CN109372571A - 含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与试验方法，包括：用于煤岩试件制作和加载试验的模型反力及密封系统，用于施加轴向压力的应力加载系统，用于对试件进行增透及驱替处理的流体注入系统以及用于试件内部物理力学参数监测的数控系统。本发明能够模拟深部吸附瓦斯煤体爆破致裂，水力致裂等增透措施或注入CO2，N2等驱替措施，试件内部传感器可实时监测煤体应力，应变，温度及气体压力等物理力学参数，从而研究高地应力条件下瓦斯在煤岩体内部吸附与解吸、渗透与运移的规律与机理。
Description
技术领域
本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，具体涉及一种用于研究在深部高地应力条件下吸附瓦斯煤体与气、汽、液等流体耦合作用的试验装置系统及试验方法。
背景技术
煤炭是中国的主要能源，占一次能源消费总量的70％以上。进入21世纪以来，我国煤炭资源禀赋的基本特征和对能源的旺盛需求推动了煤炭开采以每年10～25m的速度快速向深部转移，然而开采条件也随之不断恶化，突出表现在大采深条件下的高地应力、煤层高瓦斯压力和含量、地质构造条件复杂，以上各因素造成煤矿瓦斯灾害日益严重。但是，在煤炭开采过程中进行瓦斯抽采可以极大降低瓦斯灾害发生概率。瓦斯抽采可减少掘进及回采过程中的瓦斯异常涌出，避免瓦斯积聚，预防瓦斯超限，为矿井通风创造有利的条件。此外，抽采可以降低煤层中存储的瓦斯压力及含量，防治煤与瓦斯突出。抽出的瓦斯还可作为高效清洁能源使用，提高矿井经济效益。
就我国煤矿地质条件而言，煤层瓦斯赋存情况具有如下特点：煤层瓦斯含量高，平均达10～30m3/t，吸附态瓦斯占总量的90％；瓦斯压力较大，平均可达3～12MPa；煤层渗透率极低，小于0.001md。我国煤炭开采中瓦斯抽采率仅约为30％，小于国际上45％的平均抽采率。为了提高煤层瓦斯抽采率，使瓦斯资源得到充分有效的利用，需要了解并掌握瓦斯在煤岩层中的渗流规律，即分析高地应力与高压瓦斯赋存条件下瓦斯吸附与渗透流动变化，尤其针对在水力致裂，爆破致裂以及注入CO2，N2等驱替介质条件下，瓦斯在煤岩体内部吸附与解吸、扩散与运移的规律与机理，从而提高煤层瓦斯扩散速率和抽采率。
物理模拟试验可以严格控制试验对象的主要参数，有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，具有试验条件可控、试验参数可调、试验过程可重复、试验数据易采集等优点，已成为国内外学者研究多场耦合作用的重要科学手段。因此，针对这一研究需求，迫切需要构建三维模拟试验台进行煤层瓦斯增透、驱替及多相渗流物理模拟试验。
目前，针对煤岩流固耦合物理模拟试验装置的研究已经取得一批成果，研究现状如下：
(1)申请号为201410848128.3的中国专利公开了一种二维固热气三场耦合物理相似模拟实验台，包括箱体和电阻丝、充气系统、应力采集系统、渗透速度测试系统，可在煤层开采时测定煤层上覆岩层应力与卸压瓦斯渗流速度。但本装置不能对煤层进行加压，且无法注入流体对煤层进行增透及驱替处理。
(2)申请号为201210515137.1的中国专利公开了一种煤层注水驱替瓦斯模拟实验系统，包含筒状的高压罐体，罐体内部设有注水管，注水管向外穿过高压罐体与高压微量输液泵相连；该系统可模拟不同条件下煤层注水驱替过程中的瓦斯压力变化规律，但需要提前预制模型，且无法在试件内部埋设传感器，无法注入气体驱替瓦斯。
(3)申请号为201520092381.0的中国专利公开了一种气固耦合物理相似模拟实验装置，包括三轴压力机与固定装置、加压油缸及进气装置，但本装置加载试件尺寸较小，无法对试件进行增透及驱替处理。
(4)申请号为201510080598.4的中国专利公开了一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，该装置由真三轴伺服控制实时加载系统、水力压裂系统、超临界压裂系统、渗透系统、循环冷却系统、温度加载及保温控制系统、声发射监测系统、数据采集系统和自动化控制系统等组成。该装置可模拟地层的真实赋存条件，通过加热试件模拟深部地层温度环境；注入高压水或超临界CO2进行压裂试验；注入高压气体进行渗透试验。试验装置配备的声发射系统可全程监测试验过程中试件裂缝的起裂、扩展及开闭合特性。但该装置仅能开展压裂试验，不能监测煤层内部瓦斯赋存的压力场、应力场、温度场等变化。
(5)申请号为201510100605.2的中国专利公开了一种真三轴流压致裂、割缝、渗流、瓦斯驱赶一体化实验系统，试验装置主要包括真三轴实验框架、加载系统和监控系统。该系统可进行流压致裂，高渗透压力的渗流和流固耦合试验，煤与软岩的真三轴力学变形测试，瓦斯驱赶试验。但该装置需要预制试件，试件内部无法埋设传感器，无法监测煤岩体内部的气体压力、煤体应力、应变和温度等物理量。
综合分析上述的流固耦合物理模拟试验装置，存在以下不足之处：
1.试验模型多为提前预制，需要额外的设备进行试件制作，操作繁琐。
2.试验所用传感器多安装在试件表面，内部无法埋设，从而无法有效测出试件内部瓦斯赋存及运移等物理参数以及煤体应力、应变等物理量。
3.试验装置功能较为单一，无法在试件加载过程中实现多种流体同时注入，不能同时模拟煤层增透及驱替手段对煤层瓦斯渗透的共同作用。
4.试验装置安装、拆卸工序繁琐，装置打开与试件放置步骤复杂。
因此，在现有的煤岩体增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的基础上，对模型制作、传感器布置、系统功能集成，装置结构设计等功能进行了研发，发明了含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与试验方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流试验系统与试验方法，具体公开了一种模拟深部煤岩层中瓦斯等流体赋存、渗透流动的变化规律，以及相关增透及驱替手段对于瓦斯等流体运移的影响
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流试验系统，采用模块化设计，各子系统可独立工作，协调配合，包括模型反力及密封系统、应力加载系统、流体注入系统和数控系统；
所述的模型反力及密封系统用于放置煤岩试件，用于为应力加载系统提供反力；
所述的应力加载系统用于给煤岩试件施加轴向压力；
所述的流体注入系统用于对煤岩试件注入进行增透及驱替处理的流体；
所述的数控系统用于对煤岩试件内部物理力学参数进行监测。
进一步的，所述模型反力及密封系统包括主体反力密封装置和底部支撑装置；整体呈现四足方鼎字形；
所述主体反力密封装置包括反力箱体、箱盖和伸缩油缸；
所述反力箱体呈“凹”形，底部及各侧面预留有气体注入通道连接、水体注入通道以及传感器引线通道；所述的箱盖安装在反力箱体的顶部，两者之间密封连接，所述的伸缩油缸内嵌式安装在反力箱体外侧，用于抬升顶部箱盖；所述的压头安装在所述的反力箱体内，用于对试件施加轴压。
进一步的，所述顶部箱盖预留开孔，通过竖向拉杆和螺母固定在反力箱体上，箱体底面设两道密封凹槽，利用密封圈进行密封。
进一步的，所述底部支撑装置安装在反力箱体底部，用于支撑主体反力密封装置。
进一步的，所述应力加载系统包括液压油缸和液压加载控制系统；
所述液压油缸安装在箱盖上，油缸活塞穿过箱盖上的预留孔，活塞底部与压头配合，用于对试样施加轴压。
进一步的，所述流体注入系统包括气体充填装置和水力致裂装置；
所述气体充填装置包括面式充填板和气体控制装置；所述面式充填板安装在反力箱体内底部，用于向试样内注入气体，且所述的面式充填板通过气体注入通道与气体控制装置相连；所述水力致裂装置包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、液体增压器、活塞容器、调压阀；所述蒸汽发生器用于水体汽化；所述液体增压器用于水体增压，高压水经水体注入通道注入试件内部。
所述的气体控制装置包括恒速恒压泵、气体增压泵、空气压缩机、真空泵，调压阀、气瓶和气压控制软件；所述恒速恒压泵用于控制气体通过气体注入通道以恒速或恒压注入试件内部；所述气体增压泵用于增大气体压力；所述真空泵通过气体注入通道抽真空。
进一步的，所述数控系统包括数据采集装置和数据处理装置；
所述数据采集装置包括光纤监测系统、声发射装置和气相色谱仪；
所述光纤监测系统用于监测试件内部各物理力学参数，其各个传感器被埋设在试样内部，分层布置；各个传感器与数据处理装置相连；所述声发射装置传安装在反力箱体内部腔体表面；所述气相色谱仪通过气体注入通道监测试件内部气体成分及浓度。
所述数据处理装置包括一个控制器，以及设置在控制器内的控制处理软件，控制处理软件包括数据采集装置配套软件和各子系统自动化控制软件；
所述数据采集装置配套软件用于试验数据的处理；所述子系统自动化控制软件用于控制应力加载系统，流体注入系统。
进一步的，利用所述的含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统进行深部吸附瓦斯煤体增透试验的方法，具体包括如下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件。压制过程中埋入光纤传感器，导线由传感器引线通道引出；根据试验目的，埋入爆破管，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连。
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)进行爆破致裂时，设定参数后爆破管起爆；进行水压致裂时，设定参数后由流体注入通道向试件内部注入高压水体。
6)观察记录煤岩试件在不同致裂方式下应力，渗透率的变化规律以及瓦斯压力变化规律。
进一步的，利用所述的含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统进行深部煤岩体驱替瓦斯试验方法，具体包括如下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件。压制过程中埋入光纤传感器、声发射装置，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连；
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)根据试验目的，由气体充填装置向试件内部注入CO2、N2等驱替介质；启动气相色谱仪，对气体成分及浓度进行分析；
6)观察记录煤岩试件声发射，渗透率等变化规律，气体成分，浓度及压力的变化规律。
进一步的，利用所述的深部吸附瓦斯煤体增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统进行深部煤岩体多相介质渗流试验方法，具体包括以下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件。压制过程中埋入光纤传感器，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连；
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)观察记录煤岩试件应力，渗透率等变化规律，气体压力及浓度变化规律。
本发明的有益效果是：
1.系统采用模块化设计理念，功能集成化，各子系统分工明确，操作简单，高效配合；
2.试件在反力箱体内进行压制，可在试件内部埋设应力、应变、温度及气体压力传感器，提高试验数据采集精度；
3.试件制作与加载均在反力箱体内进行，无需额外的制作设备；
4.在试件压制或加载后，使用伸缩油缸抬升顶部箱盖，在其下方放入滑车，移至侧面工作台，试件移入与移出操作简单。
5.系统集成吸附瓦斯煤体增透、驱替及多相渗流功能，可根据具体试验目的进行独立或组合试验。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明试验系统整体结构示意图；
图2(a)、图2(b)、图2(c)是本发明试验系统三视图；
图3是本发明试验系统模型反力及密封装置正视剖面图；
图4是本发明试验系统模型反力及密封装置侧视剖面图；
图5是本发明试验系统试件内部传感器布置示意图；
图6是本发明试验系统移动小车与工作台示意图；
图7是本发明试验系统顶部箱盖抬升示意图；
图8是本发明试验系统整体结构透视图。
其中，1模型反力及密封系统，1-1反力箱体，1-2顶部箱盖，1-3伸缩油缸，1-4螺母，1-5竖向拉杆，1-6底部支撑装置，1-7密封圈，1-8压头，1-9煤岩试件，1-10气体注入通道，1-11水体注入通道，1-12传感器引线通道，1-13移动小车，1-14工作台；2应力加载系统，2-1液压油缸，2-2加载活塞；3流体注入系统，3-1水力致裂装置，3-2气体充填装置，3-3面式充填板，3-4爆破管；4数控系统，4-1光纤传感器，4-2声发射装置，4-3气相质谱仪。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，流固耦合物理模拟试验装置，存在以下不足之处：
1.试验模型多为提前预制，需要额外的设备进行试件制作，操作繁琐。
2.试验所用传感器多安装在试件表面，内部无法埋设，从而无法有效测出试件内部瓦斯赋存及运移等物理参数以及煤体应力、应变等物理量。
3.试验装置功能较为单一，无法在试件加载过程中实现多种流体同时注入，不能同时模拟煤层增透及驱替手段对煤层瓦斯渗透的共同作用。
4.试验装置安装、拆卸工序繁琐，装置打开与试件放置步骤复杂。
因此，在现有的煤岩体增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的基础上，对模型制作、传感器布置、系统功能集成，装置结构设计等功能进行了研发，发明了含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与试验方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2(a)、图2(b)、图2(c)所示：一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统包括模型反力及密封系统1，应力加载系统2，流体注入系统3，数控系统4。模型反力及密封系统1可进行试件制作，提供试验空间；应力加载系统2可实现对试件的轴向加载；流体注入系统3可对试件内部注入高压水，CH4，CO2等流体；数控系统可实现对试验数据的采集和处理，试验过程的自动化控制。试验系统工作时，各子系统相对独立工作，有效配合。
如图3、图6和图7所示：一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的模型反力及密封系统1，包括反力箱体1-1，顶部箱盖1-2，伸缩油缸1-3，螺母1-4，竖向拉杆1-5，底部支撑装置1-6，密封圈1-7，压头1-8，煤岩试件1-9，气体充填通道1-10，水体注入通道1-11，传感器引线通道1-12，移动小车1-13，工作台1-14，其反力箱体1-1侧面及底面预制气体充填通道1-10，水体注入通道1-11，传感器引线通道1-12；反力箱体1-1位于顶部箱盖1-2和底部支撑装置1-6之间，箱盖和底部支撑装置由螺母1-4，竖向拉杆1-5连接将反力箱体紧扣并固定；在箱盖被伸缩气缸顶起后可以将试样放在反力箱体1-1内，然后试样放好后，在通过伸缩气缸可以关闭整个箱体，进一步通过竖向拉杆和螺母进行连接。
反力箱体呈“凹”形；顶部箱盖1-2底面预制环形槽，安装密封圈1-7，顶部连接应力加载系统2。伸缩油缸1-3内嵌式安装在反力箱体1-1外侧，可抬升顶部箱盖1-2至特定高度。
压头1-8安装在煤岩试件1-9顶面，通过连接应力加载系统2的加载活塞2-2对试件进行轴向加载。
移动小车1-13放置在工作台1-14上，当伸缩油缸1-3抬升顶部箱盖1-2时，小车移入箱盖下部并随之移动箱盖至工作台上。
如图3所示：一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的应力加载系统2，包括液压油缸2-1，加载活塞2-2，其液压油缸2-1安装在模型反力及密封系统1顶部(即箱盖的顶部)，加载活塞2-2穿过顶部箱盖1-2与压头1-8连接。
如图4所示：一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的流体注入系统3，包括水力致裂装置3-1，气体充填装置3-2，面式充填板3-3，爆破管3-4，其水力致裂装置3-1产生的高压水经水体注入通道1-11注入反力箱体1-1内的煤岩试件1-9。
气体充填装置产生的气体经气体注入通道1-10注入反力箱体1-1内的煤岩试件1-9。
面试充填板3-3位于模型反力及密封系统1的反力箱体1-1内底部，通过气体注入通道1-10与气体充填装置3-2连接。
爆破管3-4位于煤岩试件1-9内部，引线通过传感器引线通道1-12与专用控制设备连接。
气体充填装置包括面式充填板、恒速恒压泵、气体增压泵、空气压缩机、真空泵，调压阀、气瓶和气压控制软件等。面式充填板安装在反力箱体内底部，用于注入流体；所述恒速恒压泵用于控制气体通过气体注入通道以恒速或恒压注入试件内部；所述气体增压泵用于增大气体压力；所述真空泵通过气体注入通道抽真空。
水力致裂装置包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、液体增压器、活塞容器、调压阀等。蒸汽发生器用于水体汽化；所述液体增压器用于水体增压。高压水经水体注入通道注入试件内部。
如图4所示：一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的数控系统4，包括光纤传感器4-1，声发射装置4-2，气相色谱仪4-3。
光纤传感器4-1包括光纤温度传感器、光纤应力传感器、光纤应变传感器、气体压力传感器、光纤光栅解调仪、采集控制软件，用于监测试件内部各物理力学参数；
光纤传感器4-1分层布置在煤岩试件1-9内部，其引线通过传感器引线通道1-12与专用控制设备连接。
声发射装置4-2安装在反力箱体1-1内腔表面，其引线通过传感器引线通道1-12与专用控制设备连接。
气相色谱仪4-3通过气体充填通道1-10与反力箱体1-1内部连通。
数控系统包括数据采集装置和数据处理装置；
数据采集装置包括光纤监测系统、声发射装置和气相色谱仪；
光纤监测系统用于监测试件内部各物理力学参数，其各个传感器被埋设在试样内部，分层布置；各个传感器与数据处理装置相连；所述声发射装置传安装在反力箱体内部腔体表面；所述气相色谱仪通过气体注入通道监测试件内部气体成分及浓度。
数据处理装置包括一个控制器，以及设置在控制器内的控制处理软件，控制处理软件包括数据采集装置配套软件和各子系统自动化控制软件；
数据采集装置配套软件用于试验数据的处理；所述子系统自动化控制软件用于控制应力加载系统，流体注入系统。
一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统的试验方法，可满足多种试验目的和设计需求，大体归结为以下三类：第一类为深部吸附瓦斯煤体增透试验；第二类为深部煤岩体驱替瓦斯试验；第三类为深部煤岩体多相介质渗流试验。下面对不同试验方案的试验方法分别叙述。
深部吸附瓦斯煤体增透试验具体试验步骤如下：
1)将煤岩材料放入反力箱体1-1内，分层压制试件1-9。压制过程中埋入光纤传感器4-1，导线经由传感器引线通道1-12引出。根据试验目的，埋入爆破管3-4，导线由传感器引线通道1-12引出；
2)装置组装，通过气体注入通道1-10对反力箱体1-1内部抽真空；
3)面式充填板3-3通过气体注入通道1-10连接气体充填装置3-2，向试件1-9内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)启动应力加载系统2对试件进行轴向加载，加载活塞2-2穿过顶部箱盖1-2与压头1-8连接；
5)进行爆破致裂，设定参数后爆破管3-4起爆；进行水压致裂时，设定目标参数后通过水体注入通道1-11向煤岩试件1-9内部注入高压水体
6)观察记录煤岩试件在不同致裂方式下应力，渗透率的变化规律以及瓦斯压力变化规律。
7)试验完毕，拆除螺母1-4，伸缩油缸1-3抬升顶部箱盖1-2，将移动小车1-13推入顶部箱盖1-2底部，缓慢降下箱盖，用小车将箱盖推至工作台1-14上，取出煤岩试件1-9。
所述深部煤岩体驱替瓦斯试验具体包括如下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体1-1内，分层压制试件1-9。压制过程中埋入光纤传感器4-1，声发射装置4-2，导线经由传感器引线通道1-12引出；
2)装置组装，通过气体注入通道1-10对反力箱体1-1内部抽真空；
3)面式充填板3-3通过气体注入通道1-10连接气体充填装置3-2，向模型、、试件1-9内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)启动应力加载系统2对试件进行轴向加载，加载活塞2-2穿过顶部箱盖1-2与压头1-8连接；
5)根据试验目的，由气体充填装置3-2通过气体注入通道1-10注入CO2、N2等驱替气体。启动气相色谱仪4-3，对气体成分及浓度进行分析。
6)观察记录煤岩试件声发射，渗透率等变化规律，出口气体种类及浓度的变化规律。
7)试验完毕，拆除螺母1-4，伸缩油缸1-3抬升顶部箱盖1-2，将移动小车1-13推入顶部箱盖1-2底部，缓慢降下箱盖，用小车将箱盖推至工作台1-14上，取出煤岩试件1-9。
所述的深部煤岩体多相介质渗流试验具体包括以下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体1-1内，分层压制试件1-9。压制过程中埋入光纤传感器4-1，导线经由1-12传感器引线通道引出；
2)装置组装，通过气体注入通道1-10对反力箱体1-1内部抽真空；
3)面式充填板3-3通过气体注入通道1-10连接气体充填装置3-2，向模型、、试件1-9内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)启动应力加载系统2对试件进行轴向加载，加载活塞2-2穿过顶部箱盖1-2与压头1-8连接；
5)观察记录煤岩试件应力，渗透率等变化规律，气体压力及浓度的变化规律。
6)试验完毕，拆除螺母1-4，伸缩油缸1-3抬升顶部箱盖1-2，将移动小车1-13推入顶部箱盖1-2底部，缓慢降下箱盖，用小车将箱盖推至工作台1-14上，取出煤岩试件1-9。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，包括模型反力及密封系统、应力加载系统、流体注入系统和数控系统，
所述的模型反力及密封系统用于放置煤岩试件，用于为应力加载系统提供反力；
所述的应力加载系统用于给煤岩试件施加轴向压力；
所述的流体注入系统用于对煤岩试件注入进行增透及驱替处理的流体；
所述的数控系统用于对煤岩试件内部物理力学参数进行监测。
2.如权利要求1所述的一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述模型反力及密封系统包括主体反力密封装置、底部支撑装置，其整体呈现四足方鼎字形。
所述主体反力密封装置包括反力箱体、箱盖、伸缩油缸；
所述反力箱体呈“凹”形，底部及各侧面预留有气体注入通道连接、水体注入通道以及传感器引线通道；所述的箱盖安装在反力箱体的顶部，两者之间密封连接，所述的伸缩油缸内嵌式安装在反力箱体外侧，用于抬升顶部箱盖；所述的压头安装在所述的反力箱体内，用于对试件施加轴压；所述底部支撑装置安装在反力箱体底部，用于支撑主体反力密封装置。
3.如权利要求2所述的一种深含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述箱盖预留开孔，通过竖向拉杆和螺母固定在反力箱体上，箱体底面设两道密封凹槽，利用密封圈进行密封。
4.如权利要求2所述的一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述应力加载系统包括液压油缸和液压加载控制系统；所述液压油缸安装在箱盖上，油缸活塞穿过箱盖上的预留孔，活塞底部与压头配合，用于对试样施加轴压。
5.如权利要求2所述的一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述流体注入系统包括气体充填装置和水力致裂装置；
所述气体充填装置包括面式充填板和气体控制装置；所述面式充填板安装在反力箱体内底部，用于向试样内注入气体，且所述的面式充填板通过气体注入通道与气体控制装置相连；所述水力致裂装置包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、液体增压器、活塞容器、调压阀；所述蒸汽发生器用于水体汽化；所述液体增压器用于水体增压，高压水经水体注入通道注入试件内部。
6.如权利要求1所述的一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述数控系统包括数据采集装置和数据处理装置；
所述数据采集装置包括光纤监测系统、声发射装置和气相色谱仪；
所述光纤监测系统用于监测试件内部各物理力学参数，其各个传感器被埋设在试样内部，分层布置；各个传感器与数据处理装置相连；所述声发射装置传安装在反力箱体内部腔体表面；所述气相色谱仪通过气体注入通道监测试件内部气体成分及浓度。
7.如权利要求6所述的一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统，其特征在于，所述数据处理装置包括一个控制器，以及设置在控制器内的控制处理软件，控制处理软件包括数据采集装置配套软件和各子系统自动化控制软件；
所述数据采集装置配套软件用于试验数据的处理；所述子系统自动化控制软件用于控制应力加载系统，流体注入系统。
8.利用权利要求1-7任一所述的试验系统进行深部吸附瓦斯煤体增透试验的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件；压制过程中埋入光纤传感器，导线由传感器引线通道引出；根据试验目的，埋入爆破管，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连；
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)进行爆破致裂时，设定参数后爆破管起爆；进行水压致裂时，设定参数后由流体注入通道向试件内部注入高压水体。
6)观察记录煤岩试件在不同致裂方式下应力，渗透率的变化规律以及瓦斯压力变化规律。
9.利用权利要求1-7任一所述的试验系统进行深部煤岩体驱替瓦斯试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件。压制过程中埋入光纤传感器、声发射装置，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连；
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)根据试验目的，由气体充填装置向试件内部注入CO2、N2等驱替介质；启动气相色谱仪，对气体成分及浓度进行分析；
6)观察记录煤岩试件声发射，渗透率等变化规律，气体成分，浓度及压力的变化规律。
10.利用权利要求1-7任一所述的试验系统进行深部煤岩体多相介质渗流试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将煤岩材料放入反力箱体内，分层压制试件；压制过程中埋入光纤传感器，导线由传感器引线通道引出与控制系统相连；
2)装置组装，对反力箱体内部抽真空；
3)面式充填板通过气体注入通道连接气体充填装置，向试件内部注入一定压力和浓度的瓦斯气体；
4)对试件进行轴向加载，液压油缸加载活塞穿过顶部箱盖与压头连接；
5)观察记录煤岩试件应力，渗透率等变化规律，气体压力及浓度变化规律。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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