将两个无盖圆筒插进橡胶套3两端，使煤样4两端分别形成 密闭的腔体，一端作为注气腔2,另一端作为出气腔5,共同组成一个煤样测试试件，如图1 所示；
[0033] 第二步，组装测试装置
[0034] 制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体1，夹持腔体1上设有进气接口，将煤样 测试试件安装在夹持腔体1中，将夹持腔体1的进气接口用管子与柱塞栗6连通，并保证夹 持腔体1与外界密闭；将注气腔2和出气腔5分别与注气腔压力传感器7和出气腔压力传 感器8接通；将氦气源10用管子与注气腔2接通；将真空栗11用管子与出气腔5接通，将 注气腔压力传感器7和出气腔压力传感器8的导线与外设数据采集电脑9相连；至此测试 装置组装完成，如图1所示；
[0035] 第三步，启动柱塞栗6向夹持腔体1施加气压，使煤样4的环向压力升高至设定值 〇后；同时启动真空栗11对煤样4抽真空除气；
[0036] 第四步：将氦气源10的氦气导入注气腔2中，当注气腔2内气压升至预定值？1后 关闭氦气源10 ;此后注气腔2内气体向煤样4渗透，并逐渐渗流到出气腔5内，当h时刻注 气腔2与出气腔5内的气压相等即为匕时，渗流过程完成；此后注气腔2与出气腔5内的 气压共同平稳下降，直至t2时刻的恒定值P 3时不再下降为止；
[0037] 在上述过程中，记录注气腔2与出气腔5内的气压变化情况，直至停止变化（见图 2) 〇
[0038] 第五步：计算煤中气体的有效扩散率，如图3所示，
[0039] 1、确定注气腔2内气体数量
[0040] 已知注气腔2的体积为Vu= 800mL和初始气压P i = 3MPa，可以确定在初始时刻 注气腔2内气体数量为
其中R为气体常 数，T为温度；
[0041] 2、注气腔2与出气腔5内气压在L时刻平衡即为P2= 2. IMPa，出气腔5内气体 数量为
，其中Vd= 100mL为出气腔5
的体积；随着气体不断扩散至煤样内，注气腔2与出气腔6内气压由P2= 2. IMPa降至P3 = I. 5MPa，对应时刻为t2;
[0042] 3、在气体渗流过程中，h时刻内煤样内的气体数量
[0043] 从jlj t2时刻气体扩散过程中，在不同时刻t煤样内气体压力对应为P，扩散进入 煤基质内的气体数量为：
[0045] 从^到12时刻气体扩散进入煤基质中气体的总数量为
[0047] 实施例中从^到12时刻选取4个数据点，即t i p L 2, L 3, h 4时刻，相对应扩散 气体数量百分数为：
[0052] 4、绘制上述4个数据点气体数量百分数HitAidlffuslcin与扩散时间开平方^的曲线 图（见图3)。
[0053] 根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式
利用最小二乘 法拟合出该曲线斜率
该式变换为」
，计算出有效扩散率
【主权项】
1. 一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，其特征在于，具体测试步骤如下： 第一步：加工制作煤样测试试件 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； 第二步，组装测试装置 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； 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σ后；同 时启动真空栗对煤样抽真空除气； 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P1后关闭气源； 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t 2时刻 的恒定值P3时不再下降为止； 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； 上述预定值P1要求小于环向压力即可； 第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下： 第5. 1步：确定注气腔内气体数量 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； RT 第5. 2步：从P1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％为出气腔 的体积； 第5. 3步：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并不断下降，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t 2，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： ^时刻存留煤试样内的气体数量七2时刻扩散进入煤基质的气体总数量为在整个h时刻到t 2时刻扩散阶段内，在不同时刻t时的扩散气体量为对应的气体扩散数量百分数m7mdlffuslcin，其中的P为t时刻的裂隙 压力； 第5. 4步：绘制气体数量百分数与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； 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)。
【专利摘要】本发明公开了一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，它是将煤样测试试件放进一个密闭的夹持腔体中，从而在煤样两端分别形成注气腔和出气腔，将氦气导入注气腔中，氦气先渗流到煤裂隙内，之后开始扩散到煤基质内；绘制气体数量百分数与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，从而计算出气体扩散率。本发明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。
【IPC分类】G01N15/08, G01N7/10
【公开号】CN105181556
【申请号】CN201510623305
【发明人】王春光, 翟培城, 蒋宇静, 刘继山, 魏明尧
【申请人】山东科技大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月25日