CN102901803B - 受载含瓦斯煤不同含水率吸附-解吸实验的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受载含瓦斯煤水气两相吸附-解吸-渗流实验***和方法,受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***包括压力加载部分，压力加载部分包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设参考罐和煤样夹持器，参考罐的进气口连接高压瓦斯输送管路，参考罐的出气口通过连接管路连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持器的出气口连接水气分离装置。受载含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法是在上述实验***的基础上进行的实验方法，本发明通过改变不同的加载条件、加载路径和实验温度，可实现受载含瓦斯煤在不同固气热耦合条件下的吸附解吸实验和瓦斯渗流实验、也可以实现水气两相的渗流实验和不同含水率条件下的瓦斯吸附解吸实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于不同载荷、不同温度、不同含水率和水气两相介质条件下的含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验研究技术，是一种受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***和方法。
背景技术
煤层中瓦斯气体的吸附-解吸-渗流特性受瓦斯压力、地应力、地下水、地温、煤体结构、受力状态等诸多因素的影响，尤其是随着我国煤矿日益进入深部开采，这种多因素耦合关系表现得更加明显。以往的吸附-解吸实验***和渗流实验***基本上是分开来的，而且对影响因素考虑得不是很全面。
发明内容
本发明的目的是克服现有实验技术的不足，提供一种受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***和方法，通过改变不同的加载条件、加载路径和实验温度，可以实现受载含瓦斯煤在不同固气热耦合条件下的吸附解吸实验和瓦斯渗流实验、也可以实现水气两相的渗流实验和不同含水率条件下的瓦斯吸附解吸实验的***和方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，包括压力加载部分，压力加载部分包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设参考罐和煤样夹持器，参考罐的进气口连接高压瓦斯输送管路，参考罐的出气口通过连接管路连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持器的出气口连接水气分离装置。
受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***还包括煤样制作装置，煤样制作装置包括顶部设有抽气口的煤样罐，煤样罐的抽气口连接抽真空管路。
所述水气分离装置为水气分离器，水气分离器的出气口连接瓦斯计量装置,水气分离器的排液口连接液体计量装置。
所述高压瓦斯输送管路上依次设有高压瓦斯罐、第一减压阀、第一压力表和开关阀；参考罐的出气口与煤样夹持器进气口之间的连接管路上也依次设有第二压力表、开关阀、第二减压阀、第三压力表以及开关阀。
采用上述实验***进行受载含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法，包括如下步骤：（一）先制备受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，（二）取一初始煤样，将初始煤样放入煤样罐内，煤样罐内装入至少没过初始煤样的水，水面低于抽气口，然后通过抽真空管路对煤样罐抽真空，将初始煤样制成含有饱和水的含水煤样，（三）从煤样罐中取出含水煤样并装入煤样夹持器，通过高压瓦斯输送管路向参考罐内输入一定压力的瓦斯气体，将池体内充满恒温水浴，将参考罐和煤样夹持器一起置于池体内设置的恒温水浴中，使参考罐中的瓦斯气体温度和含水煤样温度均达到实验温度，（四）通过煤样夹持器对含水煤样加载围压和/或轴压并稳压，（五）参考罐通过连接管路向含水煤样内部充入一定压力大小的瓦斯气体，开始进行含瓦斯煤水气两相渗流过程，（六）从含水煤样内部出来的水以及瓦斯气体通过水气分离器后，分别通过瓦斯计量装置和液体计量装置计量瓦斯流量和水流量。
在含水煤样装入煤样夹持器前，先计算出含水煤样的孔隙度。
采用上述实验***进行受载含瓦斯煤不同含水率吸附-解吸实验的方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）先制备受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，（二）取一初始煤样，取一初始煤样，将初始煤样放入煤样罐内，煤样罐内装入至少没过初始煤样的水，水面低于抽气口，然后通过抽真空管路对煤样罐抽真空，将初始煤样制成含有饱和水的含水煤样，（三）将含水煤样装入煤样夹持器并对含水煤样施加一定大小的围压，再利用参考罐中的瓦斯气体通过连接管路去驱替含水煤样中的水分，然后卸掉围压，从煤样夹持器中取出含水煤样，并计算含水煤样的含水率，再次将含水煤样装入煤样夹持器，通过高压瓦斯输送管路向参考罐内输入一定压力的瓦斯气体，将池体内充满恒温水浴，这样参考罐和煤样夹持器一起置于池体内设置的恒温水浴中，使参考罐中的瓦斯气体温度和含水煤样温度均达到实验温度，（四）通过煤样夹持器对含水煤样加载围压和/或轴压并稳压，（五）参考罐通过连接管路向含水煤样内充入瓦斯气体，开始受载含瓦斯煤的吸附过程，含水煤样吸附瓦斯不小于12小时，（六）待煤样吸附平衡之后，从含水煤样内部出来的瓦斯以及蒸馏水通过水气分离器，开始进行受载含瓦斯煤的解析实验过程，瓦斯解吸量通过计量瓶来计量。
本发明所述的受载含瓦斯煤不同含水率吸附-解吸实验的方法，既考虑了瓦斯气体的吸附解吸作用，又考虑了瓦斯的渗流过程，能同时考虑不同温度、不同受力状态、不同加载路径、单相介质、水气两相介质和不同含水率等条件下的综合影响，通过数据处理可以得到各种组合实验条件下的实验曲线。而且，通过恒温水浴和参考罐可以提供恒定不变的实验温度环境；通过加入蒸馏水，可以实现水气两相吸附-解吸-渗流实验，也可以实现不同含水率条件下的吸附-解吸实验，增加了***的实验功能；通过轴向加载装置，实现了对煤样施加轴向载荷，随着轴向压力的增加，可以用于考察煤样内部的微裂纹扩展和破坏对瓦斯吸附-解吸特性的影响，这是其他多数实验***和设备无法具备的实验功能；计量装置能够准确检测和计量各种实验参数大小，以确保原始数据的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是煤样制作装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
由图1和图2所示的受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，包括压力加载部分和煤样制作装置。
压力加载部分包括用于盛装恒温水浴4A的池体4，池体4内设参考罐5和煤样夹持器6，参考罐5为密闭设置且设有进气口和出气口，参考罐5的进气口连接高压瓦斯输送管路7，高压瓦斯输送管路7上依次设有高压瓦斯罐1、第一减压阀2、第一压力表14和开关阀20，高压瓦斯罐1的高压瓦斯气体可输入参考罐5内，并分别通过第一减压阀2、第一压力表14和开关阀20实现高压瓦斯输送管路7减压、测压和开关，其中高压瓦斯罐1的出口处还自带有开关阀19；参考罐5的出气口通过连接管路8连接煤样夹持器6的进气口，从参考罐5至煤样夹持器6之间的连接管路8上依次设有第二压力表15、开关阀21、第二减压阀3、第三压力表16以及开关阀22，第二压力表15、第三压力表16用以测量从参考罐5出来的瓦斯气体降压前后的瓦斯压力值，开关阀21、22用以开关整个连接管路8的开关，煤样夹持器6的出气口通过管道11连接水气分离装置，管道11上设有开关阀25以控制管道11的开关。水气分离装置为水气分离器9，水气分离器9的出气口18通过第一连接管23连接瓦斯计量装置,瓦斯计量装置为皂沫流量计10，水气分离器9的排液口17通过第二连接管24连接液体计量装置，液体计量装置为计量瓶12，计量瓶12的顶口连接第二连接管24，计量瓶12的底口通过管子接入集液杯13。其中煤样夹持器6可夹持、固定密封煤样并连接围压计量泵或者轴压计量泵，可对煤样实施围压或者轴压，也可称为煤层岩心夹持器、三轴应力煤心夹持器或者直接使用专利号为ZL201020128142.3，名称为“多功能真三轴应力煤心夹持器”也可，此处为现有技术，故不详细叙述。
煤样制作装置包括顶部设有抽气口32的煤样罐26，煤样罐26由罐体和密封于罐体顶口的密封盖构成，煤样罐26材质为有机玻璃，抽气口32设置于密封盖的顶端，煤样罐26的抽气口32连接抽真空管路33，抽真空管路33依次设有真空泵31、开关阀30和缓冲容器29，真空泵31用于抽真空，开关阀30以控制抽真空管路33的开关，缓冲容器29起到缓存作用。
将煤样罐26内置煤样以及蒸馏水，煤样制作装置可对煤样抽真空饱和水，即用于对煤样进行抽真空并饱和蒸馏水，使煤样内既吸附水分又无气体存在；水气分离装置用于对从煤样夹持器6上煤样出来的蒸馏水和瓦斯气体进行分离；池体4用于盛装恒温水浴4A并与其他配套温控仪器组成温控装置，为实验提供恒定的温度环境，确保实验数据的准确性。
本发明所述的受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，可通过计量实验过程中的瓦斯压力大小、围压大小、轴压大小、温度大小、水流量大小、瓦斯气体流量大小等实验数据，记录并监测实验过程中的重要数据，为实验分析提供准确真实的原始数据。
本发明提供的实验***能实现如下主要实验功能：
（1）受载含瓦斯煤吸附-解吸实验；
（2）受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验；
（3）受载含瓦斯煤水气两相渗流实验；
（4）不同含水率受载含瓦斯煤的吸附-解吸实验。
实施例2：
由图1和图2所示的受载含瓦斯煤水气两相渗流实验方法，包括如下步骤：
（一）先制备如实施例1所述的受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，连接所有管路并关闭所有开关阀。
（二）取一初始煤样，煤样尺寸在Φ50×100mm左右，置于精密电子天平上称重，计初始煤样的初始重量为m0，将初始煤样放入煤样罐26内，向煤样罐26内装入至少没过初始煤样顶面的蒸馏水28，蒸馏水28水面低于抽气口32，然后将抽真空管路33连接煤样罐26的抽气口32，检查煤样罐26以及抽真空管路33的气密性后，通过抽真空管路33对煤样罐26抽真空，进行抽真空饱和水过程并将该过程持续三小时，将初始煤样制成含有饱和水但不含气体的含水煤样27，抽真空饱和水过程完成后，将煤样罐26中的蒸馏水倒出，小心取出含水煤样27，并对含水煤样27称重计为m1，然后根据下式计算含水煤样27的孔隙体积：
（1）
式中：vs为含水煤样27的孔隙体积；ρw为蒸馏水的密度。
知道含水煤样27的孔隙体积后，含水煤样27的孔隙度用下式计算得到。
（2）
式中：v为含水煤样27的总体积。
（三）从煤样罐26中取出含水煤样27并装入煤样夹持器6，打开开关阀19、20，通过高压瓦斯输送管路7从高压瓦斯罐1向参考罐5内输入一定压力的瓦斯气体，瓦斯压力大小通过第一减压阀2来调整，将池体4内充满恒温水浴4A，将参考罐5和煤样夹持器6一起置于池体4内设置的恒温水浴4A中，使参考罐5内的瓦斯气体温度和含水煤样27温度均达到恒温水浴所设定的实验温度。
（四）关闭开关阀19、20，通过煤样夹持器6对含水煤样27加载一定大小的围压并稳压，待围压稳定后，再对含水煤样27加载一定大小的轴压并稳压。当然，本发明不拘泥于上述形式，也可根据实验方式和目的，单独施加围压或者轴压，压力的大小均可由煤样夹持器6设定以及显示，并且围压、轴压的施加先后顺序据情况定。
（五）待含水煤样27的轴压稳定后，打开开关阀21、22、25，参考罐5通过连接管路8向含水煤样27内部充入一定压力大小的瓦斯气体，开始进行含瓦斯煤水气两相渗流过程，瓦斯压力的大小可通过第二减压阀3来调整。
（六）从含水煤样27内部出来的蒸馏水以及瓦斯气体通过水气分离器9后，分别通过瓦斯计量装置的皂沫流量计10和液体计量装置的计量瓶12计量瓦斯流量和水流量。
（七）当一种实验条件下的水气两相渗流结束之后，可以通过改变实验温度、围压、轴压和瓦斯压力大小来改变实验条件，从而可以得出受载含瓦斯煤在各种不同实验条件下的水气两相渗流特性及其规律。
实施例3：
由图1和图2所示的受载含瓦斯煤不同含水率吸附-解吸实验方法，包括如下步骤：（一）先制备如实施例1所述的受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，连接所有管路并关闭所有开关阀。
（二）置于精密电子天平上称重，计初始煤样的初始重量为m0，将初始煤样放入煤样罐26内，向煤样罐26内装入至少没过初始煤样顶面的蒸馏水28，蒸馏水28水面低于抽气口32，然后将抽真空管路33连接煤样罐26的抽气口32，检查煤样罐26以及抽真空管路33的气密性后，通过抽真空管路33对煤样罐26抽真空，进行抽真空饱和水过程并将该过程持续三小时，将初始煤样制成含有饱和水但不含气体的含水煤样27，抽真空饱和水过程完成后，将煤样罐26中的蒸馏水倒出，小心取出含水煤样27。含水煤样27可制成含水率不同的多块。
（三）将含水煤样27装入煤样夹持器6并对含水煤样27施加一定大小的围压，再利用参考罐5中的瓦斯气体通过连接管路8去驱替含水煤样27中的水分，然后卸掉围压，从煤样夹持器6中取出含水煤样27，并称重m1，含水煤样27的含水率便可以通过下式计算得到：
（3）
含水率大小可以通过驱替的水量来确定。
再将含水煤样27装入煤样夹持器6，打开开关阀19、20，通过高压瓦斯输送管路7从高压瓦斯罐1向参考罐5内输入一定压力的瓦斯气体，瓦斯压力大小通过第一减压阀2来调整，将池体4内充满恒温水浴4A，使参考罐5和煤样夹持器6一起置于池体4内设置的恒温水浴4A中，使参考罐5中的瓦斯气体温度和含水煤样27温度均达到实验温度。
（四）关闭开关阀19、20，通过煤样夹持器6对含水煤样27加载一定大小的围压并稳压，待围压稳定后，再对含水煤样27加载一定大小的轴压并稳压。当然，本发明不拘泥于上述形式，也可根据实验方式和目的，单独施加围压或者轴压，压力的大小均可由煤样夹持器6设定以及显示，并且围压、轴压的施加先后顺序据情况定。
（五）待含水煤样27的轴压稳定后，打开开关阀21、22，利用参考罐5通过连接管路8向含水煤样27内部充入一定压力大小的瓦斯气体，开始受载含瓦斯煤的吸附过程，含水煤样27吸附瓦斯不小于12小时，吸附量通过参考罐5的瓦斯压力降低值计算得到，即第二压力表15和第三压力表16的差值得到。
（六）待煤样吸附平衡之后，关闭开关阀22，打开开关阀25，从含水煤样27内部出来的瓦斯以及蒸馏水通过水气分离器9，开始进行受载含瓦斯煤的解析实验过程，瓦斯解吸量通过计量瓶12来计量。
（七）当一种含水率的受载含瓦斯煤的吸附解吸实验完成后，可以通过改变实验温度、围压、轴压和瓦斯压力的大小来改变实验条件，从而可以得出不同含水率受载含瓦斯煤在各种不同实验条件下的吸附解吸特性及其规律。
Claims (3)
1.受载含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）先制备受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，该***包括压力加载部分，压力加载部分包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设参考罐和煤样夹持器，参考罐的进气口连接高压瓦斯输送管路，参考罐的出气口通过连接管路连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持器的出气口连接水气分离装置，受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***还包括煤样制作装置，煤样制作装置包括顶部设有抽气口的煤样罐，煤样罐的抽气口连接抽真空管路，所述水气分离装置为水气分离器，水气分离器的出气口连接瓦斯计量装置,水气分离器的排液口连接液体计量装置，（二）取一初始煤样，将初始煤样放入煤样罐内，煤样罐内装入至少没过初始煤样的水，水面低于抽气口，然后通过抽真空管路对煤样罐抽真空，将初始煤样制成含有饱和水的含水煤样，（三）从煤样罐中取出含水煤样并装入煤样夹持器，通过高压瓦斯输送管路向参考罐内输入一定压力的瓦斯气体，将池体内充满恒温水浴，将参考罐和煤样夹持器一起置于池体内设置的恒温水浴中，使参考罐中的瓦斯气体温度和含水煤样温度均达到实验温度，（四）通过煤样夹持器对含水煤样加载围压和/或轴压并稳压，（五）参考罐通过连接管路向含水煤样内部充入一定压力大小的瓦斯气体，开始进行含瓦斯煤水气两相渗流过程，（六）从含水煤样内部出来的水以及瓦斯气体通过水气分离器后，分别通过瓦斯计量装置和液体计量装置计量瓦斯流量和水流量。
2.如权利要求1所述的受载含瓦斯煤水气两相渗流实验的方法，其特征在于：在含水煤样装入煤样夹持器前，先计算出含水煤样的孔隙度。
3.受载含瓦斯煤不同含水率吸附-解吸实验的方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）先制备受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***，该***包括压力加载部分，压力加载部分包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设参考罐和煤样夹持器，参考罐的进气口连接高压瓦斯输送管路，参考罐的出气口通过连接管路连接煤样夹持器的进气口，煤样夹持器的出气口连接水气分离装置，受载含瓦斯煤水气两相变温吸附-解吸-渗流实验***还包括煤样制作装置，煤样制作装置包括顶部设有抽气口的煤样罐，煤样罐的抽气口连接抽真空管路，所述水气分离装置为水气分离器，水气分离器的出气口连接瓦斯计量装置,水气分离器的排液口连接液体计量装置，（二）取一初始煤样，取一初始煤样，将初始煤样放入煤样罐内，煤样罐内装入至少没过初始煤样的水，水面低于抽气口，然后通过抽真空管路对煤样罐抽真空，将初始煤样制成含有饱和水的含水煤样，（三）将含水煤样装入煤样夹持器并对含水煤样施加一定大小的围压，再利用参考罐中的瓦斯气体通过连接管路去驱替含水煤样中的水分，然后卸掉围压，从煤样夹持器中取出含水煤样，并计算含水煤样的含水率，再次将含水煤样装入煤样夹持器，通过高压瓦斯输送管路向参考罐内输入一定压力的瓦斯气体，将池体内充满恒温水浴，这样参考罐和煤样夹持器一起置于池体内设置的恒温水浴中，使参考罐中的瓦斯气体温度和含水煤样温度均达到实验温度，（四）通过煤样夹持器对含水煤样加载围压和/或轴压并稳压，（五）参考罐通过连接管路向含水煤样内充入瓦斯气体，开始受载含瓦斯煤的吸附过程，含水煤样吸附瓦斯不小于12小时，（六）待煤样吸附平衡之后，从含水煤样内部出来的瓦斯以及蒸馏水通过水气分离器，开始进行受载含瓦斯煤的解析实验过程，瓦斯解吸量通过计量瓶来计量。
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