含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于不同載荷、不同溫度、不同含水率和不同瓦斯壓力的水氣兩 相介質(zhì)條件下的含瓦斯煤滲流實驗技術(shù)，是一種模擬真實煤礦環(huán)境條件的含瓦斯煤水氣兩 相滲流實驗系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤層中瓦斯氣體的吸附-解吸-滲流特性受煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤體物理力學(xué) 性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、地下水和地溫等諸多因素的影響，尤其是隨著煤礦開采深度逐年加深，這 種多因素耦合關(guān)系表現(xiàn)得更加明顯。以往的含瓦斯煤水氣兩相吸附-解吸-滲流實驗系統(tǒng) 都是采用液態(tài)水進(jìn)行實驗，由于液態(tài)水與瓦斯氣體很難均勻混合，無法做到真正意義上的 水氣兩相滲流。
[0003] 國內(nèi)已公開的專利文獻(xiàn)CN201210409446. 0公開了一種受載含瓦斯煤水氣兩相吸 附-解吸-滲流實驗系統(tǒng)和方法，該試驗系統(tǒng)能夠?qū)τ谠诓煌暮愣ㄍ獠考虞d壓力和不同 瓦斯壓力下進(jìn)行含瓦斯煤水氣兩相吸附-解吸-滲流實驗，但是沒有考慮液態(tài)水對煤體的 滲流特性的影響，也沒有考慮溫度對實驗的影響；已公開的專利文獻(xiàn)CN201210283984. X公 開了一種變溫條件下受載含瓦斯煤吸附-解吸-滲流實驗系統(tǒng)，這套試驗裝置功能比較齊 全，既能夠?qū)崿F(xiàn)多種影響因素對含瓦斯煤滲流特性的綜合作用，同時也考慮了溫度對實驗 的影響，取得了較好的進(jìn)展，但是卻仍然沒有克服液態(tài)水對煤體滲流特性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有實驗技術(shù)的不足，提供一種含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng) 和方法，通過改變不同的加載條件、加載路徑和實驗溫度，可以模擬煤礦井下條件，實現(xiàn)含 瓦斯煤水氣兩相的滲流實驗和其他條件下的瓦斯吸附解吸實驗。
[0005] -種含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其包括氣體混合裝置，所述氣體混合裝置 包括順次連接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部設(shè)有集液口；所述混合罐的進(jìn)口分別連 接水蒸氣輸送管路和高壓瓦斯輸送管路；所述吸附罐連接煤樣夾持器的進(jìn)氣口，煤樣夾持 器的出氣口管路通過四通閥分為兩個支路，其中一個支路連接真空泵，另一支路順次連接 水汽計量裝置和氣體流量計。
[0006] 具體來說，所述水蒸氣輸送管路上依次設(shè)有水蒸氣發(fā)生器、減壓閥、壓力表和開 關(guān)；所述高壓瓦斯輸送管路上依次設(shè)有高壓瓦斯罐、第一壓力表、減壓閥、第二壓力表和開 關(guān)；所述混合罐設(shè)有壓力表和溫度計；所述吸附罐設(shè)有壓力表。
[0007] 所述吸附罐與煤樣夾持器進(jìn)氣口之間的管路上依次設(shè)有減壓閥、壓力表和開關(guān)； 所述煤樣夾持器出氣口與四通閥之間的管路上設(shè)有壓力表。
[0008] 所述的水汽計量裝置由精密電子天平和置于精密電子天平上、且裝有干燥劑的密 封管組成。
[0009] 所述水汽計量裝置和氣體流量計分別連接至數(shù)據(jù)實時采集裝置。數(shù)據(jù)實時采集裝 置主要由導(dǎo)線和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，可用于對整個實驗過程的數(shù)據(jù)變化的監(jiān)控和采集。 [0010] 采用上述實驗系統(tǒng)進(jìn)行含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗的方法，其包括如下步驟： 1) 組裝好實驗系統(tǒng)，并檢測實驗系統(tǒng)的密封性； 2) 將準(zhǔn)備好的干燥煤樣裝入煤樣夾持器，并將氣體混合裝置和煤樣夾持器放入恒溫水 浴池中，用以使氣體混合裝置中的氣體及干燥煤樣均保持恒定實驗溫度； 3) 真空脫氣：先對煤樣施加預(yù)定的圍壓和軸壓，然后對氣體混合裝置和煤樣夾持器進(jìn) 行真空脫氣，并維持真空狀態(tài)不低于3h ; 4) 水氣兩相吸附：通過水蒸氣發(fā)生器和高壓瓦斯罐向氣體混合裝置內(nèi)充入水蒸氣和瓦 斯氣體，待氣體混合裝置內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定后，再次對煤樣施加預(yù)定的圍壓和軸壓，然后向 煤樣中充入水蒸氣和瓦斯混合氣體，進(jìn)行煤樣吸附； 5) 水氣兩相滲流：待煤樣吸附平衡后，從煤樣內(nèi)部出來的水蒸氣及瓦斯通過水汽計量 裝置和氣體流量計進(jìn)行兩相滲流實驗； 6) 數(shù)據(jù)采集及處理：當(dāng)氣體流量計的流量穩(wěn)定后，記錄下氣體流量數(shù)據(jù)，同時記錄在水 氣兩相滲流實驗前后精密電子天平測得的液態(tài)水的質(zhì)量變化值；然后將精密電子天平測得 的質(zhì)量變化量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下水蒸氣的氣體體積流量Q 1，氣體流量計測得的瓦斯氣體體 積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下瓦斯氣體體積流量Q2，得到標(biāo)況下的氣體氣體體積流量Qci=Qi +Q2; 利用擬壓法評估含瓦斯煤水氣兩相滲流滲透率大小，具體公式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括氣體混合裝置，所述氣體混 合裝置包括順次連接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部設(shè)有集液口；所述混合罐的進(jìn)口 分別連接水蒸氣輸送管路和高壓瓦斯輸送管路；所述吸附罐連接煤樣夾持器的進(jìn)氣口，煤 樣夾持器的出氣口管路通過四通閥分為兩個支路，其中一個支路連接真空泵，另一支路順 次連接水汽計量裝置和氣體流量計。
2. 如權(quán)利要求1所述含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述水蒸氣輸送 管路上依次設(shè)有水蒸氣發(fā)生器、減壓閥、壓力表和開關(guān)；所述高壓瓦斯輸送管路上依次設(shè)有 高壓瓦斯罐、第一壓力表、減壓閥、第二壓力表和開關(guān)；所述混合罐設(shè)有壓力表和溫度計； 所述吸附罐設(shè)有壓力表。
3. 如權(quán)利要求2所述含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述吸附罐與煤 樣夾持器進(jìn)氣口之間的管路上依次設(shè)有減壓閥、壓力表和開關(guān)；所述煤樣夾持器出氣口與 四通閥之間的管路上設(shè)有壓力表。
4. 如權(quán)利要求3所述含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述水汽計量裝 置由精密電子天平和置于精密電子天平上、且裝有干燥劑的密封管組成。
5. 如權(quán)利要求4所述含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述水汽計量裝 置和氣體流量計分別連接至數(shù)據(jù)實時采集裝置。
6. 采用權(quán)利要求1至4任一所述實驗系統(tǒng)進(jìn)行含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗的方法，其 特征在于，包括如下步驟： 1) 組裝好實驗系統(tǒng)，并檢測實驗系統(tǒng)的密封性； 2) 將準(zhǔn)備好的干燥煤樣裝入煤樣夾持器，并將氣體混合裝置和煤樣夾持器放入恒溫水 浴池中，用以使氣體混合裝置中的氣體及干燥煤樣均保持恒定實驗溫度； 3) 真空脫氣：先對煤樣施加預(yù)定的圍壓和軸壓，然后對氣體混合裝置和煤樣夾持器進(jìn) 行真空脫氣，并維持真空狀態(tài)不低于3h ; 4) 水氣兩相吸附：通過水蒸氣發(fā)生器和高壓瓦斯罐向氣體混合裝置內(nèi)充入水蒸氣和瓦 斯氣體，待氣體混合裝置內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定后，再次對煤樣施加預(yù)定的圍壓和軸壓，然后向 煤樣中充入水蒸氣和瓦斯混合氣體，進(jìn)行煤樣吸附； 5) 水氣兩相滲流：待煤樣吸附平衡后，從煤樣內(nèi)部出來的水蒸氣及瓦斯通過水汽計量 裝置和氣體流量計進(jìn)行兩相滲流實驗； 6) 數(shù)據(jù)采集及處理：當(dāng)氣體流量計的流量穩(wěn)定后，記錄下氣體流量數(shù)據(jù)，同時記錄在水 氣兩相滲流實驗前后精密電子天平測得的液態(tài)水的質(zhì)量變化值；然后將精密電子天平測得 的質(zhì)量變化量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下水蒸氣的氣體體積流量Q 1，氣體流量計測得的瓦斯氣體體 積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下瓦斯氣體體積流量Q2，得到標(biāo)況下的氣體氣體體積流量Qci=Qi +Q2; 利用擬壓法評估含瓦斯煤水氣兩相滲流滲透率大小，具體公式如下：
式中：Kg為滲透率；Qtl為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積流量；P和f分別為平均氣體動力黏度 和平均壓縮因子；L為多孔介質(zhì)滲流長度；A為多孔介質(zhì)橫截面積；Ptl為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體 壓力；P iS進(jìn)氣端壓力；Pe為出氣端壓力；τ為實驗環(huán)境絕對溫度；τ ^為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對溫 度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含瓦斯煤水氣兩相滲流實驗系統(tǒng)和方法，該實驗系統(tǒng)主要包括氣體混合裝置，所述氣體混合裝置包括順次連接的混合罐和吸附罐，所述混合罐底部設(shè)有集液口；所述混合罐的出口分別連接水蒸氣輸送管路和高壓瓦斯輸送管路；所述吸附罐連接煤樣夾持器的進(jìn)氣口，煤樣夾持器的出氣口管路通過四通閥分為兩個支路，其中一個支路連接真空泵，另一支路順次連接水汽計量裝置和氣體流量計。該實驗系統(tǒng)首次采用水蒸氣和瓦斯氣體相協(xié)同運動，實現(xiàn)含瓦斯煤中水氣兩相的滲透行為，同時通過數(shù)據(jù)實時連續(xù)采集裝置準(zhǔn)確觀測到含瓦斯煤的滲透率以及其含水率等的變化趨勢，具有操作簡便、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點；克服了液態(tài)水與瓦斯氣體難以直接混合的不足。
【IPC分類】G01N15-08, G01N5-02
【公開號】CN104729948
【申請?zhí)枴緾N201510113407
【發(fā)明人】王登科, 魏建平, 付啟超, 劉勇, 姚邦華, 夏玉玲
【申請人】河南理工大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月16日