CN105571979A - 受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统和方法 - Google Patents

Abstract

受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统和方法，包括瓦斯供给装置、加载装置、抽真空装置、恒温箱和瓦斯解吸仪；瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐、减压阀和充气罐；加载装置包括压力缸、活塞、热缩管和手动液压泵，热缩管左右两端分别连接有进气高压管和出气高压管，进气高压管另一端与充气罐连通，出气高压管另一端连接有两位三通阀，压力缸底部连接有排水管；抽真空装置包括真空泵和真空计，真空泵通过高压管与两位三通阀连通；瓦斯解吸仪通过高压管与两位三通阀连通。本发明充分考虑应力和温度的影响，在恒定温度下，通过改变软煤煤样所受到的加载压力，进行瓦斯吸附解吸试验，从而得到受载条件下的煤层瓦斯吸附解吸规律。

Description

受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统和方法

技术领域

本发明属于瓦斯试验装置技术领域，尤其涉及一种受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统和方法。

背景技术

吸附解吸是煤层瓦斯最基本的运移模式之一，厘清煤层瓦斯的吸附解吸规律对我国煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。人们在研究含瓦斯煤的吸附解吸规律时往往采用的是不受载的颗粒煤，但是众所周知，煤层的赋存环境是一个应力-温度耦合的复杂环境，因此不考虑应力影响所得到的煤层瓦斯吸附解吸规律是不真实、不可靠的，所以很有必要开展受载条件下的煤层瓦斯吸附解吸规律。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、试验操作简便，能够改变软煤煤样的加载压力，模拟恒温条件和不同的载荷条件，测量软煤煤样在不同载荷条件下的瓦斯吸附量和解吸量的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统，包括瓦斯供给装置、加载装置、抽真空装置、恒温箱和瓦斯解吸仪；瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐、减压阀和充气罐，高压瓦斯罐和充气罐之间通过充气高压管连通，减压阀设在充气高压管上，高压瓦斯罐与减压阀之间的充气高压管上按瓦斯流通方向串联设有第一阀门和第一气压表，减压阀与充气罐之间的充气高压管上按瓦斯流通方向串联设有第二气压表和第二阀门，充气罐上设有温度传感器和压力传感器；加载装置包括压力缸、活塞、热缩管和手动液压泵，压力缸左右侧壁上均设有定位销，活塞沿轴向插入压力缸内并与压力缸密封配合，活塞位于定位销下方，压力缸和活塞形成一个压力室，热缩管位于压力室内，热缩管左右两端分别连接有进气高压管和出气高压管，进气高压管另一端与充气罐连通，出气高压管另一端连接有两位三通阀，进气高压管上设有第三阀门，压力缸与手动液压泵之间通过液体高压管连通，液体高压管上沿液体流通方向设有第四阀门和液压表，压力缸底部连接有排水管，排水管上设有第五阀门；抽真空装置包括真空泵和真空计，真空泵通过真空高压管与两位三通阀连通，真空计设在真空高压管上，真空计与两位三通阀之间的真空高压管上设有第六阀门；瓦斯解吸仪通过气体高压管与两位三通阀连通，瓦斯解吸仪与两位三通阀之间的气体高压管上沿瓦斯流通方向串联设有第三气压表和第七阀门；充气罐与压力缸均设在恒温箱内。

恒温箱的温度调节范围为0℃-80℃，加载系统的加载压力调节范围为0-40MPa。

本发明的目的还在于提供一种受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法，充分考虑应力和温度的影响，在恒定温度下，通过改变软煤煤样所受到的加载压力，进行瓦斯吸附解吸试验，从而得到受载条件下的煤层瓦斯吸附解吸规律。

为实现上述发明目的，本发明的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法依次包括如下步骤：

（1）关闭所有阀门，卸下压力缸左右侧壁上的两个定位销，取下活塞，剪取一定长度的热缩管，在热缩管中装填定量软煤煤样，将进气高压管和出气高压管分别由热缩管的左方和右方插入热缩管内，利用电吹风等加热装置对热缩管加热，热缩管受热后收缩并紧密包裹软煤煤样，同时热缩管左右两端分别紧密包裹进气高压管和出气高压管伸入热缩管的端部；

（2）将活塞沿轴向插入压力缸，并将定位销插入压力缸左右侧壁，打开第四阀门，利用手动液压泵向压力缸内泵入蒸馏水，使得压力室内的压力达到预定值，同时活塞向上移动并顶紧定位销，关闭第四阀门；

（3）打开第二阀门和第三阀门，通过两位三通阀将出气高压管与真空泵连通，启动真空泵，打开第六阀门，对整个系统进行脱气处理，根据真空计的读数判断是否达到试验的真空度要求，达到试验的真空度要求后，关闭真空泵、第二阀门、第三阀门和第六阀门；

（4）打开第一阀门和第二阀门，调节减压阀将瓦斯压力调节到预定压力，通过高压瓦斯罐向充气罐中充入瓦斯气体，充入完毕后关闭第一阀门和第二阀门，启动恒温箱，设定试验温度，试验温度在0-80℃之间，当温度传感器上的读数与恒温箱上的设定温度值一致时，打开第三阀门开始进行吸附试验，通过充气罐向煤样中充入瓦斯气体，煤样充分吸附瓦斯，直至吸附平衡，煤样达到吸附平衡后，关闭第三阀门，根据压力传感器所检测到的压力变化，减去进气高压管和出气高压管内的瓦斯量，利用气体状态方程计算出煤样的瓦斯吸附量大小；

（5）吸附试验完成后，通过两位三通阀将出气高压管与解吸仪连通，打开第七阀门开始进行解吸试验，当第三气压表的表压降至零时，开始用瓦斯解吸仪记录煤样解吸量随时间变化情况，解吸前期，解吸量变化较快，记录瓦斯解吸量的时间间隔为30s，解吸后期，解吸量变化较慢，记录瓦斯解吸量时间间隔为60s，当煤样中不再有瓦斯解吸出来后，关闭第七阀门，根据试验数据绘制出煤样解吸量随时间的变化曲线，从而得到瓦斯解吸总量；

（6）瓦斯吸附解吸试验结束后，打开第五阀门，将压力缸中的蒸馏水通过排水管排出；

（7）以上（1）～（6）步骤为一次载荷试验，重复以上（1）～（6）步骤，进行多次载荷试验，每次载荷试验保持第（1）步骤中热缩管内装填的软煤煤样质量相等，并且改变第（2）步中压力室内的压力预定值以模拟不同的载荷条件。

在步骤（1）中，在进气高压管、出气高压管和热缩管之间的缝隙内填入少量液体硅橡胶，待液体硅橡胶完全固化后，再进行第（2）步骤。

采用上述技术方案，本发明具有如下优点：

1、本发明包括瓦斯供给装置、加载装置、抽真空装置、恒温箱和瓦斯解吸仪，其结构简单，基于构造软煤难以施加载荷的现状，以及煤层所处的压力-温度耦合赋存环境的客观存在，提出了一种简便可靠的施压方法，有效地解决了构造软煤的加载问题。瓦斯供给装置利用高压瓦斯罐提供瓦斯气体，通过减压阀将瓦斯压力调节到试验所需的压力大小，并充入充气罐内，利用充气罐向煤样中注入瓦斯气体，这样使得煤样充分吸附瓦斯直至达到吸附平衡，并通过观察充气罐内瓦斯气体的压力变化结合高压管路内瓦斯含量，便可计算出煤样吸附解吸量的大小；加载装置中压力缸和活塞形成了一个压力室，通过手动液压泵向压力缸内注入蒸馏水，使得压力室内的压力达到预设值，实现对煤样的加载，操作简便；最后通过瓦斯解吸仪读数的变化得到瓦斯解吸量随时间的变化规律；通过本发明所提供的试验装置和方法，可方便准确地获取构造软煤在受载条件下的瓦斯吸附解吸规律，从而为煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑。

2、本发明的充气罐和压力缸均设在恒温箱内，使得系统温度恒定，排除气源温度不同的干扰，使煤样瓦斯吸附解吸试验在同一温度下进行，可实现试验的完整性和连续性。

3、本发明的抽真空装置利用真空泵对整个试验管路进行脱气处理，确保试验过程中只有瓦斯气体参与到试验中，从而排除其他气体对试验结果的干扰。本发明各处的承压管路均为高压管，可严格控制管路长度，尽最大可能减少管路的自由空间，使试验数据更准确。

4、本发明的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法，基于构造软煤难以施加载荷的现状，以及煤层所处的压力-温度耦合赋存环境的客观存在，采用加载装置对软煤煤样施加压力，有效地解决了构造软煤的加载问题，并且可以通过改变手动液压泵向压力缸内注入蒸馏水的多少，得到不同的压力值，操作简便，根据压力传感器所检测到的压力变化计算出瓦斯吸附量，通过瓦斯解吸仪读数的变化得到瓦斯解吸量随时间的变化规律，从而得到瓦斯解吸总量；通过对比在不同载荷条件下的瓦斯吸附量和解吸量，得到受载条件下的煤层瓦斯吸附解吸规律，为煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑，从而指导相应的煤矿工程实践，采取更有针对性的预防及防护措施，对于煤矿安全生产具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统，包括瓦斯供给装置、加载装置、抽真空装置、恒温箱1和瓦斯解吸仪2；瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐3、减压阀4和充气罐5，高压瓦斯罐3和充气罐5之间通过充气高压管31连通，减压阀4设在充气高压管31上，高压瓦斯罐3与减压阀4之间的充气高压管31上按瓦斯流通方向串联设有第一阀门6和第一气压表7，减压阀4与充气罐5之间的充气高压管31上按瓦斯流通方向串联设有第二气压表8和第二阀门9，充气罐5上设有温度传感器10和压力传感器11；加载装置包括压力缸12、活塞13、热缩管14和手动液压泵15，压力缸12左右侧壁上均设有定位销16，活塞13沿轴向插入压力缸12内并与压力缸12密封配合，活塞13位于定位销16下方，压力缸12和活塞13形成一个压力室17，热缩管14位于压力室17内，热缩管14左右两端分别连接有进气高压管18和出气高压管19，进气高压管18另一端与充气罐5连通，出气高压管19另一端连接有两位三通阀20，进气高压管18上设有第三阀门21，压力缸12与手动液压泵15之间通过液体高压管32连通，液体高压管32上沿液体流通方向设有第四阀门22和液压表23，压力缸12底部连接有排水管24，排水管24上设有第五阀门25；抽真空装置包括真空泵26和真空计27，真空泵26通过真空高压管33与两位三通阀20连通，真空计27设在真空高压管33上，真空计27与两位三通阀20之间的真空高压管33上设有第六阀门28；瓦斯解吸仪2通过气体高压管34与两位三通阀20连通，瓦斯解吸仪2与两位三通阀20之间的气体高压管34上沿瓦斯流通方向串联设有第三气压表29和第七阀门30；充气罐5与压力缸12均设在恒温箱1内。高压瓦斯罐3为市售甲烷标准气，体积为40L/瓶，纯度≥99.99%，充气高压管31、进气高压管18、出气高压管19、液体高压管32、真空高压管33和气体高压管34的耐压值在60MPa以上。

恒温箱1的温度调节范围为0-80℃（摄氏度），加载系统的加载压力调节范围为0-40MPa（兆帕）。

其中，恒温箱、热缩管、手动液压泵、温度传感器、压力传感器、真空泵和瓦斯解吸仪等均为本领域现有常规技术，其具体结构不再详述。

受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法，依次包括以下步骤：

（1）关闭所有阀门，卸下压力缸12左右侧壁上的两个定位销16，取下活塞13，剪取30厘米的热缩管14，在热缩管14中装填软煤煤样，将进气高压管18和出气高压管19分别由热缩管的左方和右方插入热缩管内并伸入热缩管5厘米；利用电吹风对热缩管14加热，热缩管14受热后收缩并紧密包裹软煤煤样，同时热缩管14左右两端分别紧密包裹进气高压管18和出气高压管19伸入热缩管14的端部；

（2）将活塞13沿轴向插入压力缸12，并将定位销16插入压力缸12左右侧壁，打开第四阀门22，利用手动液压泵15向压力缸12内泵入蒸馏水，使得压力室内的压力达到预定值，预定值在0-40MPa之间（如10MPa），同时活塞13在压力的作用下向上移动并顶紧定位销16，关闭第四阀门22；

（3）打开第二阀门9和第三阀门21，通过两位三通阀20将出气高压管19与真空泵26连通，启动真空泵26，打开第六阀门28，对整个系统进行脱气处理，根据真空计27的读数判断是否达到试验的真空度要求，达到试验的真空度要求后，关闭真空泵26、第二阀门9、第三阀门21和第六阀门28；

（4）打开第一阀门6和第二阀门9，调节减压阀4将瓦斯压力调节到预定压力（实验设计者根据模拟试验所需要模拟的目标煤样确定预定压力，使煤样在预定压力下吸附瓦斯气体达到平衡状态，从而制备出能够模拟出目标煤样。在确定所要模拟的目标煤样后，确定预定压力为本领域技术人员的常规能力），通过高压瓦斯罐3向充气罐5中充入瓦斯气体，充入完毕后关闭第一阀门6和第二阀门9，启动恒温箱1，设定试验温度，试验温度在0-80℃之间（如20℃），当温度传感器10上的读数与恒温箱1上的设定温度值一致时，打开第三阀门21开始进行吸附试验，通过充气罐5向煤样中充入瓦斯气体，煤样充分吸附瓦斯，直至吸附平衡，煤样达到吸附平衡后，关闭第三阀门21，根据压力传感器11所检测到的压力变化，减去进气高压管18和出气高压管19内的瓦斯量，利用气体状态方程（本领域公知常识）计算出煤样的瓦斯吸附量大小；

（5）吸附试验完成后，通过两位三通阀20将出气高压管19与瓦斯解吸仪2连通，打开第七阀门30开始进行解吸试验，当第三气压表29的表压降至零时，开始用瓦斯解吸仪2记录煤样解吸量随时间变化情况，解吸前期，解吸量变化较快，记录瓦斯解吸量的时间间隔为30s，解吸后期，解吸量变化较慢，记录瓦斯解吸量时间间隔为60s，当煤样中不再有瓦斯解吸出来后，关闭第七阀门30，根据试验数据绘制出煤样解吸量随时间的变化曲线，从而得到瓦斯解吸总量；

（6）瓦斯吸附解吸试验结束后，打开第五阀门25，将压力缸12中的蒸馏水通过排水管24排出；

（7）以上（1）～（6）步骤为一次载荷试验，重复以上（1）～（6）步骤，进行多次载荷试验，每次载荷试验保持第（1）步骤中热缩管内装填的软煤煤样质量相等，并且改变第（2）步骤中压力室内的压力预定值以模拟不同的载荷条件，。

在步骤（1）中，在进气高压管18、出气高压管19和热缩管14之间的缝隙内填入少量液体硅橡胶，待液体硅橡胶完全固化后，再进行第（2）步骤。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于：包括瓦斯供给装置、加载装置、抽真空装置、恒温箱和瓦斯解吸仪；瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐、减压阀和充气罐，高压瓦斯罐和充气罐之间通过充气高压管连通，减压阀设在充气高压管上，高压瓦斯罐与减压阀之间的充气高压管上按瓦斯流通方向串联设有第一阀门和第一气压表，减压阀与充气罐之间的充气高压管上按瓦斯流通方向串联设有第二气压表和第二阀门，充气罐上设有温度传感器和压力传感器；加载装置包括压力缸、活塞、热缩管和手动液压泵，压力缸左右侧壁上均设有定位销，活塞沿轴向插入压力缸内并与压力缸密封配合，活塞位于定位销下方，压力缸和活塞形成一个压力室，热缩管位于压力室内，热缩管左右两端分别连接有进气高压管和出气高压管，进气高压管另一端与充气罐连通，出气高压管另一端连接有两位三通阀，进气高压管上设有第三阀门，压力缸与手动液压泵之间通过液体高压管连通，液体高压管上沿液体流通方向设有第四阀门和液压表，压力缸底部连接有排水管，排水管上设有第五阀门；抽真空装置包括真空泵和真空计，真空泵通过真空高压管与两位三通阀连通，真空计设在真空高压管上，真空计与两位三通阀之间的真空高压管上设有第六阀门；瓦斯解吸仪通过气体高压管与两位三通阀连通，瓦斯解吸仪与两位三通阀之间的气体高压管上沿瓦斯流通方向串联设有第三气压表和第七阀门；充气罐与压力缸均设在恒温箱内。

2.根据权利要求1所述的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于：恒温箱的温度调节范围为0-80℃，加载系统的加载压力调节范围为0-40MPa。

3.采用权利要求2所述的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法，其特征在于依次包括以下步骤：

（1）关闭所有阀门，卸下压力缸左右侧壁上的两个定位销，取下活塞，剪取一段热缩管，在热缩管中装填软煤煤样，将进气高压管和出气高压管分别由热缩管的左方和右方插入热缩管内，利用电吹风等加热装置对热缩管加热，热缩管受热后收缩并紧密包裹软煤煤样，同时热缩管左右两端分别紧密包裹进气高压管和出气高压管伸入热缩管的端部；

（2）将活塞沿轴向插入压力缸，并将定位销插入压力缸左右侧壁，打开第四阀门，利用手动液压泵向压力缸内泵入蒸馏水，使得压力室内的压力达到预定值，同时活塞向上移动并顶紧定位销，关闭第四阀门；

（3）打开第二阀门和第三阀门，通过两位三通阀将出气高压管与真空泵连通，启动真空泵，打开第六阀门，对整个系统进行脱气处理，根据真空计的读数判断是否达到试验的真空度要求，达到试验的真空度要求后，关闭真空泵、第二阀门、第三阀门和第六阀门；

（4）打开第一阀门和第二阀门，调节减压阀将瓦斯压力调节到预定压力，通过高压瓦斯罐向充气罐中充入瓦斯气体，充入完毕后关闭第一阀门和第二阀门，启动恒温箱，设定试验温度，试验温度在0-80℃之间，当温度传感器上的读数与恒温箱上的设定温度值一致时，打开第三阀门开始进行吸附试验，通过充气罐向煤样中充入瓦斯气体，煤样充分吸附瓦斯，直至吸附平衡，煤样达到吸附平衡后，关闭第三阀门，根据压力传感器所检测到的压力变化，减去进气高压管和出气高压管内的瓦斯量，利用气体状态方程计算出煤样的瓦斯吸附量大小；

（5）吸附试验完成后，通过两位三通阀将出气高压管与瓦斯解吸仪连通，打开第七阀门开始进行解吸试验，当第三气压表的表压降至零时，开始用瓦斯解吸仪记录煤样解吸量随时间变化情况，解吸前期，解吸量变化较快，记录瓦斯解吸量的时间间隔为30s，解吸后期，解吸量变化较慢，记录瓦斯解吸量时间间隔为60s，当煤样中不再有瓦斯解吸出来后，关闭第七阀门，根据试验数据绘制出煤样解吸量随时间的变化曲线，从而得到瓦斯解吸总量；

（6）瓦斯吸附解吸试验结束后，打开第五阀门，将压力缸中的蒸馏水通过排水管排出；

（7）以上（1）～（6）步骤为一次载荷试验，重复以上（1）～（6）步骤，进行多次载荷试验，每次载荷试验保持第（1）步骤中热缩管内装填的软煤煤样质量相等，并且改变第（2）步骤中压力室内的压力预定值以模拟不同的载荷条件。

4.根据权利要求3所述的受载构造软煤瓦斯吸附解吸试验系统的试验方法，其特征在于：在步骤（1）中，在进气高压管、出气高压管和热缩管之间的缝隙内填入少量液体硅橡胶，待液体硅橡胶完全固化后，再进行第（2）步骤。