CN113445973B - 一种装置与应用及煤炭地下气化密闭性评价系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种装置与应用及煤炭地下气化密闭性评价系统与方法。该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；实验腔包括可拆卸连接的实验腔端盖和实验腔桶体，实验腔桶体由包括内筒和外筒的双层筒体和桶底构成；外筒与内筒之间形成空腔，空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；内筒的筒壁上设有孔压注入孔，孔压注入孔与孔压管线连接；实验腔端盖和/或实验腔桶体的桶底上设有实验流体注入通道以及实验流体产出通道；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通。该装置能够实现模拟煤炭真实赋存条件具体能够模拟深煤层的围压、孔压。该装置与其他设备配合实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化密闭性评价。

Description

一种装置与应用及煤炭地下气化密闭性评价系统与方法

技术领域

本发明属于煤炭地下气化技术领域，涉及一种装置与应用及煤炭地下气化密闭性评价系统与方法。

背景技术

煤炭地下气化将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，它将气化反应炉建在地下煤层，根据生产需要，通过地面合理的控制手段使煤炭有控制的热解、气化，生成含有CH₄、H₂等有效组分的合成气，该技术能够有效动用采矿工程无法开发的中深部(大于800m)煤层资源，可实现薄煤层、高含硫、高灰份、高倾角以及“三下”煤层的有效开发，而且煤炭地下气化相比煤炭地面气化在经济、环保、资源利用率上更具优势，是煤炭清洁化利用和国家能源转型的重要技术途径，能够有效缓解天然气供应紧张局面，还能有效解决我国由煤炭燃烧排放CO₂引起的环境问题，符合我国低碳、绿色、可持续的能源发展战略。

从上世纪30年代开始，苏联、美国、比利时、德国、英国以及澳大利亚等国家相继开展了煤炭地下气化的先导试验项目，历经垂直井连通技术(LVW)、扩展垂直井连通技术(ELVW)、高陡煤层气化技术(SDB)、受控注入点后退技术(CRIP)，煤炭地下气化工艺在实践过程中不断发展完善，煤炭地下气化的有利目标层位也从浅层逐步向深层推进，加拿大利用CRIP工艺在阿尔伯塔省天鹅山开展的深层煤炭地下气化项目的目标煤层埋深为1400m，是目前埋深最大的试验项目。由于煤炭地下气化在高温、高压的复杂环境中运行，气化区密闭性对煤炭地下气化科学选址，保障气化过程安全稳定运行，降低浅层水污染、地表沉降和气体泄漏风险等都十分重要，国外的失败经验也验证了气化区密闭性的重要性以及面临的巨大挑战。

气化区密闭性评价是煤炭地下气化选址中重要影响因素，也是煤炭地下气化稳定运行的关键和保障。气化区密闭性涵盖了井壁稳定和井筒完整性两方面的研究内容，研究对象包括煤层以及煤层直接和间接顶底板。煤炭地下气化在高温高压环境中进行，气化腔围岩在热-流-固-化场的耦合作用下发生破坏、剥落，围岩产生的诱导裂缝可沟通自然裂缝并延展至气化区附近的断层、水层，气化腔内的有害气体可通过裂缝运移至地面和浅水层，造成污染物泄露和环境污染，地层水的大量涌入也会导致气化区温度迅速降低，破坏气化过程运行稳定性，降低气化效率和合成气热值。为了提高项目成功率、降低复杂事故发生率和综合成本、优化工艺参数和实施方案，必须在工程试验前开展室内大型物模试验。

目前国外内关于煤炭地下气化密闭性评价试验装置和试验方法的专利和研究成果报道很少，关于煤炭地下气化密闭性的研究主要是沿用中国矿业大学研制的水压稳压加载系统，该系统主要存在以下问题：1.无法模拟真实的煤炭地下气化反应，无法研究不同气化剂类型、气化剂工艺对气化区密闭性影响；2.无法模拟煤层赋存状态，即无法模拟煤层所受垂向应力、水平应力以及孔隙压力；3.无法实现模拟气化区导水裂隙带发育及沟通含水层情况；4.缺少裂缝发育动态检测手段，无法在气化过程对煤层顶底板损伤演化、裂缝发育动态检测。为了能够有效支撑煤炭地下气化先导试验、推动商业化进程，必须建立起考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化密闭性评价装置与试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟煤炭真实赋存条件的物模实验装置，该装置能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压。该物模实验装置与其他设备配合实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化密闭性评价试验，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化选址和工程实践，填补了煤炭煤炭地下气化密闭性评价技术的空白。

为了实现上述目的，本发明提供了一种装置，该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；

所述实验腔包括可拆卸连接的实验腔盖和实验腔桶体，所述实验腔桶体由桶底和双层筒体构成，所述双层筒体包括内筒和外筒；其中，所述内筒用于装载待检测样品；

所述外筒的内壁与所述内筒的外壁之间形成空腔，所述空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；施加围压所用的注入介质通过所述围压管线进入所述围压施加部件实现所述围压施加部件对所述实验腔内筒施加围压从而实现对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加围压；

所述内筒的筒壁上设有孔压注入孔，所述孔压注入孔与孔压管线连接，施加孔压所用的注入介质通过所述孔压管线进入所述孔压注入孔内对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加孔压；

实验腔桶体的桶底和/或实验腔盖上设有流体通道，所述流体通道包括实验流体注入通道以及实验流体产出通道；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通。

在上述装置中，所述实验腔桶体的桶底和/或实验腔端盖上设有实验流体注入通道、实验流体产出通道，具体可以在实验腔桶体的桶底上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔端盖上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；也可以在实验腔端盖上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔桶体的桶底上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体注入通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体产出通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体注入通道。在上述装置中，优选地，所述围压施加部件包括若干液压杆，所述液压杆一端固定于所述外筒的内壁上，另一端作用于所述实验腔内筒的外壁上；更优选地，所述液压杆设有液压杆滑动头，所述内筒的外壁设有液压杆滑轨，通过所述液压杆的液压杆滑动头与所述外筒的液压杆滑轨进行滑轨滑动连接的方式实现液压杆与内筒的外壁连接；进一步优选地，所述液压杆设有依次连接的液压杆固定底座、液压伸缩杆和液压杆滑动头，所述液压杆通过所述液压杆固定底座固定在所述外筒的内壁上。在一优选实施方式中，所述实验腔的内筒是由4块板围成的两端开口的长方体(包括正方体)；对于每块板，其中该板仅一端抵靠在与其相邻的一块板的板面上且该板的板面作为与其相邻的另一块板的抵靠板面；每块板均能够沿其抵靠板面滑动；由此所述板形成的空间可以沿水平和/或竖直方向缩小或放大。在该优选方案中，压液杆采用了外壁固定，而内壁采用滑轨滑动的设计方式，更有助于解决在单一方向施加围压时内壁板可能会在铅锤面上发生移动的问题。

在上述装置中，优选地，实验腔能够承受至少1300℃、至少35MPa压力；更优选地，实验腔内筒、外筒、实验腔端盖以及实验腔桶体的桶底选用抗温抗压钢材。

在上述装置中，优选地，孔压注入管线能够承受至少35MPa压力，围压注入管线能够承受至少35MPa压力。

在上述装置中，孔压注入管线上可以设置单向阀，用以避免孔压注入介质回流。

在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有围压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内桶上的围压数据，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上。

在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有孔压数据监测件，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。

在上述装置中，优选地，所述实验舱进一步设有实验舱外壳，所述实验舱外壳设于实验腔外部，所述实验舱外壳包括可拆卸连接的外壳盖和外壳桶体，所述外壳盖和外壳桶体可以通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起；更优选地，所述实验舱进一步设有耐火砖，所述耐火砖设于实验舱外壳与实验腔之间的空腔内。其中，实验舱外壳可以选用耐高压钢板材料。所述实验腔外壳桶体可以通过桶壁和桶底一体成型形成实验腔外壳桶体也可以通过桶壁和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔外壳桶体；优选通过桶壁和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔外壳桶体。其中，所述实验舱外壳优选能够承受至少1300℃、至少35MPa压力。

在上述装置中，优选地，实验舱设有至少一个数据采集布线通道，所述布线通道供实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据采集布线、供实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据采集布线和供实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力数据采集布线三者中的至少一者使用。更优选地，实验舱进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力；其中，温度数据采集件优选包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集器通过数据布线通道实现线路连接；应力应变数据采集件优选包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变采集器通过数据布线通道实现线路连接；孔隙压力数据采集件优选包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器通过数据布线通道实现线路连接。在一具体实施例中，根据温度测试需要，在待测样品上自上到下，自左到右、自前到后设置若干热电偶。在另一具体实施例中，根据应力应变测试需要，在待测样品的局部上自上到下，自左到右、自前到后设置若干应力应变传感器。在一具体实施例中，根据孔隙压力的测试需要，在待测样品的局部上自上到下，自左到右、自前到后设置若干孔隙压力传感器。

在上述装置中，优选地，所述流体通道不少于四个，所述流体通道设于实验腔相对的两个端面上，所述两个端面中每个端面上至少设有两个流体通道。在一具体实施例中，实验腔设有四个流体通道，其中两个流体通道设于实验腔盖上，另外两个实验流体产出通道设置于实验腔桶体的桶底上。该优选方案有利于实现模拟不同井型，在进行煤炭地下气化试验时，可以实现模拟不同气化井型的气化剂和合成气进出通道；其中，位于实验盖上的两个流体通道中的一个可以作为实验流体注入通道，另一个可以作为备用的实验流体注入通道也可以作为双水平井井型模拟时的实验流体产出通道；位于实验腔桶体的桶底上的两个流体通道中的一个可以作为实验流体产出通道，另一个可以作为备用的实验流体产出通道。

在上述装置中，优选地，通过所述围压施加部件能够实现对实验腔内桶中装载的待测样品施加垂向作用力和水平作用力。更优选地，用以施加水平作用力的围压施加部件、用以施加垂向作用力的围压施加部件分别与不同的围压注入管线连接从而实现水平作用力、垂向作用力大小的分别控制。

在一具体实施方式中，所述实验腔内筒为左右开口的筒体，实验腔内筒的上壁与实验腔外筒的上壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的前壁与实验腔外筒的前壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的后壁与实验腔外筒的后壁之间形成的空腔设有围压施加部件。

在上述装置中，优选地，孔压注入孔在实验腔内筒的筒壁中进行设置，且能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品在水平方向施加孔压。更优选地，不同高度的孔压注入孔与不同的孔压注入管线连接从而实现对不同高度的孔压注入孔施加不同的孔压，有助于模拟孔隙压力随深度的变化。在一具体实施方式中，实验腔内筒为左、右两端开口的筒体，实验腔内筒的前壁、后壁均设置有孔压注入孔。

在上述装置中，优选地，所述实验腔盖和实验腔桶体通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起。

在上述装置中，优选地，实验舱外壁是长方体形状的。

在上述装置中，优选地，孔压注入孔在实验腔内筒的筒壁上等距排布。通常可以按照一定规律等距排布，在一具体实施方式中，实验腔内筒的形状为左右两端开口的长方体，实验腔内筒的前壁、后壁按照横向距离为a纵向距离为b等间距设置孔压注入孔。

在上述装置中，优选地，所述实验舱设有孔压卸压孔。

在上述装置中，所述实验腔桶体可以通过外筒和桶底一体成型形成实验腔也可以通过双层筒体和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔桶体。

在上述装置中，优选地，所述实验腔内筒和/或实验腔盖上设有声发射传感器安装孔。在一具体实施例中，在实验腔内筒的上、下壁内侧从前到后、从左到右设置若干声发射传感器安装孔。更优选地，所述装置进一步包括声发射数据采集件，所述声发射数据采集件包括声发射传感器和声发射数据采集器，所述声发射传感器与所述声发射数据采集器连接；所述声发射数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待测样品破坏发出的声发射信息从而获得实验腔内筒中装载的待测样品的损伤演化以及裂缝发育的信息。在一具体实施方式中，所述声发射传感器通过数据采集布线通道与所述声发射数据采集器连接。

上述装置可以用做煤炭地下气化密闭性评价试验用密闭性评价装置，当使用上述装置做密闭性评价装置时，实验腔选材符合煤炭地下试验用密闭性评价装置常规要求如耐高温要求、实验舱密闭性符合煤炭地下试验用密闭性评价装置常规要求，以及实验腔设有声发射传感器安装孔。

本发明还提供一种上述装置在煤炭地下气化密闭性评价试验中作为密闭性评价装置的应用。

当使用上述装置作为密闭性评价装置时，实验腔用于进行待测样品气化模拟可以称为气化腔，相应的实验腔盖可以称为气化腔盖、实验腔桶体可以称为气化腔桶体、实验腔外筒可以称为气化腔外筒、实验腔内筒可以称为气化腔内筒、实验舱可以称为密闭性评价装置本体、实验舱外壳可以称为密闭性评价装置外壳、实验舱的外壳盖可以称为密闭性评价装置的盖、实验舱的外壳桶体可以称为密闭性评价装置的外桶、实验流体注入通道可以称为气化剂注入通道、实验流体产出通道可以称为合成气产出通道。

本发明还提供一种煤炭地下气化密闭性评价系统，该系统包括密闭性评价装置，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元和点火单元；

所述密闭性评价装置使用本发明提供的上述装置，其中所述装置的实验腔内筒和/或实验腔盖上设有声发射传感器安装孔，所述装置包括声发射数据采集件，所述声发射数据采集件包括声发射传感器和声发射数据采集器，所述声发射传感器与所述声发射数据采集器连接；

所述气化剂制备单元与所述密闭性评价装置的实验流体注入通道连接，用以向所述密闭性评价装置注入气化剂；围压、孔压加载单元分别与装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向所述密闭性评价装置施加围压和孔压；合成气处理单元与所述密闭性评价装置的实验流体产出通道连接，用以处理装置产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及装置连接，用以实现装置的实验腔内筒中装载的待检测样品的点火操作。

在上述煤炭地下气化密闭性评价系统中，优选地，所述气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型中至少一者的制备；更优选地，所述气化剂制备单元包括氧气瓶、氧气流量控制组件、氮气瓶、氮气流量控制组件、蒸汽生成器、蒸汽流量控制组件、空气压缩机、空气流量控制组件，氧气流量控制组件连接与氧气瓶连接用以控制氧气的供给流量、氮气流量控制组件与氮气瓶连接用以控制氮气的供给流量、蒸汽流量控制组件与蒸汽生成器连接用以控制蒸汽的供给流量、空气流量控制组件与空气压缩机连接用以控制空气的供给流量，其中，氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均可以包括气体流量计以及可控制开度的阀门；进一步优选地，所述气化剂制备单元进一步包括压力计量表和温度计两者中的至少一者，压力计量表用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的压力，温度计用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的温度，其中，温度计优选为热电偶温度计。

在上述煤炭地下气化密闭性评价系统中，优选地，所述密闭性评价装置的实验腔内筒中装载的待检测样品包括顶板和煤层，煤层预制有井眼且所述井眼分别与所述实验流体注入通道和实验流体产出通道连通，所述顶板包括煤层的直接顶板和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层、含水层和上部地层，自上而下依次为上部地层、含水层、隔水层、直接顶板、煤层；更优选地，所述井眼中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼。其中，待测样品优选进一步包括底板，底板设于煤层之下。在一具体实施方式中，煤层由立方体煤块依次排列组成。在一具体实施方式中，顶板、底板的设置符合相似准则(通常制备好的顶板、底板和实际地层的顶板、底板的岩石力学性质一致)。在一具体实施方式中，顶板、底板的厚度设置符合相似准则，试验系统中顶板厚度比真实地层顶板厚度为1/5-1/40，试验系统中底板厚度比真实地层底板厚度为1/5-1/40。进一步优选地，当实验舱设有温度数据采集件时，温度数据采集件用以采集实验过程中煤层、顶板和/或底板的温度数据；在一具体实施例中，在待测样品中沿井眼延伸方向等间距设置多组热电偶，每组热电偶均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组热电偶设有若干热电偶；其中，在每组热电偶的设置截面上，沿自顶板到底板的纵向上设置多排热电偶且越靠近井眼相邻热电偶之间的排间距越小，在每排热电偶中越靠近井眼相邻热电偶的间距越小。进一步优选地，当实验舱设有应力应变数据采集件时，用以采集煤层和顶板的应力应变数据；在一具体实施方式中，应力应变传感器设置于煤层顶部和/或顶板上沿井眼延伸方向等间距设置多组应力应变传感器，每组应力应变传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器设有若干应力应变传感器。进一步优选地，当实验舱设有孔隙压力数据采集件时，孔隙压力数据采集件用以采集煤层和顶板含水层的孔隙压力；在一具体实施方式种，孔隙压力传感器设置于煤层和顶板含水层上沿井眼延伸方向等间距设置多组孔隙压力传感器，每组孔隙压力传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器设有若干孔隙压力传感器。

在上述煤炭地下气化污染密闭性评价中，优选地，所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器、压力控制器、围压增压泵、孔压增压泵、围压液源罐和孔压液源罐，所述围压液源罐和孔压液源罐分别提供施加围压所用的注入介质和施加孔压所用的注入介质，围压液源罐、围压增压泵、伺服增压器依次连接，孔压液源罐、孔压增压泵连接、伺服增压器依次连接，伺服增压器的流体出口分别与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，压力控制器与伺服增压器连接用以控制伺服增压器的压力施加控制。围压液源罐提供的注入介质经过围压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过围压注入管线流入密闭性评价装置的围压施加部件为密闭性评价装置的围压施加部件提供压力，其中服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；孔压液源罐提供的注入介质经过孔压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入密闭性评价装置的孔压注入孔为密闭性评价装置的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连。更优选地，密闭性评价装置设有围压数据监测件和孔压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器中；其中，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上、孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。其中，围压、孔压加载单元优选进一步包括计算机，所述计算机与压力控制器连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析。

在上述煤炭地下气化密闭性评价系统中，优选地，所述点火单元包括点火控制器和电热丝，所述点火控制器作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于实验腔装载的待测样品中用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作。更优选地，所述电热丝的一端设置于实验腔装载的待测样品中，另外一端设置于密闭性评价装置外，能够电热丝在实验腔装载的待测样品中拖动。通过拖动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺。

在上述煤炭地下气化密闭性评价系统中，优选地，所述煤炭地下气化污染评价系统进一步包含数据采集单元，数据采集单元包括计算机，所述计算机与声发射数据采集件连接，用以存储、分析声发射数据采集件采集到的数据；更优选地，当所述密闭性评价装置的实验舱设有温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者时，所述数据采集单元的计算机进一步与温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者连接，用以存储、分析与该计算机连接的数据采集件采集到的数据；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力

在上述煤炭地下气化密闭性评价系统中，优选地，合成气处理单元包括除尘器、除焦器、除硫器和燃烧室，其中除尘器、除焦器、除硫器均设置于燃烧室之前即所述实验流体产出通道排出的合成气经过除尘器、除焦器和除硫器处理后再进入燃烧室进行处理；其中，除尘器用于除去实验流体产出通道排出的合成气中的固体粉尘，除焦器用于除去所述合成气中的焦油，除硫器用于除去所述合成气中的含硫毒气，燃烧室用于对所述合成气进行燃烧处理。更优选地，所述合成气处理单元进一步包括气相色谱仪，气相色谱仪用以对除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气进行组分分析和计量。

流体注入通道流体产出通道在上述煤炭地下气化污染评价系统中，所有承压的连接管线优选使用能够承受至少35MPa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线。

本发明还提供一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法使用上述煤炭地下气化密闭性评价系统进行，该方法包括：

1)准备气化密闭性评价用顶板、底板和煤层，所述顶板包括煤层的直接顶板和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层、含水层和上部地层，在煤层中按照需要模拟的井型预制井眼并按照初次点火位置在预制的井眼中设置电热丝，在实验腔内筒中按照由下到上为底板-煤层-直接顶板、隔水层、含水层、上部地层的顺序将底板、煤层和顶板填充进实验腔内筒中，并将上述煤炭地下气化污染评价系统连接好；

2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加；

3)进行煤层模拟气化：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，完成煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；

4)密闭性评价：在煤层模拟气化过程中，使用声发射数据采集件进行煤层和顶板破坏发出的声发射信息数据采集，基于采集到的声发射信息数据分析煤层模拟气化过程中煤层和顶板的损伤演化以及裂缝发育情况；

从而完成煤炭地下气化密闭性评价。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，基于采集到的声发射信息数据分析煤层模拟气化过程中煤层和顶板的损伤演化以及裂缝发育情况可以采用本领域现有技术实现。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，所述裂缝发育情况通常包括裂缝够通范围、延展距离以及是否沟通水层等。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，该方法进一步包括在进行孔压施加时使用添加有示踪剂的水作为孔压施加介质，从而研究含水层被裂缝沟通后的流动与涌水情况，分析导水裂隙带对含水地层的沟通情况。在一具体实施方式中，实验完毕后对地层剖解，对示踪剂进行追踪，从而分析含水层被裂缝沟通后的流动与涌水情况，分析导水裂隙带对含水地层的沟通情况；如果含水层裂缝沟通了气化腔，会通过示踪剂进行显示；实验完毕后对地层剖解，如果含水层裂缝沟通了气化腔，会通过示踪剂进行显示。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，该方法进一步包括煤层模拟气化结束后进行围压、孔压卸载；围压、孔压卸载后对密闭性评价装置进行剖解(优选待围压、孔压卸载完毕并冷却12小时后对密闭性评价装置进行剖解)，研究煤层气化后地层(包括煤层、顶板、底板)的发育形态。更优选地，对煤层气化后地层开展力学实验、热物理性质实验、物性实验以及微观结构表征等机理性研究。围压、孔压卸载具体可以通过如下步骤实现：关闭围压增压泵、孔压增压泵、通过压力控制器将围压、孔压归零，实验腔内的围压加压部件(例如液压杆)的泵压缓慢减小、作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开实验舱上的孔压卸压孔，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，在准备气化密闭性评价用顶板、煤层、底板之前，进行模拟地区煤层的真实顶板、底板的岩石力学试验，然后根据测得的力学性质结合材料相似原理，制备气化密闭性评价用顶板、底板；

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，采用自模拟地区煤层获得的煤块制备气化密闭性评价用煤层。更优选地，制备气化密闭性评价用煤层的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性。在一具体实施方式中，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成规则的立方体煤块，利用这些煤块组合形成气化密闭性评价用煤层。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，煤层与顶板、底板连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层和顶板、底板的密封性和完整性。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，在煤层与实验腔内筒中设有孔压注入孔的内壁间和含水层与实验腔内桶中设有孔压注入孔的内壁间填充砂子。利用细砂层良好的渗流、力学缓冲特性，在模拟地层材料与实验腔内壁间填充细砂缓冲层以减少孔压注入介质对地层材料的破坏，降低孔压注入介质的注入难度，缩短顶板、煤层的孔压平衡时间，提高孔压平衡效率。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，根据密闭性评价试验需要在气化密闭性评价用顶板和/或底板和/或煤层中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件安装到气化密闭性评价用顶板和/或底板和/或煤层中。更优选地，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集。采集到的数据可以在数据采集单元(例如计算机)中进行存储、分析。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，在煤层预制井眼中下入可燃筛管和/或套管用以支撑井眼。

在上述煤炭地下气化试验方法中，当模拟U型水平井气化工艺时，可以在煤层中预制单孔井眼；当模拟双水平井气化工艺时，可以在煤层中预制两个平行井眼。当模拟U型水平井气化工艺时，气化剂进口与合成气出口分别在试验气化炉的相对的两端即实验流体注入通道以及实验流体产出通道分别在实验腔内筒的相对的两端例如(桶底所在端面以及气化腔盖所在端面)；当模拟双水平井气化工艺时，气化剂进口与合成气出口均在试验气化炉的同一端即实验流体注入通道以及实验流体产出通道在实验腔内桶的同一端面上。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，步骤1)中将煤炭地下气化污染评价系统连接好后，先进行调试，调试无问题在进行后续步骤2)。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，模拟地区煤层的围压及孔压值根据模拟地区的煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等分析获得。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，围压施加包括施加垂向作用力和水平作用力。所述垂向作用力、水平作用力用于模拟上覆地层压力和与井眼方向垂直的水平主应力。

在一具体实施方式中，围压施加过程包括：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的围压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的围压施加部件在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下对实验腔内筒施加围压从而实现对煤层施加围压。更优选地，当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，孔压施加包括对煤层在纵向上施加压力值不同的孔压实现模拟孔隙压力随深度的变化。

在一具体实施方式中，孔压施加过程包括：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的孔压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的孔压注入孔在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下施加孔压。更优选地，当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，围压、孔压施加后在进行步骤3)前进行试压，试压合格则进行步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化污染评价系统进行检修后重新进行步骤1)；其中，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在±5％以内、孔压变化范围在±5％，试压合格。试压合格，可以认为煤炭地下气化污染评价系统密闭性良好具备进行后续操作的本条件。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速中的至少一者进行采集。在一具体实施方式中，围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到压力控制器中，伺服增压器将围压、孔压施加过程中所用的注入介质的流速、体积等数据反馈到压力控制器中，压力控制器将所述围压数据、所述孔压数据、所述液量数据、流速数据、体积数据传输到计算机中进行存储和/或显示。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，气化剂注入压力小于施加的孔压。真实煤层中含有煤层水，国内煤层一般都处于欠压实状态，即煤层孔隙压力梯度一般小于1MPa/100m，出于安全和环保考虑，煤炭地下气化现场试验时气化剂的注入压力都要小于煤层孔隙压力，以减少气化过程中合成气向外运移，煤层孔隙压力的大小直接限制了气化剂注入压力。因此在煤炭地下气化密闭性评价方法中，气化剂注入压力小于施加的孔压，从而更好的模拟真实现场情况。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，所述进行煤层模拟气化包括：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程，直到最后的点火位置完成煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的操作，完成整个煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放。更优选地，点火位置的设置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置(第一点火位置相较于其他点火位置，距离注入气化剂的位置最远，后续点火位置距离注入气化剂的位置依次变近)。为了提高单个气化腔的煤炭气化量，同时控制点火位置改变过程中合成气热值降幅，避免合成气热值出现较大波动，当合成气热值降低到初始热值的65％-75％范围内时，下一点火位置重复进行煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程以开始新位置处的气化模拟。点火位置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置实现了模拟受控注入点连续后退工艺。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，在进行步骤3)煤层点火之前先进行管路吹扫；在一具体实施方式中，煤层点火之前先控制气化剂制备单元提供氮气对上述煤炭地下气化污染评价系统进行管路吹扫，吹扫半小时后开始进行煤层点火。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，所述助燃剂为氧气。

在上述地下气化试验方法中，助燃剂、气化剂的注入速度可以按照常规方式进行确定，例如基于气化剂压力、煤岩煤质、阻燃剂类型、模拟井眼直径多因素进行确定。

在一具体实施方式中，步骤3)煤层点火和向点着后的煤层注入气化剂的过程包括：通过点火控制器使井眼中的电热丝发热，并持续小排量注入氧气作为助燃剂，当确认煤层点着后注入气化剂，控制气化剂的注入流量和方式进行煤层气化。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，所述气化剂包括：空气气化剂、富氧空气气化剂和富氧空气+水蒸气气化剂中的至少一种。更优选地，当气化剂为富氧空气+水蒸气气化剂时，气化剂的注入采用两段式注入或者采用一段式注入；其中，两段式注入包括：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速优选为0-30m³/h；这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速优选为0-30m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行；一段式注入为将富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m³/h。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，气化剂的流速优选为0-30m³/h。

在一具体实施方式中，使用空气作为气化剂，控制气化剂流速为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和向点着后的煤层注入气化剂的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气作为气化剂，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-90％，气化剂流速为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气+水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用两段式注入；第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速为0-30m³/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为0-30m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行；，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气+水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用一段式注入；富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用合成气处理单元中的气体检测设备如气相色谱仪对合成气进行组分分析和计量，确定合成气的热值。

在上述煤炭地下气化密闭性评价方法中，优选地，在步骤3)中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集。

在一具体实施方式中，煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理包括：产生的合成气经过除尘器、除焦器、除硫器分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气使用气相色谱仪每间隔1-5分钟进行一次组分分析和计量。

真实煤层中含有煤层水，国内煤层一般都处于欠压实状态，即煤层的孔隙压力一般小于1MPa/100m，出于安全和环保考虑，煤炭地下气化现场试验时气化剂的注入压力都要小于煤层的孔隙压力，以减少气化过程中合成气向外运移，煤层孔隙压力的大小直接限制了煤炭地下气化过程中气化剂的注入压力，1500m以浅的煤层的气化压力必然小于15MPa，为了更科学的指导煤炭地下气化污染评价，需要在真实孔隙压力下进行开展气化模拟实验。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的装置能够模拟煤炭真实赋存条件，能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压，解决了煤层围压、孔压加载难题、填补了该项试验技术空白。在一优选方案中，还能够实现模拟不同气化井型(例如U型水平井、双水平井)。

(2)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化密闭性评价系统能够实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化密闭性评价，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化的科学选址和工程实践，填补了煤炭地下气化污染评价技术的空白。

(3)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化密闭性评价系统可以对煤层真实赋存状态进行模拟，能够实现煤层真实赋存条件下不同气化类型、工艺参数下的气化区密闭性评价。

(4)本发明提供的煤炭地下气化密闭性评价方法能够实现煤炭地下气化过程中裂缝发育情况分析，在一优选实施例中能够分析导水裂隙带对含水地层的沟通情况。

附图说明

图1为实施例1提供的密闭性评价装置正视图。

图2为实施例1提供的密闭性评价装置左视图。

图3为实施例1提供的密闭性评价装置俯视图。

图4为实施例1提供的密闭性评价装置的实验腔内壁(侧)孔压注入孔示意图。

图5实施例1提供的密闭性评价装置的左端盖示意图。

图6实施例1提供的密闭性评价装置的右端盖示意图。

图7为实施例1提供的孔压注入孔的局部放大图。

图8为实施例1提供的液压杆的局部放大图。

图9为实施例1提供的气化腔内筒的放大图。

图10为实施例1提供的内筒上壁的纵向剖面图。

图11为实施例1提供的内筒上壁的水平剖面图。

图12实施例2提供的密闭性评价装置的热电偶的布置示意图。

图13实施例2提供的密闭性评价装置的压力压变传感器的布置示意图。

图14实施例2提供的密闭性评价装置的孔隙压力传感器的布置示意图。

图15为实施例2提供的煤炭地下气化污染评价系统示意图。

图16为实施例3提供的煤炭地下气化密闭性评价方法流程图。

主要附图标号：

1氧气瓶，2氮气瓶，3蒸汽生成器，4空气压缩机，5流量压力计量表，6热电偶温度计，7气化剂管线分阀门，8气化剂管线总阀门，9点火控制器，10第一气化剂注入通道，11密闭性评价装置左端盖密封螺栓，12密闭性评价装置外桶，13耐火砖，14气化腔外筒，15液压杆，16气化腔内筒，17上部地层，18声发射传感器，19含水层，20密闭性评价装置右端盖密封螺栓，21围压、孔压布线通道，22隔水层，23直接顶板，24煤层，25底板，26气化腔左端盖密封螺栓，27气化腔左端盖，28数据采集布线通道，29第一合成气产出通道，30孔压卸压孔，31孔压液源罐，32围压液源罐，33围压增压泵，34孔压增压泵，35压力控制阀，36伺服增压器，37压力控制器，38计算机，39净化管线控制阀，40除尘器，41除焦器，42除硫器，43气体检测设备，44燃烧室，45温度采集器，46应力应变数据采集器，47声发射数据采集器，48孔隙压力采集器，49计算机，50第二气化剂注入通道，51密闭性评价装置左端盖，52第二合成气产出通道，53密闭性评价装置右端盖，54压力传感器，55孔压注入孔，56单向阀，57热电偶，58应力应变传感器，59孔隙压力传感器，60井眼，61气化腔，62液压杆滑轨，63孔压布线槽，64液压杆固定底座，65液压伸缩杆，66液压杆滑动头，67内筒上壁。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化污染评价的密闭性评价装置，该密闭性评价装置的结构如图1-图11所示，具体包括密闭性评价装置本体(即实验舱)，

所述密闭性评价装置本体设有气化腔62(即实验腔)、密闭性评价装置外壳(即实验舱外壳)和耐火砖13；密闭性评价装置外壳设于气化腔62外部，耐火砖13设于密闭性评价装置外壳与气化腔62之间的空腔内；其中，

密闭性评价装置外壳使用厚度1cm的耐高压钢板制备能够承受35MPa高压、1300℃高温，其形状为长方体状，具体尺寸高宽长分别2m×2m×3.2m；密闭性评价装置外壳包括可拆卸连接的密闭性评价装置左端盖51(即外壳盖)和密闭性评价装置外桶12(即外壳桶体)，密闭性评价装置外桶12与密闭性评价装置左端盖51通过8个密闭性评价装置左端盖密封螺栓11可拆卸的连接在一起；密闭性评价装置外桶12由密闭性评价装置外桶桶壁和密闭性评价装置右端盖53通过8个密闭性评价装置右端盖密封螺栓20可拆卸的连接在一起形成；密闭性评价装置右端盖53设有1个数据采集布线通道28(即数据采集布线通道)，作为气化腔62中的围压数据监测件、孔压数据监测件、温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件和声发射数据采集件的布线通道；密闭性评价装置右端盖53另设有2个预留通道，分别作为围压、孔压布线通道21和孔压卸压孔30；

气化腔62为长方体状包括可拆卸连接的气化腔左端盖27(即实验腔盖)和气化腔桶体(即实验腔桶体)，气化腔桶体与气化腔左端盖27通过8个气化腔左端盖密封螺栓26可拆卸的连接在一起，所述气化腔桶体由双层筒体和桶底构成，所述双层筒体包括包括气化腔外筒14(即实验腔外筒)和气化腔内筒16(即实验腔内筒)，所述气化腔外筒14与桶底一体成型；所述气化腔内筒16由4个尺寸为面积为2.2m×1.5m的平板围成且该4块板围成两端开口的长方体或者正方体，对于每个平板而言，其中该平板仅一端抵靠在与其相邻的一个平板的板面上且该平板的板面作为与其相邻的另一个平板的抵靠板面，每个平板均可以沿其抵靠板面滑动；由此所述平板形成的空间可以沿水平和竖直方向缩小或放大；气化腔外筒14使用抗温压钢材制备能够承受35MPa高压、1300℃高温；气化腔外筒14的内壁与气化腔内筒16的外壁之间形成空腔，该空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接(围压管线包括第一围压管线、第二围压管线)，所述围压施加部件为液压杆15；液压杆15设有依次连接的液压杆固定底座64、液压伸缩杆65和液压杆滑动头66，气化腔内筒16的外壁设有液压杆滑轨62；液压杆15的液压杆固定底座64固定于气化腔外筒14的内壁上，液压杆15的另一端液压杆滑动头66设置在气化腔内筒16的液压杆滑轨62内，液压杆滑动头66可以沿着液压杆滑轨62滑动；施加围压所用的注入介质通过围压管线进入液压杆15实现液压杆15对气化腔内筒16施加围压从而实现对装载于气化腔内筒16中的待检测样品施加围压；气化腔内筒16的上壁与气化腔外筒14的上壁之间形成的空腔等间距设有与第一围压管线连接的液压杆15共7×11个(7排×11列)、气化腔内通16的前壁与气化腔外通14的前壁之间形成的空腔等间距设有与第二围压管线连接的液压杆15共6×11个(6排×11列)、气化腔内筒16的后壁与气化腔外筒14的后壁之间形成的空腔等间距设有与第二围压管线连接的液压杆15共6×11个(6排×11列)、气化腔内筒16的下壁与气化腔外筒14的下壁之间形成的空腔等间距设有与第一围压管线连接的液压杆15共7×11个(7排×11列)；

气化腔内筒16的前壁、后壁内均设有孔压布线槽63，孔压布线槽63中铺设有孔压管线；气化腔内筒16的前壁、后壁设有孔压注入孔55(直径为1cm)，孔压注入孔55与孔压管线(孔压管线包括第一孔压管线、第二孔压管线……、第十孔压管线、第十一孔压管线)连接且在孔压管线上设有单向阀56(设置单向阀56用以避免孔压注入介质回流)，施加孔压所用的注入介质通过孔压管线进入孔压注入孔55内对装载于气化腔内筒16中的待检测样品施加孔压；气化腔内筒16的前壁等间距设有孔压注入孔55共11×23个(11排×23列)、气化腔内筒16的后壁等间距设有孔压注入孔55共11×23个(11排×23列)，其中气化腔内筒16的前壁和后壁上的孔压注入孔55自上而下依次为第一排孔压注入孔55、第二排孔压注入孔55……第十排孔压注入孔55、第十一排孔压注入孔55，气化腔内筒16的前壁和后壁上的孔压注入孔55分别以排为单位依次与第一孔压管线到第十一孔压管线连接，具体而言第一排孔压注入孔55与第一孔压管线连接、第二排孔压注入孔55与第二孔压管线连接……第十一排孔压注入孔55与第十一孔压管线连接；

气化腔62进一步设有围压数据监测件和孔压数据监测件，其中，围压数据监测件用以采集气化腔内筒16的围压数据，选用应力传感器且该应力传感器设置于气化腔内筒16的筒壁表面；孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，选用压力传感器54且该压力传感器54与孔压注入孔55连接；

在气化腔内筒16上壁的内壁面由左到右等间距预设四组凹槽作为发射传感器安装孔，每组发射传感器安装孔包括由前到后等间距预设的三个发射传感器安装孔，在气化腔内筒16下壁的内壁面上由左到右等间距预设四组凹槽作为发射传感器安装孔，每组发射传感器安装孔包括由前到后等间距预设的三个发射传感器安装孔；其中，每个凹槽的尺寸为0.5cm×0.5cm×0.5cm；

气化腔62进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括声发射数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件；其中，声发射数据采集件包括声发射传感器18和声发射数据采集器47，声发射传感器18设于气化腔内筒16上壁的内壁面以及下壁的内壁面的声发射传感器安装孔中，而声发射数据采集器47设于密闭性评价装置本体外部，声发射传感器18与声发射数据采集器47通过数据采集布线通道28实现线路连接；温度数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的温度数据，温度数据采集件包括热电偶57和温度采集器45，热电偶57设于气化腔内筒16内部而温度采集器45设于密闭性评价装置本体外部，热电偶57与温度采集器45通过数据采集布线通道28实现线路连接；应力应变数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的应力应变数据，应力应变数据采集件包括应力应变传感器58和应力应变数据采集器46，应力应变传感器58设于气化腔内筒16内部而应力应变数据采集器46设于密闭性评价装置本体外部，应力应变传感器58与应力应变数据采集器46通过数据采集布线通道28实现线路连接，应力应变传感器58与应力应变数据采集器46通过数据采集布线通道28实现线路连接；孔隙压力数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的孔隙压力，孔隙压力数据采集件包括孔隙压力传感器59和孔隙压力采集器48，孔隙压力传感器59设于气化腔内筒16内部而孔隙压力采集器48设于密闭性评价装置本体外部，孔隙压力传感器59与孔隙压力采集器48通过数据采集布线通道28实现线路连接；

密闭性评价装置本体设有四个流体通道，其中两个设于气化腔左端盖27上并贯穿密闭性评价装置左端盖51与外界连通，分别为第一气化剂注入通道10(即实验流体注入通道)和第二气化剂注入通道50(即实验流体注入通道，第二气化剂注入通道50也可以作为实验流体产出通道)；另外两个设于气化腔桶体的桶底上并贯穿密闭性评价装置外桶12的桶底(即密闭性评价装置右端盖53)与外界连通，分别为第一合成气产出通道29(即实验流体产出通道)和第二合成气产出通道52(即实验流体产出通道)。

实施例2

本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化污染评价的煤炭地下气化污染评价系统，该煤炭地下气化污染评价系统如图12-图15所示，具体包括实施例1提供的密闭性评价装置，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元，数据采集单元和点火单元；气化剂制备单元与密闭性评价装置的气化剂注入通道10连接，用以向密闭性评价装置注入气化剂；围压、孔压加载单元分别通过密闭性评价装置的围压、孔压布线通道21与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向密闭性评价装置施加围压和孔压；合成气处理单元与密闭性评价装置的第一合成气产出通道29连接(或者与密闭性评价装置的第二合成气产出通道52连接或者与密闭性评价装置的第二气化剂注入通道50连接)，用以处理密闭性评价装置产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及密闭性评价装置连接，用以实现密闭性评价装置的气化腔内筒16中装载的待检测样品的点火操作；数据采集单元与密闭性评价装置中的数据采集件-声发射数据采集器47、温度采集器45、应力应变数据采集器46和孔隙压力采集器48连接，实时存储试验过程中的声发射数据、温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；

气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型的制备；气化剂制备单元包括氧气瓶1、氧气流量控制组件、氮气瓶2、氮气流量控制组件、蒸汽生成器3、蒸汽流量控制组件、空气压缩机4、空气流量控制组件，其中氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均包括依次连接的流量压力计量表5、热电偶温度计6和可控制开度的气化剂管线分阀门7；氧气瓶1与氧气流量控制组件连接形成氧气供给支路、氮气瓶2与氮气流量控制组件连接形成氮气供给支路、蒸汽生成器3与蒸汽流量控制组件连接形成蒸汽供给支路、空气压缩机4与空气流量控制组件连接用以形成空气供给支路；氧气供给支路、氮气供给支路、蒸汽供给支路和空气供给支路并联后与密闭性评价装置的气化剂注入通道10连接实现气化剂制备单元与密闭性评价装置的气化剂注入通道10连接，且在连接管路上设有气化剂管线总阀门8；

所述密闭性评价装置的气化腔内筒16中装载的待检测样品包括顶板、煤层24和底板25，顶板包括煤层的直接顶板23和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层22、含水层19和上部地层17，自上而下依次为上部地层17、含水层19、隔水层22、直接顶板23、煤层24、底板25，且煤层24预制有井眼60，井眼60分别与第一气化剂注入通道10(或者第二气化剂注入通道50，作为实验流体注入通道)和第一合成气产出通道29(或者第二合成气产出通道52、或者第二气化剂注入通道50，作为实验流体注入通道)连通；井眼60中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼；密闭性评价装置中的热电偶57设置于煤层24和顶板上用以采集实验过程中煤层24以及顶板的温度数据，在待测样品中沿井眼60延伸方向等间距设置5组热电偶57，每组热电偶57均设置于待测样品上垂直于井眼60延伸方向的一个截面上且每组热电偶57设有4排共27个热电偶57，具体排布如图12所示，在每组热电偶57的设置截面上沿自顶板到底板25的纵向上设置4排热电偶57且越靠近井眼60相邻热电偶57之间的排间距越小，在每排热电偶57中越靠近井眼60相邻热电偶57的间距越小；应力应变传感器58设置于煤层24顶部和顶板上用以采集近顶板煤层24和顶板处的应力应变数据，在待测样品中沿井眼60延伸方向等间距设置5组应力应变传感器58，每组应力应变传感器58均设置于待测样品上垂直于井眼60延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器58设有3排共21个应力应变传感器58，具体排布如图13所示，在每组应力应变传感器58的设置截面上越靠近井眼60相邻应力应变传感器58的间距越小；孔隙压力传感器59设置于含水层19和煤层24上用以采集含水层19和煤层24的孔隙压力，沿井眼60延伸方向等间距设置5组孔隙压力传感器59，每组孔隙压力传感器59均设置于待测样品上垂直于井眼60延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器59在井眼60前后两侧各设置2排供7个孔隙压力传感器59，具体排布如图14所示，在每组孔隙压力传感器59的设置截面上越靠近井眼60相邻孔隙压力传感器59的间距越小；＝每组热电偶57的设置截面与每组应力应变传感器58的设置截面以及每组孔隙压力传感器59的设置截面为同一截面；

数据采集单元包括计算机49，计算机49与密闭性评价装置中的数据采集件温度采集器45、应力应变数据采集器46、声发射数据采集器47和孔隙压力采集器48连接，实时存储试验过程中的声发射数据、温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；

所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器36、压力控制器37、围压增压泵33、孔压增压泵34、围压液源罐32、孔压液源罐31和计算机38，所述围压液源罐32和孔压液源罐31分别提供施加围压所用的注入介质油和施加孔压所用的注入介质水；围压液源罐32与围压增压泵33连接形成围压一级增压支路，孔压液源罐31与孔压增压泵34连接形成孔压一级增压支路，围压一级增压支路与孔压一级增压支路并联后与伺服增压器36连接并且在连接管路上设有压力控制阀35，伺服增压器36的流体出口通过密闭性评价装置的围压、孔压布线通道21分别与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别通过密闭性评价装置的围压、孔压布线通道21与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接；压力控制器37与伺服增压器36连接用以控制伺服增压器36的压力施加控制，密闭性评价装置的围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器37连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器37中；计算机38与压力控制器37连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析；在进行围压加压时，围压液源罐32提供的注入介质经过围压增压泵33进行一级加压、然后再经过伺服增压器36进行二级加压，然后通过围压注入管线流入密闭性评价装置的围压施加部件为密闭性评价装置的围压施加部件提供压力，其中伺服增压器36按照所述压力控制器37中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；在进行孔压加压时，孔压液源罐31提供的注入介质经过孔压增压泵34进行一级加压、然后再经过伺服增压器36进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入密闭性评价装置的孔压注入孔为密闭性评价装置的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器36按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连；

所述点火单元包括点火控制器9和电热丝，点火控制器9设置于气化剂制备单元与密闭性评价装置连接的管路上，所述点火控制器9作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于密闭性评价装置装载的待测样品的井眼60中(具体而言，电热丝通过气化剂注入通道10进行设置，电热丝的一端设置于井眼60中，另外一端设置于密闭性评价装置外)用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作；通过拖动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺；

合成气处理单元包括依次连接的除尘器40、除焦器41、除硫器42和燃烧室44，其中除硫器42与燃烧室44的连接管路上设有气相色谱仪43，除尘器40与密闭性评价装置的第一合成气产出通道29(或者第二合成气产出通道52、或者第二气化剂注入通道50)连接且连接管路上设有净化管线控制阀39；除尘器40用于除去密闭性评价装置的排出的合成气中的固体粉尘，除焦器41用于除去合成气中的焦油，除硫器42用于除去合成气中的含硫毒气，燃烧室44用于对合成气进行燃烧处理，气相色谱仪43用以对除尘器40、除焦器41、除硫器42处理后的合成气进行组分分析和计量；

在上述煤炭地下气化污染评价系统中，所有承压的连接管线均使用能够承受至少35MPa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线，所有管线上的阀门均能够有效控制管路的连通，并能良好密封。

实施例3

本实施例提供一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法使用实施例2提供的煤炭地下气化污染评价系统进行流程如图16所示，该方法包括：

1)准备气化试验用顶板、底板25和煤层24：根据待模拟地区的煤层的顶板、底板取心资料开展岩石力学试验，测得力学性质(弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度)，结合材料相似原理制备气化密闭性评价用顶板、底板25；顶板包括煤层的直接顶板23和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层22、含水层19和上部地层17，上部地层17厚度为0.25m、长2.2m、宽1.5m，含水层19厚度为0.2m、长2.2m、宽1.5m，致密隔水层22厚度为0.5m、长2.2m、宽1.5m，直接顶板23厚度为0.3m、长2.2m、宽1.5m，煤层24厚度为0.15m、长2.2m、宽1.5m，底板25厚度为0.1m、长2.2m、宽1.5m，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成0.4m×0.4m×0.4m的规则立方体煤块，使用这些规则立方体煤块制备气化密闭性评价用煤层24；

预制井眼60并按照初次点火位置在预制的井眼60中设置电热丝：在煤层24中预制模拟U型水平井气化工艺所需要的井眼60，具体为在煤层24中预制单孔井眼60，人工预制井眼60直径为10cm，下入可燃套管以支撑井眼60，电热丝的初始位置设置在距气化腔桶体的桶底约0.5m处即距离煤层填充进气化腔内筒16后靠近气化腔内筒16的右端面0.5m处；第一气化剂注入通道10与第一合成气产出通道29分别与井眼60连通，作为实验流体注入通道和实验流体产出通道；

顶板、底板25和煤层24预安装声发射传感器18、热电偶57、应力应变传感器58和孔隙压力传感器59：在顶板、底板25和煤层24中预制声发射传感器18、热电偶57、应力应变传感器58和孔隙压力传感器59的安装孔，并将声发射传感器18、热电偶57、应力应变传感器58和孔隙压力传感器59安装到顶板、底板25和煤层24中；声发射传感器18、热电偶57、应力应变传感器58、孔隙压力传感器59在顶板、底板25和煤层24中的排布方式按照实施例2中声发射传感器18、热电偶57、应力应变传感器58、孔隙压力传感器59的排布方式(参见如图12-图14所示)；顶板、底板25和煤层24装填：在气化腔内筒16中按照由下到上为底板25-煤层24-直接顶板23-隔水层22-含水层19-上部地层17的顺序将底板25、煤层24和顶板填充进气化腔内筒16中；其中，制备气化密闭性评价用煤层24的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性；煤层24与顶板、底板25连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层24和顶板、底板25的密封性和完整性；并在待检测样品(包括顶板、煤层24和底板25)与气化腔内筒16的前壁之间填充砂子，在待检测样品(包括顶板、煤层24和底板25)与气化腔内筒16的后壁之间填充砂子；

然后将密闭性评价装置装配好，并将整个煤炭地下气化污染评价系统连接好；对连接好的煤炭地下气化污染评价系统进行调试(确定线路连接正确，各部件功能正常、开关性能良好)，调试无问题后进行后续步骤2)；

2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加：

本实施例中模拟的煤层深度为1000m，根据煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等获得煤层所受垂向应力为25.4MPa，最大水平主应力为18MPa，最小水平主应力为16.7MPa，井眼沿着最小水平主应力方向布置，煤层孔隙压力为8.7MPa，含水层孔隙压力8.46MPa；含水层在直接顶板的上部，具体为煤层顶以上27m；

分别控制与第一围压管线连接的液压杆15、与第二围压管线连接的液压杆15进行围压施加，具体地：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵33进行一级增压，通过压力控制器37输入所要施加的围压数值(其中，垂向作用力即与第一围压管线连接的液压杆15施加的围压数值为25.4MPa，水平主应力即与第二围压管线连接的液压杆15的围压数值为18MPa)，压力控制器37控制伺服增压器36对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下气化腔62中的液压杆42缓慢发生位移从而对气化腔内筒16施加垂向作用力和水平作用力用于模拟煤层上覆地层压力和最大水平主应力；当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器37设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变；分别控制与第一孔压管线连接的孔压注入孔55、与第二孔压管线连接的孔压注入孔55……与第十一孔压管线连接的孔压注入孔55进行孔压施加，具体地：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵34进行一级增压，通过压力控制器37输入所要施加的围压数值(其中，与第一孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.4MPa，与第二孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.43MPa，与第三孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.46MPa(与第三孔压管线连接的孔压注入孔55向含水层19施加孔压)，与第四孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.49MPa，与第五孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.52MPa，与第六孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.55MPa，与第七孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.58MPa，与第八孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.61MPa，与第九孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.64MPa，与第十孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.67MPa，与第十一孔压管线连接的孔压注入孔55施加的孔压数值为8.7MPa)，压力控制器37控制伺服增压器36对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下气化腔62中的孔压注入孔55对煤层24施加孔压；当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器37设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变；

围压、孔压施加后进行试压，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在±5％以内、孔压变化范围在±5％，认为试压合格，试压合格则进行后续步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化污染评价系统进行检修后重新进行步骤1)；

在围压、孔压施加过程中，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速进行采集，具体的：围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器37中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到压力控制器37中，伺服增压器36将围压、孔压施加过程中所用的注入介质的流速、体积等数据反馈到压力控制器37中，压力控制器将所述围压数据、所述孔压数据、所述液量数据、流速数据、体积数据传输到计算机38中进行存储和显示；

3)进行煤层24模拟气化：

在点火之前通过氮气2对管路进行吹扫，吹扫半小时后开始后续作业；

对煤层24注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火(具体的通过点火控制器9使得井眼60中在第一点火位置的电热丝工作，并持续以3m³/h小排量注入氧气作为助燃剂)，当确认煤层24点着后向煤层24注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值70％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和煤层24点着后向煤层24注入气化剂进行煤层气化的过程，直到最后的点火位置完成煤层点火和煤层24点着后向煤层24注入气化剂进行煤层气化的操作，完成整个煤层模拟气化过程；煤层24模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放，具体为产生的合成气经过除尘器40、除焦器41、除硫器42分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室44进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器40、除焦器41、除硫器42处理后的合成气使用气相色谱仪43每间隔1分钟进行一次组分分析和计量确定合成气中的可燃气体组分以及合成气的热值；

其中，点火位置一共有2个，由第一合成气产出通道29端到气化剂注入通道10端依次设置，相邻两个点火位置的间距为0.8m；

其中，注入的气化剂为空气气化剂，控制空气气化剂流速为25m³/h；

在煤层24模拟气化过程中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集，使用密闭性评价装置的温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集，采集到的数据可以在数据采集单元计算机49中进行存储和分析；

4)密闭性评价：

在煤层24模拟气化过程中，使用声发射数据采集件进行煤层和顶板破坏发出的声发射信息数据采集，基于采集到的声发射信息数据分析煤层模拟气化过程中煤层和顶板的损伤演化以及裂缝发育情况；：

5)围压、孔压卸载及密闭性评价装置剖解：

煤层24模拟气化结束后进行围压、孔压卸载，具体的：关闭围压增压泵33、孔压增压泵34、通过压力控制器37将围压、孔压归零，伺服增压器36降低密闭性评价装置中液压杆15中压力值，液压杆15作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开密闭性评价装置上的孔压卸压孔30，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载；待围压、孔压卸载完毕后将密闭性评价装置冷却12小时，然后打开密闭性评价装置左端盖51、气化腔左端盖27，对密闭性评价装置进行剖解后研究模拟气化后地层(包括煤层24、顶板、底板25)的发育形态并对气化后的地层(包括煤层24、顶板、底板25)岩样开展力学实验、热物理性质实验、物性实验以及微观结构表征机理性研究；

从而完成煤炭地下气化污染评价。

实施例4

本实施例提供一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m³/h。

实施例5

本实施例提供一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同、气化剂注入方式不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气+水蒸气，气化剂的注入采用两段式注入：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m³/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为25m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行。

实施例6

本实施例提供一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气+水蒸气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为3:1，控制气化剂流速为25m³/h。

Claims (49)

1.一种密闭性评价装置，该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；

所述实验腔包括可拆卸连接的实验腔盖和实验腔桶体，所述实验腔桶体由桶底和双层筒体构成，所述双层筒体包括内筒和外筒；其中，所述内筒用于装载待检测样品；

所述外筒与所述内筒之间形成空腔，所述空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；

所述内筒的筒壁上设有孔压注入孔，所述孔压注入孔与孔压注入管线连接；

所述实验腔桶体的桶底和/或实验腔盖上设有流体通道，所述流体通道包括实验流体注入通道以及实验流体产出通道；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通；

所述实验腔内筒和/或实验腔盖上设有声发射传感器安装孔；

所述装置进一步包括声发射数据采集件，所述声发射数据采集件包括声发射传感器和声发射数据采集器，所述声发射传感器与所述声发射数据采集器连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述围压施加部件包括若干液压杆，所述液压杆一端固定于所述外筒的内壁上，另一端作用于所述内筒的外壁上。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述液压杆设有液压杆滑动头，所述内筒的外壁设有液压杆滑轨，通过所述液压杆的液压杆滑动头与所述外筒的液压杆滑轨进行滑轨滑动连接的方式实现液压杆与内筒的外壁连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述实验腔的内筒是由4块板围成的两端开口的长方体；对于每块板，其中该板仅一端抵靠在与其相邻的一块板的板面上且该板的板面作为与其相邻的另一块板的抵靠板面；每块板均能够沿其抵靠板面滑动。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述实验舱进一步设有围压数据监测件，该围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据；

所述实验舱进一步设有孔压数据监测件，该孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述实验舱进一步设有实验舱外壳，所述实验舱外壳设于所述实验腔的外部，所述实验舱外壳包括可拆卸连接的外壳盖和外壳桶体。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述实验舱进一步设有耐火砖，所述耐火砖设于实验舱外壳与实验腔之间的空腔内。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，实验舱设有至少一个数据采集布线通道，所述布线通道供实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据采集布线、供实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据采集布线和供实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力数据采集三者中的至少一者使用。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，实验舱进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，温度数据采集件包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集器通过数据布线通道实现线路连接；应力应变数据采集件包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变数据采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变数据采集器通过数据布线通道实现线路连接；孔隙压力数据采集件包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器通过数据布线通道实现线路连接。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流体通道不少于四个，所述流体通道设于实验腔相对的两个端面上，所述两个端面中每个端面上至少设有两个流体通道。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，通过所述围压施加部件能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品施加垂向作用力和水平作用力，其中，水平作用力为与井眼垂直方向的水平应力。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，用以施加水平作用力的围压施加部件、用以施加垂向作用力的围压施加部件分别与不同的围压注入管线连接从而实现水平作用力、垂向作用力大小的分别控制。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，通过所述孔压注入孔能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品在水平方向施加孔压。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，不同高度的孔压注入孔与不同的孔压注入管线连接从而实现对不同高度的孔压注入孔施加不同的孔压。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述实验舱设有孔压卸压孔；

孔压注入管线上设置单向阀；

实验腔能够承受至少35MPa压力、至少1300℃的高温。

17.权利要求1-16中任一项所述的装置在煤炭地下气化密闭性评价中作为密闭性评价装置的应用。

18.一种煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，该系统包括密闭性评价装置，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元和点火单元；

所述密闭性评价装置使用权利要求1-16中任一项所述的装置；

所述气化剂制备单元与所述密闭性评价装置的实验流体注入通道连接；围压、孔压加载单元分别与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接；合成气处理单元与所述密闭性评价装置的实验流体产出通道连接；点火单元与气化剂制备单元以及密闭性评价装置连接，用以实现密闭性评价装置的实验腔内筒中装载的待检测样品的点火操作。

19.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型中至少一者的制备。

20.根据权利要求19所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述气化剂制备单元包括氧气瓶、氧气流量控制组件、氮气瓶、氮气流量控制组件、蒸汽生成器、蒸汽流量控制组件、空气压缩机、空气流量控制组件，氧气流量控制组件连接与氧气瓶连接用以控制氧气的供给流量、氮气流量控制组件与氮气瓶连接用以控制氮气的供给流量、蒸汽流量控制组件与蒸汽生成器连接用以控制蒸汽的供给流量、空气流量控制组件与空气压缩机连接用以控制空气的供给流量。

21.根据权利要求20所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述气化剂制备单元进一步包括压力计量表和温度计两者中的至少一者，压力计量表用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的压力，温度计用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的温度。

22.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述密闭性评价装置的实验腔内筒中装载的待检测样品包括顶板和煤层，煤层预制有井眼且所述井眼分别与所述实验流体注入通道和实验流体产出通道连通，所述顶板包括煤层的直接顶板和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层、含水层和上部地层，自上而下依次为上部地层、含水层、隔水层、直接顶板、煤层。

23.根据权利要求22所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述井眼中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼。

24.根据权利要求22所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，待测样品进一步包括底板，底板设于煤层之下。

25.根据权利要求24所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，当实验舱设有温度数据采集件时，温度数据采集件用以采集实验过程中煤层、顶板和/或底板的温度数据；当实验舱设有应力应变数据采集件时，用以采集顶板的应力应变数据；当实验舱设有孔隙压力数据采集件时，孔隙压力数据采集件用以采集煤层和含水层的孔隙压力。

26.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器、压力控制器、围压增压泵、孔压增压泵、围压液源罐和孔压液源罐，所述围压液源罐和孔压液源罐分别提供施加围压所用的注入介质和施加孔压所用的注入介质，围压液源罐、围压增压泵、伺服增压器依次连接，孔压液源罐、孔压增压泵、伺服增压器依次连接，伺服增压器的流体出口分别与密闭性评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，压力控制器与伺服增压器连接。

27.根据权利要求26所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，密闭性评价装置设有围压数据监测件和孔压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器中。

28.根据权利要求26所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，围压、孔压加载单元进一步包括计算机，所述计算机与压力控制器连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析。

29.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述点火单元包括点火控制器和电热丝，所述点火控制器作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于实验腔装载的待测样品中。

30.根据权利要求29所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述电热丝的一端设置于实验腔装载的待测样品中，另外一端设置于密闭性评价装置外，能够实现电热丝在实验腔装载的待测样品中拖动。

31.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述煤炭地下气化污染评价系统进一步包含数据采集单元，数据采集单元包括计算机，所述计算机与声发射数据采集件连接，用以存储、分析声发射数据采集件采集到的数据。

32.根据权利要求31所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，当所述密闭性评价装置的实验舱设有温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者时，所述数据采集单元的计算机进一步与温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者连接，用以存储、分析与该计算机连接的数据采集件采集到的数据。

33.根据权利要求18所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，合成气处理单元包括除尘器、除焦器、除硫器和燃烧室，其中除尘器、除焦器、除硫器均设置于燃烧室之前；其中，除尘器用于除去实验流体产出通道排出的合成气中的固体粉尘，除焦器用于除去所述合成气中的焦油，除硫器用于除去所述合成气中的含硫毒气，燃烧室用于对所述合成气进行燃烧处理。

34.根据权利要求33所述的煤炭地下气化密闭性评价系统，其中，所述合成气处理单元进一步包括气相色谱仪，气相色谱仪用以对除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气进行组分分析和计量。

35.一种煤炭地下气化密闭性评价方法，该方法使用权利要求18-34中任一项所述的煤炭地下气化密闭性评价系统进行，该方法包括：

1)准备气化密闭性评价用顶板、底板和煤层，所述顶板包括煤层的直接顶板和间接顶板，所述间接顶板包括致密隔水层、含水层和上部地层，在煤层中按照需要模拟的井型预制井眼并按照初次点火位置在预制的井眼中设置电热丝，在实验腔内筒中按照由下到上为底板-煤层-直接顶板、隔水层、含水层、上部地层的顺序将底板、煤层和顶板填充进实验腔内筒中，并将上述煤炭地下气化密闭性评价系统连接好；

2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加；

3)进行煤层模拟气化：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，完成煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；

4)密闭性评价：在煤层模拟气化过程中，使用声发射数据采集件进行煤层和顶板破坏发出的声发射信息数据采集，基于采集到的声发射信息数据分析煤层模拟气化过程中煤层和顶板的损伤演化以及裂缝发育情况；

从而完成煤炭地下气化密闭性评价。

36.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，该方法进一步包括在进行孔压施加时使用添加有示踪剂的水作为孔压施加介质，从而研究含水层被裂缝沟通后的流动与涌水情况，分析导水裂隙带对含水地层的沟通情况。

37.根据权利要求35或36所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，该方法进一步包括煤层模拟气化结束后进行围压、孔压卸载；围压、孔压卸载后对密闭性评价装置进行剖解，研究煤层气化后地层的发育形态。

38.根据权利要求37所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，对煤层模拟气化后地层开展力学实验、热物理性质实验、物性实验以及微观结构表征。

39.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，

当模拟U型水平井气化工艺时，在煤层中预制单孔井眼，实验流体注入通道以及实验流体产出通道分别在实验腔内筒的相对应的两端；

当模拟双水平井气化工艺时，在煤层中预制两个平行井眼，实验流体注入通道以及实验流体产出通道在实验腔内筒的同一端面上。

40.根据权利要求39所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，在煤层预制井眼中下入可燃筛管和/或套管用以支撑井眼。

41.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，

围压施加包括施加垂向作用力和水平作用力；所述垂向作用力、水平作用力用于模拟上覆地层压力和与井眼垂直方向水平地应力；

孔压施加包括对煤层施加孔压。

42.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，所述进行煤层模拟气化包括：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和气化操作，直到最后的点火位置完成煤层点火和气化，完成整个煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放。

43.根据权利要求42所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，点火位置的设置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置。

44.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，所述气化剂包括：空气气化剂、富氧空气气化剂和富氧空气+水蒸气气化剂中的至少一种。

45.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，当气化剂为富氧空气+水蒸气气化剂时，气化剂的注入采用两段式注入或者采用一段式注入；其中，

两段式注入包括：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速为0-30m³/h；第二段注入水蒸气，水蒸气流速为0-30m³/h；两个阶段依次重复进行；

一段式注入为将富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速为0-30m³/h。

46.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，在气化密闭性评价用顶板和/或底板和/或煤层中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件安装到气化试验用顶板和/或底板和/或煤层中；

对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速中的至少一者进行采集；

在步骤3)中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集。

47.根据权利要求46所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集。

48.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，

使用合成气处理单元中的气相色谱仪对合成气进行组分分析和计量，确定合成气中的可燃气体组分以及合成气的热值；

煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理包括：产生的合成气经过除尘器、除焦器、除硫器分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放。

49.根据权利要求35所述的煤炭地下气化密闭性评价方法，其中，在煤层与实验腔内筒中设有孔压注入孔的内壁间和含水层与实验腔内筒中设有孔压注入孔的内壁间填充砂子。

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