CN107687998B - 红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法，其采用了红外线中心加热煤岩体，并通过气体加压方式，实现对煤岩体轴压、围压和孔隙压的分别加压。在装置作业过程中，通过第一调压阀的气体推动活塞沿煤岩体轴向移动，推动下压头，对煤岩体施加轴压；通过第二调压阀的气体直接施压于煤岩体四周，提供围压；通过第三调压阀的气体经过上压头孔，将压力作用于煤岩体上截面，产生孔隙压，下压头孔排出的气体通过排水集气法测定煤岩体在某温度、某压下的渗透率。且红外加热功率可通过温控系统调节，实现不同温度的加热；温控系统还能够时时反映测温点的温度。对标准煤岩体试样进行不同温度、不同压力情况下，进行煤岩体渗透率的测定。

Description

红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法

技术领域：

本发明涉及煤层瓦斯开采技术领域，具体涉及一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法。

背景技术：

人类社会的发展和优质能源的出现、能源相关的先进技术的使用关系密切。至石油危机以来，新能源的开发与利用越来越受到各国的重视，如太阳能、风能、水能、核能等。传统能源像煤炭、石油等污染严重，温室效应、雾霾，人们的生活和工作已受到不同程度的影响。所以能源的清洁、污染少一直是这些年的热题。煤层中富含可燃气体瓦斯，煤层瓦斯的利用为人类提供了一种新能源。

随着煤层瓦斯开采技术的不断发展，开采煤层中瓦斯技术已趋于成熟，电加热、微波加热和注高温蒸气等越来越多的应用于开采煤层瓦斯。但是，这些方式对煤岩体的热效率不是很高，煤岩体孔隙变化不大，导致煤层瓦斯增产不十分明显。

因此，需要研究一种更适用的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法，以解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法，可对煤岩体试样进行不同温度、不同压力的渗透率测定，进而寻求温度、压力与煤岩体渗透率之间的关系，为理论研究和工程实际提供技术支持，为煤层瓦斯的开采提供新的技术途径。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，包括：底座，所述底座上方设置有油缸，所述油缸中装有套筒，所述套筒上端设置有上压盖，所述油缸内部设置有活塞，在所述油缸内壁还设置有凸台部，所述凸台部上架设有挡板，所述挡板在所述活塞上方，用以挡止所述活塞，所述套筒下端置于所述挡板上，所述上压盖和所述挡板之间形成空腔，空腔上部设置有上压头，其下部设置有下压头，所述上压头内设置有第一通孔，所述下压头内设置有第二通孔，且所述下压头架设于所述活塞上，套装有热缩管的煤岩体置于所述上压头和下压头之间，所述上压头上还设置有上压环，下压头上设置有下压环，所述上压环和下压环密封热缩管上下端口，且所述上压头上端延伸至所述上压盖上方，所述下压头下端延伸至所述底座下方，红外加热管插设于煤岩体中，并竖直贯穿所述上压头、煤岩体及下压头，在所述红外加热管外还套设有石英玻璃管，所述第二通孔通过高压出气管连接于量筒开口端，所述高压出气管上安装有第四高压气阀，所述量筒装满水倒置于装有水的盛水容器中，且所述量筒的开口端置于盛水容器的水面以下，所述油缸通过第一高压进气管、所述套筒通过第二高压进气管、所述第一通孔通过第三高压进气管均与气瓶相连接，且在所述第一、第二和第三高压进气管上分别安装有第一、第二、第三高压气阀，所述气瓶开口处设置有高压气总阀，第一热电偶和第二热电偶均通过导线与温控系统相连接，所述温控系统外接电源，所述电源通过导线与所述红外加热管相连接，且所述第一热电偶的测温探头接入所述上压盖，所述第二热电偶的测温探头接入所述套筒。

所述底座由上下两个环形底座与三根刚性支架焊接而成。

所述上压盖上端还设置有上压帽，上压帽内壁与上压盖相接触，在上压盖和上压头上设置有定位孔，上压盖与上压头通过设置在该定位孔内的定位销进行定位。

所述上压帽与所述套筒上部螺纹连接，所述套筒下部与所述油缸螺纹连接。

所述上压环与上压头之间为螺纹连接，所述下压环与下压头之间为螺纹连接。

所述上压头为倒置的T形结构，其下端面上开设多个弧形凹槽，所述弧形凹槽之间形成通路。

所述下压头为阶梯轴结构，其包括第一轴、第二轴和第三轴，所述第二通孔贯穿所述第一轴、第二轴和第三轴，所述第一轴上端面与煤岩体相接触，且在其上端面上开设多个弧形凹槽，所述弧形凹槽之间形成通路，所述第二轴穿过挡板与活塞上端面相接触，所述第三轴穿过活塞延伸至底座下方。

所述石英玻璃管与上压头之间、石英玻璃管与下压头之间、上压盖与上压头之间、上压盖与套筒之间、挡板与套筒之间、挡板与下压头之间、活塞与下压头之间、活塞与油缸之间、下压头与油缸之间、煤岩体与上压头之间及煤岩体与下压头之间，均用密封圈密封。

上述红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置的实验方法，具体步骤如下：

步骤一：制作煤岩体，所述煤岩体的直径小于所述套筒的直径，并在煤岩体上钻中心孔及测温孔；

步骤二：将煤岩体放置在上压头和下压头之间，并将热缩管套装于煤岩体外壁，用热风机均匀吹热缩管，直至热缩管紧紧包裹住煤岩体，然后用上压头和下压头把煤岩体卡紧，一起放置到油缸中；

步骤三：接通电源，打开温控系统和红外加热管的开关，在温控系统中设定所需的温度值，其中，第一热电偶测定的是煤岩体内部的温度，第二热电偶测定的是煤岩体所处的环境温度；

步骤四：先打开高压气总阀，然后打开第二高压气阀，使得高压气体通过第二高压进气管导入套筒中，使高压气体包围整个煤岩体侧面，从而给煤岩体施加围压，且整个过程中，煤岩体所受的围压值可以通过第二高压气阀进行控制；

步骤五：再打开第一高压气阀，使得高压气体通过第一高压进气管进入油缸中，高压气体推动活塞上移，使活塞作用于下压头上，进而使得下压头通过其上表面直接为煤岩体施加轴压，且整个过程中，煤岩体所受的轴压值可以通过第一高压气阀进行控制；

步骤六：打开第三高压气阀，将高压气体通过第三高压进气管导入至煤岩体的上表面，使高压气体从煤岩体上表面渗入到煤岩体内部的孔隙中，然后从下压头经导管流出，从而给煤岩体施加孔隙压，且整个过程中，孔隙压的压力值可以通过第三高压气阀进行控制；

步骤七：记录量筒中水面的初始刻度值，然后打开高压出气管处的第四高压气阀，使充当孔隙压的高压气体通过高压出气管导入量筒，记录一定时间量筒內水位所对应的刻度值变化；

步骤八：整理所记录的实验数据，代入公式中进行煤岩体的渗透率的计算。

本发明一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置及方法的有益效果：本发明的装置及方法具备对标准煤岩体试样进行不同温度、不同压力情况下，煤岩体渗透率的测定，与其他渗透率测定装置相比，能够更好的对煤岩体施加温度和压力载荷。通过对温控系统参数的调整，可以使实验装置精准的对煤岩体试样进行加热；通过对第一、二、三高压气阀进行调整，可以使实验装置对煤岩体的轴压、围压和孔隙压载荷进行准确调整，从而更好的模拟在实际地应力和瓦斯压力条件下煤岩体的渗透率与温度和压力之间的关系。

附图说明：

图1为本发明一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置的结构示意图，

图2为图1的局部结构剖视图；

图3为上压头的剖示图；

图4为图3的右视图；

图5为下压头的剖示图；

图6为图5的剖视图；

图中：1—盛水容器，2—量筒，3—高压出气管，4—第一高压进气管，5—第二高压进气管，6—气瓶，7—高压气总阀，8—第一高压气阀，9—第二高压气阀，10—第三高压气阀，11—第三高压进气管，12—上压帽，13—上压盖，14—上压头，15—石英玻璃管，16—红外加热管，17—电源，18—第一热电偶，19—第二热电偶，20—温控系统，21—套筒，22—油缸，23—下压头，24—底座，25—第四高压气阀，26—活塞，27—挡板，28—煤岩体，29—下压环，30—热缩管，31—上压环，32—弧形凹槽，33—第一轴，34—第二轴，35—第三轴，36-第一通孔，37-第二通孔。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

根据图1～图2所示，本发明提供的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，包括：底座24，在本实施例中，所述底座是由上下两个环形底座与三根刚性支架焊接而成，对整个装置主体部分起支撑作用，所述底座24上方设置有油缸22，所述油缸22中装有套筒21，所述套筒21上端设置有上压盖13，所述油缸22内部设置有活塞26，在所述油缸22内壁还设置有凸台部，所述凸台部上架设有挡板27，所述挡板27在所述活塞26上方，用以挡止所述活塞26，所述套筒21下端置于所述挡板27上，所述上压盖13和所述挡板27之间形成空腔，空腔上部设置有上压头14，其下部设置有下压头23，所述上压头14内设置有第一通孔36，所述下压头23内设置有第二通孔37，且所述下压头23架设于所述活塞26上，套装有热缩管30的煤岩体28置于所述上压头14和下压头23之间，所述上压头14上还设置有上压环31，下压头23上设置有下压环29，所述上压环31和下压环29密封热缩管30上下端口，且所述上压头14上端延伸至所述上压盖13上方，所述下压头23下端延伸至所述底座24下方，红外加热管16插设于煤岩体28中，并竖直贯穿所述上压头14、煤岩体28及下压头23，在所述红外加热管16外还套设有石英玻璃管15，将红外加热管16放置于石英玻璃管15中是为了防止红外加热管16在高压环境中发生破裂，且能让红外线很好的穿过，所述第二通孔37通过高压出气管3连接于量筒2开口端，所述高压出气管3上安装有第四高压气阀25，所述量筒2装满水倒置于装有水的盛水容器1中，且所述量筒2的开口端置于盛水容器1的水面以下，所述油缸22通过第一高压进气管4、所述套筒21通过第二高压进气管5、所述第一通孔36通过第三高压进气管11均与气瓶6相连接，且在所述第一、第二和第三高压进气管上分别安装有第一、第二、第三高压气阀，所述气瓶6开口处设置有高压气总阀7，第一热电偶1和第二热电偶19均通过导线与温控系统20相连接，所述温控系统20外接电源17，所述电源17过导线与所述红外加热管16相连接，且所述第一热电偶18的测温探头接入所述上压盖13，所述第二热电偶19的测温探头接入所述套筒21。

且进一步地，在所述上压盖13上端还设置有上压帽12，上压帽12内壁与上压盖13相接触，在上压盖13和上压头14上设置有定位孔，上压盖13与上压头14通过设置在该定位孔内的定位销进行定位，所述上压帽12与所述套筒21上部螺纹连接，所述套筒21下部与所述油缸22螺纹连接，使得整体通过螺纹连接连为一体，装置整体拆装简单，运输方便，更加能够满足人们的使用需求。

其进一步地，所述上压环31与上压头14之间为螺纹连接，所述下压环29与下压头23之间为螺纹连接，通过上压环31和下压环29与上压头14和下压头23的配合，将热缩管30密封设置在上压头14和下压头23之间，并对其两端部进行密封，避免后续对煤岩体28通入气体测量其孔隙压时对其结果产生影响，通入进一步保证试验结果的准确性。

如图3和图4所示，所述上压头14为倒置的T形结构，其下端面上开设多个弧形凹槽32，所述弧形凹槽32之间形成通路，在通过第三高压进气管11通入气体时，气体分布在弧形凹槽32中，然后均匀渗入煤岩体28中。

如图5和图6所示，所述下压头23为阶梯轴结构，其包括第一轴33、第二轴34和第三轴35，所述第二通孔37贯穿所述第一轴33、第二轴34和第三轴35，所述第一轴33上端面与煤岩体28相接触，且在其上端面上开设多个弧形凹槽32，所述弧形凹槽32之间形成通路，所述第二轴34穿过挡板27与活塞26上端面相接触，所述第三轴35穿过活塞26延伸至底座24下方，在气体在完全渗透煤岩体28后，一部分气体由煤岩体28渗出，分布至与煤岩体28接触的下压头23端面的弧形凹槽32中，然后由下压头23上外接的导管导出。

进一步地，为保证整体装置的气密性，在所述石英玻璃管15与上压头14之间、石英玻璃管15与下压头23之间、上压盖13与上压头14之间、上压盖13与套筒21之间、挡板27与套筒21之间、挡板27与下压头23之间、活塞26与下压头23之间、活塞26与油缸22之间、下压头23与油缸22之间、煤岩体28与上压头14之间及煤岩体28与下压头23之间，均用密封圈密封。

上述红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置的实验方法，具体步骤如下：

步骤一：制作直径为L、横截面积为A的煤岩体28，所述煤岩体28的直径L小于所述套筒21的直径，并在煤岩体28上钻中心孔及测温孔；

步骤二：将煤岩体28放置在上压头14和下压头23之间，并将热缩管30套装于煤岩体28外壁，用热风机均匀吹热缩管30，直至热缩管30紧紧包裹住煤岩体28，然后用上压环31和下压环29密封热缩管30上下端口，一起放置到油缸22中；

步骤三：接通电源17，打开温控系统20和红外加热管16的开关，在温控系统20中设定所需的温度值，其中，第一热电偶18测定的是煤岩体28内部的温度，第二热电偶19测定的是煤岩体28所处的环境温度；

步骤四：先打开高压气总阀7，然后打开第二高压气阀9，使得高压气体通过第二高压进气管5导入套筒21中，使高压气体包围整个煤岩体28侧面，从而给煤岩体28施加围压，且整个过程中，煤岩体28所受的围压值可以通过第二高压气阀9进行控制；

步骤五：再打开第一高压气阀8，使得高压气体通过第一高压进气管4进入油缸22中，高压气体推动活塞26上移，使活塞26作用于下压头23上，进而使得下压头23通过其上表面直接为煤岩体28施加轴压，且整个过程中，煤岩体28所受的轴压值可以通过第一高压气阀8进行控制；

步骤六：打开第三高压气阀10，将已知粘度μ的高压气体通过第三高压进气管11导入至煤岩体28的上表面，且由压力表测得岩心入口端压强为P1，使高压气体从煤岩体28上表面渗入到煤岩体28内部的孔隙中，从下压头23经导管流出，且由压力表测得岩心出口端压强为P2，从而给煤岩体28施加孔隙压，且整个过程中，孔隙压的压力值可以通过第三高压气阀10进行控制；

步骤七：记录量筒2中水面的初始刻度值，然后打开高压出气管3处的第四高压气阀25，使充当孔隙压的高压气体通过高压出气管3导入量筒2，记录一定时间t量筒2內水位所对应的刻度值变化V，然后利用流量计算公式得到岩心出口端流量大小；

步骤八：整理所记录的实验数据，代入公式(1-1)中进行煤岩体的渗透率的计算，最终得到需要的渗透率值；

式中：K_g——气体渗透率，μm²；

Q——岩心出口端气体流量，ml/s；且

t——时间，s，V——一定时间t量筒内水位所对应的刻度值变化，ml，；

L——岩心长度，cm；

μ——气体粘度，MP_a·s(可查阅相关资料得到)；

P₀——大气压，MP_a(1标准大气压＝0.1MP_a)；

A——岩心横截面积，cm²；

P₁——岩心入口端压强，0.1MP_a；

P₂——岩心出口端压强，0.1MP_a。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：包括：底座，所述底座上方设置有油缸，所述油缸中装有套筒，所述套筒上端设置有上压盖，所述油缸内部设置有活塞，在所述油缸内壁还设置有凸台部，所述凸台部上架设有挡板，所述挡板在所述活塞上方，用以挡止所述活塞，所述套筒下端置于所述挡板上，所述上压盖和所述挡板之间形成空腔，空腔上部设置有上压头，其下部设置有下压头，所述上压头内设置有第一通孔，所述下压头内设置有第二通孔，且所述下压头架设于所述活塞上，套装有热缩管的煤岩体置于所述上压头和下压头之间，所述上压头上还设置有上压环，下压头上设置有下压环，所述上压环和下压环密封热缩管上下端口，且所述上压头上端延伸至所述上压盖上方，所述下压头下端延伸至所述底座下方，红外加热管插设于煤岩体中，并竖直贯穿所述上压头、煤岩体及下压头，在所述红外加热管外还套设有石英玻璃管，所述第二通孔通过高压出气管连接于量筒开口端，所述高压出气管上安装有第四高压气阀，所述量筒装满水倒置于装有水的盛水容器中，且所述量筒的开口端置于盛水容器的水面以下，所述油缸通过第一高压进气管、所述套筒通过第二高压进气管、所述第一通孔通过第三高压进气管均与气瓶相连接，且在所述第一、第二和第三高压进气管上分别安装有第一、第二、第三高压气阀，所述气瓶开口处设置有高压气总阀，第一热电偶和第二热电偶均通过导线与温控系统相连接，所述温控系统外接电源，所述电源通过导线与所述红外加热管相连接，且所述第一热电偶的测温探头接入所述上压盖，所述第二热电偶的测温探头接入所述套筒。

2.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述底座由上下两个环形底座与三根刚性支架焊接而成。

3.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述上压盖上端还设置有上压帽，上压帽内壁与上压盖相接触，在上压盖和上压头上设置有定位孔，上压盖与上压头通过设置在该定位孔内的定位销进行定位。

4.根据权利要求3所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述上压帽与所述套筒上部螺纹连接，所述套筒下部与所述油缸螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述上压环与上压头之间为螺纹连接，所述下压环与下压头之间为螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述上压头为倒置的T形结构，其下端面上开设多个弧形凹槽，所述弧形凹槽之间形成通路。

7.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置，其特征在于：所述下压头为阶梯轴结构，其包括第一轴、第二轴和第三轴，所述第二通孔贯穿所述第一轴、第二轴和第三轴，所述第一轴上端面与煤岩体相接触，且在其上端面上开设多个弧形凹槽，所述弧形凹槽之间形成通路，所述第二轴穿过挡板与活塞上端面相接触，所述第三轴穿过活塞延伸至底座下方。

8.根据权利要求1所述的红外中心加热测定煤岩体渗透率的实验装置的实验方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：制作煤岩体，所述煤岩体的直径小于所述套筒的直径，并在煤岩体上钻中心孔及测温孔；

步骤二：将煤岩体放置在上压头和下压头之间，并将热缩管套装于煤岩体外壁，用热风机均匀吹热缩管，直至热缩管紧紧包裹住煤岩体，然后用上压头和下压头把煤岩体卡紧，一起放置到油缸中；

步骤三：接通电源，打开温控系统和红外加热管的开关，在温控系统中设定所需的温度值，其中，第一热电偶测定的是煤岩体内部的温度，第二热电偶测定的是煤岩体所处的环境温度；

步骤四：先打开高压气总阀，然后打开第二高压气阀，使得高压气体通过第二高压进气管导入套筒中，使高压气体包围整个煤岩体侧面，从而给煤岩体施加围压，且整个过程中，煤岩体所受的围压值可以通过第二高压气阀进行控制；

步骤五：再打开第一高压气阀，使得高压气体通过第一高压进气管进入油缸中，高压气体推动活塞上移，使活塞作用于下压头上，进而使得下压头通过其上表面直接为煤岩体施加轴压，且整个过程中，煤岩体所受的轴压值可以通过第一高压气阀进行控制；

步骤六：打开第三高压气阀，将高压气体通过第三高压进气管导入至煤岩体的上表面，使高压气体从煤岩体上表面渗入到煤岩体内部的孔隙中，然后从下压头经导管流出，从而给煤岩体施加孔隙压，且整个过程中，孔隙压的压力值可以通过第三高压气阀进行控制；

步骤七：记录量筒中水面的初始刻度值，然后打开高压出气管处的第四高压气阀，使充当孔隙压的高压气体通过高压出气管导入量筒，记录一定时间量筒内水位所对应的刻度值变化；

步骤八：整理所记录的实验数据，代入公式中进行煤岩体的渗透率的计算。

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