CN102830213B - 变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设三轴压力室，三轴压力室内设煤室，煤室内安装煤样，煤样上贴有应变片，应变片与动态应变仪连接，煤室一端开口并在开口内设有压头，压头与压力装置连接；煤室连通有真空管路以及高压瓦斯管路，煤室与三轴压力室之间的腔室连通有用于输送液压油的围压管路。本发明是一种结构简单、操作方便、设计合理、实验精度高、价格低廉的受载含瓦斯煤在变温条件下的吸附-解吸-渗流实验系统。

Description

变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采过程中受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流规律的实验研究技术，是一种适用于变温条件下含瓦斯煤的吸附-解吸-渗流实验系统。

背景技术

在煤矿开采过程中，煤体与瓦斯气体之间存在着十分复杂的互动关系，瓦斯在煤体中的运移受瓦斯吸附解析、瓦斯压力、地应力状态、地下水、地温、煤体结构等等诸多因素的制约，煤体变形与瓦斯运移之间表现出强烈的多因素动态耦合关系。煤矿瓦斯事故，特别是煤与瓦斯突出，便是这些因素耦合作用后在特定条件下的一种外在反映与表现。随着我国煤矿开采深度不断的增加，煤体处于更为复杂的赋存环境（高地应力、高地温、高渗透压），加之强烈的采动影响和时间效应，致使深部煤岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生很大变化，煤体与瓦斯之间的吸附、解吸、渗流、变形规律及其之间的相互作用只会变得更加错综复杂。在煤层开采实际中，所有煤层瓦斯的吸附、解析和运移过程都是在一定的载荷条件下发生的，深部开采更是如此。因此研究受载条件下的煤层瓦斯吸附-解析特征及运移规律，对解释煤矿瓦斯灾害的发生和指导煤矿安全生产更具针对性和实效性。

在我国，很多专家学者对含瓦斯煤的吸附、解析、运移特性及规律做了大量深入细致的科研工作，但是还存在以下不足：

（1）没有对温控、加载过程、吸附-解析影响、煤样变形等因素进行综合考虑，并做较为完善的整体设计。

（2）所加载荷（包括围压、轴向压力、孔隙压力等）范围较小，无法表征深部开采条件下的载荷特征，不能满足对受载含瓦斯煤深入研究的科研需求。

（3）很难做到长期加载，导致实验载荷不够稳定。

（4）由于密封方法和技术的问题，很多实验装置气密性不够好，常常出现漏气、漏油现象，导致实验载荷条件不稳定，致使结果不够准确，很难反映特定实验载荷条件下含瓦斯煤的真实特征。

（5）煤样的充气方式很难完全保证瓦斯气体以面充气的方式均匀地流经煤样。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、设计合理、实验精度高、价格低廉的受载含瓦斯煤在变温条件下的吸附-解吸-渗流实验系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设三轴压力室，三轴压力室内设煤室，煤室内安装煤样，煤样上贴有应变片，应变片与动态应变仪连接，煤室一端开口并在开口内设有压头，压头与压力装置连接；煤室连通有真空管路以及高压瓦斯管路，煤室与三轴压力室之间的腔室连通有用于输送液压油的围压管路。

所述煤室包括煤室底座和热缩管，煤室底座与压头上下相对，热缩管两端分别包裹在压头的底端外圈与煤室底座的顶端外圈。

环绕煤样的周圈设有1mm-2mm的硅橡胶层。

三轴压力室密闭设置，压头在三轴压力室顶板上插接。

所述压力装置为三轴压力室上侧固定连接的反力架，反力架液压缸的液压杆向下伸出并连接压头，液压杆与压头之间设有位移传感器和应力传感器，反力架设有吊环。

所述围压管路包括连接在三轴压力室的进油管和排油管，进油管上依次连接油压表、油压调节阀、第一围压开关阀和液压泵站，排油管上设有第二围压开关阀；三轴压力室的顶端连接有设置开关阀的排空管。

所述真空管路与高压瓦斯管路通过三通阀连接一进气管路，进气管路端部通过压头设置的进气通道接入煤室顶端，煤室底座设有排气通道，三轴压力室底板设有与排气通道连接的中间孔，中间孔的外端口连接有用于排气的出气管路。

所述高压瓦斯管路上设有高压瓦斯罐，三通阀至高压瓦斯管之间的高压瓦斯管路上依次设有开关阀、气压表、气压调节阀、减压阀和开关阀。

所述真空管路设有真空泵，三通阀至真空泵之间的真空管路上依次设有真空计和开关阀。

进气通道至三通阀之间的进气管路上依次设有气体质量流量计和开关阀，出气管路上也设有气体流量计和开关阀。

本发明所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，通过压头压力加载、围压加载、高压瓦斯压力供给、温度控制、抽真空管路、动态应变仪测试，能够对含瓦斯煤在不同载荷和不同温度条件下进行含瓦斯煤的吸附-解吸-渗流实验。该套实验系统和方法可以用于：（1）对比研究含瓦斯煤在受载条件下与非受载条件下、变温条件下和恒温条件下的吸附-解吸特性；（2）研究含瓦斯煤在不同载荷和不同温度作用下的吸附-解吸过程，吸附常数和吸附-解吸量随载荷及温度的变化规律；（3）研究在加载条件下，由于含瓦斯煤破坏所导致的吸附解吸特性变化；（4）研究含瓦斯煤在不同载荷和不同温度条件下的渗流特性，研究含瓦斯煤在热气固耦合条件下的渗流规律；（5）研究含瓦斯煤吸附膨胀变形受外载荷和温度的影响特性及规律。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

由图1所示的一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，包括用于盛装恒温水浴的池体17，池体17内设三轴压力室1，三轴压力室1内设煤室。

三轴压力室1为密闭设置，包括上下正对的顶板2、底板3以及在顶、底板2、3之间围设的侧板，三轴压力室1顶板2上插接有竖直的柱状压头8，压头8的底端位于三轴压力室1内，压头8顶端向上伸出三轴压力室1外。所述煤室由煤室底座9和竖直的热缩管7构成，煤室底座9固设于三轴压力室1底板3上侧，煤室底座9与压头8上下相对，热缩管7上、下两端分别包裹在压头8的底端外圈与煤室底座9的顶端外圈，即压头8位于煤室顶端开口内。煤室内安装煤样6，环绕煤样6的周圈设有1mm-2mm的硅橡胶层，煤样6上贴有应变片45，应变片45与动态应变仪46连接。

压头8与压力装置连接，所述压力装置为三轴压力室1上侧固定连接的反力架19，反力架19的液压缸18的液压杆向下伸出并连接压头8顶端，液压杆与压头8之间设有位移传感器15和应力传感器16，反力架19顶端设有吊环20。所述反力架19的液压缸18通过依次设置反力架油压表27、反力架油压调节阀24和反力架开关阀31的管路连接液压泵站22。反力架19为现有技术，故不详细叙述。

煤室通过一进气管路12连通有真空管路5以及高压瓦斯管路4，进气管路12端部设有三通阀40，并且进气管路12通过三通阀40分别连接真空管路5与高压瓦斯管路4，所述高压瓦斯管路4上设有高压瓦斯罐42，三通阀40至高压瓦斯管之间的高压瓦斯管路4上依次设有第一瓦斯开关阀33、气压表28、气压调节阀25、减压阀39和第二瓦斯开关阀32。所述真空管路5设有真空泵41，三通阀40至真空泵41之间的真空管路5上依次设有真空计29和开关阀34。进气管路12端部通过压头8设置的进气通道接入煤室顶端，进气通道至三通阀40之间的进气管路12上依次设有气体质量流量计43和开关阀35；煤室底座9设有排气通道，三轴压力室1的底板3上设有与排气通道连接的中间孔，中间孔的外端口连接有用于排气的出气管路13。出气管路13上设有气体流量计44和开关阀38。

煤室与三轴压力室1之间的空腔连通有用于输送液压油的围压管路，所述围压管路包括连接在三轴压力室1的进油管10和排油管11，三轴压力室1的底板3上开设有两油道，进油管10和排油管11分别连接在两油道的外端口，两油道的内端口分别朝向三轴压力室1的室内空腔。所述进油管10上依次连接油压表26、油压调节阀23、第一围压开关阀30、并最后接入液压泵站21。排油管11上设有第二围压开关阀37；三轴压力室1的顶板2连接有设置开关阀36的排空管14。

受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验具体实施过程如下：

（1）取一实验煤样6，将应变片45对称贴于煤样6表面，并焊接好漆包丝，然后再在煤样6表面抹一层1～2mm厚的硅橡胶层。

（2）打开三轴压力室1的顶板2，将抹好硅橡胶层的煤样6小心地放在煤室底座9上。

（3）割取一段长30cm左右的热缩管7套在煤样6外面，再在煤样6上端面放上压头8。用热吹风对热缩管7均匀加热，使得热缩管7紧紧箍住煤样6表面，同时保证漆包丝的接头能够伸出热缩管7的外部。

（4）取两个金属箍，将热缩管7的上下端分别固定在压头8和煤室底座9上，然后用少量硅橡胶将热缩管7与压头8和煤室底座9之间的空隙填实，并将漆包丝的接头与连接在动态应变仪46上的导线用电烙铁焊接好。待硅橡胶干透后，将三轴压力室1的顶板2安装在三轴压力室1侧板上，并紧好螺丝。

（5）安装好位移传感器15、应力传感器16，并通过螺丝将反力架19安装在三轴压力室1的顶板2上。然后利用提升装置通过吊环20，将三轴压力室1放入恒温水浴的池体17中，连接好所有气路和油路，并关闭所有开关阀门。

（6）将恒温水浴的温度调至实验预设值，打开第一围压开关阀30、反力架开关阀31，利用轴压加载装置——压力装置及压头8和围压加载装置——围压管路将轴压和围压加至预定值。

（7）将三通阀40与真空泵41回路连通，打开开关阀35、34，检查好回路的气密性之后，启动真空泵41，开始对煤样6进行抽真空，并保持10h以上。真空度达到要求后，依次关闭开关阀35、34，最后关闭真空泵41。

（8）将三通阀40与高压瓦斯回路4连通，先打开第二瓦斯开关阀32和减压阀39，利用气压调节阀25，结合气压表28，将瓦斯压力调至实验预定值。然后依次打开第一瓦斯开关阀33、开关阀35，对煤样6进行吸附实验，同时打开动态应变仪46记录煤样6的变形情况，利用气体质量流量计记录瓦斯流量，并保持煤样6吸附时间不少于24h。

（9）待煤样6达到吸附平衡后，关闭开关阀35，然后打开开关阀38，开始瓦斯解吸实验，利用气体质量流量计记录解吸瓦斯流量。

（10）重复上述步骤（1）～（9），通过改变载荷参数，进行各种实验条件下的受载含瓦斯煤的吸附-解吸特性实验。

（11）在完成上述步骤（1）～（9）之后，打开开关阀35，接通高压瓦斯罐42，让瓦斯气体以恒定的压力大小均匀通过煤样6，开始瓦斯渗流实验，待到气体质量流量计43、气体流量计44的读数相对稳定之后开始记录流量数据。

（12）重复步骤（1）～（11），通过改变载荷参数便可实现各种载荷条件下的含瓦斯煤渗流特性实验。

（13）实验结束后，先关闭高压瓦斯罐42，再依次关闭液压泵站21、22，打开开关37，让三轴压力室1中的液压油回流至油箱内。然后将三轴压力室1提至恒温水浴之外，打开三轴压力室顶板2，取出煤样6，将实验系统清洗干净后关闭所有未关闭的开关及电源。

Claims (10)

1. 一种变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：包括用于盛装恒温水浴的池体，池体内设三轴压力室，三轴压力室内设煤室，煤室内安装煤样，煤样上贴有应变片，应变片与动态应变仪连接，煤室一端开口并在开口内设有压头，压头与压力装置连接；煤室连通有真空管路以及高压瓦斯管路，煤室与三轴压力室之间的腔室连通有用于输送液压油的围压管路。

2. 如权利要求1所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述煤室包括煤室底座和热缩管，煤室底座与压头上下相对，热缩管两端分别包裹在压头的底端外圈与煤室底座的顶端外圈。

3. 如权利要求1或2所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：环绕煤样的周圈设有1mm-2mm的硅橡胶层。

4. 如权利要求3所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：三轴压力室密闭设置，压头在三轴压力室顶板上插接。

5. 如权利要求4所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述压力装置为三轴压力室上侧固定连接的反力架，反力架液压缸的液压杆向下伸出并连接压头，液压杆与压头之间设有位移传感器和应力传感器，反力架设有吊环。

6. 如权利要求5所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述围压管路包括连接在三轴压力室的进油管和排油管，进油管上依次连接油压表、油压调节阀、第一围压开关阀和液压泵站，排油管上设有第二围压开关阀；三轴压力室的顶端连接有设置开关阀的排空管。

7. 如权利要求6所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述真空管路与高压瓦斯管路通过三通阀连接一进气管路，进气管路端部通过压头设置的进气通道接入煤室顶端，煤室底座设有排气通道，三轴压力室底板设有与排气通道连接的中间孔，中间孔的外端口连接有用于排气的出气管路。

8. 如权利要求7所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述高压瓦斯管路上设有高压瓦斯罐，三通阀至高压瓦斯管之间的高压瓦斯管路上依次设有开关阀、气压表、气压调节阀、减压阀和开关阀。

9. 如权利要求8所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：所述真空管路设有真空泵，三通阀至真空泵之间的真空管路上依次设有真空计和开关阀。

10.如权利要求9所述的变温条件下受载含瓦斯煤吸附-解吸-渗流实验系统，其特征在于：进气通道至三通阀之间的进气管路上依次设有气体质量流量计和开关阀，出气管路上也设有气体流量计和开关阀。