CN103033125B - 煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，包括高压吸附解吸罐、气体控制系统和变形测试系统，高压吸附解吸罐包括罐体和设置在罐体上方的顶盖；罐体和顶盖通过紧固卡箍扣合；顶盖包括一体的基部和接口安装部；接口安装部穿出紧固卡箍；接口安装部上设置有与罐体内腔连通的气体接口、气体压力传感器接口和应力应变测量接口；气体控制系统包括高压蓄气瓶；高压蓄气瓶的出口端连接有第二气体压力传感器；第二气体压力传感器与第六针型阀连接；第六针型阀与气体接口连接；高压蓄气瓶的进口端与四通接头连接；所述变形测试系统包括彼此连接的电阻应变片、电阻应变仪、综合处理终端和压力采集卡。本发明操作简单，测试结果的准确性高。

Description

煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置

技术领域

本发明涉及一种试验测试装置和测试方法，特别是涉及一种用于测量煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中煤体变形量的测试装置和方法。

背景技术

煤与瓦斯相互作用机制是瓦斯灾害防治领域研究的基础科学问题，其不仅对探究矿井煤岩瓦斯动力灾害机理具有重要的指导作用，同时也为煤层瓦斯的抽采或煤层气开发提供重要的技术支撑。矿井瓦斯生成于煤的变质阶段，主要以吸附于微孔隙表面以及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存。煤体-围岩体系在瓦斯压力与岩体应力共同作用下处于相对静止的平衡状态。当井工采矿活动进入煤层及其围岩中，这种平衡状态受到扰动，导致煤岩体应力场重新分布与煤岩层中瓦斯的重新运移。在平衡状态改变过程中，煤体的微细观结构变化除了受到围岩应力的作用外，还很大程度上还受到游离态瓦斯产生的孔隙气体压力和吸附态瓦斯产生的煤体膨胀变形的影响。大量的实际现象和试验结果已经表明，这种由于气体吸附、解吸造成的煤体性态的变化在瓦斯动力灾害发生过程中起着重要作用。因此，研究煤体吸附、解吸瓦斯变形的动态演化机理对深入认识煤岩瓦斯动力灾害的演化机理具有重要作用。吸附、解吸变形是煤体的固有特性，其变形值反映了煤体强度、变质程度、煤层温度、孔隙特性和裂隙发育程度以及含瓦斯能力的强弱。在同样的外部条件下，突出煤的变形值远大于非突出煤。因此，煤体的吸附、解吸变形特性也对煤层突出危险性测定有辅助作用。此外，在煤层瓦斯的运移过程中，瓦斯的吸附、解吸会使煤体产生膨胀、收缩变形，使煤体的力学性质发生变化，从而引起煤岩的孔隙结构变化，进而引起煤岩渗透性的变化。同时，煤岩的孔隙结构和渗透系数变化反过来又影响瓦斯在煤体中的赋存与流动。因此，要获得煤层瓦斯的真实运移规律，则必须考虑煤体吸附、解吸变形的影响。

测定煤体瓦斯吸附量的方法有很多,常用的主要有重量法和容量法。容量法是将煤体放在已知容积的密闭系统中，在一系列瓦斯气体压力下，根据气态方程，即气体质量和温度、压力及容积之间关系，计算出瓦斯气体的被吸附量。容量法测试技术具有测定方法合理，测定装置简单易行、操作方便，测试的数据可靠、直观等特点，是我国大专院校、科研院所及局所主要采用的方法。但是，目前容量法测试装置，在测量吸附、解吸变形时具有一定的局限性，例如，这些测试装置的试样都是采用颗粒状煤样，煤样粒度在0.25～0.18mm之间，难以获得吸附、解吸变形量；高压吸附解吸罐的结构专门为颗粒煤样设计，要加工适合的块煤样非常困难；另外高压吸附解吸罐上一般也没有设置变形测量接口。

近年来，随着人们对煤岩瓦斯动力灾害发生机制、煤层气开采、以及CO₂煤层封存等技术关注程度的不断提高，许多研究者开始了煤岩吸附、吸附变形以及渗透性测量方面的研究，并相继开发了测试煤岩吸附量以及吸附、解吸变形的技术和装置。这些装置虽然专门为测量煤体的吸附、解吸变形所研制，但在实验条件上往往不能满足要求。如现有设备吸附平衡时间较短，绝大多数实验的平衡时间都在60小时以内，而吸附变形测试块状煤样不同于颗粒状煤样，尤其是在用原煤做实验时，煤体的吸附平衡时间要长得多，有的要几百个小时才能达到平衡，现有设备受到稳定性的制约，不能达到这一要求；利用现有设备开展的吸附、解吸变形试验气体压力大多数在5.0MPa以内，而煤体在高压下，往往表现出不同于低压时的特性，因此需要能实现高压吸附变形的测试装置（0～10.0MPa）；在进行解吸变形试验时，根据实际工程状况，需要测试不同压力梯度下煤样的变形值，因此，需要为含瓦斯煤的解吸提供一个可控的环境压力。同样，在利用不同气体与CH₄之间的竞争吸附作用进行CO₂煤层封存、煤层气注气增采等试验时，也需要提供一个气体混合和置换的压力环境，这些都是现有的试验装置不能实现的；此外，现有容量法测试设备在计算吸附量时，都忽略了煤体的吸附、解吸变形对自由空间体积的影响，因而测得的吸附量与真实吸附量之间存在一定的误差。

因此，本领域技术人员致力于开发一种使煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中变形规律分析结果可靠性更高的测试装置和测试方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种使煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中变形规律分析结果可靠性更高的测试装置和测试方法。

为实现本发明第一层面的目的，本发明提供了一种煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，包括变形测试系统、高压吸附解吸罐和气体控制系统；所述变形测试系统包括彼此连接的电阻应变片和电阻应变仪；所述电阻应变仪与综合处理终端连接；所述综合处理终端连接有压力采集卡；

所述高压吸附解吸罐包括罐体和设置在所述罐体上方的顶盖；所述罐体与所述顶盖之间设置有密封垫；所述罐体的上部设置有径向凸缘；所述罐体和顶盖通过紧固卡箍扣合；所述紧固卡箍包括彼此分离、结构对称的第一卡箍部和第二卡箍部；所述第一卡箍部和第二卡箍部通过外圆设置的喉箍抱紧；所述紧固卡箍的下端设置有内凸的卡环；所述卡环可卡入所述径向凸缘的底面；所述紧固卡箍的上端设置有内凸的压环；所述压环与卡箍顶部间隔设置；所述卡箍顶部与所述压环在圆周方向均布有压紧螺钉；

所述顶盖包括一体的基部和接口安装部；所述接口安装部穿出所述紧固卡箍；所述接口安装部上设置有与罐体内腔连通的气体接口、气体压力传感器接口和应力应变测量接口；

所述应力应变测量接口包括第一通孔螺柱；所述第一通孔螺柱的下端与所述顶盖螺纹配合，上端与第一锁紧螺帽配合；所述第一通孔螺柱的顶部与所述第一锁紧螺帽之间设置有多孔挡板；所述第一通孔螺柱内通过环氧树脂封装有第一导线；所述第一导线的上端穿过所述多孔挡板和第一锁紧螺帽后与所述电阻应变仪连接；所述第一导线的下端伸入所述罐体内，并可与所述电阻应变片连接；

所述气体压力传感器接口与第一气体压力传感器连接；

所述气体控制系统包括高压蓄气瓶；所述高压蓄气瓶的出口端连接有第二气体压力传感器；所述第二气体压力传感器与第一针型阀连接；所述第一针型阀与所述气体接口连接；所述高压蓄气瓶的进口端与第一四通接头连接；

所述第一四通接头的第一气路依次连接有气体放散口、真空泵、第一单向阀和第一针型阀；所述第一四通接头的第二气路依次连接有流量计、第二单向阀、第二针型阀；所述第一四通接头的第三气路与第二四通接头连接；

所述第二四通接头的第一气路依次连接有高压甲烷瓶、甲烷减压阀、第三针型阀；所述第二四通接头的第二气路依次连接有高压氦气瓶、氦气减压阀和第四针型阀；所述第二四通接头的第三气路依次连接有高压二氧化碳瓶、二氧化碳减压阀和第五针型阀。

为进一步提高密封效果，所述顶盖面向所述罐体一侧设置有环槽；所述罐体设置有与所述环槽配合的轴向凸缘；所述密封垫设置所述轴向凸缘的顶部。

为精确控制试验的温度条件，所述罐体外设置有第一加热套；所述高压蓄气瓶外设置有第二加热套；所述第二加热套上设置有热电偶；所述综合处理终端连接有温度控制器。

较佳的，所述喉箍为T型螺栓喉箍。

为实现本发明第二层面的目的，本发明提供了一种对煤体吸附、解吸瓦斯过程中动态变形特征测试的方法，具体步骤如下：

（a）测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的体积

首先，在高压吸附解吸罐空置的情况下，对高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐进行抽真空至真空度达到4.0Pa以下；

其次，将0.2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；测量高压蓄气瓶内的压力值P_r和高压吸附解吸罐内的压力值P_s；

再次，将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐内的平衡压力值P_e；释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等；

最后，将已知体积为Vn的实心金属标准试块放入高压吸附解吸罐内，重复上述操作，并分别读取向高压吸附解吸罐内充气前高压蓄气瓶内的压力值P_r’，高压吸附解吸罐内的压力值P_s‘和高压吸附解吸罐内充气后的平衡压力P_e‘；

如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P_s和P_s‘均小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态，则根据以下方程组计算高压蓄气瓶及其管路，高压吸附解吸罐及其管路的体积：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{p_r{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_s)}{Z_e}\\ \frac{{p_r}^{\′}{V}_r}{{Z_r}^{\′}}=\frac{{p_e}^{\′}(V_r+V_s-V_n)}{{Z_e}^{\′}}\end{array}\right.$

$V_r=\frac{(p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})-(p_e/Z_e)({p_r}^{\′}/{Z_r}^{\′}-{p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})}$

$V_s=\frac{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})-(p_e/Z_e)({p_r}^{\′}/{Z_r}^{\′}-{p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})}$

V_r,V_s,V_n——分别为高压蓄气瓶及其管路体积、高压吸附解吸罐及其管路体积和标准块体积，单位为cm³；

p_r,p_s，p_e——分别为高压吸附解吸罐空置状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；

p′_r，p′_s，p′_e——分别为高压吸附解吸罐置入标准试块状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；Z_r,Z_r′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶初始气体的压缩因子，无量纲；

Z_s,Z_s′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压吸附解吸罐初始气体的压缩因子，无量纲；

Z_e,Z_e′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲；

（b）试样安装：

将从煤层取来的煤块按照罐体的容积制作长方体或圆柱体煤样；在试样表面安装电阻应变片，并将试样置于吸附解吸罐内；

（c）测量吸附解吸罐的自由空间体积：

首先，对系统进行抽真空；待真空度达到4.0Pa以下时，仍保持抽真空状态1小时；

其次，将0.2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；读取高压蓄气瓶内的压力值P₁和高压吸附解吸罐内的压力值P₂；

最后，将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后读取高压蓄气瓶压力值P_e；释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等；

如果压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P₂小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态。根据波义耳定律计算自由空间体积：

$\frac{p_1{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_f)}{Z_e}$

$V_f=\frac{(p_1/Z_r-p_e/Z_e)V_r}{(p_e/Z_e)}=(\frac{p_1/Z_r}{p_e/Z_e}-1)V_r$

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³；

V_r——为高压蓄气瓶及其管路体积，单位为cm³；

p₁,p_e——分别为高压蓄气瓶内He气的初始压力和平衡后的压力，单位为MPa；

Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶内He气初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z_e——为高压吸附解吸罐在充入He气后，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲；

（d）进行瓦斯等温定容吸附过程中煤体动态演化过程测试：

首先，再次对系统进行抽真空，使真空度达到4.0Pa；

其次，向高压蓄气瓶内充入1.0MPa～10.0MPa的CH₄；压力稳定后停止充气，并读取此时高压蓄气瓶内的压力值P₃和高压吸附解吸罐内的压力值；如果高压吸附解吸罐内的压力值小于4Pa，则继续下一步骤，否则重复以上步骤；

最后，将CH₄充入高压吸附解吸罐内，读取吸附过程中高压蓄气瓶内的压力值P_i；根据以下方程计算煤体的瓦斯吸附量：

$\frac{p_3{V}_r}{Z_r}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i}$

Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；

Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z_i——吸附过程中CH4压力为p_i时的压缩因子，无量纲；

T_c——恒温温度，单位为K；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（e）进行瓦斯等温定压吸附过程中煤体动态演化过程测试：

首先，再次对系统进行抽真空至4.0Pa；

其次，向高压蓄气瓶内充入CH₄，CH₄的压力值大于试验设定压力2.0MPa～3.0MPa；压力稳定后停止充气，并读取此时高压蓄气瓶内的压力值P₄；

并将高压蓄气瓶的出口压力设定为试验测试压力P₅，使CH₄气充入高压吸附解吸罐的罐体内；保持高压吸附解吸罐内压力稳定；

最后，在30分钟内，当高压蓄气瓶内的压力变化不超过0.02MPa时，认为达到吸附平衡，记录此时高压蓄气瓶内的压力值P₆；

通过以下方程获得煤体的瓦斯吸附量：

$\frac{p_4{V}_r}{Z_4}=\frac{p_5(V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_5}+\frac{p_6{V}_r}{Z_6}$

Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³；

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；

Z₄——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z₅——为高压吸附解吸罐在CH₄压力为P₅下的压缩因子，无量纲；

Z₆——为高压蓄气瓶在CH₄压力为P₆下的压缩因子，无量纲；

T_c——恒温温度，单位为K；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（f）进行瓦斯定容变温条件下吸附-解吸动态演化过程测试：

首先，按照（d）的步骤，使高压吸附解吸罐内的煤样达到吸附解吸平衡，读取高压蓄气瓶此时的压力值P₇；

其次，使高压吸附解吸罐达到测试温度T_i；

最后，在温度变化过程中，保持高压吸附解吸罐内的气体总量不发生变化，在达到新的温度条件下，使煤体达到新的吸附解吸平衡，读取高压蓄气瓶此时的压力值P_i；

则温度变化过程中，煤体吸附量的变化由下式计算：

$\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i}$

$Q_T=\frac{T_0}{p_0}(\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}-\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i})$

Q_T——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_a，V_ai——初始平衡状态和变温过程中煤体的体积变形量，单位为cm³；

Z₇,Z_i——分别在压力为p₇，p_i，温度T₁,T_i下甲烷的压缩因子，无量纲；

T₁,T_i——分别为初始平衡温度和变化后的温度，单位为K；

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（g）进行瓦斯竞争性吸附过程中煤体动态演化过程测试：

首先，隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐；将高压蓄气瓶及上游管路内的压力降低到标准大气压；对高压蓄气瓶及上游管路抽真空至真空度小于4.0Pa；

其次，向高压蓄气瓶内充入CO₂气体，CO₂气体的压力根据CO₂相对不同煤体的吸附压力确定；

最后，将CO₂气体充入高压吸附解吸罐内，使CO₂和CH₄进行竞争性吸附，直到高压蓄气瓶内的压力达到稳定值时，则表明CO₂和CH₄达到吸附解吸平衡；

（h）瓦斯解吸过程中煤体动态演化过程测试：

当测量解吸到标准大气压时，记录气体流量；

当测量解吸到负压状态时（4Pa～标准大气压），先隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，将高压蓄气瓶及其上游管路内的压力降低到标准大气压；然后对高压蓄气瓶及其上游管路抽真空，待达到预定的负压后（4Pa～标准大气压），停止抽真空，连通高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，进行负压下的解吸；

当测量解吸到固定压力时，按以下步骤进行：

先隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，将高压蓄气瓶及其上游管路内的压力降低到标准大气压；然后对高压蓄气瓶及其上游管路抽真空，待达到预定的负压后（4Pa～标准大气压），停止抽真空；向高压蓄气瓶内充入CH₄，CH₄的压力为预设的解吸压力；最后，连通高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，进行固定压力下的解吸，当高压蓄气瓶内的压力达到稳定值时，达到解吸平衡；

（i）在以上(d)-(g)步骤的进行过程中，除了步骤（f）外，可将系统控制在恒定的温度内；并通过压力采集卡和气体压力传感器实时记录和显示各测点的压力；通过电阻应变仪实时显示和记录煤体表面的应力和应变。

在其他具体实施方式中，也可将二氧化碳气瓶更换为其他气瓶，从而使步骤（g）中测试甲烷与其他气体的竞争吸附。

本发明的有益效果是：

（1）本发明较好地解决了瓦斯吸附-解吸过程与煤体变形同步测量的问题，通过专门设计的气体控制系统，实现了等温定容、等温定压、定容变温条件下的瓦斯吸附-解吸动态演化过程测试，以及不同压力梯度下的瓦斯解吸变形测试和不同气体竞争吸附作用下的测试，对油气田开采、页岩气开采、核废料处理等领域也具有广泛的应用价值。

（2）本装置的高压吸附、解吸测试系统稳定性高、密封性能好、强度高，能满足较高气体吸附压力和较长吸附时间的要求。

（3）本装置在计算瓦斯吸附量时，有效地解决了吸附解吸变形引起的自由空间体积误差，使计算得到的吸附量更接近真实值，试验结果可靠性高；另一方面，在计算过程中，忽略了对试验结果可能产生影响的微小量，从而简化了试验计算过程。

（4）该实验方法简单易行，适用广泛，可以更为真实地模拟矿井煤岩瓦斯动力灾害演化、煤层瓦斯抽采（或煤层气开发）及CO₂煤层封存等气体吸附解吸问题的现场条件，为更深入地研究提供室内试验研究条件。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明一具体实施方式中高压吸附解吸罐的结构示意图。

图3是图2中I处的局部放大图。

图4是图3的A向视图。

图5是本发明一具体实施方式中应力应变测量接口的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，一种煤体吸附解附测试装置，包括高压吸附解吸罐、变形测试系统和气体控制系统。

变形测试系统包括彼此连接的电阻应变片32和电阻应变仪35。电阻应变仪35与综合处理终端36连接，综合处理终端36连接有压力采集卡38。

高压吸附解吸罐包括罐体28和设置在罐体28上方的顶盖27，顶盖27面向罐体28一侧设置有环槽27c，罐体28设置有与环槽27c配合的轴向凸缘28b，密封垫39设置轴向凸缘28b的顶部。罐体28的上部设置有径向凸缘28a。

罐体28和顶盖27通过紧固卡箍30扣合。紧固卡箍30包括彼此分离、结构对称的第一卡箍部30a和第二卡箍部30b，第一卡箍部30a和第二卡箍部30b通过外圆设置的T形螺栓喉箍44抱紧。紧固卡箍30的下端设置有内凸的卡环30c，卡环30c可卡入径向凸缘28a的底面。紧固卡箍30的上端设置有内凸的压环30d，压环30d与卡箍顶部30e间隔设置，卡箍顶部30e与压环30d在圆周方向均布有压紧螺钉30f。

顶盖27包括一体的基部27a和接口安装部27b，接口安装部27b穿出紧固卡箍30。接口安装部27b上设置有与罐体内腔连通的气体接口24、气体压力传感器接口25和应力应变测量接口26。

应力应变测量接口26包括第一通孔螺柱40，第一通孔螺柱40的下端与顶盖27螺纹配合，上端与第一锁紧螺帽41配合。第一通孔螺柱40的顶部与第一锁紧螺帽49之间设置有多孔挡板42，第一通孔螺柱40内通过环氧树脂封装有第一导线43，第一导线43的上端穿过多孔挡板42和第一锁紧螺帽49后与电阻应变仪35连接。第一导线43的下端伸入罐体28内，并可与电阻应变片32连接。

气体压力传感器接口25与第一气体压力传感器31连接。

气体控制系统包括高压蓄气瓶21，高压蓄气瓶21的出口端连接有第二气体压力传感器22，第二气体压力传感器22与第六针型阀23连接，第六针型阀23与气体接口24连接，高压蓄气瓶21的进口端与第一四通接头8连接。

第一四通接头8的第一气路依次连接有气体放散口1、真空泵2、第一单向阀3和第一针型阀4；第一四通接头8的第二气路依次连接有流量计5、第二单向阀6、第二针型阀7；第一四通接头8的第三气路与第二四通接头15连接。

第二四通接头15的第一气路依次连接有高压甲烷瓶19、甲烷减压阀10、第三针型阀11；第二四通接头15的第二气路依次连接有高压氦气瓶12、氦气减压阀13和第四针型阀14；第二四通接头15的第三气路依次连接有高压二氧化碳瓶19、二氧化碳减压阀17和第五针型阀16。

罐体28外设置有第一加热套34；高压蓄气瓶21外设置有第二加热套20；第二加热套20上设置有热电偶19；综合处理终端36连接有温度控制器37。

测试装置工作时，先进行测试准备工作，包括制作试样：将从煤层取来的煤块按照罐体28的容积制作长方体或圆柱体煤样；在试样表面安装电阻应变片32，将电阻应变片32与第一导线43相连。

对煤体吸附、解吸瓦斯过程中动态变形特征测试的具体步骤如下：

（a）测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的体积

首先，在高压吸附解吸罐空置的情况下，安装顶盖27和紧固卡箍30，按顺序拧紧压紧螺钉30f，将加热套34裹在罐体28的外部，连接罐体28上的气体接口24，气体压力传感器接口25以及各个测量仪器；打开第一针型阀4和第六针型阀23，确定其它针型阀处于关闭状态，启动真空泵2，对系统进行抽真空；待真空度达到4.0Pa以下时，关闭第一针型阀4和第六针型阀23；

其次，开启高压He气瓶12，调节He减压阀13，使其达到0.2MPa后，开启第四针型阀14，使He气冲入高压蓄气瓶21；压力稳定后关闭第四针型阀14，读取此时第二气体压力传感器22的示值P_r和第一气体压力传感器31的示值P_s；

再次，开启第六针型阀23，使He充入罐体28内，待压力稳定后读取第二气体压力传感器22的示值P_e，此时其与第一压力传感器31的示值相等；记录完毕后，打开第二针型阀7，释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，压力与外界压力相等后，关闭第二针型阀7；

最后，将已知体积为Vn的实心金属标准试块放入高压吸附解吸罐内，重复上述操作，并分别读取第六针型阀23开启前第二气体压力传感器的示值P_r’,第一气体压力传感器31的示值P_s‘和第六针型阀23开启后的平衡压力P_e‘。

如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P_s和P_s‘均小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态。根据以下方程组计算高压蓄气瓶及其管路，高压吸附解吸罐及其管路的体积：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{p_r{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_s)}{Z_e}\\ \frac{{p_r}^{\′}{V}_r}{{Z_r}^{\′}}=\frac{{p_e}^{\′}(V_r+V_s-V_n)}{{Z_e}^{\′}}\end{array}\right.$

$V_r=\frac{(p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})-(p_e/Z_e)({p_r}^{\′}/{Z_r}^{\′}-{p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})}$

$V_s=\frac{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})-(p_e/Z_e)({p_r}^{\′}/{Z_r}^{\′}-{p_e}^{\′}/{Z_e}^{\′})}$

V_r,V_s,V_n——分别为高压蓄气瓶及其管路体积、高压吸附解吸罐及其管路体积和标准块体积，单位为cm³；

p_r,p_s，p_e——分别为高压吸附解吸罐空置状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；

p′_r，′_s，′_e——分别为高压吸附解吸罐置入标准试块状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；

Z_r,Z_r′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶初始气体的压缩因子，无量纲；

Z_s,Z_s′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压吸附解吸罐初始气体的压缩因子，无量纲；

Z_e,Z_e′——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲。

（b）试样安装：

在试样表面安装电阻应变片32，将电阻应变片32与第一导线43相连；将试样放入罐体28内，安装顶盖27和紧固卡箍30，按顺序拧紧压紧螺钉30f，将加热套34裹在罐体28的外部，连接罐体28上的气体接口24，气体压力传感器接口25和应力应变测量接口26，以及各个测量仪器；检查各阀门，确定都处于关闭状态；开启温度控制器37，并将温度设定为试验温度。

（c）测量吸附解吸罐的自由空间体积：

首先，打开第一针型阀4和第六针型阀23，启动真空泵2，对系统进行抽真空；待真空度达到4.0Pa以下时，真空泵2持续运行1小时后，关闭第一针型阀4和第六针型阀23；

其次，开启高压He气瓶12，调节He减压阀13，使其达到0.2MPa后，开启第四针型阀14，使He气冲入高压蓄气瓶21；压力稳定后关闭第四针型阀14，读取此时第二气体压力传感器22的示值P₁，第一压力传感器31的示值P₂。

最后，开启第六针型阀23，使He充入罐体28内，待压力稳定后读取此时第二气体压力传感器22的示值P_e；记录完毕后，打开第二针型阀7，释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，压力与外界压力相等后，关闭第二针型阀7。

同样，如果压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P₂小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态。根据波义耳定律计算自由空间体积：

$\frac{p_1{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_f)}{Z_e}$

$V_f=\frac{(p_1/Z_r-p_e/Z_e)V_r}{(p_e/Z_e)}=(\frac{p_1/Z_r}{p_e/Z_e}-1)V_r$

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³

p₁,p_e——分别为高压蓄气瓶内氦气的初始压力和平衡后的压力，单位为MPa；

Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶内He气初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z_e——为高压吸附解吸罐在充入He气后，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲；

（d）进行瓦斯等温定容吸附过程中煤体动态演化过程测试：

首先，依次开启第一针型阀4和真空泵2，再次对系统进行抽真空，真空度达到4.0Pa后关闭第一针型阀4；

其次，开启高压CH₄气瓶9，调节CH₄减压阀10，达到预定的压力后（该预定压力根据试验压力确定，一般在1.0MPa～10.0MPa），开启第三针型阀11，使CH₄气充入高压蓄气瓶21；压力稳定后关闭第三针型阀11，读取此时第二气体压力传感器22的示值P₃和第一压力传感器31的示值P₃；如果第一气体压力传感器31的示值小于4Pa，则继续下一步骤，否则重复以上步骤；

最后，开启第六针型阀23，使CH₄充入高压吸附解吸罐罐体28内，读取吸附过程中第二气体压力传感器22的示值P_i。根据以下方程计算煤体的瓦斯吸附量：

$\frac{p_3{V}_r}{Z_r}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i}$

Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；

Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z_i——吸附过程中CH₄压力为p_i时的压缩因子，无量纲；

T_c——恒温温度，单位为K；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（e）进行瓦斯等温定压吸附过程中煤体动态演化过程测试：

在进行等温定压测试时，需要将第六针型阀23更换为出口压力可调的调节阀，再按以下步骤操作：

首先，依次开启第一针型阀4和真空泵2，再次对系统进行抽真空，达到4.0Pa后关闭第一针型阀4；

其次，开启高压CH₄气瓶9，调节CH₄减压阀10，达到预定的压力后（该预定压力根据试验压力确定，一般大于试验压力2.0MPa～3.0MPa），开启第三针型阀11，使CH₄气充入高压蓄气瓶21，待压力稳定后关闭第三针型阀11；读取此时第二气体压力传感器22的示值P₄；

开启调节阀，并设定出口压力为试验测试压力P₅，使CH₄气充入高压吸附解吸罐的罐体28内；保持调节阀一直处于开启状态，参照第一气体传感器31的示值，补充气源，保持高压吸附解吸罐内压力稳定；最后，在30分钟内，当高压蓄气瓶内的压力变化不超过0.02MPa时，认为达到吸附平衡，记录此时第二压力传感器的示值P₆。

可以通过以下方程获得煤体的瓦斯吸附量：

$\frac{p_4{V}_r}{Z_4}=\frac{p_5(V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_5}+\frac{p_6{V}_r}{Z_6}$

Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³；

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；

Z₄——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；

Z₅——为高压吸附解吸罐在CH₄压力为P₅下的压缩因子，无量纲；

Z₆——为高压蓄气瓶在CH₄压力为P₆下的压缩因子，无量纲；

T_c——恒温温度，单位为K；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（f）进行瓦斯定容变温条件下吸附-解吸动态演化过程测试：

首先，按照（d）的步骤，使高压吸附解吸罐内的煤样达到吸附解吸平衡，读取第二气体压力传感器的示值P₇；

其次，通过调节温度控制器37，使热电偶19和第一加热套34发生作用，使高压吸附解吸罐达到测试温度T_i；

最后，在温度变化过程中，保持高压吸附解吸罐内的气体总量不发生变化，在达到新的温度条件下，使煤体达到新的吸附解吸平衡，读取第二气体压力传感器的示值P_i

则温度变化过程中，煤体吸附量的变化由下式计算：

$\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i}$

$Q_T=\frac{T_0}{p_0}(\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}-\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i})$

Q_T——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；

V_a，V_ai——初始平衡状态和变温过程中煤体的体积变形量，单位为cm³；

Z₇,Z_i——分别在压力为p₇，p_i，温度T₁,T_i下甲烷的压缩因子，无量纲；

T₁,T_i——分别为初始平衡温度和变化后的温度，单位为K；

V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³

V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；

T₀——标况温度，单位为K；

p₀——标况压力，单位为MPa；

（g）进行瓦斯竞争性吸附过程中煤体动态演化过程测试：

首先，将第六针型阀23关闭，然后打开第二针型阀7，将管路以及高压蓄气瓶21内的压力降低到标准大气压；关闭第二针型阀7，打开第一针型阀4，启动真空泵，对高压蓄气瓶21和管路抽真空，待真空度小于4.0Pa后，关闭第一针型阀4；

其次，将CO₂高压气瓶18打开，调节CO₂减压阀17，打开第五针型阀16，将一定压力（根据CO₂相对不同煤体的吸附压力确定）的CO₂气体注入高压蓄气瓶21，并关闭第五针型阀16；

最后，打开第六针型阀23，使CO₂和CH₄进行竞争性吸附，直到第二气体压力传感器22达到稳定值时，则表明CO₂和CH₄达到吸附解吸平衡；

（h）瓦斯解吸过程中煤体动态演化过程测试：

当测量解吸到标准大气压时，只需将第二针型阀7打开，通过流量计5记录气体流量；

当测量解吸到负压状态时（4Pa～标准大气压），先将第六针型阀23关闭，然后打开第二针型阀7，将管路以及高压蓄气瓶21内的压力降低到标准大气压；关闭第二针型阀7，打开第一针型阀4，启动真空泵2，对高压蓄气瓶21和管路抽真空，待达到预定的负压后（4Pa～标准大气压），关闭第一针型阀4；最后，打开第六针型阀23，进行负压下的解吸；

当测量解吸到固定压力时，按以下步骤进行：首先，然后打开第二针型阀7，将管路以及高压蓄气瓶21内的压力降低到标准大气压，关闭第二针型阀7，打开第一针型阀4，启动真空泵2，对高压蓄气瓶21和管路抽真空，待达到预定的真空度后，关闭第一针型阀4；其次，将CH₄高压气瓶9打开，调节CH₄减压阀10，打开第三针型阀11，将一定压力（预定的解吸压力，其值为0MPa-吸附平衡压力）的CH₄气体注入高压蓄气瓶21后，关闭第三针型阀11；最后，打开第六针型阀23，吸附解吸罐内的含瓦斯煤体在一定压力的CH₄下进行解吸，当第二气体压力传感器22达到稳定值时，达到解吸平衡；

（i）在以上(d)-(g)步骤的进行过程中，除了步骤（f）外，温度控制器37和热电偶19将系统控制在恒定的温度内；压力采集卡38和第二气体压力传感器22实时记录和显示各测点的压力；通过电阻应变仪35实时显示和记录煤体表面的应力和应变。

在其他具体实施方式中，也可将二氧化碳气瓶更换为其他气瓶，从而使步骤（g）中测试甲烷与其他气体的竞争吸附。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，包括变形测试系统、高压吸附解吸罐和气体控制系统，其特征是：

所述变形测试系统包括彼此连接的电阻应变片(32)和电阻应变仪(35)；所述电阻应变仪(35)与综合处理终端(36)连接；所述综合处理终端(36)连接有压力采集卡(38)；

所述高压吸附解吸罐包括罐体(28)和设置在所述罐体(28)上方的顶盖(27)；所述罐体(28)与所述顶盖(27)之间设置有密封垫(39)；所述罐体(28)的上部设置有径向凸缘(28a)；所述罐体(28)和顶盖(27)通过紧固卡箍(30)扣合；所述紧固卡箍(30)包括彼此分离、结构对称的第一卡箍部(30a)和第二卡箍部(30b)；所述第一卡箍部(30a)和第二卡箍部(30b)通过外圆设置的喉箍(44)抱紧；所述紧固卡箍(30)的下端设置有内凸的卡环(30c)；所述卡环(30c)卡入所述径向凸缘(28a)的底面；所述紧固卡箍(30)的上端设置有内凸的压环(30d)；所述压环(30d)与卡箍顶部(30e)间隔设置；所述卡箍顶部(30e)与所述压环(30d)在圆周方向均匀布有压紧螺钉(30f)；

所述顶盖(27)包括一体的基部(27a)和接口安装部(27b)；所述接口安装部(27b)穿出所述紧固卡箍(30)；所述接口安装部(27b)上设置有与罐体内腔连通的气体接口(24)、气体压力传感器接口(25)和应力应变测量接口(26)；

所述应力应变测量接口(26)包括第一通孔螺柱(40)；所述第一通孔螺柱(40)的下端与所述顶盖(27)螺纹配合，上端与第一锁紧螺帽(41)配合；所述第一通孔螺柱(40)的顶部与所述第一锁紧螺帽(41)之间设置有多孔挡板(42)；所述第一通孔螺柱(40)内通过环氧树脂封装有第一导线(43)；所述第一导线(43)的上端穿过所述多孔挡板(42)和第一锁紧螺帽(41)后与所述电阻应变仪(35)连接；所述第一导线(43)的下端伸入所述罐体(28)内，并与所述电阻应变片(32)连接；

所述气体压力传感器接口(25)与第一气体压力传感器(31)连接；

所述气体控制系统包括高压蓄气瓶(21)；所述高压蓄气瓶(21)的出口端连接有第二气体压力传感器(22)；所述第二气体压力传感器(22)与第六针型阀(23)连接；所述第六针型阀(23)与所述气体接口(24)连接；所述高压蓄气瓶(21)的进口端与第一四通接头(8)连接；

所述第一四通接头(8)的第一气路从远到近依次连接有气体放散口(1)、真空泵(2)、第一单向阀(3)和第一针型阀(4)；所述第一四通接头(8)的第二气路从远到近依次连接有流量计(5)、第二单向阀(6)、第二针型阀(7)；所述第一四通接头(8)的第三气路与第二四通接头(15)连接；

所述第二四通接头(15)的第一气路从远到近依次连接有高压甲烷瓶(9)、甲烷减压阀(10)、第三针型阀(11)；所述第二四通接头(15)的第二气路从远到近依次连接有高压氦气瓶(12)、氦气减压阀(13)和第四针型阀(14)；所述第二四通接头(15)的第三气路从远到近依次连接有高压二氧化碳瓶(18)、二氧化碳减压阀(17)和第五针型阀(16)。

2.如权利要求1所述的煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，其特征是：所述顶盖(27)面向所述罐体(28)一侧设置有环槽(27c)；所述罐体(28)设置有与所述环槽(27c)配合的轴向凸缘(28b)；所述密封垫(39)设置在所述轴向凸缘(28b)的顶部。

3.如权利要求1或2所述的煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，其特征是：所述罐体(28)外设置有第一加热套(34)；所述高压蓄气瓶(21)外设置有第二加热套(20)；所述第二加热套(20)上设置有热电偶(19)；所述综合处理终端(36)连接有温度控制器(37)。

4.如权利要求1或2所述的煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，其特征是：所述喉箍(44)为T型螺栓喉箍。