本發(fā)明屬于煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對(duì)主要位置，50年代的比例曾高達(dá)90％。預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)將達(dá)到39億噸的煤炭生產(chǎn)量。然而，新形勢(shì)下我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。頻繁發(fā)生的重特大瓦斯災(zāi)害事故，已成為煤礦安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的制約因素。我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井約占1/3，防治煤礦瓦斯災(zāi)害成為安全生產(chǎn)的重中之重。此外，瓦斯(煤層氣)是一種清潔、高效的能源，在國(guó)際油價(jià)居高不下、減排壓力空前增加的大環(huán)境下，亟需加大瓦斯的開(kāi)發(fā)利用力度，將其作為優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重要資源。瓦斯抽采不僅是有效防治煤礦瓦斯災(zāi)害和實(shí)現(xiàn)安全本質(zhì)型生產(chǎn)的區(qū)域性措施，也是煤層氣開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)手段。目前，針對(duì)礦井瓦斯抽采的問(wèn)題，在實(shí)施工藝技術(shù)上已經(jīng)接近成熟。但如何有效的運(yùn)用這一手段，科學(xué)地實(shí)施礦井瓦斯治理，尚缺乏理論指導(dǎo)。因此，如何將煤層瓦斯流動(dòng)理論與瓦斯抽采相結(jié)合，成為當(dāng)前我國(guó)煤炭行業(yè)實(shí)施科學(xué)抽采亟需解決的問(wèn)題。其中，如何測(cè)試煤巖非線性滲透系數(shù)，便成為實(shí)施科學(xué)抽采規(guī)劃的關(guān)鍵。

有鑒于此，本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)試煤巖非線性滲透系數(shù)與鉆孔抽采瓦斯物理模擬的裝置及方法，解決了如何測(cè)試煤巖非線性滲透系數(shù)的問(wèn)題，為深入研究煤層瓦斯流動(dòng)機(jī)理，探求煤自身物性參數(shù)對(duì)瓦斯在煤體內(nèi)運(yùn)移的控制機(jī)制提供了技術(shù)支撐。同時(shí)也為礦井制定合理的抽采規(guī)劃方案提供了依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明為了解決實(shí)施礦井瓦斯治理時(shí)缺乏理論指導(dǎo)的問(wèn)題，提供一種煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：包括煤樣密封裝置、入口端壓力控制系統(tǒng)、出口端壓力控制系統(tǒng)和真空管路系統(tǒng)，煤樣密封裝置包括恒溫槽和氣室，氣室安裝在恒溫槽內(nèi)，氣室內(nèi)安裝有與氣室密封連接的密封腔體，密封腔體的中部穿設(shè)有中空的圓柱狀鋼桿，鋼桿的下部穿出密封腔體的部分為連接出氣端，密封腔體的上方密封安裝有彎折狀的頂蓋，頂蓋的環(huán)形面上均勻設(shè)置若干篩孔，頂蓋上部設(shè)有上部密封擋塊，氣室為圓筒形結(jié)構(gòu)且氣室側(cè)面設(shè)有側(cè)室閥門(mén)；

入口端壓力控制系統(tǒng)包括入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和高壓氣瓶減壓閥，入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和氣室側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)安裝在三通管的三個(gè)管路上，高壓氣瓶減壓閥連接在入口端壓力控制器所在管路上，氣室側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)所在的管路上安裝有入口端質(zhì)量流量計(jì)；

出口端壓力控制系統(tǒng)包括出口端質(zhì)量流量計(jì)、出口端氣體壓力控制器和出口端壓力傳感器，連接出氣端、出口端氣體壓力控制器和壓力傳感器安裝在三通管的三個(gè)管路上，出口端質(zhì)量流量計(jì)安裝在連接出氣端所在管路上；

真空管路系統(tǒng)包括真空泵，真空泵與入口端壓力控制器管路連接且該管路上安裝有真空泵閥門(mén)。

進(jìn)一步，恒溫槽為恒溫水浴槽或者恒溫空氣浴槽。

進(jìn)一步，密封腔體的底部設(shè)有與密封腔體固定連接的底部托盤(pán)，底部托盤(pán)的中部固定安裝有凸臺(tái)，氣室通過(guò)法蘭與底部托盤(pán)上的凸臺(tái)密封連接，氣室與底部托盤(pán)密封連接的法蘭上開(kāi)設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有密封圈。

進(jìn)一步，上部密封擋塊外側(cè)設(shè)有格米圈、密封圈和導(dǎo)向帶，格米圈和密封圈對(duì)封缸體內(nèi)的煤樣上端面進(jìn)行二次密封，導(dǎo)向帶能夠使上部密封擋塊上下移動(dòng)。

一種煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟：

s1：將制備好的煤粒壓入模具中，冷壓一次成型，將煤粒制成圓柱體，利用取芯裝置將圓柱體煤樣制備成所需的圓環(huán)柱體型；

s2：將制備好的圓環(huán)柱體型煤樣放入到密封腔體內(nèi)，在密封腔體底部和頂部涂抹一定量的密封劑，實(shí)現(xiàn)待測(cè)試煤樣的端面密封，在煤樣頂部放置上部密封擋塊；

s3：將密封腔體放入到氣室內(nèi)，設(shè)置氣室內(nèi)的氣體壓力；

s4：調(diào)節(jié)流出圓環(huán)柱形煤樣試件的氣體壓力，使測(cè)試氣體在壓差的驅(qū)動(dòng)下于煤樣的環(huán)形柱體內(nèi)流動(dòng)，待氣體滲透達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)后，測(cè)量氣體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的氣體流量；

s5：煤巖非線性滲透系數(shù)的計(jì)算：根據(jù)前期進(jìn)行的不同氣含量下的瓦斯?jié)B透測(cè)試結(jié)果的分析，得到煤巖非線性滲流的數(shù)學(xué)模型為：

式中：k0為煤巖的極限滲透率m/s；μ為氣體粘度pa.s；δp為煤巖兩端的氣體壓力梯度；w為煤巖吸附氣體量m³；μap是表征煤體氣體流動(dòng)孔道特征的參數(shù)，反映了煤體滲透特性隨吸附氣體量改變的敏感性大小。

根據(jù)比流量形式有：

式中：q為比流量，1大氣壓、t℃時(shí)，1m²面積上流過(guò)的瓦斯流量，m³/(m².d)；α＝μap/μ；λ＝bk0/2μpn，其中b為單位換算系數(shù)，pn為1個(gè)大氣壓。

煤樣試件在瓦斯氣體壓力差的驅(qū)動(dòng)下，流出煤樣的瓦斯量為：

式中：q為流出煤樣的瓦斯氣體量m³/d；m為煤樣試件的高度。

其邊界條件為：

由于吸附量代入式(3)可得：

將式(4)進(jìn)行積分可得：

由式(5)可得：

實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)p1、p2、q以及吸附常數(shù)a、b是直接獲取的。將任意兩個(gè)工況下的q代入到式(5)中首先將λ消元，而后建立函數(shù)λ(α)，并對(duì)函數(shù)λ(α)進(jìn)行線性化處理，將函數(shù)λ(α)的近似值αk處進(jìn)行一階taylor展開(kāi)，有：

略去高階無(wú)窮小項(xiàng)有

λ(αk)+λ′(αk)(α-αk)≈0(8)

故有迭代格式

根據(jù)式(10)即可求取參數(shù)α的數(shù)值，相應(yīng)的在獲取α的數(shù)值后，代入任一工況下的式(6)中即可求取相應(yīng)的λ。

s6：在進(jìn)行應(yīng)力-吸附耦合作用對(duì)煤樣非線性滲透系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)將上部密封擋塊與加壓裝置相接觸，通過(guò)加壓裝置施加不同的壓力即可使煤樣承受相應(yīng)的應(yīng)力，重復(fù)以上步驟即可獲得煤樣在受載條件下的非線性滲透系數(shù)，獲得應(yīng)力對(duì)煤樣非線性滲透系數(shù)的影響規(guī)律；

s7：在測(cè)定完煤樣在受載條件下的非線性滲透系數(shù)后，關(guān)閉氣室側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)，并保持連接出氣端閥門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，測(cè)定不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的氣體流量，進(jìn)而可完成鉆孔抽采瓦斯的物理模擬。

進(jìn)一步，步驟s1中的型煤試件的制備包括以下步驟：

s11：將待測(cè)煤樣粉碎，并篩分出0.2～0.25mm粒徑的煤粉，將一定量的煤粉放入型煤模具中；型煤模具為圓筒狀，底部托盤(pán)凸臺(tái)的直徑與模具內(nèi)徑相同；底部托盤(pán)中心設(shè)置一圓柱形鋼桿；圓柱形鋼桿的直徑為圓環(huán)柱體型的煤樣試件的內(nèi)徑。

s12：利用加壓裝置，將模具內(nèi)的煤粉壓制成為待測(cè)尺寸的煤樣試件，成型后拆卸底部托盤(pán)，通過(guò)脫樣模具結(jié)合加壓裝置將型煤試件從模具中推出；其中脫樣模具為厚度、外徑與圓筒狀模具相同的剛性圓筒；若采用原煤試件，則僅需采用煤芯鉆取裝置，將原煤制備成實(shí)驗(yàn)所需的圓環(huán)柱體型煤樣試件。

進(jìn)一步，步驟s2中測(cè)試煤樣的端面密封，具體包括以下步驟：

在密封腔體的底部托盤(pán)的凸臺(tái)和頂部，涂抹一定量的密封劑，將煤樣試件放置在該凸臺(tái)上，將設(shè)置有密封圈、格米圈與導(dǎo)向帶的上部密封擋塊放置在頂蓋上，再將頂蓋放置在煤樣試件上，使頂蓋底部法蘭與底部托盤(pán)法蘭相契合，并用螺栓緊固，其中頂蓋的環(huán)形面均勻設(shè)置的篩孔，作為氣體進(jìn)入煤樣試件的通道。

進(jìn)一步，步驟s3中設(shè)置氣室內(nèi)的氣體壓力，具體包括以下步驟：

s31：將氣室放置到恒溫水浴槽或恒溫空氣浴槽中，并將溫度調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)溫度。

s32：打開(kāi)設(shè)置于氣室側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)，使氣室與氣源相通。

s33：通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)置于氣室側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)與氣源之間的入口端氣體壓力控制器，使氣室內(nèi)的氣體壓力為設(shè)計(jì)壓力。

進(jìn)一步，步驟s4中各項(xiàng)操作，具體包括以下步驟：

s41：打開(kāi)連接出氣端的閥門(mén)，使設(shè)置于頂蓋上的空心篩孔與出氣端的氣體管路相通。

s42：通過(guò)調(diào)節(jié)底部托盤(pán)的閥門(mén)與氣源之間的出口端氣體壓力控制器，使煤樣出氣端的氣體壓力為設(shè)計(jì)壓力。

s43：待氣體流動(dòng)穩(wěn)定后，測(cè)量出氣端的氣體流量與壓力的數(shù)值，而后改變?cè)O(shè)計(jì)壓力，重復(fù)以上步驟，利用s5中的計(jì)算公式即可獲得煤巖的非線性滲透系數(shù)。

進(jìn)一步，步驟s6在測(cè)定煤樣受載條件下的非線性滲透系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，具體包括以下步驟：通過(guò)上部密封擋塊與加壓裝置相連接，所述上部密封擋塊為不銹鋼材質(zhì)，其形狀為圓柱體形，側(cè)面開(kāi)凹槽，用以設(shè)置格米圈、密封圈與導(dǎo)向帶；所述格米圈、密封圈位于上部密封擋塊中部，其作用在于對(duì)煤樣上端面實(shí)施二次密封，保證在上部密封擋塊移動(dòng)的過(guò)程中，煤樣端面的氣密性；所述導(dǎo)向帶為橡膠材質(zhì)，其與上部密封擋塊、氣室表面接觸，可保證上部擋塊的移動(dòng)方向?yàn)檩S向。

本發(fā)明的測(cè)試原理：

本發(fā)明測(cè)試煤巖非線性滲透系數(shù)的目的就是獲取煤樣試件的吸附影響因子和極限滲透率的數(shù)值。其中將圓環(huán)柱體型煤樣試件的軸向端面通過(guò)密封缸體的底部托盤(pán)與上部密封擋塊、頂蓋，結(jié)合密封劑實(shí)施密封處理，從而避免氣室內(nèi)的氣體自煤樣試件軸向端面進(jìn)入煤樣，影響實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。然后將裝有煤樣的密封缸體與帶有法蘭的氣室相連接，并用螺栓緊固保證氣室的氣密性。測(cè)試前，設(shè)置煤樣試件的初始狀態(tài)；開(kāi)啟真空泵，打開(kāi)真空泵閥門(mén)，對(duì)煤樣試件進(jìn)行脫氣，用以消除常壓下煤樣吸附空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，時(shí)間為24h。測(cè)試時(shí)，打開(kāi)測(cè)試氣體氣瓶閥門(mén)，氣體在壓差的驅(qū)動(dòng)下在煤樣試件內(nèi)流動(dòng)，設(shè)置于氣室出口端質(zhì)量流量計(jì)自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始便記錄氣體流量，待測(cè)試氣體在煤樣試件內(nèi)部流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，兩個(gè)壓力傳感器的連續(xù)誤差小于5％，記錄此時(shí)的讀數(shù)。同時(shí)記錄煤樣入口端和出口端的氣體壓力值。改變煤樣試件的初始狀態(tài)，重復(fù)以上步驟，并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出了一種煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置及方法，通過(guò)2個(gè)工況下的滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)即可獲得煤巖試件相應(yīng)的非線性滲透系數(shù)，本發(fā)明的煤巖非線性滲透系數(shù)的測(cè)試方法與裝置與以往的實(shí)驗(yàn)方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置特有的圓環(huán)柱形煤樣采用特有的頂、底板配合密封劑完成了煤樣試件的軸向密封，煤樣試件環(huán)形外表面與密封腔體接觸，實(shí)現(xiàn)了約束環(huán)形應(yīng)變下的密封，符合多孔介質(zhì)滲流理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置通過(guò)設(shè)置于密封腔體環(huán)形表面上的篩孔使得氣體能夠均勻的進(jìn)入至煤樣試件內(nèi)部；同時(shí)，用于放置煤樣試件的氣室可提供穩(wěn)定氣源，并且其內(nèi)部氣體的壓力可通過(guò)壓力控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，為研究煤層瓦斯流動(dòng)理論奠定了基礎(chǔ)。

3、本發(fā)明提供的煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置的計(jì)算方法以非線性滲流模型為基礎(chǔ)，充分考慮了氣體壓力在煤巖試件內(nèi)部的衰減特征，能夠精確的描述煤的吸附特征對(duì)氣體在煤體內(nèi)運(yùn)移的影響。

4、本發(fā)明提供的煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置還可進(jìn)行煤礦井下鉆孔抽采瓦斯的模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)充入一定量的瓦斯使其在煤樣試件內(nèi)流動(dòng)，觀測(cè)其氣體流量變化特征，可為煤礦進(jìn)行抽采工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置的煤樣密封示意圖；

圖2為本發(fā)明煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置的系統(tǒng)圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

說(shuō)明書(shū)附圖中的附圖標(biāo)記包括：

上部密封擋塊11、頂蓋12、側(cè)室閥門(mén)13、底部托盤(pán)14、法蘭15、連接出氣端16、凹槽17、密封腔體18、篩孔19、氣室20。

如圖1、圖2所示的煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置，包括煤樣密封裝置、入口端壓力控制系統(tǒng)、出口端壓力控制系統(tǒng)和真空管路系統(tǒng)，煤樣密封裝置包括恒溫槽和氣室20，恒溫槽為恒溫水浴槽或者恒溫空氣浴槽。氣室20安裝在恒溫槽內(nèi)，氣室20內(nèi)安裝有與氣室20密封連接的密封腔體18，密封腔體18的底部設(shè)有與密封腔體18固定連接的底部托盤(pán)14，底部托盤(pán)14的中部固定安裝有凸臺(tái)，氣室20通過(guò)法蘭15與底部托盤(pán)14上的凸臺(tái)密封連接，氣室20與底部托盤(pán)14密封連接的法蘭15上開(kāi)設(shè)有凹槽17，凹槽17內(nèi)設(shè)有密封圈。密封腔體18的中部穿設(shè)有中空的圓柱狀鋼桿，鋼桿的下部穿出密封腔體18的部分為連接出氣端16，密封腔體18的上方密封安裝有彎折狀的頂蓋12，頂蓋12的環(huán)形面上均勻設(shè)置若干篩孔19，頂蓋12上部設(shè)有上部密封擋塊11，上部密封擋塊11外側(cè)設(shè)有格米圈、密封圈和導(dǎo)向帶，格米圈和密封圈對(duì)封缸體內(nèi)的煤樣上端面進(jìn)行二次密封，導(dǎo)向帶能夠使上部密封擋塊11上下移動(dòng)。氣室20為圓筒形結(jié)構(gòu)且氣室20側(cè)面設(shè)有側(cè)室閥門(mén)13。

入口端壓力控制系統(tǒng)包括入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和高壓氣瓶減壓閥，入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和氣室20側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13安裝在三通管的三個(gè)管路上，高壓氣瓶減壓閥連接在入口端壓力控制器所在管路上，氣室20側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13所在的管路上安裝有入口端質(zhì)量流量計(jì)。

出口端壓力控制系統(tǒng)包括出口端質(zhì)量流量計(jì)、出口端氣體壓力控制器和出口端壓力傳感器，連接出氣端16、出口端氣體壓力控制器和壓力傳感器安裝在三通管的三個(gè)管路上，出口端質(zhì)量流量計(jì)安裝在連接出氣端16所在管路上。

真空管路系統(tǒng)包括真空泵，真空泵與入口端壓力控制器管路連接且該管路上安裝有真空泵閥門(mén)。

一種煤巖非線性滲透系數(shù)測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟：

s1：將煤樣試件在軸向應(yīng)變約束下進(jìn)行密封；具體包括以下步驟：

s11：將密封劑涂抹在密封腔體18底部托盤(pán)14的凸臺(tái)和煤樣的上端面；

s12：將煤樣試件放置在涂抹了密封劑的密封腔體18底部托盤(pán)14的凸臺(tái)上，并將頂蓋12與密封腔體18底部托盤(pán)14連接，待密封試劑發(fā)生反應(yīng)，利用螺栓緊固密封腔體18底部托盤(pán)14與頂蓋12的連接法蘭15。密封腔體18結(jié)合密封劑的用途是將煤樣試件在約束軸向應(yīng)變的條件下，使密封腔體18頂蓋12同時(shí)對(duì)煤樣試件實(shí)施環(huán)形應(yīng)變約束；密封腔體18的頂蓋12的環(huán)形周?chē)O(shè)置了均勻的篩孔19，氣室20內(nèi)的氣體可以通過(guò)該篩孔19進(jìn)入煤樣試件內(nèi)部，作為氣體流動(dòng)的通道；所述密封劑為環(huán)氧樹(shù)脂和丙酮混合而成。

s13：將裝有煤樣試件的密封腔體18放入氣室20內(nèi)，并采用螺栓將密封腔體18底部托盤(pán)14法蘭15與氣室20法蘭15相聯(lián)接，并緊固。所述氣室20法蘭15端面刻一定深度和厚度的環(huán)形凹槽17，在該凹槽17內(nèi)放入一環(huán)形橡膠圈作為密封墊圈，螺栓緊固時(shí)，兩法蘭15端面通過(guò)擠壓密封墊圈形成密封環(huán)境，從而隔絕氣室20內(nèi)氣體的泄漏。

s14：將入口氣體壓力控制器數(shù)值調(diào)制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過(guò)管路及三通將入口氣體壓力控制器與壓力傳感器、氣室20側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13相連；

s2：將裝有煤樣試件的氣室20放入恒溫水浴中，保持煤樣試件內(nèi)滲透溫度為預(yù)設(shè)溫度值；所述恒溫水浴箱用于保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤樣內(nèi)氣體滲透的溫度一致。

s3：實(shí)驗(yàn)前，開(kāi)啟真空泵，打開(kāi)真空泵閥門(mén)，對(duì)煤樣進(jìn)行脫氣，用以消除常壓下煤樣吸附空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，時(shí)間為24h。打開(kāi)調(diào)節(jié)流入和流出煤樣試件內(nèi)部的氣體壓力，使測(cè)試氣體在壓差的驅(qū)動(dòng)下于煤樣試件內(nèi)流動(dòng)，使氣體滲透達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量氣體穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)氣體滲透量；以及測(cè)量煤樣試件的入口端壓力值和出口端壓力值；

s4：通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量煤樣試件出口端氣體流量；

所述煤樣試件測(cè)量具體包括以下步驟：

s41：分別將兩個(gè)氣體壓力控制器設(shè)置于氣室20兩端，并通過(guò)三通及管路將入口氣體壓力控制器與壓力傳感器及氣室20側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13相連；通過(guò)三通及管路將出口氣體壓力控制器與質(zhì)量流量計(jì)及壓力傳感器相連

s42：將入口氣體壓力控制器與高壓氣瓶的減壓閥出口和真空泵通過(guò)三通相連，并將裝有煤樣試件的氣室20整體放入恒溫水浴箱內(nèi)，并設(shè)定好實(shí)驗(yàn)溫度；溫度一般取30度。實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)真空泵對(duì)煤樣進(jìn)行脫氣，用以消除常壓下煤樣吸附空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，時(shí)間為24h。

s43：保持氣室20出口側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13關(guān)閉，然后打開(kāi)高壓氣瓶減壓閥開(kāi)關(guān)，使氣體在壓差的驅(qū)動(dòng)下在煤樣試件內(nèi)流動(dòng)，待煤樣試件吸附氣體96h后，打開(kāi)氣室20出口側(cè)面的側(cè)室閥門(mén)13、質(zhì)量流量計(jì)及壓力傳感器電源，待壓力傳感器讀數(shù)的連續(xù)誤差小于5％后，即可認(rèn)為氣體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，讀取質(zhì)量流量計(jì)及進(jìn)口、出口壓力傳感器示數(shù)。

s5：根據(jù)煤樣試件入口端壓力值、出口端壓力值和流速按以下公式來(lái)計(jì)算煤巖非線性滲透系數(shù)：

根據(jù)前期進(jìn)行的不同氣含量下的瓦斯?jié)B透測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到煤巖非線性滲流的數(shù)學(xué)模型為：

式中：k0為煤巖的極限滲透率m/s；μ為氣體粘度pa.s；δp為煤巖兩端的氣體壓力梯度；w為煤巖吸附氣體量m³；μap是表征煤體氣體流動(dòng)孔道特征的參數(shù)，反映了煤體滲透特性隨吸附氣體量改變的敏感性大小。方程(1)的物理意義為：滲流阻力由兩部分組成，第一部分為粘性阻力，它與滲流速度的一次方成正比；第二部分為吸附作用引起的附加阻力，它與煤巖內(nèi)的吸附氣量成正比，宏觀上可以認(rèn)為是增加了氣體的粘性。當(dāng)w＝0，方程(1)即為darcylaw流動(dòng)方程，因此煤巖內(nèi)氣體的流動(dòng)不僅取決于壓差的大小，同時(shí)還受其內(nèi)部吸附氣量的影響。

參考周世寧提出的比流量形式，則有

式中：q為比流量，1大氣壓、t℃時(shí)，1m²面積上流過(guò)的瓦斯流量，m³/(m².d)；a＝μap/μ；λ＝bk0/2μpn，其中b為單位換算系數(shù)，pn為1個(gè)大氣壓。

煤巖非線性滲透系數(shù)的測(cè)試實(shí)質(zhì)就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲取煤樣的參數(shù)α與λ。本方案中的煤樣試件在瓦斯氣體壓力差的驅(qū)動(dòng)下，流出煤樣的瓦斯量為：

式中：q為流出煤樣的瓦斯氣體量，m³/d；m為煤樣試件的高度。

其邊界條件為：

由于吸附量代入式(3)可得：

將式(4)進(jìn)行積分可得：

由式(5)可得：

實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)p1、p2、q以及吸附常數(shù)a、b是直接獲取的。因此，很容易根據(jù)兩個(gè)不同的工況計(jì)算出參數(shù)α與λ的數(shù)值。本方案中采用的是常規(guī)數(shù)值分析中應(yīng)用廣泛的牛頓迭代法，即：將任意兩個(gè)工況下的q代入到式(5)中首先將λ消元，而后建立函數(shù)λ(α)，并對(duì)函數(shù)λ(α)進(jìn)行線性化處理，將函數(shù)λ(α)的近似值αk處進(jìn)行一階taylor展開(kāi)，有：

略去高階無(wú)窮小項(xiàng)有

λ(αk)+λ′(αk)(α-αk)≈0(8)

故有迭代格式

根據(jù)式(10)即可求取參數(shù)α的數(shù)值，相應(yīng)的在獲取α的數(shù)值后，代入任一工況下的式(6)中即可求取相應(yīng)的λ。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。