CN109695471A - 可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤层气开采技术领域，具体的说是一种可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法。包括装样系统、注气与流量监测系统以及数据收集系统；装样系统包括用于盛装煤粉的刚性缸体、用于向煤粉施加载荷的加载机构以及用于驱动刚性缸体整体以可控频率振动的振动机构；注气与流量监测系统包括与刚性缸体相连的气瓶和通风橱；数据收集系统包括多个固体压力传感器、多个气体压力传感器以及计算机。本发明旨在提供一种可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法，为研究可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率提供实验支撑和技术支持。

Description

可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，具体的说是一种可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法。

背景技术

我国存在“富煤、贫油、少气”的能源格局，近年来随着环保要求的提高，国民经济对清洁能源的需求不断增加，天然气缺口不断增大。相反的是，我国作为煤炭资源大国，煤层中含有大量的瓦斯气体（主要成分为甲烷），这一部分瓦斯气体的高效开发可在很大程度上改善我国的能源结构，弥补我国天然气缺口大这一局面。

然而，由于我国含煤盆地经历了多期次的构造作用，煤层普遍具有“高应力、低渗透、非均质”的特征，导致我国煤层瓦斯抽采效率低。目前，常用的提高煤层瓦斯抽采率的方法主要为水力化作业法，例如：水力压裂、水力割缝等。但是， 水力化作业法存在注入煤层的水排出难度大、存在瓦斯抽采盲区等不足，使得其适用范围受限。土力学研究中的沙土液化现象，正是由于饱和细砂土体在振动作用下砂土颗粒间有效应力的降低所致。实际上，当煤层有效应力降低时，煤体裂隙开度将明显增大，煤体渗透率将有效提高，这对煤层瓦斯抽采将极为有利。然而不同振动频率下的振动作用对煤层瓦斯的抽采效果如何,不同地质条件下又该采用何种振动频率的振动作用达到最佳的瓦斯抽采效果.显然这些相关问题以往都缺少研究，其原因一方面在于相关实验设备的缺少，另一方面在于目前对振动法提高瓦斯抽采工艺的认识不足。

发明内容

本发明旨在提供一种可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置及方法，为研究可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率提供实验支撑和技术支持。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置，包括装样系统、注气与流量监测系统以及数据收集系统；装样系统包括用于盛装煤粉的刚性缸体、用于向煤粉施加载荷的加载机构以及用于驱动刚性缸体整体以可控频率振动的振动机构，加载机构包括设置在刚性缸体内腔中部位置的液压千斤顶，刚性缸体内腔位于液压千斤顶的一侧形成用于容纳煤粉的装料区，液压千斤顶相背于装料区的一侧设有用于推动液压千斤顶沿刚性缸体长度方向运动的液压推杆，且液压推杆通过液压控制阀门与液压泵相连，振动机构包括固定设置在刚性缸体上的振动器和控制振动器以特定频率振动的控制器；注气与流量监测系统包括气瓶和通风橱，在气瓶和刚性缸体的装料区之间的连通管路上依次设有气体增压泵、入口气体压力调节阀、入口气体阀门以及入口气体流量计，在通风橱和刚性缸体的装料区之间的连通管路上依次设有出口气体流量计、出口气体阀门以及出口气体压力调节阀；数据收集系统包括多个固体压力传感器、多个气体压力传感器以及计算机，多个固体压力传感器间隔埋设在煤粉中并用于检测煤粉内部应力，多个气体压力传感器间隔设置在刚性缸体的侧壁上并用于检测装料区位置的气体压力，计算机与固体压力传感器、气体压力传感器、入口气体流量计以及出口气体流量计相连，并用于绘制对应的应力变化曲线、压力变化曲线以及气体流量曲线。

优选的，固体压力传感器和气体压力传感器的数量分别为三个，三个固体压力传感器等距间隔埋设在煤粉中，三个气体压力传感器等距间隔固定在刚性缸体的侧壁上。

优选的，刚性缸体的装料区还连接有真空泵，真空泵的末端与通风橱相连。

可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验方法，包括以下步骤：

1）、在刚性缸体的装料区内装入煤粉，并在煤粉中等间距的埋入三个固体压力传感器；

2）、启动液压泵，打开液压控制阀门，通过液压推杆推动液压千斤顶对装料区中的煤粉进行压实；

3）、煤粉压实至实验设定的载荷后，打开气瓶，启动气体增压泵对气瓶中的气体进行增压，接着调节入口气体压力调节阀以稳定入口气体压力，以恒定的气体压力向刚性缸体内注入气体；启动入口气体流量计监测向刚性缸体内注入气体的量，入口气体流量计监测到注入气体累计量保持不变时，关闭入口气体阀门，停止注气；停止注气之后， 静置一段时间完成注气平衡；

4）、注气平衡之后,调节出口气体压力调节阀以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门，通过出口气体流量计和计算机实时监测振动器未向刚性缸体施加振动时的气体流量变化，并在计算机上绘制气体流量数据曲线；通过三个固体压力传感器和计算机实时监测振动器未向刚性缸体施加振动时气体抽采过程中煤粉不同部位的应力，并在计算机上绘制煤粉不同部位的应力曲线；通过三个气体压力传感器和计算机实时监测振动器未向刚性缸体施加振动时气体抽采过程中煤粉不同部位的气体压力，并在计算机上绘制煤粉不同部位的气体压力数据曲线；

5）、数据记录完成之后，重复步骤2）、3）步；

6）、再次注气平衡完成之后, 调节出口气体压力调节阀以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门，通过控制器控制振动器以一定的振动频率对刚性缸体施加振动，通过出口气体流量计和计算机实时监测振动器向刚性缸体施加振动过程中气体的流量，并在计算机上绘制气体流量曲线；通过三个固体压力传感器和计算机实时监测振动器向刚性缸体施加振动时气体抽采过程中煤粉不同部位的应力数据，并在计算机上绘制煤粉不同部位的应力数据曲线；通过三个气体压力传感器和计算机实时监测振动器向刚性缸体施加振动时气体抽采过程中煤粉不同部位的气体压力，并在计算机上绘制煤粉不同部位的气体压力数据曲线；

7）、对比振动器对刚性缸体施加振动前后两次流量数据曲线，验证可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的模拟效果。

优选的，在振动器对刚性缸体施加振动前后的实验中，液压泵向煤粉施加的载荷大小、注气压力、时间以及注气之后的平衡时间完全相同。

优选的，步骤6）中的测试结束之后，通过计算机保留数据，然后由控制器控制振动器以另一振动频率对刚性缸体施加振动，进行另一振动频率下的测试，测试完之后同样保留数据；通过多次测试系统数据对比分析得出可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的最佳振动频率。

有益效果

采用上述技术方案，本发明提供了一种可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的实验装置和实验方法，实现了在同一个装置上面对可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的模拟，并且可以通过对比不同振动频率下的瓦斯抽采效果，寻求不同条件下提高煤层瓦斯抽采率的最佳振动频率，为提高煤层瓦斯抽采率提供实验支撑和技术支撑。

本装置为研究可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率提供了一种方法，具有以下优点：

（1）该装置可以通过固体压力传感器监测振动器作用下煤体内部应力的变化情况。

（2）该装置可在不同振动频率下对煤体施加振动作用，研究不同振动频率下煤层瓦斯的抽采效果，为寻求振动法提高煤层瓦斯抽采率提供很好的实验支撑。

（3）该装置的刚性缸体可以有效传递振动波，利于煤体在振动作用下发生解吸。

（4）该装置结构简单、成本低廉、易于加工制造。

附图说明

图1为本发明的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置的结构示意图；

图中标记：1、气瓶，2、气体增压泵，3、入口气体压力调节阀，4、入口气体阀门，5、入口气体流量计，6、液压推杆，7、液压千斤顶，8、煤粉，9、刚性缸体，10、振动器，11、控制器，12、出口气体压力调节阀，13、出口气体阀门，14、出口气体流量计，15、通风橱，16、计算机，17、真空泵，18、气体压力传感器，19、固体压力传感器，20、液压控制阀门，21、液压泵。

具体实施方式

如图1所示，本发明的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置，包括装样系统、注气与流量监测系统以及数据收集系统。装样系统可用于盛装煤粉8并包括将煤粉8压实的加载机构，通过压实煤粉8以模拟真实开采工况。注气与流量监测系统向压实煤粉8中注气至吸附平衡后，即可以振动机构模拟不同振动频率下压实煤粉8中气体开采情况，进而通过数据分析得到振动法最优开采的震动频率。

装样系统包括刚性缸体9以及上述加载机构和振动机构。如图1所示，刚性缸体9为左端敞口右端封闭的筒体。加载机构包括可滑动设置在刚性缸体9内腔中部位置的液压千斤顶7。液压千斤顶7将刚性缸体9内腔一分为二，刚性缸体9内腔的右侧部位形成用于容纳煤粉8的装料区，在刚性缸体9对应装料区的位置设有可开合的装取料门，以供将煤粉8填入或在实验后将煤粉8取出。液压千斤顶7的左侧连接有液压推杆6，且液压推杆6通过液压控制阀门20与液压泵21相连，继而可通过液压泵21控制液压推杆6推动液压千斤顶7沿刚性缸体9长度方向朝向装料区方向滑动，并在滑动过程中压实装料区中的煤粉8。

振动机构包括固定设置在刚性缸体9侧壁中部位置的振动器10和控制振动器10以特定频率振动的控制器11。控制器11可控制振动器10以多种频率带动刚性缸体9及刚性缸体9中压实煤粉8共同振动，继而分析多种不同振动频率条件下注气平衡煤粉8中应力变化、气体流量及压力变化，从而得出不同条件下的最优振动法开采振动频率。

注气与流量监测系统包括分别与刚性缸体9中的装料区通过管路相连的气瓶1和通风橱15。气瓶1中储存有瓦斯气体，在气瓶1和刚性缸体9的装料区之间的连通管路上依次设有气体增压泵2、入口气体压力调节阀3、入口气体阀门4以及入口气体流量计5。在通风橱15和刚性缸体9的装料区之间的连通管路上依次设有出口气体流量计14、出口气体阀门13以及出口气体压力调节阀12。通风橱15还连接有真空泵17，真空泵17的进口与刚性缸体9的装料区相连，可在实验前抽除系统内的空气或在试验后抽除系统内的瓦斯。

数据收集系统包括三个固体压力传感器19、三个气体压力传感器18、上述入口气体流量计5、上述出口气体流量计14以及计算机16。三个固体压力传感器19等距间隔埋设在煤粉8中并用于检测煤粉8内部应力，三个气体压力传感器18等距间隔设置在刚性缸体9的侧壁上并用于检测装料区位置的气体压力。计算机16与固体压力传感器19、气体压力传感器18、入口气体流量计5以及出口气体流量计14分别通过信号线和集成电路相连，并用于绘制对应的应力变化曲线、压力变化曲线以及气体流量曲线。

可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验方法，包括以下步骤：

1）、在刚性缸体9的装料区内装入煤粉8，并在煤粉8中等间距的埋入三个固体压力传感器19；

2）、启动液压泵21，打开液压控制阀门20，通过液压推杆6推动液压千斤顶7对装料区中的煤粉8进行压实；埋在煤粉8中的三个固体压力传感器19分别监测刚性缸体9内不同部位煤粉8的应力大小；

3）、煤粉8压实至实验设定的载荷后，打开气瓶1，启动气体增压泵2对气瓶1中的气体进行增压，接着调节入口气体压力调节阀3以稳定入口气体压力，以恒定的气体压力向刚性缸体9内注入气体；启动入口气体流量计5监测向刚性缸体9内注入气体的量，入口气体流量计5监测到注入气体累计量保持不变时，关闭入口气体阀门4，停止注气；停止注气之后， 静置一段时间完成注气平衡；

4）、注气平衡之后,调节出口气体压力调节阀12以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门13，通过出口气体流量计14和计算机16实时监测振动器10未向刚性缸体9施加振动时的气体流量变化，并在计算机16上绘制气体流量数据曲线；通过三个固体压力传感器19和计算机16实时监测振动器10未向刚性缸体9施加振动时气体抽采过程中煤粉8不同部位的应力，并在计算机16上绘制煤粉8不同部位的应力曲线；通过三个气体压力传感器18和计算机16实时监测振动器10未向刚性缸体9施加振动时气体抽采过程中煤粉8不同部位的气体压力，并在计算机16上绘制煤粉8不同部位的气体压力数据曲线；

5）、数据记录完成之后，重复步骤2）、3）步；

6）、再次注气平衡完成之后, 调节出口气体压力调节阀12以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门13，通过控制器11控制振动器10以一定的振动频率对刚性缸体9施加振动，通过出口气体流量计14和计算机16实时监测振动器10向刚性缸体9施加振动过程中气体的流量，并在计算机16上绘制气体流量曲线；通过三个固体压力传感器19和计算机16实时监测振动器10向刚性缸体9施加振动时气体抽采过程中煤粉8不同部位的应力数据，并在计算机16上绘制煤粉8不同部位的应力数据曲线；通过三个气体压力传感器18和计算机16实时监测振动器10向刚性缸体9施加振动时气体抽采过程中煤粉8不同部位的气体压力，并在计算机16上绘制煤粉8不同部位的气体压力数据曲线；在振动器10对刚性缸体9施加振动前后的实验中，液压泵21向煤粉8施加的载荷大小、注气压力、时间以及注气之后的平衡时间完全相同；

7）、实验结束，启动真空泵17对装样系统抽真空，然后清理现场回收材料；对比振动器10对刚性缸体9施加振动前后两次流量数据曲线，验证可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的模拟效果。

8）、重复步骤2）、3）步，通过计算机16保留数据，然后由控制器11控制振动器10以另一振动频率对刚性缸体9施加振动，进行另一振动频率下的测试，测试完之后同样保留数据；通过多次测试系统数据对比分析得出可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的最佳振动频率。

Claims (6)

1.可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置，其特征在于：包括装样系统、注气与流量监测系统以及数据收集系统；装样系统包括用于盛装煤粉（8）的刚性缸体（9）、用于向煤粉（8）施加载荷的加载机构以及用于驱动刚性缸体（9）整体以可控频率振动的振动机构，加载机构包括设置在刚性缸体（9）内腔中部位置的液压千斤顶（7），刚性缸体（9）内腔位于液压千斤顶（7）的一侧形成用于容纳煤粉（8）的装料区，液压千斤顶（7）相背于装料区的一侧设有用于推动液压千斤顶（7）沿刚性缸体（9）长度方向运动的液压推杆（6），且液压推杆（6）通过液压控制阀门（20）与液压泵（21）相连，振动机构包括固定设置在刚性缸体（9）上的振动器（10）和控制振动器（10）以特定频率振动的控制器（11）；注气与流量监测系统包括气瓶（1）和通风橱（15），在气瓶（1）和刚性缸体（9）的装料区之间的连通管路上依次设有气体增压泵（2）、入口气体压力调节阀（3）、入口气体阀门（4）以及入口气体流量计（5），在通风橱（15）和刚性缸体（9）的装料区之间的连通管路上依次设有出口气体流量计（14）、出口气体阀门（13）以及出口气体压力调节阀（12）；数据收集系统包括多个固体压力传感器（19）、多个气体压力传感器（18）以及计算机（16），多个固体压力传感器（19）间隔埋设在煤粉（8）中并用于检测煤粉（8）内部应力，多个气体压力传感器（18）间隔设置在刚性缸体（9）的侧壁上并用于检测装料区位置的气体压力，计算机（16）与固体压力传感器（19）、气体压力传感器（18）、入口气体流量计（5）以及出口气体流量计（14）相连，并用于绘制对应的应力变化曲线、压力变化曲线以及气体流量曲线。

2.根据权利要求1所述的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置，其特征在于：固体压力传感器（19）和气体压力传感器（18）的数量分别为三个，三个固体压力传感器（19）等距间隔埋设在煤粉（8）中，三个气体压力传感器（18）等距间隔固定在刚性缸体（9）的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置，其特征在于：刚性缸体（9）的装料区还连接有真空泵（17），真空泵（17）的末端与通风橱（15）相连。

4.通过权利要求1的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、在刚性缸体（9）的装料区内装入煤粉（8），并在煤粉（8）中等间距的埋入三个固体压力传感器（19）；

2）、启动液压泵（21），打开液压控制阀门（20），通过液压推杆（6）推动液压千斤顶（7）对装料区中的煤粉（8）进行压实；

3）、煤粉（8）压实至实验设定的载荷后，打开气瓶（1），启动气体增压泵（2）对气瓶（1）中的气体进行增压，接着调节入口气体压力调节阀（3）以稳定入口气体压力，以恒定的气体压力向刚性缸体（9）内注入气体；启动入口气体流量计（5）监测向刚性缸体（9）内注入气体的量，入口气体流量计（5）监测到注入气体累计量保持不变时，关闭入口气体阀门（4），停止注气；停止注气之后， 静置一段时间完成注气平衡；

4）、注气平衡之后,调节出口气体压力调节阀（12）以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门（13），通过出口气体流量计（14）和计算机（16）实时监测振动器（10）未向刚性缸体（9）施加振动时的气体流量变化，并在计算机（16）上绘制气体流量数据曲线；通过三个固体压力传感器（19）和计算机（16）实时监测振动器（10）未向刚性缸体（9）施加振动时气体抽采过程中煤粉（8）不同部位的应力，并在计算机（16）上绘制煤粉（8）不同部位的应力曲线；通过三个气体压力传感器（18）和计算机（16）实时监测振动器（10）未向刚性缸体（9）施加振动时气体抽采过程中煤粉（8）不同部位的气体压力，并在计算机（16）上绘制煤粉（8）不同部位的气体压力数据曲线；

5）、数据记录完成之后，重复步骤2）、3）步；

6）、再次注气平衡完成之后, 调节出口气体压力调节阀（12）以稳定出口气体压力大小，打开出口气体阀门（13），通过控制器（11）控制振动器（10）以一定的振动频率对刚性缸体（9）施加振动，通过出口气体流量计（14）和计算机（16）实时监测振动器（10）向刚性缸体（9）施加振动过程中气体的流量，并在计算机（16）上绘制气体流量曲线；通过三个固体压力传感器（19）和计算机（16）实时监测振动器（10）向刚性缸体（9）施加振动时气体抽采过程中煤粉（8）不同部位的应力数据，并在计算机（16）上绘制煤粉（8）不同部位的应力数据曲线；通过三个气体压力传感器（18）和计算机（16）实时监测振动器（10）向刚性缸体（9）施加振动时气体抽采过程中煤粉（8）不同部位的气体压力，并在计算机（16）上绘制煤粉（8）不同部位的气体压力数据曲线；

7）、对比振动器（10）对刚性缸体（9）施加振动前后两次流量数据曲线，验证可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的模拟效果。

5.根据权利要求4所述的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验方法，其特征在于：在振动器（10）对刚性缸体（9）施加振动前后的实验中，液压泵（21）向煤粉（8）施加的载荷大小、注气压力、时间以及注气之后的平衡时间完全相同。

6.根据权利要求4所述的可控频率振动法提高煤层瓦斯采收率的实验方法，其特征在于：步骤6）中的测试结束之后，通过计算机（16）保留数据，然后由控制器（11）控制振动器（10）以另一振动频率对刚性缸体（9）施加振动，进行另一振动频率下的测试，测试完之后同样保留数据；通过多次测试系统数据对比分析得出可控频率振动法提高煤层瓦斯抽采率的最佳振动频率。