CN111929214B - 超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置及方法，该装置包括煤体实验箱机构、气体流通机构和监控机构；所述煤体实验箱机构包括实验箱体、设置在实验箱体内的煤样舱、以及均设置在煤样舱上的应力加载系统、超声波发生系统和加热装置；该方法包括以下步骤：一、进行超声波作用下煤吸附甲烷实验；二、进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验；三、进行超声波作用下煤层气渗流实验。本发明通过施加不同声场对煤样致裂，然后通过煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置进行渗透率、甲烷吸附解吸特性的测定以及研究声波作用下产生热效应的煤样的温度变化规律，实验操作便捷，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置及方法。
背景技术
中国煤层气地质资源量丰富，煤层气既是造成煤矿瓦斯事故的罪魁祸首，又是重要的能源和强温室气体，瓦斯高效抽采符合国家在安全、能源、环境领域的重大需求。但是我国煤层气储层地质构造复杂、瓦斯赋存特殊，具有微孔隙、高吸附、低渗透的特征，常规钻孔抽采瓦斯流量小、浓度低、钻孔工程量大，难以满足安全生产、资源开发和环境保护的需要，必须采取有效的技术手段提高煤储层渗透性，疏通煤层气渗流通道。水力割缝、水平井技术、松动爆破、注气等方法。新型的无水致裂增透技术逐渐受到重视。声波具有机械振动效应、热效应和空化效应等特点，声波作为一种新型的无水致裂技术已经广泛应用于石油和页岩气的开采中，表现出无污染、能耗低、见效快和能量集中等优点。目前就声波作用下煤层瓦斯的抽采的机理有进一步的研究空间，因此需要一种用于研究煤层瓦斯的吸附、解吸、渗流特性的实验室综合研究装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其设计新颖合理，通过模拟应力场、温度场、声场、渗流场多场耦合作用，通过施加不同声场对煤样致裂，然后通过煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置进行渗透率、甲烷吸附解吸特性的测定以及研究声波作用下产生热效应的煤样的温度变化规律，实验操作便捷，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：包括煤体实验箱机构、以及均与所述煤体实验箱机构连接的气体流通机构和监控机构；
所述煤体实验箱机构包括实验箱体、设置在实验箱体内用于放置煤样的煤样舱、以及均设置在煤样舱上的应力加载系统、超声波发生系统和加热装置，所述煤样舱包括密封槽和密封底盖；所述应力加载系统包括设置在实验箱体上作用于密封槽侧壁的围压加压机构和设置在实验箱体上作用于密封底盖上的轴压加压机构，密封槽上远离围压加压机构的外侧壁上设置有竖直限位板，密封槽上远离轴压加压机构的外侧壁上设置有水平限位板；所述超声波发生系统包括安装在密封槽远离密封底盖的上壁内的导轨、伸入至密封槽内且与导轨滑动配合的超声波换能器、以及设置在密封槽上且用于限位超声波换能器的限位扣；
所述气体流通机构包括伸入至密封槽内且位于煤样底部的第一气路管道、设置在第一气路管道上的抽气注气组件、伸入至密封槽内且位于煤样顶部的第二气路管道、以及设置在第二气路管道上的放气阀，所述抽气注气组件包括沿第一气路管道长度方向依次设置的气瓶组、参考罐和真空泵，所述气瓶组与第一气路管道远离密封槽的一端连接，所述气瓶组包括高压甲烷气瓶和氦气瓶；
所述监控机构包括计算机、设置在第二气路管道与放气阀之间的流量传感器、以及均设置在密封槽上的温度传感器组和与密封槽内煤样配合的应变传感器组，流量传感器的进气端设置有干燥过滤器，所述温度传感器组包括设置在密封槽外侧壁上的第一温度传感器以及多个沿密封槽内壁长度方向均匀布设的第二温度传感器；所述温度传感器组、所述应变传感器组和流量传感器均与计算机连接，超声波换能器通过超声波发生器与计算机连接。
上述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述高压甲烷气瓶的出气端设置有第一阀门和用于检测高压甲烷气瓶气体输出压力的第一压力表，氦气瓶的出气端设置有第二阀门和用于检测氦气瓶内压力的第二压力表，参考罐的出气端设置有第三阀门和用于检测参考罐内压力的第三压力表，真空泵的抽气端设置有第四阀门，第一气路管道位于第三阀门与第四阀门之间的管段上设置有第五阀门，干燥过滤器和流量传感器之间设置有第六阀门。
上述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述应变传感器组包括设置在密封槽靠近超声波换能器的上壁内的轴向应变传感器和设置在密封槽远离所述围压加压机构的围向应变传感器。
上述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述煤样舱为硅胶制煤样舱，所述实验箱体内设置有用于安装所述煤样舱的安装架，竖直限位板和水平限位板均固定设置在安装架上。
上述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述限位扣为旋转限位扣。
上述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述围压加压机构包括围向抵推块和用于控制围向抵推块运动的围向液压杆；所述轴压加压机构包括轴向抵推块和用于控制轴向抵推块运动的轴向液压杆；所述轴向液压杆和所述围向液压杆均与计算机连接。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、可提高实验效率的煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、进行超声波作用下煤吸附甲烷实验：
步骤101、将所有阀门关闭；将制备好的煤样放置在密封底盖上，控制轴向液压杆向上运动，使轴向抵推块推动密封底盖将煤样推进密封槽内，同时密封底盖将密封槽密封，保证所述煤样舱的气密性；
所述围压加压机构包括围向抵推块和用于控制围向抵推块运动的围向液压杆；所述轴压加压机构包括轴向抵推块和用于控制轴向抵推块运动的轴向液压杆；所述轴向液压杆和所述围向液压杆均与计算机连接；
步骤102、控制轴向液压杆和围向液压杆运动，模拟真实矿井条件对煤样施加轴压和围压，直至当前煤样上的轴压达到设定轴压值且当前煤样上的围压达到设定围压值；
步骤103、打开第三阀门、第五阀门和第四阀门，启动真空泵对所述煤样舱和参考罐抽真空，抽真空完毕后关闭真空泵、第四阀门和第五阀门；
步骤104、通过第一温度传感器监测实验箱体内温度，控制加热装置工作，使实验箱体内温度到达设定的温度值并保持恒定；
步骤105、打开第二阀门向参考罐内注入氦气，第三压力表的压力示数稳定后，即参考罐充满氦气后，关闭第二阀门并记录当前参考罐上第三压力表的压力示数P1；
步骤106、打开第五阀门，参考罐内氦气进入气路管道和所述煤样舱，待第三压力表显示的压力稳定后记录当前压力示数P2，完成对参考罐、气路管道和所述煤样舱内与煤样之间的空隙的容积标定；
步骤107、重复执行步骤103对所述煤样舱和参考罐抽真空；
步骤108、打开第一阀门，向参考罐内注入甲烷气体，第三压力表的压力示数稳定后，即参考罐充满甲烷气体后，关闭第一阀门并记录当前参考罐上第三压力表的压力示数压力P3；
步骤109、打开第五阀门，同时根据实际实验需求选用不同型号的超声波仪器，所述超声波仪器包括超声波换能器和超声波发生器，将超声波换能器通过导轨插入密封槽内，并通过限位扣固定，控制超声波发生器使超声波换能器对煤样进行超声致裂；使煤样吸附甲烷气体12h达到吸附平衡，记录当前参考罐上第三压力表的压力示数压力P4；
同时，多个第二温度传感器采集煤样舱内不同测量点的煤样的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据；
步骤110、根据理想气体状态方程和煤层气吸附量计算公式，计算当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的吸附量；
步骤二、进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验：
步骤201、更换煤样，重复执行步骤101至步骤108，打开第五阀门，使煤样吸附甲烷气体12h达到吸附平衡；
步骤202、选择实验所需的超声波仪器对煤样进行超声致裂；同时，多个第二温度传感器采集煤样舱内不同测量点的煤样的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤解吸甲烷的热效应提供参考数据；
步骤203、关闭第五阀门，打开放气阀排出煤样舱内气体；
步骤204、关闭放气阀，打开第六阀门，通过流量传感器检测当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的解吸量；
步骤三、进行超声波作用下煤层气渗流实验：
步骤301、将所有阀门关闭；重复执行步骤102，使煤样上施加的轴压和围压达到煤层气渗流实验所需的轴压和围压；
步骤302、打开第四阀门，启动真空泵对所述煤样舱抽真空，抽真空完毕后关闭第四阀门；
步骤303、重复执行步骤104，打开第一阀门和第五阀门，向煤样舱内注入甲烷气体，使煤样吸附甲烷饱和；
步骤304、根据实际需求选用不同型号的超声波仪器，控制超声波发生器使超声波换能器对煤样进行超声致裂；
步骤305、通过观察第一压力表的压力值控制第一阀门的开度，使高压甲烷气瓶的输出气压保持稳定，打开第六阀门，通过流量传感器测量第二气路管道输出的气体流量；
步骤306、根据达西定律计算当前频率的超声波作用下当前煤样的渗透率。
上述的一种方法，其特征在于：步骤203中，关闭第五阀门，打开放气阀排出煤样舱内气体，放气阀打开时间为25s～35s。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的装置，通过将煤层气渗流实验装置和煤吸附解吸甲烷实验装置结合起来，避免了多种煤体实验需要多种实验设备从而导致仪器占地大和费用高等问题，节约了实验用地，同时降低了实验设备的制造成本，经济实用。
2、本发明采用的装置，通过设置导轨使超声波换能器可根据实际实验需求更换，加大了实验可使用的超声波频率范围，适用范围更广。
3、本发明采用的装置，通过设置多个第二温度传感器监测煤样舱内不同检测点的煤样温度值，得出超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据，使实验采集的数据种类更多，对实际煤矿井的开采更具有指导意义。
4、本发明采用的装置，通过在煤样舱外设置应力加载系统可充分保证煤样舱的密封性能，简化煤样舱和应力加载系统的结构，降低加工成本，应力加载系统可真实模拟煤矿井下的应力场下的煤层渗流和煤吸附解吸甲烷过程，同时，简单的结构也可大大降低设备的维护难度，经济实用。
5、本发明采用的装置，通过设置气体流通机构将煤层气渗流实验和煤吸附解吸甲烷实验所需的抽气注气装置结合起来，重新设计气路结构和各元件间的连接关系，简化结构，使实验操作更加便捷易学，降低实验误差，使用效果好。
6、本发明采用的方法，步骤简单，使用一套设备可进行三种煤体实验，同时，通过利用煤吸附解吸甲烷实验使用后的煤样进行煤层气渗流实验，无需将实验过后的煤样取出再放置新的煤样，节约制备煤样和在煤样舱内设置煤样的时间，大大提高煤层气渗流实验的实验效率。
综上所述，本发明设计新颖合理，通过将煤层气渗流实验和煤吸附解吸甲烷实验所需的抽气注气装置结合起来，重新设计气路结构和各元件间的连接关系，简化结构，使用一套设备可进行三种煤体实验，使实验操作更加便捷易学，降低实验误差，同时通过利用煤吸附解吸甲烷实验使用后的煤样进行煤层气渗流实验，无需将实验过后的煤样取出再放置新的煤样，节约制备煤样和在煤样舱内设置煤样的时间，大大提高煤层气渗流实验的实验效率，使用效果好。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置的结构示意图。
图2为图1中的A处放大图。
图3为本发明超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置的煤样舱、限位扣、导轨和超声波换能器的安装关系示意图。
图4为本发明监控机构的电路原理框图。
附图标记说明:
1—实验箱体； 2—加热装置； 3—密封槽；
4—密封底盖； 5—竖直限位板； 6—水平限位板；
7—超声波换能器； 8—导轨； 9—限位扣；
10—第一气路管道； 11—第二气路管道； 12—真空泵；
13—参考罐； 14—高压甲烷气瓶； 15—氦气瓶；
16—计算机； 17—煤样； 18—放气阀；
19—干燥过滤器； 20—流量传感器； 21—第一温度传感器；
22—第二温度传感器； 23—第一压力表； 24—第一阀门；
25—第二压力表； 26—第二阀门； 27—第三压力表；
28—第三阀门； 29—第四阀门； 30—第五阀门；
31—第六阀门； 32—轴向应变传感器； 33—围向应变传感器；
34—安装架； 35—围向抵推块； 36—围向液压杆；
37—轴向抵推块； 38—轴向液压杆； 39—超声波发生器。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明所述的一种超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，包括煤体实验箱机构、以及均与所述煤体实验箱机构连接的气体流通机构和监控机构；
所述煤体实验箱机构包括实验箱体1、设置在实验箱体1内用于放置煤样17的煤样舱、以及均设置在煤样舱上的应力加载系统、超声波发生系统和加热装置2，所述煤样舱包括密封槽3和密封底盖4；所述应力加载系统包括设置在实验箱体1上作用于密封槽3侧壁的围压加压机构和设置在实验箱体1上作用于密封底盖4上的轴压加压机构，密封槽3上远离围压加压机构的外侧壁上设置有竖直限位板5，密封槽3上远离轴压加压机构的外侧壁上设置有水平限位板6；所述超声波发生系统包括安装在密封槽3远离密封底盖4的上壁内的导轨8、伸入至密封槽3内且与导轨8滑动配合的超声波换能器7、以及设置在密封槽3上且用于限位超声波换能器7的限位扣9；
所述气体流通机构包括伸入至密封槽3内且位于煤样17底部的第一气路管道10、设置在第一气路管道10上的抽气注气组件、伸入至密封槽3内且位于煤样17顶部的第二气路管道11、以及设置在第二气路管道11上的放气阀18，所述抽气注气组件包括沿第一气路管道10长度方向依次设置的气瓶组、参考罐13和真空泵12，所述气瓶组与第一气路管道10远离密封槽3的一端连接，所述气瓶组包括高压甲烷气瓶14和氦气瓶15；
所述监控机构包括计算机16、设置在第二气路管道11与放气阀18之间的流量传感器20、以及均设置在密封槽3上的温度传感器组和与密封槽3内煤样17配合的应变传感器组，流量传感器20的进气端设置有干燥过滤器19，所述温度传感器组包括设置在密封槽3外侧壁上的第一温度传感器21以及多个沿密封槽3内壁长度方向均匀布设的第二温度传感器22；所述温度传感器组、所述应变传感器组和流量传感器20均与计算机16连接，超声波换能器7通过超声波发生器39与计算机16连接。
需要说明的是，本实施例中，温度传感器选用型号为PT100的温度传感器，应变传感器选用型号为森纳士TCYB-1-2的应变传感器，流量传感器20可选用FMA-4100系列流量计；加热装置2选用加热管；
需要说明的是，所述轴压加压机构设置在实验箱体1底部作用于密封底盖4上，放置煤样17时将煤样17放置在密封底盖4上，轴压加压机构推动密封底盖4上升将煤样17置于密封槽3，保证煤样17的完整性。
需要说明的是，应变传感器组用于监测实验过程中煤样所受轴压和围压的变化。
本实施例中，所述煤样17为圆柱煤样，所述煤样舱为与圆柱煤样配合的圆柱煤样舱，圆柱煤样舱内放置圆柱煤样的尺寸为φ50×100mm；所述煤样17为原煤，便于应力加载系统对煤样17施加轴压和围压；
需要说明的是，通过将煤层气渗流实验装置和煤吸附解吸甲烷实验装置结合起来，避免了多种煤体实验需要多种实验设备从而导致仪器占地大和费用高等问题，节约了实验用地，同时降低了实验设备的制造成本，经济实用；
通过设置导轨8使超声波换能器7可根据实际实验需求更换，加大了实验可使用的超声波频率范围，适用范围更广；
通过设置多个第二温度传感器22监测煤样舱内不同检测点的煤样温度值，得出超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据，使实验采集的数据种类更多，对实际煤矿井的开采更具有指导意义；
需要说明的是，多个第二温度传感器22用于测量超声波致裂作用下煤体产生的热效应的温度变化，由于产生的热效应是通过煤样介质不均匀变化的，超声波换能器7发声端温度相对变化较快，本实施例中，第二温度传感器22的数量为三个，三个第二温度传感器22即可研究超声波产生的热效应下温度在煤样不同位置的扩展变化范围，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据；
通过在煤样舱外设置应力加载系统可充分保证煤样舱的密封性能，简化煤样舱和应力加载系统的结构，降低加工成本，应力加载系统可真实模拟煤矿井下的应力场下的煤层渗流和煤吸附解吸甲烷过程，同时，简单的结构也可大大降低设备的维护难度，经济实用；
通过设置气体流通机构将煤层气渗流实验和煤吸附解吸甲烷实验所需的抽气注气装置结合起来，重新设计气路结构和各元件间的连接关系，简化结构，使实验操作更加便捷易学，降低实验误差，使用效果好。
本实施例中，所述高压甲烷气瓶14的出气端设置有第一阀门24和用于检测高压甲烷气瓶14气体输出压力的第一压力表23，氦气瓶15的出气端设置有第二阀门26和用于检测氦气瓶15内压力的第二压力表25，参考罐13的出气端设置有第三阀门28和用于检测参考罐13内压力的第三压力表27，真空泵12的抽气端设置有第四阀门29，第一气路管道10位于第三阀门28与第四阀门29之间的管段上设置有第五阀门30，干燥过滤器19和流量传感器20之间设置有第六阀门31。
需要说明的是，通过设置各个阀门和压力表使实验过程可控性更强，实验操作更加便捷，实验数据更加清晰明确；
本实施例中，所述应变传感器组包括设置在密封槽3靠近超声波换能器7的上壁内的轴向应变传感器32和设置在密封槽3远离所述围压加压机构的围向应变传感器33。
需要说明的是，应变传感器组设置在密封槽3的槽壁内，避免外界环境对应变传感器组的正常测量产生影响，有效降低实验的误差，使用效果好；
本实施例中，所述煤样舱为硅胶制煤样舱，所述实验箱体1内设置有用于安装所述煤样舱的安装架34，竖直限位板5和水平限位板6均固定设置在安装架34上。
需要说明的是，应力加载系统作用在硅胶制煤样舱上对硅胶制煤样舱内的煤样17施加应力，竖直限位板5和水平限位板6防止硅胶制煤样舱受应力加载系统作用后产生位移，同时保证设置在煤样舱舱壁内的传感器不因外力作用产生较大的形变，保证传感器的正常工作，应变传感器组检测煤样17的应力，结构合理；
本实施例中，所述限位扣9为旋转限位扣。
需要说明的是，将旋转限位扣向上旋开，超声波换能器7通过导轨8插入密封槽3内，将旋转限位扣拨动至如图3所示的位置，保证超声波换能器7在使用过程中不滑出；
本实施例中，所述围压加压机构包括围向抵推块35和用于控制围向抵推块35运动的围向液压杆36；所述轴压加压机构包括轴向抵推块37和用于控制轴向抵推块37运动的轴向液压杆38；所述轴向液压杆38和所述围向液压杆36均与计算机16连接。
需要说明的是，围向抵推块35和轴向抵推块37共同作用实现对煤样17的三轴加压。
本发明所述的一种超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验方法，包括以下步骤：
步骤一、进行超声波作用下煤吸附甲烷实验：
步骤101、将所有阀门关闭；将制备好的煤样17放置在密封底盖4上，控制轴向液压杆38向上运动，使轴向抵推块37推动密封底盖4将煤样17推进密封槽3内，同时密封底盖4将密封槽3密封，保证所述煤样舱的气密性；
本实施例中，轴向抵推块37将密封底盖4向上推到位之后，在密封底盖4和密封槽3接触的位置使用密封胶条密封；
所述围压加压机构包括围向抵推块35和用于控制围向抵推块35运动的围向液压杆36；所述轴压加压机构包括轴向抵推块37和用于控制轴向抵推块37运动的轴向液压杆38；所述轴向液压杆38和所述围向液压杆36均与计算机16连接；
步骤102、控制轴向液压杆38和围向液压杆36运动，模拟真实矿井条件对煤样17施加轴压和围压，直至当前煤样17上的轴压达到设定轴压值且当前煤样17上的围压达到设定围压值；
步骤103、打开第三阀门28、第五阀门30和第四阀门29，启动真空泵12对所述煤样舱和参考罐13抽真空，抽真空完毕后关闭真空泵12、第四阀门29和第五阀门30；
步骤104、通过第一温度传感器21监测实验箱体1内温度，控制加热装置2工作，使实验箱体1内温度到达设定的温度值并保持恒定；
步骤105、打开第二阀门26向参考罐13内注入氦气，第三压力表27的压力示数稳定后，即参考罐13充满氦气后，关闭第二阀门26并记录当前参考罐13上第三压力表27的压力示数P1；
步骤106、打开第五阀门30，参考罐13内氦气进入气路管道和所述煤样舱，待第三压力表27显示的压力稳定后记录当前压力示数P2，完成对参考罐13、气路管道和所述煤样舱内与煤样之间的空隙的容积标定；
步骤107、重复执行步骤103对所述煤样舱和参考罐13抽真空；
步骤108、打开第一阀门24，向参考罐13内注入甲烷气体，第三压力表27的压力示数稳定后，即参考罐13充满甲烷气体后，关闭第一阀门24并记录当前参考罐13上第三压力表27的压力示数压力P3；
步骤109、打开第五阀门30，同时根据实际实验需求选用不同型号的超声波仪器，所述超声波仪器包括超声波换能器7和超声波发生器39，将超声波换能器7通过导轨8插入密封槽3内，并通过限位扣9固定，控制超声波发生器39使超声波换能器7对煤样17进行超声致裂；使煤样17吸附甲烷气体12h达到吸附平衡，记录当前参考罐13上第三压力表27的压力示数压力P4；
同时，多个第二温度传感器22采集煤样舱内不同测量点的煤样17的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据；
步骤110、根据理想气体状态方程和煤层气吸附量计算公式，计算当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的吸附量；
需要说明的是，根据参考罐13内充满甲烷气体时的的气体压力P3和煤样吸附平衡后参考管内的气体压力P4，再根据步骤106中标定的参考罐13、气路管道和所述煤样舱内与煤样之间的空隙的容积，结合理想气体状态方程计算出参考罐13内充满甲烷气体时参考罐13内甲烷气体物质的量和煤样吸附平衡后参考罐13、气路管道和所述煤样舱内与煤样之间的空隙内未被吸附的甲烷气体物质的量，最后通过计算得出煤层气吸附量。
步骤二、进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验：
步骤201、更换煤样17，重复执行步骤101至步骤108，打开第五阀门30，使煤样17吸附甲烷气体12h达到吸附平衡；
步骤202、选择实验所需的超声波仪器对煤样17进行超声致裂；同时，多个第二温度传感器22采集煤样舱内不同测量点的煤样17的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤解吸甲烷的热效应提供参考数据；
步骤203、关闭第五阀门30，打开放气阀18排出煤样舱内气体；
步骤204、关闭放气阀18，打开第六阀门31，通过流量传感器20检测当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的解吸量；
步骤三、进行超声波作用下煤层气渗流实验：
步骤301、将所有阀门关闭；重复执行步骤102，使煤样17上施加的轴压和围压达到煤层气渗流实验所需的轴压和围压；
步骤302、打开第四阀门29，启动真空泵12对所述煤样舱抽真空，抽真空完毕后关闭第四阀门29；
步骤303、重复执行步骤104，打开第一阀门24和第五阀门30，向煤样舱内注入甲烷气体，使煤样17吸附甲烷饱和；
步骤304、根据实际需求选用不同型号的超声波仪器，控制超声波发生器39使超声波换能器7对煤样17进行超声致裂；
步骤305、通过观察第一压力表23的压力值控制第一阀门24的开度，使高压甲烷气瓶14的输出气压保持稳定，打开第六阀门31，通过流量传感器20测量第二气路管道11输出的气体流量；
步骤306、根据达西定律计算当前频率的超声波作用下当前煤样的渗透率。
需要说明的是，通过利用煤吸附解吸甲烷实验使用后的煤样17进行煤层气渗流实验，无需将实验过后的煤样取出再放置新的煤样，节约制备煤样和在煤样舱内设置煤样的时间，大大提高煤层气渗流实验的实验效率；
通过利用多个第二温度传感器22测量超声波致裂作用下煤体产生的热效应的温度变化，由于产生的热效应是通过煤样介质不均匀变化的，超声波换能器7发声端温度相对变化较快，第二温度传感器22即可研究超声波的热效应下温度在煤样不同位置的扩展变化范围，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据；
通过设置参考罐13可以对参考罐13、气路管道和所述煤样舱内空隙进行容积标定，减小实验数据的误差，提高实验准确度；
需要说明的是，现有的利用微波提高煤层气吸附解析效率的方法，仅是通过控制温度来研究甲烷的吸附解吸，而超声波是一种致裂手段，超声波在两相甚至多相介质中传播时，会引发超声波的热效应、空化效应和超声波的机械振动效应等多种效应，不仅可通过控制温度来研究甲烷的吸附解吸，还可通过超声波产生的其它作用场来研究甲烷的吸附解吸。超声波对煤体的致裂主要是基于超声波的空化作用，超声波作用下液体中的微泡芯发生振动,当压力达到一定值时,气泡迅速膨胀，然后突然闭合，并产生冲击波，这种包括膨胀、闭合和振动的动态过程称为超声波的空化效应。超声波致裂产生的微喷流向四面八方分散，能量较低的微喷流可以很容易突破较薄的孔壁，通过这种方式，使孔隙相互连通、结合，提高了煤层气储层的渗透率。
本实施例中，步骤203中，关闭第五阀门30，打开放气阀18排出煤样舱内气体，放气阀18打开时间为25s～35s。
需要说明的是，打开放气阀18排出煤样舱内气体，该气体为煤样未吸附的甲烷气体，打开放气阀18使煤样舱与大气接通，排出煤样舱内的气体，防止煤样未吸附的气体对流量传感器20检测的解吸量产生影响。
综上所述，本发明通过模拟应力场、温度场、声场多场耦合作用，通过施加不同声场对煤样致裂，然后通过煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置进行渗透率、甲烷吸附解吸特性的测定以及研究声波作用下产生热效应的煤样的温度变化规律，实验操作便捷，便于推广使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：包括煤体实验箱机构、以及均与所述煤体实验箱机构连接的气体流通机构和监控机构；
所述煤体实验箱机构包括实验箱体(1)、设置在实验箱体(1)内用于放置煤样(17)的煤样舱、以及均设置在煤样舱上的应力加载系统、超声波发生系统和加热装置(2)，所述煤样舱包括密封槽(3)和密封底盖(4)；所述应力加载系统包括设置在实验箱体(1)上作用于密封槽(3)侧壁的围压加压机构和设置在实验箱体(1)上作用于密封底盖(4)上的轴压加压机构，密封槽(3)上远离围压加压机构的外侧壁上设置有竖直限位板(5)，密封槽(3)上远离轴压加压机构的外侧壁上设置有水平限位板(6)；所述超声波发生系统包括安装在密封槽(3)远离密封底盖(4)的上壁内的导轨(8)、伸入至密封槽(3)内且与导轨(8)滑动配合的超声波换能器(7)、以及设置在密封槽(3)上且用于限位超声波换能器(7)的限位扣(9)；
所述气体流通机构包括伸入至密封槽(3)内且位于煤样(17)底部的第一气路管道(10)、设置在第一气路管道(10)上的抽气注气组件、伸入至密封槽(3)内且位于煤样(17)顶部的第二气路管道(11)、以及设置在第二气路管道(11)上的放气阀(18)，所述抽气注气组件包括沿第一气路管道(10)长度方向依次设置的气瓶组、参考罐(13)和真空泵(12)，所述气瓶组与第一气路管道(10)远离密封槽(3)的一端连接，所述气瓶组包括高压甲烷气瓶(14)和氦气瓶(15)；
所述监控机构包括计算机(16)、设置在第二气路管道(11)与放气阀(18)之间的流量传感器(20)、以及均设置在密封槽(3)上的温度传感器组和与密封槽(3)内煤样(17)配合的应变传感器组，流量传感器(20)的进气端设置有干燥过滤器(19)，所述温度传感器组包括设置在密封槽(3)外侧壁上的第一温度传感器(21)以及多个沿密封槽(3)内壁长度方向均匀布设的第二温度传感器(22)；所述温度传感器组、所述应变传感器组和流量传感器(20)均与计算机(16)连接，超声波换能器(7)通过超声波发生器(39)与计算机(16)连接；
所述高压甲烷气瓶(14)的出气端设置有第一阀门(24)和用于检测高压甲烷气瓶(14)气体输出压力的第一压力表(23)，氦气瓶(15)的出气端设置有第二阀门(26)和用于检测氦气瓶(15)内压力的第二压力表(25)，参考罐(13)的出气端设置有第三阀门(28)和用于检测参考罐(13)内压力的第三压力表(27)，真空泵(12)的抽气端设置有第四阀门(29)，第一气路管道(10)位于第三阀门(28)与第四阀门(29)之间的管段上设置有第五阀门(30)，干燥过滤器(19)和流量传感器(20)之间设置有第六阀门(31)；
所述应变传感器组包括设置在密封槽(3)靠近超声波换能器(7)的上壁内的轴向应变传感器(32)和设置在密封槽(3)远离所述围压加压机构的围向应变传感器(33)。
2.根据权利要求1所述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述煤样舱为硅胶制煤样舱，所述实验箱体(1)内设置有用于安装所述煤样舱的安装架(34)，竖直限位板(5)和水平限位板(6)均固定设置在安装架(34)上。
3.根据权利要求1所述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述限位扣(9)为旋转限位扣。
4.根据权利要求1所述的超声作用下煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于：所述围压加压机构包括围向抵推块(35)和用于控制围向抵推块(35)运动的围向液压杆(36)；所述轴压加压机构包括轴向抵推块(37)和用于控制轴向抵推块(37)运动的轴向液压杆(38)；所述轴向液压杆(38)和所述围向液压杆(36)均与计算机(16)连接。
5.一种利用如权利要求1所述装置进行煤层气渗流、煤吸附解吸甲烷实验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、进行超声波作用下煤吸附甲烷实验：
步骤101、将所有阀门关闭；将制备好的煤样(17)放置在密封底盖(4)上，控制轴向液压杆(38)向上运动，使轴向抵推块(37)推动密封底盖(4)将煤样(17)推进密封槽(3)内，同时密封底盖(4)将密封槽(3)密封，保证所述煤样舱的气密性；
所述围压加压机构包括围向抵推块(35)和用于控制围向抵推块(35)运动的围向液压杆(36)；所述轴压加压机构包括轴向抵推块(37)和用于控制轴向抵推块(37)运动的轴向液压杆(38)；所述轴向液压杆(38)和所述围向液压杆(36)均与计算机(16)连接；
步骤102、控制轴向液压杆(38)和围向液压杆(36)运动，模拟真实矿井条件对煤样(17)施加轴压和围压，直至当前煤样(17)上的轴压达到设定轴压值且当前煤样(17)上的围压达到设定围压值；
步骤103、打开第三阀门(28)、第五阀门(30)和第四阀门(29)，启动真空泵(12)对所述煤样舱和参考罐(13)抽真空，抽真空完毕后关闭真空泵(12)、第四阀门(29)和第五阀门(30)；
步骤104、通过第一温度传感器(21)监测实验箱体(1)内温度，控制加热装置(2)工作，使实验箱体(1)内温度到达设定的温度值并保持恒定；
步骤105、打开第二阀门(26)向参考罐(13)内注入氦气，第三压力表(27)的压力示数稳定后，即参考罐(13)充满氦气后，关闭第二阀门(26)并记录当前参考罐(13)上第三压力表(27)的压力示数P1；
步骤106、打开第五阀门(30)，参考罐(13)内氦气进入气路管道和所述煤样舱，待第三压力表(27)显示的压力稳定后记录当前压力示数P2，完成对参考罐(13)、气路管道和所述煤样舱内与煤样之间的空隙的容积标定；
步骤107、重复执行步骤103对所述煤样舱和参考罐(13)抽真空；
步骤108、打开第一阀门(24)，向参考罐(13)内注入甲烷气体，第三压力表(27)的压力示数稳定后，即参考罐(13)充满甲烷气体后，关闭第一阀门(24)并记录当前参考罐(13)上第三压力表(27)的压力示数压力P3；
步骤109、打开第五阀门(30)，同时根据实际实验需求选用不同型号的超声波仪器，所述超声波仪器包括超声波换能器(7)和超声波发生器(39)，将超声波换能器(7)通过导轨(8)插入密封槽(3)内，并通过限位扣(9)固定，控制超声波发生器(39)使超声波换能器(7)对煤样(17)进行超声致裂；使煤样(17)吸附甲烷气体12h达到吸附平衡，记录当前参考罐(13)上第三压力表(27)的压力示数压力P4；
同时，多个第二温度传感器(22)采集煤样舱内不同测量点的煤样(17)的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤吸附甲烷的热效应提供参考数据；
步骤110、根据理想气体状态方程和煤层气吸附量计算公式，计算当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的吸附量；
步骤二、进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验：
步骤201、更换煤样(17)，重复执行步骤101至步骤108，打开第五阀门(30)，使煤样(17)吸附甲烷气体12h达到吸附平衡；
步骤202、选择实验所需的超声波仪器对煤样(17)进行超声致裂；同时，多个第二温度传感器(22)采集煤样舱内不同测量点的煤样(17)的实时温度，获取超声场作用下煤体的温度变化规律，继而为研究超声场作用下煤解吸甲烷的热效应提供参考数据；
步骤203、关闭第五阀门(30)，打开放气阀(18)排出煤样舱内气体；
步骤204、关闭放气阀(18)，打开第六阀门(31)，通过流量传感器(20)检测当前频率的超声波作用下当前煤样对甲烷的解吸量；
步骤三、进行超声波作用下煤层气渗流实验：
步骤301、将所有阀门关闭；重复执行步骤102，使煤样(17)上施加的轴压和围压达到煤层气渗流实验所需的轴压和围压；
步骤302、打开第四阀门(29)，启动真空泵(12)对所述煤样舱抽真空，抽真空完毕后关闭第四阀门(29)；
步骤303、重复执行步骤104，打开第一阀门(24)和第五阀门(30)，向煤样舱内注入甲烷气体，使煤样(17)吸附甲烷饱和；
步骤304、根据实际需求选用不同型号的超声波仪器，控制超声波发生器(39)使超声波换能器(7)对煤样(17)进行超声致裂；
步骤305、通过观察第一压力表(23)的压力值控制第一阀门(24)的开度，使高压甲烷气瓶(14)的输出气压保持稳定，打开第六阀门(31)，通过流量传感器(20)测量第二气路管道(11)输出的气体流量；
步骤306、根据达西定律计算当前频率的超声波作用下当前煤样的渗透率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤203中，关闭第五阀门(30)，打开放气阀(18)排出煤样舱内气体，放气阀(18)打开时间为25s～35s。
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