分析超声波振动效应、热效应、空化效应作用下含水煤体热效应的传播规律。所述的温度、压力采集软件集成在一起，实现两个参数的实时和同步采集，并自动绘制温度、压力与声场作用时间曲线。

本发明中的实验方法能够用于实验室研究可控超声波振动效应、热效应、空化效应作用下煤体热效应的传播规律；本发明中的换能器5频率有25khz、28khz、40khz三种可调，单台发生器4功率在0～3kw可调，单台发生器4有10个档，六台发生器4可同时运行，从而能够用于实验室研究不同频率、不同功率超声波作用下不同含水率煤体热效应传播规律；本发明中温度传感器6连接显示器7，实现了实时、自动采集煤体温度的变化曲线。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。