CN111122417B - 一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置及方法，属于煤层气地质学领域。该装置由抽真空装置、压实装置、数据处理装置以及密封连接装置四部分构成；其中，抽真空装置由真空玻璃箱、箱盖、真空泵、减压罐以及高压甲烷气罐组成；压实装置由压力机、样品台组成；数据处理装置包括应力片、计算机两部分；密封连接装置包括输气管路，三通阀门、密封胶和橡胶塞。测定时，将真空玻璃箱放在压力机实验台上，将煤样四周贴好应力片后，放置在样品台上，然后一并放入真空玻璃箱内，使其正对压力机的压头。本装置可测定但不仅限于含瓦斯煤样开闭孔的膨胀率，可通过更换试样或气体测定含不同气体的各类试样开闭孔总体积的膨胀率。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置及方法，属于煤层气地质学领域。
背景技术
煤是一种疏松多孔的介质，其孔隙体是地下水和煤层气的储存和运移的空间，孔隙体内含有大量的比表面积，微孔表面积占97%以上。由于煤是一种具有复杂性质的固体，所以在研究微孔的表面积上有诸多困难。常见的研究表面特性的方法主要有等温吸附法、压汞法、表观密度测量法、氮比重法、NMR旋转-松弛测量法等。刘延保等人探讨了煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为，并利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验（《煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究》，岩石力学与工程学报，29（12），2484-2491）。但是尽管国内外都做过对煤孔隙以及应力对煤孔隙的影响，但却很少有人提出对于测量含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的行之有效的方法。通过对含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的研究，对未来生产中煤层中煤层气总含量的估测与抽采煤层气时钻孔位置的选取有着重大意义。
发明内容
本发明旨在提供一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置及方法。
本发明中，计算煤样开闭孔吸附瓦斯后的体积膨胀率φ
吸附瓦斯前煤样孔隙体积为
V孔 =V1-V3
V1——含孔隙煤样体积；
V3——煤基质体积。
吸附瓦斯后煤样孔隙体积为
V孔’=V2-V4
V2——煤吸附瓦斯后含孔隙体积；
V4——煤基质吸附瓦斯后的体积。
故含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率φ=（V孔’-V孔）/V孔。
本发明提供了一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置，该装置由抽真空装置、压实装置、数据处理装置以及密封连接装置四部分构成。其中，抽真空装置由真空玻璃箱、箱盖、真空泵、减压罐以及高压甲烷气罐组成；压实装置由压力机、样品台组成；数据处理装置包括应力片、计算机两部分；密封连接装置包括输气管路，三通阀门、密封胶和橡胶塞。
在压力机实验台外部设有真空玻璃箱，真空玻璃箱顶部的箱盖中心设有通孔，压力机穿过该通孔设置，实验台位于真空玻璃箱的底板上，煤样放置在实验台的正中间，压力机设置在煤样正上方；在真空玻璃箱的箱盖一侧设有两个通孔，通孔大小均为10mm，分别穿导线和输气管路，输气管路穿过该孔通入真空玻璃箱内部，输气管路的另一端通过三通高阀门分别与减压罐和真空泵相连，减压罐连接高压甲烷气罐，煤样块外部贴有应变片，应变片通过导线连接计算机。
进一步地，所述样品台在长、宽、的方向上标有刻度。
进一步地，煤样块为正方体结构，共有三个应力片，分别测长、宽、高方向的变化。
真空玻璃箱的箱盖通孔与压力机压头之间设有密封胶；真空玻璃箱与箱盖的连接处设有密封胶，玻璃箱侧面和管路连接处设有橡胶塞。
本发明提供了一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法。测定时，将真空玻璃箱放在压力机实验台上，压头穿过真空玻璃箱上部开口，用密封胶密封好。将煤样四周贴好应力片后，放置在样品台上，然后一并放入真空玻璃箱内，使其正对压力机的压头。输气管路穿过橡胶塞并插入箱盖上的通孔，之后盖好箱盖。管路另一端经过三通阀门分别与减压罐和真空泵相连。
进一步地，所述方法的具体操作步骤如下：
步骤一、煤样的制备：
（a）取样：现场取得大块试样，准备好取样袋、铁锹、标签、记录笔及手套，戴好安全帽，戴上手套拿好样袋、铁锹、标签去料场准备取样,检测料场的车辆两侧铅封，如果完整，再检测煤的粒度（满足实验要求粒度：10mm）、水分合格后（合格的标准：水分≤8%)，进行取样；
（b）煤样的制备：将采集的原煤采用SD66精密激光刀模切割机，制备成10mm×10mm×10mm的正方体块煤30个，并用砂纸进行打磨平整；将煤样均分为三组，分别为实验组、验证组1、验证组2；
（c）煤样的胶结：将打磨好的煤样表面滴附火棉胶，使煤样表面形成一层致密的薄膜，并进行干燥；
步骤二、测定含孔隙煤样体积V1：将真空玻璃箱放在压力机实验台上，压力头穿过真空玻璃箱上部开口，用密封胶密封好；煤样块各面贴好应力片后，放置到样品台中央，记录此时长、宽、高方向的刻度值l1、b1、h1将煤样块与样品台一同放入真空玻璃箱内，使其正对压力机的压头；输气管路穿过橡胶塞并插入箱盖上的通孔，之后盖好箱盖；由上述步骤可知，含孔隙煤样体积为V1=l1×b1×h1；
步骤三、测定煤吸附瓦斯后含孔隙体积V2：将三通阀门调至真空玻璃箱与真空泵连通状态，开启真空泵对真空玻璃箱抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵，并将三通阀门调至真空玻璃箱与减压罐及高压瓦斯气罐连通状态，调节减压罐压力，打开高压瓦斯气罐阀门，向真空玻璃箱内充入瓦斯气体；之后关闭高压瓦斯气罐阀门，记录此时三个方向的刻度值l2、b2、h2；由上述步骤可知，煤吸附瓦斯后含孔隙体积为V2=l2×b2×h2。
步骤四、测定煤基质体积V3：设置压力机下压速度，开启压力机，将煤样块压实，然后调整三通阀门使真空玻璃箱与真空泵相连通，开启真空泵对真空玻璃箱抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵；记录此时三个方向的刻度值l3、b3、h3。由上述步骤可知，煤基质体积为V3=l3×b3×h3；
步骤五、测定煤基质吸附瓦斯后的体积V4：将三通阀门调至真空玻璃箱与减压罐连通状态，调整减压罐的压力与步骤三中所述压力一致，打开高压瓦斯气罐的阀门，向真空玻璃箱内充入瓦斯气体。之后关闭高压瓦斯气罐的阀门，打开压力机将煤基质重新压实，记录此时三个方向的刻度值l4、b4、h4；由上述步骤可知，吸附瓦斯后煤基质的体积为V4=l4×b4×h4；
步骤六、计算煤样开闭孔吸附瓦斯后的体积膨胀率φ：吸附瓦斯前煤样孔隙体积为V孔=V1-V3。吸附瓦斯后煤样孔隙体积为V孔 ’=V2-V4；由上述步骤可知，含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率φ=（V孔 ’-V孔）/V孔；
步骤七、根据实验需求，改变煤样变质程度或改变温度、瓦斯压力等实验条件，重复上述步骤。
本发明的有益效果：
（1）本装置可测定但不仅限于含瓦斯煤样开闭孔的膨胀率，可通过更换试样或气体测定含不同气体的各类试样开闭孔总体积的膨胀率；
（2）本装置采用两套(CT扫描、应变分析)验证方法，确保实验结果准确可靠。
附图说明
图1为含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率测定装置。
图2为样品台细节图。
图3为压实过程中煤样体积随时间变化关系。
图4为含瓦斯煤开闭孔体积膨胀率随煤样变质程度变化关系。
图5为含瓦斯煤开闭孔体积膨胀率随瓦斯压力变化关系。
图中，1为压力机，2为真空玻璃箱，3为箱盖，4为样品台，5为应力片，6为输气管路，7为三通阀门，8为减压罐，9为计算机，10为真空泵，11为高压甲烷气罐，12为密封胶，13为橡胶塞，14为煤样块。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~2所示，一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置，该装置由抽真空装置、压实装置、数据处理装置以及密封连接装置四部分构成。其中，抽真空装置由真空玻璃箱2、箱盖3、真空泵10、减压罐8以及高压甲烷气罐11组成；压实装置由压力机1、样品台4组成；数据处理装置包括应力片5、计算机9两部分；密封连接装置包括输气管路6，三通阀门7、密封胶12和橡胶塞13。
在压力机1实验台外部设有真空玻璃箱2，真空玻璃箱2顶部的箱盖3中心设有通孔，压力机穿过该通孔设置，实验台位于真空玻璃箱的底板上，煤样放置在实验台的正中间，压力机设置在煤样正上方；在真空玻璃箱2的箱盖3一侧设有两个通孔，通孔大小均为10mm，分别穿导线和输气管路。输气管路6穿过通孔通入真空玻璃箱2内部，输气管路的另一端通过三通阀门7分别与减压罐8和真空泵10相连，减压罐连接高压甲烷气罐11，煤样块外部贴有应变片，应变片通过导线连接计算机。
进一步地，所述样品台4在长、宽、高的方向上标有刻度。
进一步地，煤样块为正方体结构，共有三个应力片，分别测长、宽、高方向的变化。
真空玻璃箱2的箱盖通孔与压力机1压头之间设有密封胶；真空玻璃箱2与箱盖3的连接处设有密封胶12，玻璃箱2侧面和管路6连接处设有橡胶塞13。
测定时，将真空玻璃箱2放在压力机1实验台上，压头穿过真空玻璃箱2上部开口，用密封胶12密封好。将煤样14四周贴好应力片5后，放置在样品台4上，然后一并放入真空玻璃箱2内，使其正对压力机1的压头。输气管路6穿过橡胶塞13并插入箱盖3上的通孔，之后盖好箱盖3。管路6另一端经过三通阀门7分别与减压罐8和真空泵10相连。
具体步骤如下：
步骤1）、煤样的制备。首先是取样，现场取得大块试样，准备好取样袋、铁锹、标签、记录笔及手套，戴好安全帽，戴上手套拿好样袋、铁锹、标签去料场准备取样,检测料场的车辆两侧铅封，如果完整再检测煤的粒度、水分合格后，进行取样。其次是制备在取得的符合标准的煤样后，进行煤样的制备：将采集的原煤采用SD66精密激光刀模切割机，制备成10mm×10mm×10mm的正方体块煤10个，并用砂纸进行打磨平整。将煤样均分为三组，分别为实验组，验证组1，验证组2。然后进行胶结处理：将打磨好的煤样用火棉胶进行滴液，使煤样被火棉胶浸透，所示煤样的具有更好的延展性，便于在压实时不会崩裂或粉碎，之后对煤样进行干燥。注意在试验时预防火棉胶对人体的危害。
步骤2）、测定含孔隙煤样体积V1。将真空玻璃箱2放在压力机1实验台上，压力头穿过真空玻璃箱2上部开口，用密封胶12密封好。煤样块14各面贴好应力片5后，放置到样品台4中央，此时三个方向的刻度值为10.2mm×10mm×9.9mm。将煤样块14与样品台4一同放入真空玻璃箱2内，使其正对压力机1的压头。输气管路6穿过橡胶塞13并插入箱盖3上的通孔，之后盖好箱盖3。由上述步骤可知，含孔隙煤样体积为V1=1009.8mm3。
步骤3）、测定煤吸附瓦斯后含孔隙体积V2。将三通阀门7调至真空玻璃箱2与真空泵10连通状态，开启真空泵10对真空玻璃箱2抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵10，并将三通阀门7调至真空玻璃箱2与减压罐8与高压瓦斯气罐11连通状态，将减压罐8压力调节为5MPa，打开高压瓦斯气罐11阀门，向真空玻璃箱2内充入瓦斯气体。之后关闭高压瓦斯气罐11阀门，此时三个方向的刻度值为10.5mm×10.4mm×10.1mm。由上述步骤可知，煤吸附瓦斯后含孔隙体积为V2=1102.92mm3。
步骤4）、测定煤基质体积V3。将压力机1下压速度设置为1MPa/min，开启压力机1，将煤样块14压实，然后调整三通阀门7使真空玻璃箱2与真空泵10相连通，开启真空泵10对真空玻璃箱抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵10。记录此时三个方向的刻度值为12.1mm×13.3mm×4.2mm。由上述步骤可知，煤基质体积为V3=675.906mm3。
步骤5）、测定煤基质吸附瓦斯后的体积V4：将三通阀门7调至真空玻璃箱2与减压罐8连通状态，调整减压罐8的压力与步骤3）中所述压力一致，打开高压瓦斯气罐11的阀门，向真空玻璃箱2内充入瓦斯气体。之后关闭高压瓦斯气罐11的阀门，打开压力机1将煤基质重新压实，记录此时三个方向的刻度值为12.7mm×13.8mm×4.2mm。由上述步骤可知，吸附瓦斯后煤基质的体积为V4=736.092mm3。
步骤6）、计算煤样开闭孔吸附瓦斯后的体积膨胀率φ。吸附瓦斯前煤样孔隙体积为V孔=333.894mm3。吸附瓦斯后煤样孔隙体积为V孔 ’=366.828mm3。由上述步骤可知，含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率φ=（V孔 ’-V孔）/V孔=9.86%。
步骤7）、进行验证。（a）用切割机对验证组1的5个煤样切片，之后进行CT扫描，得到煤样孔隙特征图像，计算孔隙体积。对验证组2的5个煤样重复步骤3的操作，之后用切割机切片并进行CT扫描，得到含瓦斯煤样孔隙特征图像，计算孔隙体积。通过计算得到含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率并与上述实验结果进行比较。（b）通过应力片输出数据经计算机处理后进行实验结果验证。
步骤8）、根据实验需求，改变煤样变质程度或改变温度、瓦斯压力等实验条件，重复上述步骤。
进一步的，上述实验所得数据通过应力片输出数据进行验证。根据应力片反馈数据，经计算机处理后，得到附图3~5。
图3为压实过程中煤样体积随时间变化关系。随着时间的增加，体积逐渐减小，达到一定时间后，体积保持不变。
图4为含瓦斯煤开闭孔体积膨胀率随煤样变质程度变化关系。随煤样变质程度的增加，瓦斯煤开闭孔体积膨胀率增加。
图5为含瓦斯煤开闭孔体积膨胀率随瓦斯压力变化关系。随瓦斯压力的增加，含瓦斯煤开闭孔体积膨胀率增加，增加的速率越来越小。
Claims (6)
1.一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：
测定时，将真空玻璃箱放在压力机实验台上，压头穿过真空玻璃箱上部开口，用密封胶密封好；将煤样四周贴好应力片后，放置在样品台上，然后一并放入真空玻璃箱内，使其正对压力机的压头；输气管路穿过橡胶塞并插入箱盖上的通孔，之后盖好箱盖；管路另一端经过三通阀门分别与减压罐和真空泵相连；
所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，具体操作步骤如下：
步骤一、煤样的制备：
（a）取样：现场取得大块试样，准备好取样袋、铁锹、标签、记录笔及手套，戴好安全帽，戴上手套拿好样袋、铁锹、标签去料场准备取样,检测料场的车辆两侧铅封，如果完整，再检测煤的粒度、水分合格后，进行取样；
（b）煤样的制备：将采集的原煤采用切割机制备成正方体煤样块30个，并用砂纸进行打磨平整；将煤样均分为三组，分别为实验组、验证组1、验证组2；
（c）煤样的胶结：将打磨好的煤样表面滴附火棉胶，使煤样表面形成一层致密的薄膜，并进行干燥；
步骤二、测定含孔隙煤样体积V1：将真空玻璃箱放在压力机实验台上，压力头穿过真空玻璃箱上部开口，用密封胶密封好；煤样块各面贴好应力片后，放置到样品台中央，记录此时长、宽、高方向的刻度值l1、b1、h1将煤样块与样品台一同放入真空玻璃箱内，使其正对压力机的压头；输气管路穿过橡胶塞并插入箱盖上的通孔，之后盖好箱盖；由上述步骤可知，含孔隙煤样体积为V1=l1×b1×h1；
步骤三、测定煤吸附瓦斯后含孔隙体积V2：将三通阀门调至真空玻璃箱与真空泵连通状态，开启真空泵对真空玻璃箱抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵，并将三通阀门调至真空玻璃箱与减压罐及高压瓦斯气罐连通状态，调节减压罐压力，打开高压瓦斯气罐阀门，向真空玻璃箱内充入瓦斯气体；之后关闭高压瓦斯气罐阀门，记录此时三个方向的刻度值l2、b2、h2；由上述步骤可知，煤吸附瓦斯后含孔隙体积为V2=l2×b2×h2；
步骤四、测定煤基质体积V3：设置压力机下压速度，开启压力机，将煤样块压实，然后调整三通阀门使真空玻璃箱与真空泵相连通，开启真空泵对真空玻璃箱抽真空，直至压力表显示达到-0.1MPa时关闭真空泵；记录此时三个方向的刻度值l3、b3、h3；由上述步骤可知，煤基质体积为V3=l3×b3×h3；
步骤五、测定煤基质吸附瓦斯后的体积V4：将三通阀门调至真空玻璃箱与减压罐连通状态，调整减压罐的压力与步骤三中所述压力一致，打开高压瓦斯气罐的阀门，向真空玻璃箱内充入瓦斯气体；之后关闭高压瓦斯气罐的阀门，打开压力机将煤基质重新压实，记录此时三个方向的刻度值l4、b4、h4；由上述步骤可知，吸附瓦斯后煤基质的体积为V4=l4×b4×h4；
步骤六、计算煤样开闭孔吸附瓦斯后的体积膨胀率φ：吸附瓦斯前煤样孔隙体积为V孔=V1-V3；吸附瓦斯后煤样孔隙体积为V孔 ’=V2-V4；由上述步骤可知，含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率φ=（V孔 ’-V孔）/V孔；
步骤七、根据实验需求，改变煤样变质程度或改变温度、瓦斯压力等实验条件，重复上述步骤；
上述测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法采用了一种测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的装置，该装置由抽真空装置、压实装置、数据处理装置以及密封连接装置四部分构成；其中，抽真空装置由真空玻璃箱、箱盖、真空泵、减压罐以及高压甲烷气罐组成；压实装置由压力机、样品台组成；数据处理装置包括应力片、计算机两部分；密封连接装置包括输气管路，三通阀门、密封胶和橡胶塞；
在压力机实验台外部设有真空玻璃箱，真空玻璃箱顶部的箱盖中心设有通孔，压力机穿过该通孔设置，实验台位于真空玻璃箱的底板上，煤样放置在实验台的正中间，压力机设置在煤样正上方；在真空玻璃箱的箱盖一侧设有两个通孔，通孔大小均为10mm，分别穿导线和输气管路，输气管路穿过通孔进入真空玻璃箱内部，输气管路的另一端通过三通阀门分别与减压罐和真空泵相连，减压罐连接高压甲烷气罐，煤样块外部贴有应变片，应变片通过导线连接计算机。
2.根据权利要求1所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：所述样品台在长、宽、高的方向上标有刻度。
3.根据权利要求1所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：煤样块为正方体结构，共有三个应力片，分别测长、宽、高方向的变化。
4.根据权利要求1所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：真空玻璃箱的箱盖通孔与压力机压头之间设有密封胶；真空玻璃箱与箱盖的连接处设有密封胶，玻璃箱侧面和管路连接处设有橡胶塞。
5.根据权利要求1所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：所述切割机为SD66精密激光刀模。
6.根据权利要求1所述的测定含瓦斯煤开闭孔总体积膨胀率的方法，其特征在于：所述正方体煤样块的尺寸为10mm×10mm×10mm。
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