CN109386270A - 煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统与试验方法。其包括流体注入系统、模型密封加载系统、数据采集和数据处理与控制系统。可实现对大尺度煤岩体在不同载荷下注入流体(气、汽、液)的功能，可用于模拟煤层水力压裂、水力割缝、爆破致裂等增透措施，可用于模拟注气、注热等增产煤层瓦斯措施；可实时监测煤岩体内部的流体流量、压力、固体应力、应变和温度等物理量，探明承压及卸压状态下流体渗流过程中的气体压力场、应力场、形变、温度场等多场耦合演变规律。整套系统结构简单、分工明确、便于拆装，可为水力压裂、水力割缝、爆破致裂、注气、注热等增透增产技术提供试验参数，为理论研究提供验证平台。

Description

煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统与试验方法

技术领域

本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，具体的说，涉及一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统与试验方法。

背景技术

我国是世界上发生煤与瓦斯突出最严重的国家，煤层透气性普遍偏低是其中的重要原因之一，同时，煤层气也是一种重要的非常规天然气资源，它主要以吸附态赋存于煤岩基质孔隙表面。为增大原始煤层渗透性，通常采取人工措施以强化抽采煤层瓦斯，如水力冲孔、水力压裂、水力割缝和松动爆破等。

上述增透措施的原理是通过外力增加煤岩裂缝，降低岩体强度、增加渗透性等，从而使开采过程安全高效。但是目前的监测技术无法精确的监测增透过程中裂缝的实时扩展及裂缝形态，因此人们对现场施工裂缝的扩展规律等不清楚，施工工艺不够完善，施工过程具有盲目性，造成施工效果不佳甚至易诱导煤与瓦斯突出，在很大程度上制约了动力增透技术的发展和推广。

此外，煤岩层注介质(液/气)驱替是一种新兴的增产技术，其原理是向煤层注入气体或热液，气体与CH4竞争吸附和降低CH4有效分压，促进瓦斯解吸，同时改变压力传导特性和增大扩散速率，从而提高煤层气采收率。而热液在多孔介质煤体中驱替裂隙中游离瓦斯，在毛细管力作用下置换封堵游离瓦斯，同时煤层注热液可改变煤体力学性质及采场应力的重新分布，对造成煤与瓦斯突出因素同时产生影响，达到消除煤与瓦斯突出的作用。

目前，前人针对含瓦斯煤岩压裂渗流、动力增透、注介质驱替等已开展了大量的试验研究，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)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、压力-变形测试系统及数据采集和自动化控制系统九大系统组成，可模拟真实地层的埋藏条件，对试件进行高温加热模拟深度地层温度环境；通过高压水力或超临界CO2进行压裂试验；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂效果；通过声发射系统全程监测压裂产生的裂缝的起裂、扩展及开闭合特性，观察和分析掌握裂缝的形成及扩展机理。但该装置不具备瓦斯气体密封功能，仅能实现煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验，不能监测煤层瓦斯赋存的应力场、气压场、形变、温度场等变化。

(2)申请号为201120308468.9的中国专利公开了一种长岩心模型驱替装置，装置包括：注入系统、模型系统、测量系统、控制系统，其注入系统可进行恒压恒速流量注入；模型系统由单个或多个填砂模型管、回压系统串联；测量系统可用于测量压力、温度、流量数据；控制系统用于由计算机自动控制注入泵的流量，并利用采集处理软件，采集和处理上述压力、温度、流量数据。该装置可以利用组合的串联模型管来满足采油领域中模拟较长距离驱替的需要，并根据不同模拟工艺进行一个或多个组合使用。但该装置不能进行地应力加载。

(3)申请号201210515137.1的中国专利公开了一种煤层注水驱替瓦斯效应模拟实验系统，该模拟实验系统设有一个筒状的高压罐体，高压罐体的侧面通过压力变送器顺序与数据采集器及微机匹配信息电连接，高压罐体的侧面通过连通管顺序与高压定量充气瓶、精密压力表及瓦斯钢瓶相连通，高压罐体的内部设有注水管，注水管向外穿过高压罐体与高压微量输液泵相连；底座的上部设有小型压力机，小型压力机的下部向下连接着密封活塞。该模拟实验系统可以有效模拟在不同条件下煤层注水驱替过程中瓦斯压力变化规律，并能定量化分析多孔介质中水驱气两相渗流规律。但该装置不能进行注气驱替等其他试验研究。

(4)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。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压力、固体应力、应变和温度等物理量。

综合分析上述单位的煤与瓦斯模型试验装置系统，存在以下不足之处：

1.试验所用材料整体多为预制试件，再放进模型进行试验，操作复杂；

2.传感器均安装在试件外围，试件内部未埋设传感器，无法监测煤岩体内部的气体压力、固体应力、应变和温度等物理量；

3.仪器只能完成动力增透、渗流和注介质驱替试验中的其中一项或两项，功能比较单一，不能形成一整套完整的试验系统；

4.仪器密封多采用密封胶密封，在高地应力，高瓦斯压力，大变形等试验中，密封效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，办发明在总结现有动力增透、渗流与瓦斯驱替模拟试验系统设备的基础上，对模型试件制作、传感器埋设、气体压力充填与密封、试验功能集成、多物理场信息高速采集等方面进行了发明和改进，特别研发了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统，并详细阐述其试验方法，为研究增透措施对煤层及瓦斯的增透作用及机制，深部煤层瓦斯动力渗流过程，揭示注入的介质对煤层中瓦斯解吸的促进效应及机理提供了先进科研平台。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，采用模块化设计思路，各模块独立工作，协同配合，由流体注入系统、模型密封加载系统、数据采集系统和数据处理与控制系统构成，

其中，所述的模型密封加载系统为主体结构，主要包括模型反力装置及密封系统、应力加载系统、试件制作及就位系统；所述的模型反力装置及密封系统用于放置试件，所述的应力加载系统用于给试件加载应力，所述的试件制作及就位系统用于制作试件以及将试件放置在模型反力装置及密封系统内；

所述的流体注入系统主要包括瓦斯气体充填系统、水力致裂系统和驱替介质加载系统；所述的水力致裂系统用于试件的动力增透试验；所述的瓦斯气体充填系统用于试件的瓦斯气体充填；所述的驱替介质加载系统用于试件的瓦斯驱替试验；

所述的数据采集系统主要用于采集试件的各个参数变化；

所述的数据处理与控制系统可分析煤层中裂隙发育规律以及煤层中瓦斯压力场、应力场、形变、温度场等变化规律。

进一步的，所述的模型密封加载系统各个部分的具体结构如下：

进一步的，所述的模型反力装置及密封系统包括主架和底部支撑结构；所述的主架内设置有试块加载腔；底部支撑结构在主架底部，用于支撑和移动主架。

进一步的，所述的主架包括后部反力框架、中部反力框架、前部反力框架、内部箱体、纵向拉杆；

所述后部反力框架、中部反力框架、前部反力框架组装在一起，相邻框架的连接处进行密封；在所述的中部反力框架一侧设置预留孔，用以模型材料内部传感器引线和水力压裂；在所述前部反力框架中间设置预留孔，用以注气/液引出；所述的内部箱体位于中部反力框架内，且在所述的中部反力框架上设有供内部箱体滑进或者滑出的导轨；所述内部箱体一侧设置预留孔，用以模型材料内部传感器引线和水力压裂；内部箱体自带压头，用于试件压制成型和地应力加载；所述的压头中间设置预留孔，用以注入气/液；压头前部安装面式充填板，用以气/液的面式充填；压头贯穿内部箱体顶部，中间设置一道密封圈密封。

优选的，内部箱体包括上盖与箱体，所述的上盖与箱体通过螺栓连接并设置一道密封圈密封。

优选的，内部箱体置于反力框架腔体内，试块直接在箱体内成型；

进一步的，所述的底部支撑结构包括后部固定部分、前部可移动部分、两个推力油缸；所述的后部固定部分用来支撑后部反力框架和中部反力框架；所述的前部可移动部分用来支撑前部反力框架，底部设置有导轨，使前部反力框架可以移动；两个推力油缸安装在后部固定部分两侧，用来推动前部可移动部分。

进一步的，所述的应力加载系统由液压油缸和液压站构成；所述的液压油缸安装在后部反力架上，油缸活塞穿过后部反力架伸入中部反力框架的内部箱体，与内部箱体的压头连接；在所述的油缸活塞设置预留孔，用以注入气/液。

进一步的，所述的试件制作及就位系统包括吊车和压力装置；所述的吊车用以内部箱体的运输；所述的压力装置用以试件的箱体内成型；所述压力装置底部安装有一个大吨位油缸和四个小吨位油缸；大吨位油缸用于加载，小吨位油缸用以箱体的顶起与落下。

所述的流体注入系统的具体结构如下：

进一步的，所述的流体注入系统主要包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、气体增压泵、空气压缩机、真空泵、低压储罐、高压储罐、调压阀、液体增压系统、活塞容器、气瓶和气压控制部分；

所述的恒速恒压泵用以控制气/液的恒速或恒压控制；

所述的蒸汽发生器用以水的汽化；

所述的气体增压泵用以CO2，N2，CH4气体的增压；

所述的真空泵用以试件密封空间的抽真空；

所述的液体增压系统用以液体的增压；

所述的活塞容器作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输；

所述的瓦斯气体的充填和驱替介质的充填经由油缸活塞的预留孔注入；

所述的水力致裂的高压水经由中部反力框架一侧预留孔注入。

所述的数据采集系统和数据处理与控制系统由光栅采集系统、声发射传感器、气相色谱仪及其相关配套软件构成。

进一步的，光栅采集系统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、采集软件；

各个所述的传感器埋设在试件内部，共分三层埋设；各个传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出与光纤光栅解调仪相连，由采集软件进行采集。

进一步的，所述的声发射传感器安装在内部箱体的外侧；声发射传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出。

进一步的，气相色谱仪用以出口气体成分及浓度的检测。

所述的煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统与试验方法，可进行水力压裂增透试验，实现试块的高渗透压力的渗流和流固耦合实验，也可进行注介质驱替瓦斯试验。可根据具体实验要求，对各功能进行组合使用。

所述的煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的试验系统具体试验方法和步骤如下：

1)根据试验要求，将煤体材料装入内部箱体，利用压力装置将试件压制成型到第一层高度，埋设第一层传感器，将传感器引线经由内部箱体导线引出孔引出，再依次压制成型第二、三、四层和埋设二、三层传感器，安装面式充填板和压头，之后安装上盖密封；

2)利用吊车将密封好的内部箱体运移到模型反力装置及密封系统处，卸下反力框架螺母，利用推力油缸将前部反力框架推开，接着用导轨将内部箱体推入反力装置腔体内，传感器引线经由反力框架预留孔引出，与数据采集系统连接，箱体与反力框架之间的缝隙采用加载垫板和楔形板与四周接触受力，之后将前部反力框架复位，拧紧螺母；

3)将真空泵与油缸活塞预留孔连接，启动真空泵对模型材料抽真空48小时；

4)关闭真空泵及相关阀门，启动应力加载系统，对模型施加地应力，到达加载目标值后稳压24小时；

5)启动瓦斯充填系统，通过气体加载控制台启动增压装置将瓦斯气体增压至目标压力，并经由油缸活塞预留孔引入面式充气板注入模型，待煤层充分吸附，到达目标压力并压力值稳定后视为煤层处于吸附平衡态，并稳压(压力值由煤层内压力传感器采集获取)；

以上就完成了试验的准备工作，接下来就可以根据试验要求进行相关的试验操作；

6)如果要做动力增透试验，则将水力致裂系统经由反力框架一侧预留孔接入模型，启动数据采集系统即可进行试验；

7)如果要做渗流实验，则将气体充填系统经由油缸活塞预留孔接入模型，启动数据采集系统即可进行试验；

8)如果要做瓦斯驱替实验，则将驱替介质加载系统经由油缸活塞预留孔接入模型，启动数据采集系统即可进行试验；

9)记录整个试验过程中模型内部各物理量变化规律，试验结束。

本发明的有益效果是：

1.采用模块化组合设计理念，整体试验系统合理美观、结构拆装方便，机械化程度高，利于试验操作；各子系统分工明确，相互配合，共同实现煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替试验功能；其中流体注入系统可以将瓦斯气体和驱替介质等经由反力框架的预留孔注入模型；模型密封加载系统可以完成试件的制作、就位与密封，传感器埋设和应力加载；数据采集系统和数据处理与控制系统实现试验过程中各物理数据的采集与处理。

2.反力框架内安装有钢制内部箱体，试件直接在内部箱体内压制成型，在压制试件的同时完成传感器的埋设。这样既可以使得实验操作简便易行，又可以监测煤岩体内部的气体压力、固体应力、应变和温度等物理量，也满足了在高地应力，高瓦斯压力，大变形等试验中密封性的要求。

3.模型内部的密封共有两道，第一道就是内部箱体的密封，第二道是反力框架的密封，密封效果更好，而且在高地应力，高瓦斯压力，大变形等试验中，箱体密封比密封胶密封效果更加理想；

4.试件直接在箱体内成型，可以与箱体紧密贴合，以防止渗流试验时，气体通过试件边缘缝隙通过；

5.整合集成了煤岩层增透、渗流与瓦斯驱替于一体，可根据具体实验要求，对各功能进行组合使用。

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是本发明试验系统各模块整体配合示意图；

图2、图3、图4、图5是本发明模型反力装置及密封系统三视图以及立体结构图；

图6、图7是本发明模型反力装置及密封系统剖面示意图；

图8、图9是本发明内部箱体示意图；

图10、图11、图12是本发明压力装置示意图；

其中,1模型反力装置及密封系统，1-1瓦斯及驱替介质注入孔；1-2瓦斯及驱替介质流出孔；1-3动力增透注入孔；1-4反力架导线引出孔；1-5前部反力框架；1-6中部反力框架；1-7后部反力框架；1-8液压油缸；1-9底部支撑结构前部可移动部分；1-10底部支撑结构后部固定部分；1-11反力架导轨；1-12推力油缸；1-13螺母；1-14纵向拉杆；1-15位移传感器；1-16液压油缸活塞；1-17内部箱体；1-18压头；1-19光纤传感器；1-20声发射传感器；1-21内部箱体导轨；1-22煤样试件；1-23内部箱体前盖；1-24内部箱体导线引出孔；1-25内部箱体动力增透注入孔；1-26压头预留孔；1-27箱子主体；1-28面式充填板；1-29内部箱体瓦斯及驱替介质流出孔；2瓦斯气体充填系统；3驱替介质加载系统；4水力致裂系统；5应力加载系统；6试件制作及就位系统，6-1大吨位油缸，6-2小吨位油缸；7数据采集系统和数据处理与控制系统。

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，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的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所示：一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统包括模型反力装置及密封系统1、瓦斯气体充填系统2、驱替介质加载系统3、水力致裂系统4、应力加载系统5、试件制作及就位系统6、数据采集系统和数据处理与控制系统7构成，系统工作时，各模块单元独立工作分工明确，共同实现对试件1-22的地质构造模拟、应力加载、动力增透、渗流与瓦斯驱替和试验过程中各物理量信息采集等功能指标。

具体实现方法为：以模型反力装置及密封系统1为中心，瓦斯气体充填系统2实现对煤层的均匀充气；

驱替介质加载系统3实现对煤层瓦斯的注介质驱替；

水力致裂系统4实现对煤层的动力增透；

应力加载系统5通过高压油管与后部反力框架1-7内的液压油缸1-8对接实现对模型的应力加载；

试件制作及就位系统6实现煤样试件1-22的制作与安装；

数据采集系统和数据处理与控制系统7实现试验过程中各物理数据的采集与处理。

试验时，瓦斯气体充填系统2、驱替介质加载系统3、水力致裂系统4可组合使用；瓦斯与驱替介质经由瓦斯及驱替介质注入孔1-1注入模型，经由瓦斯及驱替介质流出孔1-2流出模型；水力致裂系统4的高压水经由动力增透注入孔1-3和内部箱体动力增透注入孔1-25注入模型；预先埋设在试验模型内的光纤传感器和内部箱体1-17周围的声发射传感器1-20引线经由内部箱体导线引出孔1-24和反力架导线引出孔1-4引出，并与外接采集设备连接，实现试验过程中的各物理量的实时采集；导线引出后，引出口使用密封胶对引线口密封。

模型反力装置及密封系统1如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，其中图2为该装置的主视图，图3为该装置侧侧视图，图4为该装置的俯视图、图5为该装置的斜二测图，图6为该装置正视剖面图，图7为该装置的侧视剖面图；主要由前部反力框架1-5，中部反力框架1-6，后部反力框架1-7，液压油缸1-8，底部支撑结构前部可移动部分1-9，底部支撑结构后部固定部分1-10，反力架导轨1-11，推力油缸1-12，螺母1-13，纵向拉杆1-14，内部箱体1-17，内部箱体导轨1-21组成；

前部反力框架1-5，中部反力框架1-6以及后部反力框架1-7通过螺母1-13和四根纵向拉杆1-14连接形成闭合的试验空间，且各反力框架之间设置密封圈密封；

前部反力框架1-5安装在底部支撑结构前部可移动部分1-9上，中部反力框架1-6和后部反力框架1-7安装在底部支撑结构后部固定部分1-10上；

底部支撑结构前部可移动部分1-9通过推力油缸1-12和反力架导轨1-11前后移动以带动前部反力框架1-5的安装和拆卸；

液压油缸1-8镶嵌在后部反力框架1-7上，与内部箱体压头1-18连接并通过高压油管与应力加载系统5连接实现对试验模型的地应力加载；

内部箱体1-17通过内部箱体导轨1-21进出反力框架。

如图8、图9所示：煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统的模型的内部箱体1-17，主要由箱子主体1-27，内部箱体前盖1-23，压头1-18，内部箱体导轨1-21,面式充填板1-28构成；

内部箱体前盖1-23与箱子主体1-27通过螺栓连接，设置一道密封圈密封；

压头1-18穿过内部箱体前盖1-23，接触部位同样使用密封圈密封；

充填瓦斯与介质经由压头预留孔1-26流入，内部箱体瓦斯及驱替介质流出孔1-29流出；

面式充填板1-28实现对煤层的均匀介质充填；

光纤传感器1-19分三层埋设在试件1-22内，导线经由内部箱体导线引出孔1-24引出，导线引出后，引出口使用密封胶对引线口密封；

动力增透高压水经由内部箱体动力增透注入孔1-25注入；

声发射传感器1-20安装在箱子主体1-27表面的预定位置。

本发明中在反力框架内安装有钢制内部箱体，试件直接在内部箱体内压制成型，在压制试件的同时完成传感器的埋设。这样既可以使得实验操作简便易行，又可以监测煤岩体内部的气体压力、固体应力、应变和温度等物理量，也满足了在高地应力，高瓦斯压力，大变形等试验中密封性的要求。

如图10、图11所示：所述的试件制作及就位系统包括吊车和压力装置，吊车用以内部箱体的运输；压力装置用以试件的箱体内成型；压力装置安装有一个大吨位油缸6-1和四个小吨位油缸6-2；

大吨位油缸6-1用于试件加载，小吨位油缸6-2用以箱体的顶起与落下。

本发明的流体注入系统由瓦斯气体充填系统、水力致裂系统和驱替介质加载系统构成；流体注入系统主要包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、气体增压泵、空气压缩机、真空泵、低压储罐、高压储罐、调压阀、液体增压系统、活塞容器、气瓶和气压控制部分等。

恒速恒压泵用以控制气/液的恒速或恒压控制；

蒸汽发生器用以水的汽化；

气体增压泵用以CO2，N2，CH4等气体的增压；

真空泵用以试件密封空间的抽真空；

液体增压系统用以液体的增压；

活塞容器作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输；

瓦斯气体的充填和驱替介质的充填经由油缸活塞的预留孔注入；

水力致裂的高压水经由中部反力框架一侧预留孔注入。

数据采集系统和数据处理与控制系统由光栅采集系统、声发射、气相色谱仪及其相关配套软件构成。

光栅采集系统包括光纤温度传感器(60测点)、光纤应力传感器(60测点)、光纤应变传感器(60测点)、气体压力传感器(60测点)、光纤光栅解调仪、采集软件。

传感器埋设在试件内部，共分三层埋设；

传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出；

声发射传感器安装在内部箱体的外侧，共22测点(两面5测点，两面6测点)；

声发射传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出；

气相色谱仪用以出口气体成分及浓度的检测。

所述的煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统与试验方法，可进行水力压裂增透试验，实现试块的高渗透压力的渗流和流固耦合实验，也可进行注介质驱替瓦斯试验。可根据具体实验要求，对各功能进行组合使用。

利用上述系统进行试验方法为：

根据试验要求在内部箱体1-17内制作试件，其步骤为将煤体材料装入内部箱体，利用压力装置将试件压制成型到第一层高度，埋设第一层传感器，将传感器引线经由内部箱体导线引出孔1-24引出，再依次压制成型第二、三、四层和埋设二、三层传感器，安装面式充填板1-28和压头1-18，之后安装上盖密封；

利用吊车将密封好的内部箱体1-17运移到模型反力装置及密封系统1处，卸下反力框架螺母1-13，利用推力油缸1-12将前部反力框架1-5推开，接着用内部箱体导轨1-21将内部箱体推入反力装置腔体内，传感器引线经由反力框架预留孔1-4引出，与数据采集系统7连接，箱体1-17与反力框架之间的缝隙采用加载垫板和楔形板与四周接触受力，之后将前部反力框架1-5复位，拧紧螺母1-13；

将真空泵与油缸活塞预留孔1-1连接，启动真空泵对模型材料1-22抽真空48小时；

关闭真空泵及相关阀门，启动应力加载系统5，对模型施加地应力，到达加载目标值后稳压24小时；

启动瓦斯充填系统2，通过气体加载控制台启动增压装置将瓦斯气体增压至目标压力，并经由油缸活塞预留孔1-1引入面式充气板1-28注入模型，待煤层充分吸附，到达目标压力并压力值稳定后视为煤层处于吸附平衡态，并稳压(压力值由煤层内压力传感器采集获取)；

以上就完成了试验的准备工作，接下来可以根据试验要求进行相关的试验操作；

如果要做动力增透试验，则将水力致裂系统4经由动力增透注入孔1-3接入模型，启动数据采集系统即可进行试验；

如果要做渗流实验，则将瓦斯充填系统2经由油缸活塞预留孔1-1接入模型，启动数据采集系统即可进行试验；

如果要做瓦斯驱替实验，则将驱替介质加载系统经由油缸活塞预留孔1-1接入模型，启动数据采集系统即可进行试验。

本发明可实现对大尺度煤岩体(500mm×500mm×500mm)在不同载荷(0-20MPa)下注入流体(气、汽、液)的功能，可用于模拟煤层水力压裂、水力割缝、爆破致裂等增透措施，可用于模拟注气、注热等增产煤层瓦斯措施；可实时监测煤岩体内部的流体流量、压力、固体应力、应变和温度等物理量，探明承压及卸压状态下流体渗流过程中的气体压力场、应力场、形变、温度场等多场耦合演变规律。整套系统结构简单、分工明确、便于拆装，可为水力压裂、水力割缝、爆破致裂、注气、注热等增透增产技术提供试验参数，为理论研究提供验证平台。

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.集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，由流体注入系统、模型密封加载系统、数据采集系统和数据处理与控制系统构成，各个系统采用模块化设计，各模块独立工作，协同配合；

其中，所述的模型密封加载系统为主体结构，主要包括模型反力装置及密封系统、应力加载系统、试件制作及就位系统；所述的模型反力装置及密封系统用于放置试件，所述的应力加载系统用于给试件加载应力，所述的试件制作及就位系统用于制作试件以及将试件放置在模型反力装置及密封系统内；

所述的流体注入系统主要包括瓦斯气体充填系统、水力致裂系统和驱替介质加载系统；所述的水力致裂系统用于试件的动力增透试验；所述的瓦斯气体充填系统用于试件的动力增透试验；所述的驱替介质加载系统用于试件的瓦斯驱替实验；

所述的数据采集系统主要用于采集试件的各个参数变化；

所述的数据处理与控制系统可分析煤层中裂隙发育规律以及煤层中瓦斯压力场、应力场、形变、温度场等变化规律。

2.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的模型反力装置及密封系统包括主架和底部支撑结构；所述的主架内设置有试块加载腔；底部支撑结构在主架底部，用于支撑和移动主架。

3.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的主架包括后部反力框架、中部反力框架、前部反力框架、内部箱体、纵向拉杆；所述后部反力框架、中部反力框架、前部反力框架组装在一起，相邻框架的连接处进行密封；在所述的中部反力框架一侧设置预留孔，用以模型材料内部传感器引线和水力压裂；在所述前部反力框架中间设置预留孔，用以注气/液引出；所述的内部箱体位于中部反力框架内，且在所述的中部反力框架上设有供内部箱体滑进或者滑出的导轨；所述内部箱体一侧设置预留孔，用以模型材料内部传感器引线和水力压裂；内部箱体自带压头，用于试件压制成型和地应力加载；所述的压头中间设置预留孔，用以注入气/液；压头前部安装面式充填板，用以气/液的面式充填；压头贯穿内部箱体顶部，中间设置一道密封圈密封。

4.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的底部支撑结构包括后部固定部分、前部可移动部分、两个推力油缸；所述的后部固定部分用来支撑后部反力框架和中部反力框架；所述的前部可移动部分用来支撑前部反力框架，底部设置有导轨，使前部反力框架可以移动；两个推力油缸安装在后部固定部分两侧，用来推动前部可移动部分。

5.如权利要求3所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的应力加载系统由液压油缸和液压站构成；所述的液压油缸安装在后部反力架上，油缸活塞穿过后部反力架伸入中部反力框架的内部箱体，与内部箱体的压头连接；在所述的油缸活塞设置预留孔，用以注入气/液。

6.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的试件制作及就位系统包括吊车和压力装置；所述的吊车用以内部箱体的运输；所述的压力装置用以试件的箱体内成型；所述压力装置底部安装有一个大吨位油缸和四个小吨位油缸；大吨位油缸用于加载，小吨位油缸用以箱体的顶起与落下。

7.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的流体注入系统主要包括恒速恒压泵、蒸汽发生器、气体增压泵、空气压缩机、真空泵、低压储罐、高压储罐、调压阀、液体增压系统、活塞容器、气瓶和气压控制部分；

所述的恒速恒压泵用以控制气/液的恒速或恒压控制；

所述的蒸汽发生器用以水的汽化；

所述的气体增压泵用以CO2，N2，CH4气体的增压；

所述的真空泵用以试件密封空间的抽真空；

所述的液体增压系统用以液体的增压；

所述的活塞容器作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输；

所述的瓦斯气体的充填和驱替介质的充填经由油缸活塞的预留孔注入；

所述的水力致裂的高压水经由中部反力框架一侧预留孔注入。

8.如权利要求1所述的集成了煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的完整的试验系统，其特征在于，所述的数据采集系统和数据处理与控制系统由光栅采集系统、声发射传感器、气相色谱仪及其相关配套软件构成；

光栅采集系统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、采集软件；各个所述的传感器埋设在试件内部，共分三层埋设；各个传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出与光纤光栅解调仪相连；所述的声发射传感器安装在内部箱体的外侧；声发射传感器引线经由中部反力框架一侧预留孔引出；气相色谱仪用以出口气体成分及浓度的检测。

9.如权利要求1-8任一所述的煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的试验系统的试验方法，其特征在于，步骤如下：

1)根据试验要求，将煤体材料装入内部箱体，利用压力装置将试件压制成型到第一层高度，埋设第一层传感器，将传感器引线经由内部箱体导线引出孔引出，再依次压制成型第二、三、四层和埋设二、三层传感器，安装面式充填板和压头，之后安装上盖密封；

2)利用吊车将密封好的内部箱体运移到模型反力装置及密封系统处，卸下反力框架螺母，利用推力油缸将前部反力框架推开，接着用导轨将内部箱体推入反力装置腔体内，传感器引线经由反力框架预留孔引出，与数据采集系统连接，箱体与反力框架之间的缝隙采用加载垫板和楔形板与四周接触受力，之后将前部反力框架复位，拧紧螺母；

3)将真空泵与油缸活塞预留孔连接，启动真空泵对模型材料抽真空；

4)关闭真空泵及相关阀门，启动应力加载系统，对模型施加地应力，到达加载目标值后稳压一段时间；

5)启动瓦斯充填系统，通过气体加载控制台启动增压装置将瓦斯气体增压至目标压力，并经由油缸活塞预留孔引入面式充气板注入模型，待煤层充分吸附，到达目标压力并压力值稳定后视为煤层处于吸附平衡态，并稳压；

6)根据试验要求将流体注入系统接入模型密封加载系统进行煤岩层瓦斯动力增透、渗流与驱替试验，并记录整个试验过程中模型内部各物理量变化规律。

10.如权利要求9所述的煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的试验系统的试验方法，其特征在于，所述的瓦斯气体充填系统、水力致裂系统和驱替介质加载系统可根据具体实验要求，对各功能进行组合使用。