CN110030030A - 一种电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置与方法，适用于提高低渗透、高吸附煤层的瓦斯抽采率，包括高压充电电源、高压储能电容器、高压放电开关、煤样固定装置、液压控制系统、真空泵装置、吸附解吸系统。首先，利用高压充电电源向高压储能电容器中充电，打开高压放电开关，通过正电极和负电极向煤样放电，产生巨大的能量直接作用在煤样上，在煤样中形成裂缝，再通过煤样固定装置中内置的吸附解吸系统测量击穿后煤样的吸附解吸量。本发明利用高压脉冲放电技术实现煤层致裂，能够实现电脉冲致裂增透与吸附解吸测定一体化操作，该方法测量准确，操作方便，对于电脉冲致裂效果的研究有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，尤其是一种适用研究煤层瓦斯抽采困难等问题的电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化实验装置与方法。
背景技术
近年来，由于我国煤矿开采逐步进入深部开采阶段，在低透性煤层开采过程中，瓦斯抽采困难等问题尤为突出，而解决这一问题的关键就在于提高煤样的透气性。提高瓦斯抽采效果主要有两种方法，一是促进瓦斯的解吸，二是疏通瓦斯渗流的通道。目前，常采用的瓦斯抽采方法主要有：水力压裂、深孔爆破、水力割缝、保护层开采，但是这些技术应用起来存在一些缺陷，例如：水力压裂的方向难以控制而且容易造成水锁现象，堵塞瓦斯运移的通道；深孔爆破技术存在送药困难等问题；保护层开采不适应于单一煤层开采；水力割缝在软煤层应用效果较差。因此，开发更加简单有效的煤层增透方法以解决低透气煤层瓦斯抽采困难的问题尤为重要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是解决已有技术中的问题，提供一种简单可靠、操作方便，能够准确测定电脉冲致裂后煤样的吸附解吸效果的实验系统和方法。本发明通过将高压电直接作用在煤层上面，放电过程中会产生大量的等离子，在正电极和负电极之间产生放电通道，这些等离子携带着巨大的能量瞬间通过放电通道，形成强大的应力波从而迫使煤样破裂，然后通过吸附解吸测定实验装置进行瓦斯吸附解吸特性的测定。
技术方案：一种电脉冲致裂增透与瓦斯吸附解吸一体化装置，包括高压充电电源、高压储能电容器、高压放电开关、煤样固定装置、液压控制系统、真空泵装置、氦气瓶、瓦斯瓶、参比罐、解吸仪，氦气瓶的出气端连接有压力表一和出气控制阀；瓦斯瓶的出气端连接压力表二和出气控制阀二；参比罐设置有压力表三；所述高压充电电源的输出端与高压储能电容器的正极相连，所述高压储能电容器的输出端与高压放电开关的输入端相连，所述高压放电开关的输出端与煤样固定装置相连，所述煤样固定装置的输出端与高压储能电容器的负极相连，所述煤样固定装置与液压控制系统相连；所述氦气瓶与瓦斯瓶的出气端与参比罐的进气端相连，所述出气端与进气端之间连接抽真空装置，所述参比罐的出气端与煤样固定装置的进气端相连，所述出气端与进气端之间设有出气控制阀三，所述煤样固定装置的出气端与瓦斯解吸仪的进气端相连，所述出气端与进气端之间设置有放气管和出气控制阀五，所述放气管设置有出气控制阀四。
进一步地，所述煤样固定装置包括支撑架、绝缘台、设在绝缘台上的腔体，绝缘台上部与腔体底部各设有安装固定螺栓的小孔，腔体内设有高压胶套，高压胶套的外圆面与腔体之间充入液压油，腔体底部设有向间隙内注入液压油的进油管，进油管与液压控制系统相连，所述高压胶套中部设有煤样，煤样的上端面上设有上轴压柱，煤样的下端面上设有下轴压柱，所述上轴压柱和下轴压柱各有一个中心孔，上轴压柱的中心孔内嵌装有由弹簧一顶在煤样上的针状正电极，下轴压柱的中心孔内嵌装有由弹簧二顶在煤样上的针状负电极；
进一步地，所述针状正电极和针状负电极外面套有绝缘套管，绝缘套管内嵌在上轴压柱和下轴压柱内；针状正电极和针状负电极分别通过密封套一与密封套二连接电线，针状正电极与针状负电极各有一个中心孔，针状负电极的中心孔设有与参比罐相连的进气管，所述进气管通过下轴压柱所设小孔连出，小孔设有进气螺栓；所述针状正电极的中心孔上设有与瓦斯解吸仪相连的出气管，所述出气管通过上轴压柱所设小孔连出，小孔设有出气螺栓；下轴压柱和上轴压柱通过液压油缸分别与液压控制系统相连，液压管路上连接液压控制阀和液压控制阀；所述进气管连接参比罐，出气管上设有放气管和出气控制阀五。
进一步地，所述下轴压柱和上轴压柱中心孔的直径由绝缘套管的外径确定，针状正电极与针状负电极的直径由进气管和出气管的直径决定。
上述电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置的吸附解吸一体方法，包括以下步骤：
a、将支撑架上设有的升降吊钩与腔体上设有的吊环相连接，将腔体缓慢升起，将煤样固定在高压胶套中部，然后将装有煤样的高压胶套装入腔体内，将上轴压柱与下轴压柱分别设在煤样的上下端面上，在弹簧一和弹簧二的作用下，设在上轴压柱与下轴压柱中心孔内的针状正电极和针状负电极紧挨着煤样，装好煤样后，拧紧固定螺栓，将腔和绝缘台定在一起。
b、开启液压控制系统，通过调节液压控制阀一和液压控制阀二给煤样施加预设的围压和轴压后，关闭液压控制系统、液压控制阀一和液压控制阀二；
c、通过高压充电电源向高压储能电容器中充入预设电压，打开高压放电开关，向煤样放电；
d、重复步骤c多次使煤样破裂后，关闭高压充电电源与高压放电开关；
e、利用密封套密封住电线与下轴压柱、上轴压柱连接处；
f、打开进气控制阀三，关闭其余控制阀，利用真空泵装对煤样固定装置与参比罐进行抽真空；
g、抽真空结束后，关闭抽真空装置，关闭出气控制阀三，打开出气控制阀一，向参比罐中充入氦气，通过调节出气控制阀一设定进气压力V1。压力稳定之后，关闭出气控制阀一；
h、打开出气控制阀三，待压力稳定后读出压力表三的示数V2；
i、重复步骤f对煤样固定装置和参比罐抽真空；
j、抽真空结束后，关闭抽真空装置，关闭出气控制阀三，打开出气控制阀二，向参比罐中充入瓦斯，通过调节进气控制阀二设定进气压力V3。压力稳定之后，关闭进气控制阀二；
k、打开出气控制阀三，设使煤样吸附饱和3—5天，待吸附饱和后读出压力表三的示数V4；
l、关闭出气控制阀三，打开出气控制阀四，将多余气体放出，关闭出气控制阀四，打开出气控制阀五，进行解吸实验，测出解吸量。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够实现电脉冲增透与吸附解吸一体化实验操作，能够准确的检验电脉冲致裂的效果。通过液压控制系统，能够实现在三轴加载条件下进行电脉冲致裂实验，能够较好的促进瓦斯的解吸，同时还可以实现对电脉冲致裂后的煤样直接进行吸附解吸实验，准确的对电脉冲致裂效果进行检验。该装置结构简单，操作方便，能够有效的解决电脉冲破碎煤样后效果检验困难的问题，在本技术领域中有着广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中的I—I剖面图。
图中：1—高压充电电源，2—高压储能电容器，3—高压放电开关，4—煤样固定装置，5—液压控制系统，6—真空泵装置，7—氦气瓶，8—瓦斯瓶，9—参比罐，10—解吸仪，11—压力表一，12—出气控制阀一，13—压力表二，14—出气控制阀二，15—压力表三，16—出气控制阀三，17—放气管，18—出气控制阀四，19—出气控制阀五，20—支撑架，21—升降吊钩，22—腔体，23—吊环，24—煤样，25—高压胶套，26—上轴压柱，27—下轴压柱，28—弹簧一，29—弹簧二，30—针状正电极，31—针状负电极，32—紧固螺栓，33—绝缘台，34—密封套一，35—密封套二，36—出气螺栓，37—进气螺栓，38—绝缘套管，39—进气管，40—出气管，41—液压油，42—液压油缸，43—液压控制阀一，44—液压控制阀二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
下面结合附图对本发明的一个实施案例作进一步的描述：
本发明的电脉冲致裂增透与瓦斯吸附解吸一体化装置，主要包括高压充电电源1、高压储能电容器2、高压放电开关3、煤样固定装置4、液压控制系统5、真空泵装置6、氦气瓶7、瓦斯瓶8、参比罐9、解吸仪10，氦气瓶7的出气端连接有压力表一11和出气控制阀12；瓦斯瓶8的出气端连接压力表二13和出气控制阀二14；参比罐9设置有压力表三15；高压充电电源1的输出端与高压储能电容器2的正极相连，高压储能电容器2的输出端与高压放电开关3的输入端相连，高压放电开关3的输出端与煤样固定装置4相连，煤样固定装置4的输出端与高压储能电容器2的负极相连，煤样固定装置4与液压控制系统5相连；氦气瓶7与瓦斯瓶8的出气端与参比罐9的进气端相连，所述出气端与进气端之间连接抽真空装置6，参比罐9的出气端与煤样固定装置4的进气端相连，出气端与进气端之间设有出气控制阀三16，煤样固定装置4的出气端与瓦斯解吸仪10的进气端相连，出气端与进气端之间设置有放气管17和出气控制阀五19，放气管17设置有出气控制阀四18。
煤样固定装置4包括支撑架20、绝缘台33、设在绝缘台33上的腔体22，绝缘台33上部与腔体22底部各设有安装固定螺栓32的小孔，腔体22内设有高压胶套25，高压胶套25的外圆面与腔体22内圆之间充入液压油41，腔体22底部设有向间隙内注入液压油的进油管，进油管与液压控制系统5相连，所述高压胶套25中部设有煤样24，煤样24的上端面上设有上轴压柱26，煤样24的下端面上设有下轴压柱27，上轴压柱26和下轴压柱27各有一个中心孔，上轴压柱26的中心孔内嵌装有由弹簧一28顶在煤样上的针状正电极30，下轴压柱24的中心孔内嵌装有由弹簧二29顶在煤样上的针状负电极31；
针状正电极30和针状负电极31外面套有绝缘套管38，绝缘套管38内嵌在上轴压柱26和下轴压柱27内；针状正电极30和针状负电极31分别通过密封套一34与密封套二35连接电线；针状正电极30与针状负电极31各有一个中心孔，针状负电极30的中心孔设有与参比罐9相连的进气管39，进气管39通过下轴压柱27所设小孔连出，小孔设有进气螺栓35；针状正电极30的中心孔上设有与瓦斯解吸仪10相连的出气管40，出气管40通过上轴压柱26所设小孔连出，小孔设有出气螺栓36；下轴压柱27和上轴压柱26通过液压油缸41分别与液压控制系统5相连，液压管路上连接液压控制阀43和液压控制阀44；进气管39连接参比罐9，出气管40上设有放气管17和出气控制阀五19。
上所述电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置的实验方法，包括以下步骤：
a、将支撑架20上设有的升降吊钩21与腔体22上设有的吊环23相连接，将腔体22缓慢升起，将煤样24固定在高压胶套25中部，然后将装有煤样24的高压胶套25装入腔体22内，将上轴压柱26与下轴压柱27分别设在煤样24的上下端面上，在弹簧一28和弹簧二29的作用下，设在上轴压柱26与下轴压柱27中心孔内的针状正电极30和针状负电极31紧挨着煤样24，装好煤样24后，拧紧固定螺栓32，将腔体22和绝缘台33固定在一起。
b、开启液压控制系统5，通过调节液压控制阀一43和液压控制阀二44给煤样24施加预设的围压和轴压后，关闭液压控制系统5、液压控制阀一43和液压控制阀二44；
c、通过高压充电电源1向高压储能电容器2中充入预设电压，打开高压放电开关3，向煤样24放电；
d、重复步骤c多次使煤样破裂后，关闭高压充电电源1与高压放电开关3；
e、利用密封套密封住电线与下轴压柱27、上轴压柱26连接处；
f、打开出气控制阀三16，关闭其余控制阀，利用真空泵装置6对煤样固定装置4和参比罐9进行抽真空；
g、抽真空结束后，关闭抽真空装置6，关闭出气控制阀三16，打开出气控制阀一12，向参比罐9中充入氦气，通过调节出气控制阀一12设定进气压力V1。参比罐9充满氦气后，关闭出气控制阀一12；
h、打开出气控制阀三16，待压力稳定后读出压力表三15的示数V2；
i、重复步骤f对煤样固定装置4和参比罐9抽真空；
j、抽真空结束后，关闭抽真空装置6，关闭出气控制阀三16，打开出气控制阀二14，向参比罐9中充入瓦斯，通过调节出气控制阀二14设定进气压力V3。压力稳定之后，关闭出气控制阀二14；
k、打开出气控制阀三16，设使煤样24吸附饱和3—5天，待吸附饱和后读出压力表三15的示数V4；
l、关闭出气控制阀三16，打开出气控制阀四18，将多余气体放出，关闭出气控制阀四18，打开出气控制阀五19，进行解吸实验，测出解吸量。
Claims (5)
1.一种电脉冲致裂增透与瓦斯吸附解吸一体化装置，包括高压充电电源(1)、高压储能电容器(2)、高压放电开关(3)、煤样固定装置(4)、液压控制系统(5)、真空泵装置(6)、氦气瓶(7)、瓦斯瓶(8)、参比罐(9)、解吸仪(10)，氦气瓶(7)的出气端连接有压力表一(11)和出气控制阀(12)；瓦斯瓶(8)的出气端连接压力表二(13)和出气控制阀二(14)；参比罐(9)设置有压力表三(15)；其特征在于：所述高压充电电源(1)的输出端与高压储能电容器(2)的正极相连，所述高压储能电容器(2)的输出端与高压放电开关(3)的输入端相连，所述高压放电开关(3)的输出端与煤样固定装置(4)相连，所述煤样固定装置(4)的输出端与高压储能电容器(2)的负极相连，所述煤样固定装置(4)与液压控制系统(5)相连；所述氦气瓶(7)与瓦斯瓶(8)的出气端与参比罐(9)的进气端相连，所述出气端与进气端之间连接抽真空装置(6)，所述参比罐(9)的出气端与煤样固定装置(4)的进气端相连，所述出气端与进气端之间设有出气控制阀三(16)，所述煤样固定装置(4)的出气端与瓦斯解吸仪(10)的进气端相连，所述出气端与进气端之间设置有放气管(17)和出气控制阀五(19)，所述放气管(17)设置有出气控制阀四(18)。
2.根据权利要求1所述一种电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置，其特征在于：所述煤样固定装置(4)包括支撑架(20)、绝缘台(33)、设在绝缘台(33)上的腔体(22)，绝缘台(33)上部与腔体(22)底部各设有安装固定螺栓(32)的小孔，腔体(22)内设有高压胶套(25)，高压胶套(25)的外圆面与腔体(22)内圆之间充入液压油(41)，腔体(22)底部设有向间隙内注入液压油的进油管，进油管与液压控制系统(5)相连，所述高压胶套(25)中部设有煤样(24)，煤样(24)的上端面上设有上轴压柱(26)，煤样(24)的下端面上设有下轴压柱(27)，所述上轴压柱(26)和下轴压柱(27)各有一个中心孔，上轴压柱(26)的中心孔内嵌装有由弹簧一(28)顶在煤样上的针状正电极(30)，下轴压柱(27)的中心孔内嵌装有由弹簧二(29)顶在煤样上的针状负电极(31)；针状正电极(30)和针状负电极(31)外面套有绝缘套管(38)，绝缘套管(38)内嵌在上轴压柱(26)和下轴压柱(27)内。
3.根据权利要求1所述一种电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置，其特征在于：所述针状正电极(30)和针状负电极(31)分别通过密封套一(34)与密封套二(35)连接电线；所述针状正电极(30)与针状负电极(31)各有一个中心孔，针状负电极(30)的中心孔设有与参比罐(9)相连的进气管(39)，所述进气管(39)通过下轴压柱(27)所设小孔连出，小孔设有进气螺栓(37)；所述针状正电极(30)的中心孔上设有与瓦斯解吸仪(10)相连的出气管(40)，所述出气管(40)通过上轴压柱(26)所设小孔连出，小孔设有出气螺栓(36)；下轴压柱(27)和上轴压柱(26)通过液压油缸(42)分别与液压控制系统(5)相连，液压管路上连接液压控制阀(43)和液压控制阀二(44)；所述进气管(39)连接参比罐(9)，出气管(40)上设有放气管(17)和出气控制阀五(19)。
4.根据权利要求2所述一种电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置，其特征在于：所述下轴压柱(27)和上轴压柱(26)中心孔的直径由绝缘套管(38)的外径确定，针状正电极(30)与针状负电极(31)的直径由进气管(39)和出气管(40)的直径决定。
5.根据权利要求1或2所述电脉冲致裂增透与吸附解吸一体化装置的实验方法，包括以下步骤：
a、将支撑架(20)上设有的升降吊钩(21)与腔体(22)上设有的吊环(23)相连接，将腔体(22)缓慢升起，将煤样(24)固定在高压胶套(25)中部，然后将装有煤样(24)的高压胶套(25)装入腔体(22)内，将上轴压柱(26)与下轴压柱(27)分别设在煤样(24)的上下端面上，在弹簧一(28)和弹簧二(29)的作用下，设在上轴压柱(26)与下轴压柱(27)中心孔内的针状正电极(30)和针状负电极(31)紧挨着煤样(24)，装好煤样(24)后，拧紧固定螺栓(32)，将腔体(22)和绝缘台(33)固定在一起；
b、开启液压控制系统(5)，通过调节液压控制阀一(43)和液压控制阀二(44)给煤样(24)施加预设的围压和轴压后，关闭液压控制系统(5)、液压控制阀一(43)和液压控制阀二(44)；
c、通过高压充电电源(1)向高压储能电容器(2)中充入预设电压，打开高压放电开关(3)，向煤样(24)放电；
d、重复步骤c多次使煤样破裂后，关闭高压充电电源(1)与高压放电开关(3)；
e、利用密封套密封住电线与下轴压柱(27)、上轴压柱(26)连接处；
f、打开出气控制阀三(16)，关闭其余控制阀，利用真空泵装置(6)对煤样固定装置(4)和参比罐(9)进行抽真空；
g、抽真空结束后，关闭抽真空装置(6)，关闭出气控制阀三(16)，打开出气控制阀一(12)，向参比罐(9)中充入氦气，通过调节出气控制阀一(12)设定进气压力V1，参比罐(9)充满氦气后，关闭出气控制阀一(12)；
h、打开出气控制阀三(16)，待压力稳定后读出压力表三(15)的示数V2；
i、重复步骤f对煤样固定装置(4)和参比罐(9)抽真空；
j、抽真空结束后，关闭抽真空装置(6)，关闭出气控制阀三(16)，打开出气控制阀二(14)，向参比罐(9)中充入瓦斯，通过调节出气控制阀二(14)设定进气压力V3，压力稳定之后，关闭出气控制阀二(14)；
k、打开出气控制阀三(16)，设使煤样(24)吸附饱和3—5天，待吸附饱和后读出压力表三(15)的示数V4；
l、关闭出气控制阀三(16)，打开出气控制阀四(18)，将多余气体放出，关闭出气控制阀四(18)，打开出气控制阀五(19)，进行解吸实验，测出解吸量。
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