CN105699273B - 一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置，包括抽真空系统、注气系统、解吸渗流系统和气体计量系统；抽真空系统包括真空泵和真空容器，真空泵的进气口通过第一气管与真空容器的出气口连接，第一气管上沿气体流动方向依次设有真空表和第一截止阀；注气系统包括甲烷气罐，甲烷气罐通过第二气管与解吸渗流系统连接，第二气管上沿气体流动方向依次设有高压表、第一减压阀、低压表、第一管道增压泵、第二截止阀、单向阀、蒸汽发生机构、调压阀、第三截止阀和第一压力表；本发明便于操作、工作量小、测量快速准确、实验性能高，为煤层气的渗透率和渗透量提供了实验和理论研究。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置及方法。
背景技术
煤矿瓦斯是一种可燃性气体，它既是一种宝贵的资源，也是威胁煤矿安全生产的最大隐患，在采矿过程中，瓦斯从煤层内扩散涌出到矿井的巷道中，当巷道中的瓦斯浓度达到爆炸界限，遇到明火时，就会造成煤矿瓦斯爆炸事故。进行井下本煤层或邻近煤层的瓦斯预抽采是减少矿井瓦斯涌出量、防治煤矿瓦斯灾害的有效方法。目前公知的煤层瓦斯抽采方法主要有本煤层钻孔抽采、邻近煤层穿层钻孔抽采、邻近煤层巷道钻孔联合抽采和地面垂直钻孔抽采等方法，这些方法的共同原理是在煤层中施工和外部连通的钻孔或巷道，钻孔或巷道周围压力高的瓦斯会向钻孔或巷道的低压区流动，但由于我国的绝大多数煤田都属于低渗透煤层，瓦斯流动的速度缓慢，常规的瓦斯抽放方法对于低渗透煤层效果较差。
我国拥有丰富的煤层气资源，其中绝大多数煤层为低渗透煤层，煤层气开采量小，开采成本高、时间长，无法形成大规模的工业化开采，因此，多年来许多学者对如何提高煤层气的渗透率和渗透量进行了大量的试验和理论研究，主要集中于地应力对煤岩体渗透性影响以及注气驱替煤层气的方法，理论也揭示，温度是改善煤层气透气性的一个关键性因素，蒸汽注入煤层中提高煤层温度，促使煤层气解吸，蒸汽在煤层中渗透驱动煤层气流动，可以提高煤层气开采效率，但对于煤层气条件、煤层甲烷条件，需要使用不同的蒸汽注入参数如蒸汽温度、蒸汽干度、蒸汽流量、注气钻孔布置等，针对以上情况，亟需对蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流进行测试。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种便于操作、工作量小、测量快速准确、实验性能高，能够快速准确地测定不同环境条件下煤体中瓦斯的吸附渗透性的一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置，包括抽真空系统、注气系统、解吸渗流系统和气体计量系统；
抽真空系统包括真空泵和真空容器，真空泵的进气口通过第一气管与真空容器的出气口连接，第一气管上沿气体流动方向依次设有真空表和第一截止阀；
注气系统包括甲烷气罐，甲烷气罐通过第二气管与解吸渗流系统连接，第二气管上沿气体流动方向依次设有高压表、第一减压阀、低压表、第一管道增压泵、第二截止阀、单向阀、蒸汽发生机构、调压阀、第三截止阀和第一压力表；真空容器的进气口通过第三气管与第二气管连接，第三气管与第二气管的连接处位于调压阀与第三截止阀之间，第三气管上设有第四截止阀；
解吸渗流系统包括密封恒温箱、三轴夹持器和平衡罐；平衡罐和三轴夹持器位于密封恒温箱内，甲烷气罐通过第二气管与三轴夹持器连接；平衡罐上设有第四压力表，平衡罐的进气口通过第五气管与第二气管连接，第五气管与第二气管的连接处位于调压阀与第三截止阀之间，平衡罐的出气口通过第六气管与第二气管连接，第六气管与第二气管的连接处位于第一压力表与三轴夹持器之间，第五气管上设有第五截止阀，第六气管上设有第六截止阀；密封恒温箱的进口设有第一温度传感器，密封恒温箱的出口设有第二温度传感器；三轴夹持器通过第七气管连接有轴压泵，三轴夹持器通过第八气管连接有围压泵，第七气管上设有第七截止阀，第八气管上设有第八截止阀；
气体计量系统包括数据采集控制电脑、电子天平、气液分离器和气体流量计，气液分离器通过第九气管与三轴夹持器的出口连接，第九气管上沿气体流动方向依次设有第三压力表、第二减压阀、第九截止阀和制冷器；气液分离器通过第十气管与气体流量计连接，第十气管上设有干燥器；数据采集控制电脑分别通过数据线与第一压力表、第一温度传感器、第二温度传感器、第四压力表、第三压力表、气体流量计和电子天平连接。
蒸汽发生机构包括水箱和蒸汽发生器，水箱通过第一水管与蒸汽发生器连接，蒸汽发生器通过第四气管与第二气管连接；第一水管上沿水流动方向依次设有自吸泵、第十截止阀、高压储水罐和第十一截止阀，第四气管上沿蒸汽流动方向依次设有第二压力表、第十二截止阀、第二管道增压泵和第十三截止阀，蒸汽发生器的出气口处设有温度表。
蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
（1）制备煤样；采集不同渗透率的煤样，按照要求将其加工成Ф50×100mm标准煤样，50mm为煤样的直径，100mm为煤样的长度；
（2）检查实验条件：检查各个实验设备，测试其是否完好无损，并检查所有管路是否畅通，甲烷气罐的气体含量是否能达到设计预想的实验压力，三轴夹持器的密封效果是否完好，各实验仪表的示数是否正常，用电设备的线路是否通路；
（3）装配煤样并准备真空实验条件：将煤样套上热收缩橡胶套，接着固定到三轴夹持器上；打开第三截止阀、第四截止阀和第一截止阀，其他阀门处于关闭状态，开启真空泵和密封恒温箱，使密封恒温箱内的温度保持在100~105°C，真空泵对三轴夹持器内部抽真空，当真空表的示数为0.1Mpa时，关闭第三截止阀、第四截止阀和第一截止阀；
（4）向平衡罐内注入甲烷气体：打开第一减压阀、第二截止阀、单向阀、调压阀和第五截止阀，同时打开甲烷气罐，甲烷气体在第一管道增压泵的驱动下并沿第二气管和第五气管进入平衡罐，当平衡罐上的第四压力表上的压力值达到设定值时，关闭甲烷气罐，同时关闭第一减压阀、第二截止阀、单向阀、调压阀和第五截止阀；
（5）向三轴夹持器内注入甲烷气体：打开第六截止阀，平衡罐内的甲烷气体沿第六气管并经第二气管进入三轴夹持器内，连续24h向三轴夹持器内充入甲烷气体，使煤样对甲烷气体的吸附达到平衡，当第四压力表的示数不再变化时，关闭第六截止阀；
（6）煤样受力模拟：打开第七截止阀和第八截止阀，接着启动轴压泵和围压泵，对煤样施加轴向压力和环向压力；
（7）打开数据采集控制电脑；
（8）持续向三轴夹持器内通入高温高压蒸汽：打开第十截止阀，然后开启自吸泵往高压储水罐内注水，当高压储水罐内注满水后，关闭第十截止阀和自吸泵，接着打开第十一截止阀并启动蒸汽发生器，当蒸汽发生器的出气口处的温度计示数达到设定值后，依次打开第十二截止阀、第十三截止阀和第三截止阀，同时打开第二管道增压泵，在第二管道增压泵的驱动下持续向三轴夹持器内注入高温高压蒸汽，调节调压阀调节第一压力表的示数，使第一压力表示数为a；
（9）气液分离：开启制冷器，然后打开第二减压阀和第九截止阀，三轴夹持器内的气液混合体经过第三压力表和制冷器进入气液分离器，被冷却的液体在气液分离器的液体出口流出，被解吸的甲烷气体经过干燥器干燥，最后经气体流量计排出，同时记录第三压力表的示数b、电子天平的示数和气体流量计的示数d
（10）数据采集控制电脑对第一压力表、第一温度传感器、第二温度传感器、第四压力表、第三压力表、气体流量计和电子天平所示的上述数值进行采集，根据煤体瓦斯渗透率公式，计算瓦斯煤样渗透率k=（2dPμ*l）/π（a-b）r，P为室内大气压力，μ为甲烷气体粘性系数，r为煤样的半径0.025m， l为煤样的长度0.1m。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明主要操作是抽真空系统、注气系统、解吸渗流系统、气体计量系统之间的衔接和配合，抽真空系统是把管道和各个设备内的空气排出；解吸渗流系统主要是放置平衡罐和三轴夹持器，保持密封恒温箱内装置保持某一恒定温度，在冲完甲烷气体后对煤样施加轴向压力和环向压力；注气系统是人为的注入一定压力的瓦斯气体储存在平衡罐中，然后经过平衡罐向三轴夹持器里注入指定压力的甲烷气体，让煤样充分吸收后，开始注入高温高压蒸汽，利用蒸汽驱动煤体中吸附的甲烷气体发生解吸并向压力小的一侧流动；计量系统是从解吸渗流系统流出的气体经过冷却后，在汽液分离器中进行分离，出气口的甲烷经过干燥后，经过流量计直接排出，另外可以利用数据线传输到数据采集控制电脑上，记录蒸汽进口和出口的压力表读数、温度传感器示数、平衡罐的压力表示数、高精度电子天平的示数、气体流量计的示数，进而计算出煤体中解吸瓦斯的渗透率、蒸汽的渗透率，蒸汽在煤体中热传导性；高温蒸汽驱动煤体中瓦斯渗流技术是利用高温高压蒸汽促进煤中的甲烷解吸，测试煤层瓦斯透气性的一种新实验方式；测试方法研究了应力和温度影响下煤体的渗流规律，能够为瓦斯抽放的设计和优化以及煤层气的开采提供理论参考。
综上所述，本发明便于操作、工作量小、测量快速准确、实验性能高，为煤层气的渗透率和渗透量提供了实验和理论研究。
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，本发明的一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置，包括抽真空系统Ⅰ、注气系统Ⅱ、解吸渗流系统Ⅲ和气体计量系统Ⅳ；
抽真空系统Ⅰ包括真空泵1和真空容器2，真空泵1的进气口通过第一气管13与真空容器2的出气口连接，第一气管13上沿气体流动方向依次设有真空表3和第一截止阀14；
注气系统Ⅱ包括甲烷气罐4，甲烷气罐4通过第二气管15与解吸渗流系统连接，第二气管15上沿气体流动方向依次设有高压表5、第一减压阀6、低压表7、第一管道增压泵8、第二截止阀58、单向阀9、蒸汽发生机构、调压阀10、第三截止阀11和第一压力表12；真空容器2的进气口通过第三气管16与第二气管15连接，第三气管16与第二气管15的连接处位于调压阀10与第三截止阀11之间，第三气管16上设有第四截止阀17；
蒸汽发生机构包括水箱18和蒸汽发生器19，水箱18通过第一水管20与蒸汽发生器19连接，蒸汽发生器19通过第四气管21与第二气管15连接；第一水管20上沿水流动方向依次设有自吸泵22、第十截止阀23、高压储水罐24和第十一截止阀25，第四气管21上沿蒸汽流动方向依次设有第二压力表26、第十二截止阀27、第二管道增压泵28和第十三截止阀29，蒸汽发生器19的出气口处设有温度表30；
解吸渗流系统Ⅲ包括密封恒温箱31、三轴夹持器32和平衡罐33；平衡罐33和三轴夹持器32位于密封恒温箱31内，甲烷气罐4通过第二气管15与三轴夹持器32连接；平衡罐33上设有第四压力表34，平衡罐33的进气口通过第五气管35与第二气管15连接，第五气管35与第二气管15的连接处位于调压阀10与第三截止阀11之间，平衡罐33的出气口通过第六气管36与第二气管15连接，第六气管36与第二气管15的连接处位于第一压力表12与三轴夹持器32之间，第五气管35上设有第五截止阀37，第六气管36上设有第六截止阀38；密封恒温箱31的进口设有第一温度传感器39，密封恒温箱31的出口设有第二温度传感器40；三轴夹持器32通过第七气管41连接有轴压泵42，三轴夹持器32通过第八气管43连接有围压泵44，第七气管41上设有第七截止阀45，第八气管43上设有第八截止阀46；
气体计量系统Ⅳ包括数据采集控制电脑47、电子天平48、气液分离器49和气体流量计50，气液分离器49通过第九气管51与三轴夹持器32的出口连接，第九气管51上沿气体流动方向依次设有第三压力表52、第二减压阀53、第九截止阀54和制冷器55；气液分离器49第十气管56与气体流量计50连接，第十气管56上设有干燥器57；数据采集控制电脑47分别通过数据线与第一压力表12、第一温度传感器39、第二温度传感器40、第四压力表34、第三压力表52、气体流量计50和电子天平48连接。
一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试方法，包括以下步骤：
（1）制备煤样：采集不同渗透率的煤样，按照要求将其加工成Ф50×100mm标准煤样，50mm为煤样的直径，100mm为煤样的长度；
（2）检查实验条件：检查各个实验设备，测试其是否完好无损，并检查所有管路是否畅通，甲烷气罐4的气体含量是否能达到设计预想的实验压力，三轴夹持器32的密封效果是否完好，各实验仪表的示数是否正常，用电设备的线路是否通路；
（3）装配煤样并准备真空实验条件：将煤样套上热收缩橡胶套，接着固定到三轴夹持器32上；打开第三截止阀11、第四截止阀17和第一截止阀14，其他阀门处于关闭状态，开启真空泵1和密封恒温箱31，使密封恒温箱31内的温度保持在100~105°C，通过真空泵1对三轴夹持器32内部抽真空，当真空表3的示数为0.1Mpa时，关闭第三截止阀11、第四截止阀17和第一截止阀14；
（4）向平衡罐33内注入甲烷气体：打开第一减压阀6、第二截止阀58、单向阀9、调压阀10和第五截止阀37，同时打开甲烷气罐4，甲烷气体在第一管道增压泵8的驱动下并沿第二气管15进入平衡罐33，当平衡罐33上的第四压力表34上的压力值达到设定值时，关闭甲烷气罐4，同时关闭第一减压阀6、第二截止阀58、单向阀9、调压阀10和第五截止阀37；
（5）向三轴夹持器32内注入甲烷气体：打开第六截止阀38，平衡罐33内的甲烷气体沿第六气管36并经第二气管15进入三轴夹持器32内，连续24h向三轴夹持器32内充入甲烷气体，使煤样对甲烷气体的吸附达到平衡，当第四压力表34的示数不再变化时，关闭第六截止阀38；
（6）煤样受力模拟：打开第七截止阀45和第八截止阀46，接着启动轴压泵42和围压泵44，对煤样施加轴向压力和环向压力；
（7）打开数据采集控制电脑47；
（8）持续向三轴夹持器32内通入高温高压蒸汽：打开第十截止阀23，然后开启自吸泵22往高压储水罐24内注水，当高压储水罐24内注满水后，关闭第十截止阀23和自吸泵22，接着打开第十一截止阀25并启动蒸汽发生器19，当蒸汽发生器19的出气口处的温度计示数达到设定值后，依次打开第十二截止阀27、第十三截止阀29和第三截止阀11，同时打开第二管道增压泵28，在第二管道增压泵28的驱动下向三轴夹持器32内持续注入高温高压蒸汽，调节调压阀10调节第一压力表12的示数，使第一压力表12示数为a；
（9）气液分离：开启制冷器55，然后打开第二减压阀53和第九截止阀54，三轴夹持器32内的气液混合体经过第三压力表52和制冷器55进入气液分离器49，被冷却的液体在气液分离器49的液体出口流出，被解吸的甲烷气体经过干燥器57、气体流量计50排出，同时记录第三压力表52的示数b、电子天平48的示数和气体流量计50的示数d；
（10）数据采集控制电脑47对第一压力表12、第一温度传感器39、第二温度传感器40、第四压力表34、第三压力表52、气体流量计50和电子天平48所示的上述数值进行采集，根据煤体瓦斯渗透率公式，计算瓦斯煤样渗透率k=（2dPμ*l）/π（a-b）r，P为室内大气压力，μ为甲烷气体粘性系数，r为煤样的半径0.025m， l为煤样的长度0.1m。
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 (3)
1.一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置，其特征在于：包括抽真空系统、注气系统、解吸渗流系统和气体计量系统；
抽真空系统包括真空泵和真空容器，真空泵的进气口通过第一气管与真空容器的出气口连接，第一气管上沿气体流动方向依次设有真空表和第一截止阀；
注气系统包括甲烷气罐，甲烷气罐通过第二气管与解吸渗流系统连接，第二气管上沿气体流动方向依次设有高压表、第一减压阀、低压表、第一管道增压泵、第二截止阀、单向阀、蒸汽发生机构、调压阀、第三截止阀和第一压力表；真空容器的进气口通过第三气管与第二气管连接，第三气管与第二气管的连接处位于调压阀与第三截止阀之间，第三气管上设有第四截止阀；
解吸渗流系统包括密封恒温箱、三轴夹持器和平衡罐；平衡罐和三轴夹持器位于密封恒温箱内，甲烷气罐通过第二气管与三轴夹持器连接；平衡罐上设有第四压力表，平衡罐的进气口通过第五气管与第二气管连接，第五气管与第二气管的连接处位于调压阀与第三截止阀之间，平衡罐的出气口通过第六气管与第二气管连接，第六气管与第二气管的连接处位于第一压力表与三轴夹持器之间，第五气管上设有第五截止阀，第六气管上设有第六截止阀；密封恒温箱的进口设有第一温度传感器，密封恒温箱的出口设有第二温度传感器；三轴夹持器通过第七气管连接有轴压泵，三轴夹持器通过第八气管连接有围压泵，第七气管上设有第七截止阀，第八气管上设有第八截止阀；
气体计量系统包括数据采集控制电脑、电子天平、气液分离器和气体流量计，气液分离器通过第九气管与三轴夹持器的出口连接，第九气管上沿气体流动方向依次设有第三压力表、第二减压阀、第九截止阀和制冷器；气液分离器通过第十气管与气体流量计连接，第十气管上设有干燥器；数据采集控制电脑分别通过数据线与第一压力表、第一温度传感器、第二温度传感器、第四压力表、第三压力表、气体流量计和电子天平连接。
2.根据权利要求1所述的一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置，其特征在于：蒸汽发生机构包括水箱和蒸汽发生器，水箱通过第一水管与蒸汽发生器连接，蒸汽发生器通过第四气管与第二气管连接；第一水管上沿水流动方向依次设有自吸泵、第十截止阀、高压储水罐和第十一截止阀，第四气管上沿蒸汽流动方向依次设有第二压力表、第十二截止阀、第二管道增压泵和第十三截止阀，蒸汽发生器的出气口处设有温度表。
3.根据权利要求2所述的一种蒸汽驱动煤体瓦斯解吸渗流的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备煤样；采集不同渗透率的煤样，按照要求将其加工成Ф50×100mm标准煤样，50mm为煤样的直径，100mm为煤样的长度；
（2）检查实验条件：检查各个实验设备，测试其是否完好无损，并检查所有管路是否畅通，甲烷气罐的气体含量是否能达到设计预想的实验压力，三轴夹持器的密封效果是否完好，各实验仪表的示数是否正常，用电设备的线路是否通路；
（3）装配煤样并准备真空实验条件：将煤样套上热收缩橡胶套，接着固定到三轴夹持器上；打开第三截止阀、第四截止阀和第一截止阀，其他阀门处于关闭状态，开启真空泵和密封恒温箱，使密封恒温箱内的温度保持在100~105°C，真空泵对三轴夹持器内部抽真空，当真空表的示数为0.1Mpa时，关闭第三截止阀、第四截止阀和第一截止阀；
（4）向平衡罐内注入甲烷气体：打开第一减压阀、第二截止阀、单向阀、调压阀和第五截止阀，同时打开甲烷气罐，甲烷气体在第一管道增压泵的驱动下并沿第二气管和第五气管进入平衡罐，当平衡罐上的第四压力表上的压力值达到设定值时，关闭甲烷气罐，同时关闭第一减压阀、第二截止阀、单向阀、调压阀和第五截止阀；
（5）向三轴夹持器内注入甲烷气体：打开第六截止阀，平衡罐内的甲烷气体沿第六气管并经第二气管进入三轴夹持器内，连续24h向三轴夹持器内充入甲烷气体，使煤样对甲烷气体的吸附达到平衡，当第四压力表的示数不再变化时，关闭第六截止阀；
（6）煤样受力模拟：打开第七截止阀和第八截止阀，接着启动轴压泵和围压泵，对煤样施加轴向压力和环向压力；
（7）打开数据采集控制电脑；
（8）持续向三轴夹持器内通入高温高压蒸汽：打开第十截止阀，然后开启自吸泵往高压储水罐内注水，当高压储水罐内注满水后，关闭第十截止阀和自吸泵，接着打开第十一截止阀并启动蒸汽发生器，当蒸汽发生器的出气口处的温度计示数达到设定值后，依次打开第十二截止阀、第十三截止阀和第三截止阀，同时打开第二管道增压泵，在第二管道增压泵的驱动下持续向三轴夹持器内注入高温高压蒸汽，调节调压阀调节第一压力表的示数，使第一压力表示数为a；
（9）气液分离：开启制冷器，然后打开第二减压阀和第九截止阀，三轴夹持器内的气液混合体经过第三压力表和制冷器进入气液分离器，被冷却的液体在气液分离器的液体出口流出，被解吸的甲烷气体经过干燥器干燥，最后经气体流量计排出，同时记录第三压力表的示数b、电子天平的示数和气体流量计的示数d；
（10）数据采集控制电脑对第一压力表、第一温度传感器、第二温度传感器、第四压力表、第三压力表、气体流量计和电子天平所示的数值进行采集，根据煤体瓦斯渗透率公式，计算瓦斯煤样渗透率k=（2dPμ*l）/π（a-b）r，P为室内大气压力，μ为甲烷气体粘性系数，r为煤样的半径0.025m， l为煤样的长度0.1m。
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