CN104535455B - 动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置及方法，属于煤炭开采领域，所述实验装置包括渗流室，所述渗流室由缸体、设置在缸体上部的活塞压头构成，缸体与活塞压头围成的腔室为样品室，缸体侧壁从上往下均匀设有多个测压孔，缸体底部设有出气孔道；所述活塞压头上设有进气孔道，进气孔道上连接有进气管，进气管通过三通阀分别与瓦斯输送管道、抽真空管道相连；所述出气孔道与气体流量采集装置相连。本发明提供的实验装置能够在模拟煤体所处地应力及瓦斯压力的受载环境下进行受载含瓦斯煤体渗流实验，并能够在实验过程中动态监测煤样瓦斯孔隙压力分布及变化。

Description

动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置及方法。

背景技术

煤矿瓦斯灾害事故频发，目前最有效的瓦斯灾害治理手段之一就是瓦斯抽采，瓦斯抽采的效率很大程度上决定于瓦斯在煤层中流动的难易程度，因此研究煤层瓦斯流动规律具有十分重要的意义。

学者们在煤层瓦斯流动方面做了大量的研究，在瓦斯流动理论方面目前被多数学者所认同的就是瓦斯在煤层中的流动遵从达西定律，即瓦斯的流动速度与瓦斯气体压力梯度呈正比关系：

其中，V为游离状态的煤层瓦斯的渗流素矢量；k为煤层裂隙系统的渗透率，m²；μ为煤层瓦斯动力粘度，Pa·s；▽为哈密顿算符；p为裂隙系统游离煤层瓦斯的气体压力，Pa。可以看出，瓦斯压力在煤层中的变化及梯度分布对瓦斯流动起着重要的作用，要对煤层瓦斯的流动规律进行研究就避不开瓦斯流动过程中孔隙压力分布及变化这个问题。

但是目前所研发出来的瓦斯渗流装置还有以下几点亟待完善：（1）多数装置只能进行出口瓦斯流量数据采集来观测流量数据变化，但是不能在瓦斯流动过程中对实验煤样内部气体孔隙压力分布及变化进行监测，因此不能得到直观可靠的实验数据来支撑孔隙压力对瓦斯渗流规律影响的研究；（2）目前设备多数只能控制进气孔气体压力，而设备出气口直接放空，不能控制调节出气口压力，导致一个进气压力只存在一个压差，实验条件单一，对研究孔隙压对瓦斯渗流影响造成不便；（3）对于瓦斯流量数据的采集，目前设备要么采用排水法解析进行人为读数，要么采用单台气体流量计。问题是，过多的人为操作会导致过多的误差，而采用单台的流量计有一个量程问题，瓦斯流量变化在量程之外会造成较大误差。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置，提供利用该实验装置动态监测孔隙压力分布及变化的方法则是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采用以下技术方案：动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置，包括渗流室，所述渗流室由缸体、设置在缸体上部的活塞压头构成，缸体与活塞压头围成的腔室为样品室，缸体侧壁从上往下均匀设有多个测压孔，缸体底部设有出气孔道；所述活塞压头上设有进气孔道，进气孔道上连接有进气管，进气管通过三通阀分别与瓦斯输送管道、抽真空管道相连；所述出气孔道与数据采集装置相连。在缸体侧壁上均匀从上往下均匀设有多个测压孔，使得该装置不仅可以检测渗流室进出口的压力，还可以监测瓦斯流动过程中煤样内部气体孔隙压力大小及变化，获得连续性数据。

所述测压孔有4个，测压孔上安装有气体压力传感器，气体压力传感器与电脑数据采集仪相连，电脑自动采集数据可以随时监控压力分布及变化，并减少因人工操作差异而造成的误差。

所述出气孔道上连接有出气管，出气管通过快速接头与数据采集装置相连；所述出气管上设有活塞回压装置，活塞回压装置与出气孔道之间的出气管上设有阀门和排气管，排气管上设有泄压阀。在出气上设置活塞回压装置，可以在瓦斯流动过程中控制实验系统出气口的出气压力，从而调节煤样进气口与出气口的压力梯度，可进行同一进气压力不同压差条件下的渗流实验。

所述数据采集装置包括四路并联的支管，支管上均设有气动阀，其中的三路支管分别与量程不同的气体质量流量计相连，第四路支管与排水器相连，排水器底部设有出水管，出水管的另一端连接至集水容器，集水容器置于电子天平上。可以根据出气孔气体流量的大小来选取合适的流量测取装置，提高数据采集的精度。

所述气体质量流量计的量程分别为0~100mL、0~500 mL、0~2000 mL。三个气体流量计的量程采用梯度设计，可以满足不同的数据采集需要。

所述瓦斯输送管与高压气瓶相连，抽真空管道与真空泵相连；所述进气管上设有快速接头；所述瓦斯输送管上从高压气瓶开始依次设有调压阀、流量计、阀门；所述抽真空管道上设有排气管、真空容器和阀门，排气管上设有泄压阀。

所述渗流室的缸体底部设有底座。

利用本发明提供的实验装置动态监测孔隙压力分布及变化的方法，包括以下步骤：

（1）对渗流实验装置样品室内的颗粒煤样施加轴向压力，然后对样品室内进行抽真空处理；

（2）向样品室内通入瓦斯气体，待煤样充分吸附达到吸附平衡后，改变轴向压力，记录煤样孔隙压力分布及变化；

（3）保持轴向压力不变，改变样品室出口气体压力，从而改变进气孔与出气孔的压降梯度，并记录煤样孔隙压力分布及变化。

抽真空至真空表压力20 Pa以下并维持三小时以上，说明样品室内的气体已被排出。

综上所述，本发明提供的渗流实验装置通过对煤样施加轴向压力和改变瓦斯气体的出口压力，可进行同一进气压力不同压差条件下的渗流实验，可模拟煤体所处地的应力及受载瓦斯压力的环境下进行受载含瓦斯煤体渗流实验，并能够在实验过程中动态监测煤样瓦斯孔隙压力分布及变化；并且采用多流量级别气体质量流量计及排水法电子天平进行流量数据采集，可以根据出气孔气体流量的大小来选取测取流量装置，进而提高了数据采集的精度。

附图说明

图1是本发明实施例装置的结构示意图。

具体实施方式

动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置，包括渗流室，所述渗流室由缸体14，设置在缸体14上部的活塞压头13构成，缸体14和活塞压头13共同围成的腔室为样品室，缸体14侧壁从上往下均匀设有多个测压孔22，缸体13底部设有出气孔道；所述活塞压头13上设有进气孔道，进气孔道上连接有进气管，进气管通过三通阀分别与瓦斯输送管道、抽真空管道相连；所述出气孔道与数据采集装置相连。

实验装置的渗流室缸体14采用单口圆柱型模式，缸体14采用316不锈钢材质制成，耐压25MPa，活塞压头13可对实验煤样施加静压加载，通过液压油泵对煤样施加最大5000kN的静压载荷来模拟煤层受到的地应力环境。

所述测压孔22有4个，测压孔22上安装有气体压力传感器15，气体压力传感器15与电脑数据采集仪相连。

所述出气孔道上连接有出气管，出气管通过快速接头18与数据采集装置相连，使用快速接头可以方便快捷地安装和拆卸管路；所述出气管上设有活塞回压装置17，活塞回压装置17与出气孔之间的出气管上设有阀门11和排气管12，排气管12上设有泄压阀。

所述数据采集装置包括四路并联的支管，四路支管上均设有气动阀23，其中三路支管分别与量程不同的气体质量流量计21相连，第四支管与排水器19相连，排水器19底部设有出水管，出水管的另一端连通至集水容器，集水容器置于电子天平20上。

三个支管上连接的气体质量流量计的量程分别为0~100mL、0~500 mL、0~2000 mL，三个量程不同的气体质量流量计和排水器构成数据采集系统，可以根据出气孔气体流量的大小来自动匹配选取合适的流量测取装置。

所述瓦斯输送管与高压气瓶1相连，抽真空管道与真空泵4相连；所述进气管上设有快速接头5，可以方便快捷地安装和拆卸管路；所述瓦斯输送管上从高压气瓶4开始依次设有调压阀2、流量计3、阀门9；所述抽真空管道上设有排气管10、真空容器6和阀门8，排气管10上设有泄压阀。

高压气瓶1为北京氦普气体公司生产的浓度为99.999%，压力为13.6MPa高纯甲烷气瓶。

所述渗流室的缸体14底部设有底座16。

利用本发明提供的实验装置动态监测孔隙压力分布及变化的方法，包括以下步骤：

（1）利用瓦斯气体对试验系统进行气密性检查，确保整套试验系统不漏气；将筛分好的颗粒煤通过缸体13上部开口装入样品室，安装轴向活塞压头13，通过活塞压头13下压对煤样施加一定的轴向压力，打开缸体14与抽真空装置之间的连接阀门8，打开真空泵4对系统进行抽真空处理到真空表压力7显示20Pa以下并维持三小时以上，关闭阀门8然后再关闭真空泵4。

（2）打开煤样缸体与高压气源之间的连接阀门9，对样品室的煤样充入一定压力的瓦斯气体，让实验煤样充分吸附达到吸附平衡后，改变轴向加载应力大小，在该过程中通过压力传感器记录煤样孔隙压力变化，并将数据传输至计算机以便于数据保存及处理。

（3）保持轴向压力不变，在煤样充分吸附的前提下，打开缸体14下端的出气孔，调节活塞回压装置17，选择合适的气体质量流量计对出口的气体进行流量测量，当流量很小时，可以选择排水法电子天平来对流量数据进行测取；并在瓦斯流动过程中由缸体14侧壁上气体压力传感器15测量煤样不同位置的孔隙压力分布及变化，并将流量及压力数据传输至计算机。

Claims (5)

1.动态监测孔隙压力分布及变化的瓦斯渗流实验装置，包括渗流室，其特征在于，所述渗流室由缸体、设置在缸体上部的活塞压头构成，缸体与活塞压头围成的腔室为样品室，缸体侧壁从上往下均匀设有多个测压孔，缸体底部设有出气孔道；所述活塞压头上设有进气孔道，进气孔道上连接有进气管，进气管通过三通阀分别与瓦斯输送管道、抽真空管道相连；所述出气孔道与数据采集装置相连；所述出气孔道上连接有出气管，出气管通过快速接头与数据采集装置相连；所述出气管上设有活塞回压装置，活塞回压装置用于在同一进气压力下改变进气孔与出气孔的压降梯度，活塞回压装置与出气孔道之间的出气管上设有阀门和排气管，排气管上设有泄压阀；所述测压孔有4个，测压孔上安装有气体压力传感器，气体压力传感器在改变轴向应力大小的过程中记录煤样孔隙压力变化，气体压力传感器与电脑数据采集仪相连；

所述数据采集装置包括四路并联的支管，支管上均设有气动阀，其中的三路支管分别与量程不同的气体质量流量计相连，第四路支管与排水器相连，排水器底部设有出水管，出水管的另一端连接至集水容器，集水容器置于电子天平上；

所述渗流室的缸体底部设有底座。

2.根据权利要求1所述的瓦斯渗流实验装置，其特征在于，所述气体质量流量计的量程分别为0~100mL、0~500 mL、0~2000 mL。

3.根据权利要求1所述的瓦斯渗流实验装置，其特征在于，所述瓦斯输送管与高压气瓶相连，抽真空管道与真空泵相连；所述进气管上设有快速接头；所述瓦斯输送管上从高压气瓶开始依次设有调压阀、流量计、阀门；所述抽真空管道上设有排气管、真空容器和阀门，排气管上设有泄压阀。

4.利用权利要求1或2或3所述实验装置动态监测孔隙压力分布及变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对渗流实验装置样品室内的颗粒煤样施加轴向压力，然后对样品室内进行抽真空处理；

（2）向样品室内通入瓦斯气体，待煤样充分吸附达到吸附平衡后，改变轴向压力，记录煤样孔隙压力分布及变化；

（3）保持轴向压力不变，改变样品室出口气体压力，从而改变进气孔与出气孔的压降梯度，并记录煤样孔隙压力分布及变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，抽真空至真空表压力20 Pa以下并维持三小时以上。