一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤层气体运移参数测定方法，尤其涉及煤中气体的扩散率测试方法。
【背景技术】
[0002] 在煤层气开采或者煤矿瓦斯抽采过程中，煤中气体将会首先从煤基质的微孔隙壁 解吸，在浓度梯度的驱动下扩散进入孔隙系统，然后在压力梯度的驱动下流经裂隙系统进 入钻孔。因此，煤层气的运移主要受两种参数控制：一种是煤基质中的气体扩散，另一种是 裂隙系统的渗透率。在多孔介质中，有三种典型的扩散方式。一种是在大孔隙环境或者高气 压状态下的气体分子相互碰撞的Fickian扩散；一种是在气体分子自由程大于孔径时分子 与孔隙壁之间相互碰撞的Knudsen碰撞；另一种是沿着孔壁表面移动的强吸附气体分子。 对于具有复杂孔隙结构煤来讲，上述三种扩散方式显著影响气体在煤基质中的扩散过程。 因此，定量描述气体在煤中扩散特征对于研究煤层气抽采有重要意义。目前，常规测量气体 扩散方法主要是对煤粉（颗粒）注入气体后测算煤粉吸收气体数量，并将煤粉（颗粒）直 径假设为气体扩散路径长度，最终得到气体的扩散系数。这种测量方式不仅破坏煤体特有 的孔隙结构，而且忽视煤层气体的扩散路径是变化的事实。因此，采用煤粉（颗粒）测算的 气体扩散系数存在较大误差。因此，发明一种针对具有原生孔隙煤的气体扩散率测试方法， 将对深入认识掌握煤层气运移机理有重要技术支持。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为深入认识掌握煤层气运移机理，发明一种针对具有双重孔隙介 质中气体扩散特征的测试方法，又称为三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法。
[0004] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0005] -种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步骤如下：
[0006] 第一步：加工制作煤样测试试件
[0007] 将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向； 将煤样插入橡胶套中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的 腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；
[0008] 第二步，组装测试装置
[0009] 制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测 试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞栗连通，并保证夹持腔体 与外界密闭；将注气腔和出气腔分别与各自的气压传感器接通；将氦气源用管子与注气腔 接通；将真空栗用管子与出气腔接通，将两个气压传感器的导线与外设数据采集电脑相连； 至此测试装置组装完成；
[0010] 第三步，启动柱塞栗向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值〇 后；同时启动真空栗对煤样抽真空除气；
[0011] 第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至预定值关闭气 源；此后注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，当ti时刻注气腔与出气腔内的 气压相等即为匕时，渗流过程完成；此后注气腔与出气腔内的气压共同平稳下降，直至扒时 刻的恒定值P3时不再下降为止；
[0012] 在上述过程中，记录注气腔与出气腔内的气压变化情况，直至停止变化；
[0013] 上述预定值P1要求小于环向压力即可；
[0014] 第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下：
[0015] 1、确定注气腔内气体数量
[0016] 已知注气腔的体积为Vu和初始气压P i，可以确定在初始时刻注气腔内气体数量为
，其中R为气体常数，T为温度；
[0017] 2、从P i开始，气体从注气腔经过煤样，流入至出气腔内，引起出气腔内压力不断 升高，注气腔压力下降；当注气腔与出气腔的压力相等后，即压力P2，对应时刻为h，意味着 两腔压力与煤样裂隙压力相等，此时，出气腔内气体数量为
，其中Vd为出气腔的 体积；
[0018] 3、之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散，导致裂隙内气体数量减少，所以裂隙 压力（与两腔压力相等）不断下降，煤基质压力不断升高，当裂隙压力与基质压力相等后， 即压力P3，对应时刻t2，裂隙内气体停止向基质扩散，认为裂隙与基质之间达到平衡状态； 气体渗流过程中，其中：
[0019] ^时刻存留煤试样内的气体数量
[0020] 一时刻扩散进入煤基质的气体总数量为
[0021] 在整个tl时刻到12时刻扩散阶段内，在不同时刻t时的扩散气体量为
3寸应的气体扩散数量百分数HiVmdlffuslcin，其中的P为t时刻的裂隙 压力；
[0022] 4、绘制气体数量百分数HitAidlffuslcJ^扩散时间开平方&的曲线图，根据有 效扩散率与扩散气体质量的关系式
，用最小二乘法拟合曲线的斜率
,该式变换为.
，计算出有效扩散率队；
[0023] 上述公式中，气压和压力的单位为Pa :体积的单位为m3:气体数量单位为mol :时 间单位为秒：温度单位为K, R单位为X/(mol*K)。
[0024] 本发明的积极效果是：研究气体扩散是从化工领域派生的，而化工原料多数是颗 粒状，受固有思维限制，长期以来，本领域技术人员一直借用化工原料气体扩散测试方法对 煤粉气体扩散率进行测试，可忽略了煤体是一种典型的双重孔隙介质，其孔隙结构是由宏 观裂隙与煤基质内的微孔隙组成，传统测量方式不仅破坏煤体特有的孔隙结构，而且忽视 煤层气体的扩散路径是变化的事实。本发明打破常规思维，大胆创新，采用整体煤块作为煤 试样，保留了煤体特有的孔隙结构，能真实反映煤复杂的孔隙结构对气体扩散的影响情况， 测试计算出的气体扩散率、将对深入认识掌握煤层气运移机理提供了重要技术支持，相对 于现有技术，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明测试方法所用的装置示意图；
[0026] 图2为实施例中注气腔与出气腔与时间关系曲线图；
[0027] 图3是实施例中扩散气体质量百分数与时间关系曲线图。
[0028] 图例说明1-夹持腔体；2-注气腔；3-橡胶套；4-煤样；5-出气腔；6-柱塞栗； 7_注气腔压力传感器；8-出气腔压力传感器；9-数据采集电脑；10-氦气源；11-真空栗。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和一个实施例进一步说明本发明的技术方案。实施例的测试条件为 环向压力6MPa，恒温在293K。
[0030] 如图1-3所示，本发明的三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步 骤如下：
[0031] 第一步：加工制作煤样测试试件
[0032] 将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向； 将煤样4插入橡胶套3中间，再