本發(fā)明涉及瓦斯解吸特性的研究技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

隨著開采規(guī)模和開采深度的加大，我國大部分煤礦將成為低透氣性礦井，要進(jìn)行瓦斯（主要為甲烷）抽采必須采取煤層增透措施。在低透氣性煤層卸壓增透技術(shù)方面，水力化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，而外液的侵入改變了瓦斯的解吸特性。

在外液對瓦斯解吸特性影響研究方面，專利（cn201410011978.8）提供了一種煤層注水抑制瓦斯解吸效應(yīng)的模擬測試方法及裝置，該方法需要將煤樣粉碎，粉碎后的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而原生孔隙結(jié)構(gòu)是造成水鎖效應(yīng)的重要因素，該方法忽略了水鎖效應(yīng)這一因素。專利（cn201010580065.x）提供了一種外加水分對含瓦斯煤體解吸特性的測試方法，該方法通過利用攪拌裝置是煤樣均勻潤濕，攪拌裝置在轉(zhuǎn)動過程中容易將煤樣攪碎，同樣亦破壞了煤樣的原生孔隙結(jié)構(gòu)。專利（cn201120045979.6）提供了一種外液侵入條件下水鎖實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置通過一個(gè)內(nèi)置外液聯(lián)動裝置實(shí)現(xiàn)煤樣的潤濕，因?yàn)槊簶佣逊e煤樣罐中，外液自上而下噴灑在煤樣表面，這會使得煤樣難以均勻潤濕，這與現(xiàn)場工程中煤樣注水均勻性相悖。

鑒于此，本發(fā)明人為此研制出外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置及其使用方法，有效的解決了上述問題，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置，不會破壞煤樣的原生孔隙結(jié)構(gòu)，以能夠真實(shí)反映煤礦現(xiàn)場瓦斯在煤均勻潤濕條件下的解吸特性。

目的還在于上述外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置的使用方法，以真實(shí)的獲得不同外液量侵入條件下的瓦斯解吸特性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置及其使用方法，包括：

煤樣罐，所述煤樣罐用于裝填煤樣；

恒溫水浴箱，用于保持煤樣罐溫度恒定；

抽真空裝置，與所述煤樣罐連通并用于將所述煤樣罐抽真空；

甲烷注入裝置，與所述煤樣罐連通并用于向煤樣罐內(nèi)注入甲烷氣體；

注水裝置，與所述煤樣罐連通并用于向所述煤樣罐內(nèi)注水；

晃動裝置，與所述煤樣罐連接并用于帶動所述煤樣罐晃動以使煤樣翻滾；以及

解吸測量裝置，與所述煤樣罐連通并用于測量所述煤樣的瓦斯解吸量。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述煤樣罐具有密封的罐蓋，所述罐蓋用于安裝或接通所述抽真空裝置、所述甲烷注入裝置、所述解吸測量裝置、所述注水裝置和所述晃動裝置；

所述測試裝置還包括：

多通閥，具有至少四通及以上，所述抽真空裝置、所述甲烷注入裝置和所述解吸測量裝置預(yù)先接通至所述多通閥，再通過所述多通閥接通至所述煤樣罐；以及

總閥門，安裝于所述罐蓋，所述總閥門通過一管路與所述多通閥連通。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述抽真空裝置包括：

真空泵；

第一管路，用于將所述真空泵接通至所述煤樣罐；

第一閥門，安裝于所述第一管路，用于控制第一管路的通斷；以及

第一壓力表，安裝于所述第一管路，用于檢測所述第一管路的氣壓。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述甲烷注入裝置包括：

甲烷瓶，容置有甲烷；

第二管路，用于將所述甲烷瓶接通至所述煤樣罐；

第二閥門，安裝于所述第二管路，用于控制所述第二管路的通斷；

減壓閥，安裝于所述第二管路位于所述第二閥門和所述甲烷瓶之間的位置；以及

第二壓力表，安裝于所述第二管路，用于檢測所述第二管路的氣壓。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述解吸測量裝置包括：

量筒組件，用于測量氣體體積；

第三管路，一端用于接通至所述煤樣罐，另一端伸入所述量筒組件的量筒內(nèi)；

第三閥門，安裝于所述第三管路，用于控制所述第三管路的通斷；以及

第三壓力表，安裝于所述第三管路，用于檢測所述第三管路的氣壓。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述測試裝置還包括：

霧化噴頭，安裝于所述煤樣罐內(nèi)的頂部，所述霧化噴頭和所述注水裝置連通。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述注水裝置包括：

蠕動泵，用于泵送水；

水管，用于接通所述蠕動泵和所述霧化噴頭；

單向閥，安裝于所述水管，用于防止位于霧化噴頭側(cè)的水倒流；以及

第四壓力表，用于檢測所述蠕動泵的泵送水壓。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述晃動裝置包括：

固定架；

擺動驅(qū)動裝置，固定安裝于所述固定架；

水平擺桿，被所述擺動驅(qū)動裝置帶動而作水平擺動；

轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動安裝于所述水平擺桿上，所述轉(zhuǎn)軸的下端固定安裝于所述煤樣罐；以及

轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置，固定安裝于所述水平擺桿上，用于驅(qū)動所述轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明提供的外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置的使用方法，包括如下步驟：

1）選取一定粒徑的煤樣放入煤樣罐內(nèi)；

2）等溫吸附：將所述煤樣罐放入恒溫水浴箱中，再利用抽真空裝置將所述煤樣罐抽真空，然后利用甲烷注入裝置向已被抽真空的所述煤樣罐中注入甲烷氣體并保持一段時(shí)間；

3）注液潤濕：移除所述恒溫水浴箱，然后利用注水裝置向所述煤樣罐中注入一定量的水，注水完成后，再利用晃動裝置使所述煤樣罐晃動以使煤樣翻滾，直至煤樣被均勻潤濕后停止晃動，重新將煤樣罐放置于恒溫水浴箱內(nèi)并靜置一段時(shí)間；

4）解吸實(shí)驗(yàn)：將解吸測量裝置連通所述煤樣罐，并收集解吸出的甲烷氣體，測量解吸量以獲得解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

5）重復(fù)上述步驟1-4，其中每一次重復(fù)時(shí)所采用的煤樣粒徑一致，并且每一次重復(fù)時(shí)改變步驟3中的注水量。

可選的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述煤樣罐在所述恒溫水浴箱中的恒溫水浴溫度為30℃；

所述步驟2中利用抽真空裝置將所述煤樣罐抽真空的過程為，當(dāng)真空壓力降至10pa時(shí)，繼續(xù)抽真空3-5小時(shí)；

所述步驟2中利用甲烷注入裝置向已被抽真空的所述煤樣罐中注入甲烷氣體并保持一段時(shí)間的過程為，待煤樣罐甲烷氣體壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，該壓力下繼續(xù)保持24小時(shí)；

所述步驟3中晃動裝置使所述煤樣罐晃動的時(shí)間為1-1.5小時(shí)；

所述步驟3中重新將煤樣罐放置于恒溫水浴箱內(nèi)并靜置一段時(shí)間的時(shí)長為3-4小時(shí)。

采用上述方案后，本發(fā)明采用煤樣罐來裝填煤樣，而煤樣的均勻潤濕，則通過晃動裝置帶動煤樣罐晃動，從而使煤樣不斷翻滾與水份均勻接觸，達(dá)到均勻潤濕的目的。由于煤樣之間的翻滾碰撞作用不足以破壞煤樣的原生孔隙結(jié)構(gòu)，即本發(fā)明充分考慮了與原生孔隙相關(guān)的水鎖效應(yīng)這一因素，因此能夠真實(shí)反映煤礦現(xiàn)場瓦斯在煤均勻潤濕條件下的解吸特性，使外液對瓦斯解吸特性影響的研究更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變注水量即可測試不同外液量侵入條件下的瓦斯解吸特性。

附圖說明

圖1是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

標(biāo)號說明

煤樣罐1，罐蓋11，霧化噴頭12；

恒溫水浴箱2；

抽真空裝置3，真空泵31，第一管路32，第一閥門33，第一壓力表34，

甲烷注入裝置4，甲烷瓶41，第二管路42，第二閥門43，減壓閥44，第二壓力表45；

注水裝置5，蠕動泵51，水管52，單向閥53，第四壓力表54；

晃動裝置6，擺動驅(qū)動裝置61，水平擺桿62，轉(zhuǎn)軸63，轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置64；

解吸測量裝置7，量筒組件71，第三管路72，第三閥門73，第三壓力表74；

多通閥8；

總閥門9。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。文中所述的第一、第二、第三、第四等類似描述僅用于區(qū)別彼此并無順序之意。

如圖1所示，是本發(fā)明揭示的外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置，主要包括煤樣罐1、恒溫水浴箱2、抽真空裝置3、甲烷注入裝置4、注水裝置5、晃動裝置6和解吸測量裝置7。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，需采用等溫吸附，因此通過恒溫水浴箱2來保持煤樣罐1的溫度恒定。

煤樣罐1用于裝填煤樣，煤樣罐1具有密封的罐蓋11。罐蓋11用于安裝或接通抽真空裝置3、甲烷注入裝置4、解吸測量裝置7、注水裝置5和晃動裝置6。具體到本實(shí)施例的安裝方式為，罐蓋11安裝有總閥門9，總閥門9通過一管路與一多通閥8連通。多通閥8具有至少四通及以上，其中的抽真空裝置3、甲烷注入裝置4和解吸測量裝置7預(yù)先接通至多通閥8，通過切換多通閥8的閥門位置即可切換抽真空裝置3、甲烷注入裝置4和解吸測量裝置7中的一個(gè)與煤樣罐1連通。而注水裝置5和晃動裝置6的具體安裝方式則在下文闡述。

抽真空裝置3用于將煤樣罐1抽真空，本實(shí)施例優(yōu)選的抽真空裝置3包括真空泵31、第一管路32、第一閥門33和第一壓力表34。第一管路32用于將真空泵31接通至煤樣罐1，具體到本實(shí)施例為接通至多通閥8即可。第一閥門33安裝于第一管路32，用于控制第一管路32的通斷。第一壓力表34安裝于第一管路32，用于檢測第一管路32的氣壓。

甲烷注入裝置4用于向煤樣罐1內(nèi)注入甲烷氣體，本實(shí)施例優(yōu)選的甲烷注入裝置4包括甲烷瓶41、第二管路42、第二閥門43、減壓閥44和第二壓力表45。甲烷瓶41用于容置甲烷，以提供甲烷氣體。第二管路42用于將甲烷瓶41接通至煤樣罐1，具體到本實(shí)施例為接通至多通閥8即可。第二閥門43安裝于第二管路42，用于控制第二管路42的通斷。減壓閥44安裝于第二管路42位于第二閥門43和甲烷瓶41之間的位置，用于調(diào)節(jié)供應(yīng)甲烷氣體的供氣壓力，該壓力為預(yù)設(shè)定好的壓力。第二壓力表45安裝于第二管路42，用于檢測所述第二管路42的氣壓，減壓閥44的調(diào)節(jié)主要依據(jù)第二壓力表45顯示的壓力值而進(jìn)行。

注水裝置5用于向煤樣罐1內(nèi)注水。其中，罐蓋11內(nèi)安裝有霧化噴頭12，霧化噴頭12和注水裝置5連通，通過霧化噴頭12將注入的水霧化而彌漫至整個(gè)煤樣罐1內(nèi)，使煤樣罐1內(nèi)的煤樣在翻滾過程中能夠更加均勻且充分的被潤濕，使?jié)櫇窈蟮拿簶痈淤N近真實(shí)煤礦。

本實(shí)施例優(yōu)選的注水裝置5包括蠕動泵51、水管52、單向閥53和第四壓力表54。蠕動泵51為常用的泵水設(shè)備，水管52用于接通蠕動泵51和霧化噴頭12。單向閥53安裝于水管52，用于防止水管52內(nèi)位于霧化噴頭12側(cè)的水倒流，還起到密封的作用。第四壓力表54，則用于檢測蠕動泵51的泵送水壓。

晃動裝置6用于帶動煤樣罐1晃動以使煤樣翻滾，本實(shí)施例優(yōu)選的晃動裝置6包括固定架、擺動驅(qū)動裝置61、水平擺桿62、轉(zhuǎn)軸63和轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置64。

擺動驅(qū)動裝置61固定安裝于固定架，擺動驅(qū)動裝置61為現(xiàn)有技術(shù)其結(jié)構(gòu)有很多，比如可通過電機(jī)作為動力源，通過一轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動從而實(shí)現(xiàn)。

水平擺桿62被擺動驅(qū)動裝置61帶動而作水平擺動。轉(zhuǎn)軸63轉(zhuǎn)動安裝于水平擺桿62上，轉(zhuǎn)軸63的下端固定安裝于煤樣罐1。轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置64固定安裝于水平擺桿62上，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸63轉(zhuǎn)動。因此當(dāng)擺動驅(qū)動裝置61和轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置64同時(shí)工作時(shí)，煤樣罐1的晃動方式為：在轉(zhuǎn)動的同時(shí)還做擺動的動作，轉(zhuǎn)動加擺動的方式容易使煤樣翻滾被水充分且均勻潤濕。而翻滾并不像外力強(qiáng)制攪拌那樣局部受力非常大，翻滾時(shí)的受力較為柔和，不會破壞煤樣的原生孔隙。

煤樣被均勻潤濕后，煤樣內(nèi)的甲烷氣體（即瓦斯）即會慢慢解吸出。

解吸測量裝置7用于測量所述煤樣的瓦斯解吸量，本實(shí)施例優(yōu)選的解吸測量裝置7包括量筒組件71、第三管路72、第三閥門73和第三壓力表74。第三管路72一端用于接通至煤樣罐1，具體到本實(shí)施例為接通至多通閥8即可，第三管路72另一端則伸入量筒組件71的量筒內(nèi)，量筒組件71則用于測量氣體體積。第三閥門73安裝于第三管路72，用于控制第三管路72的通斷。第三壓力表74安裝于第三管路72，用于檢測第三管路72的氣壓。打開第三閥門73，煤樣罐內(nèi)解吸出的甲烷氣體即可進(jìn)入量筒組件71，待第三壓力表74壓力穩(wěn)定時(shí)，即可讀取量筒數(shù)值，獲得潤濕煤樣甲烷氣體的解吸量數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例揭示的上述外液侵入條件下瓦斯解吸特性的測試裝置的使用方法，包括如下步驟：

1）打開罐蓋11，選取一定粒徑的煤樣放入煤樣罐1內(nèi)。由于外液侵入造成水鎖效應(yīng)，水鎖效應(yīng)的根源在于煤樣的原始孔隙結(jié)構(gòu)，因此在礦區(qū)采取煤樣時(shí)需保留較大的外形尺寸，通常單位以厘米計(jì)，具體選用哪種粒徑，需根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求而定。

2）等溫吸附：

將煤樣罐1放入恒溫水浴箱2中，恒溫水浴箱2中的恒溫水浴溫度為30℃；再打開總閥門9，并將多通閥8接通第一管路32，打開第一閥門33，啟動真空泵31，利用抽真空裝置3將煤樣罐1抽真空，觀察第一壓力表34壓力降至10pa時(shí)，繼續(xù)抽真空3-5小時(shí)，關(guān)閉第一閥門33；

將多通閥8接通第二管路42，打開第二閥門43，調(diào)節(jié)減壓閥44至第二壓力表45顯示至設(shè)定壓力值，向已被抽真空的煤樣罐1中注入甲烷氣體，并在該設(shè)定壓力下保持注入甲烷24小時(shí)，之后關(guān)閉第二閥門43和總閥門9。

3）注液潤濕：

為了不妨礙后續(xù)晃動，移除恒溫水浴箱2，拆掉與總閥門9連接的管路；

然后啟動蠕動泵51向煤樣罐1中注入一定量的水，水經(jīng)霧化噴頭12后均勻充斥煤樣罐1。注水完成后，最好拆除單向閥53位于蠕動泵51一側(cè)的管路，以免妨礙煤樣罐1的晃動，再啟動擺動驅(qū)動裝置61和轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置64，使煤樣罐1做轉(zhuǎn)動并擺動的晃動狀，以使煤樣翻滾，直至煤樣被均勻潤濕后停止，晃動的時(shí)間為1-1.5小時(shí)即可；

之后，重新將煤樣罐1放置于恒溫水浴箱2內(nèi)并靜置3-4小時(shí)，以充分解吸出甲烷氣體，此過程中煤樣罐1內(nèi)氣壓將會升高。

4）解吸實(shí)驗(yàn)：將多通閥8重新和總閥門9連通，打開總閥門9，并使多通閥8接通第三管路72，解吸出的甲烷氣體即通過第三管路72進(jìn)入量筒組件71的量筒，待第三壓力表74顯示的壓力值穩(wěn)定后，讀取體積測量數(shù)值，以獲得解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）重復(fù)上述步驟1-4，其中每一次重復(fù)時(shí)所采用的煤樣粒徑需一致，并且每一次重復(fù)時(shí)改變步驟3中的注水量，從而測試獲得煤在不同外液量侵入條件下的瓦斯解吸特性。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限定。凡依本案的設(shè)計(jì)思路所做的等同變化，均落入本案的保護(hù)范圍。