CN204964496U - 水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，包括应力加载系统、气液加载系统和气水分离系统，应力加载系统包括煤样夹持器，煤样夹持器设有保温层和温度传感与控制装置，煤样夹持器轴向的一端设有轴向加载装置，轴向加载装置连接有轴压加载的针式手动加载泵，煤样夹持器的侧壁连接有围压加载的针式手动加载泵，煤样夹持器轴向的另一端与气液加载系统相连；气液加载系统设有气相管路和液相管路，气相管路与高压瓦斯瓶和高压氦气瓶分别连接，液相管路与水力平流泵连接；轴向加载装置的外端与气水分离系统相连，气水分离系统包括真空泵和气水分离器。气水分离器和煤样夹持器分别设有称重装置。能系统深入研究高压水以一定压力侵入含瓦斯的原始煤层过程及之后，煤体含水率和瓦斯渗透率的变化规律及其耦合关系。

Description

水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种煤层瓦斯流动模拟的实验装置，尤其涉及一种水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置。

背景技术

高瓦斯压力、低渗透率与高突出危险性是我国主要煤与瓦斯突出矿区煤层赋存的基本特征，如何增加煤层透气性、降低瓦斯压力并进而消除煤层突出危险性是瓦斯灾害防治领域的重要研究课题。目前，水力化技术措施作为强化瓦斯抽采及防治煤与瓦斯突出的重要手段，已在实践中得到较为广泛的应用，包括煤层注水、水力冲孔、水力割缝、水力和水力压裂等。以往的研究表明，不同的水力化措施在瓦斯灾害防治中的作用机理不尽相同，如：苏现波等测试了煤样启动压力梯度和渗透率，认为煤层注水对基质煤块内部的瓦斯实现了封闭，使瓦斯解吸更加困难，同时随着含水饱和度增大，启动压力梯度增加且渗透率降低，这是煤层注水抑制瓦斯涌出的原因；刘明举等检验了水力冲孔在严重突出煤层中的应用效果，分析认为水力掏槽孔周围煤体向孔道移动，引起煤体变形和顶、底板相向位移，使煤层得到卸压，同时提高了煤层透气性；林柏泉等提出了钻割抽一体化技术，认为高压水力割缝破坏了钻孔周围的应力集中区，缝槽周围煤体向缝槽空间移动时产生大量拉伸裂隙和剪切裂隙，增大了煤层的透气性；王凯、刘明举等分别考察了水力挤出的防突效果，分析认为煤体的挤出使工作面前方集中应力带前移，卸压带增宽，同时破碎煤体的透气性增强；富向分析了水力压裂的增透机理，认为钻孔在高压水作用下发生起裂后，高压水在煤层中的层理面、切割裂隙及原生裂隙等各级弱面内产生水压力，促使该级弱面发生扩展和延伸，并逐步在煤层中相互连通形成贯通网络，造成煤层的压裂分解。

从上述分析中可以看出，采取煤层注水预防煤与瓦斯突出的机理在于通过水力化措施，抑制注水区域内煤中吸附瓦斯的解吸，同时使煤体含水率增加、塑性增强、渗透率降低；而关于水力冲孔、水力割缝、水力挤出和水力压裂等水力化措施，以往的研究重点则主要集中在如何改变煤体应力状态以及促进煤体裂隙的发育与发展上。值得注意的是，虽然各水力化措施的施工工艺及作用机理存在差异，但它们无一例外的共性特征是都必须使外界压力水通过煤体裂隙通道进入煤层，而水力化措施导致的煤层含水率变化以及对煤层渗透率的损伤抑制效应，从本质上讲是与水力化措施强化瓦斯抽采的目的相矛盾的。

总体而言，目前人们关于外界压力水侵入对煤层含水率和瓦斯渗透率的影响规律方面的认识目前尚不够深入，缺乏系统的研究，从而在一定程度上影响到水力化强化瓦斯抽采与瓦斯治理技术方案的合理选择及其工艺参数优化和效果评估。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能系统研究水利化措施实施过程中及实施后，即高压水侵入含瓦斯的原始煤层过程及之后，煤体含水率和瓦斯渗透率的变化规律及其耦合关系的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，包括应力加载系统、气液加载系统和气水分离系统，所述应力加载系统包括煤样夹持器，所述煤样夹持器设有保温层和温度传感与控制装置，所述煤样夹持器轴向的一端设有轴向加载装置，所述轴向加载装置连接有轴压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器的侧壁连接有围压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器轴向的另一端与气液加载系统相连；所述气液加载系统设有气相管路和液相管路，所述气相管路与高压瓦斯瓶和高压氦气瓶分别连接，所述液相管路与水力平流泵连接；所述轴向加载装置的外端与气水分离系统相连，所述气水分离系统包括真空泵和气水分离器。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，能系统深入的研究高压水侵入含瓦斯的原始煤层过程及之后，煤体含水率和瓦斯渗透率的变化规律及其耦合关系。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置的结构示意图。

图中：

1、高压瓦斯瓶，2、高压氦气瓶，3、水力平流泵，4、压力传感器，5、围压加载的针式手动加载泵，6、温度传感与控制装置，7、轴压加载的针式手动加载泵，8、流量传感器，9、气水分离器，10、保温层，11、真空泵，12、实验煤样，13、轴向加载装置。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

本实用新型的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，其较佳的具体实施方式是：

包括应力加载系统、气液加载系统和气水分离系统，所述应力加载系统包括煤样夹持器，所述煤样夹持器设有保温层和温度传感与控制装置，所述煤样夹持器轴向的一端设有轴向加载装置，所述轴向加载装置连接有轴压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器的侧壁连接有围压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器轴向的另一端与气液加载系统相连；所述气液加载系统设有气相管路和液相管路，所述气相管路与高压瓦斯瓶和高压氦气瓶分别连接，所述液相管路与水力平流泵连接；所述轴向加载装置的外端与气水分离系统相连，所述气水分离系统包括真空泵和气水分离器。

所述轴压加载的针式手动加载泵的加载管路上、围压加载的针式手动加载泵的加载管路上、气相管路上分别设有压力传感器，所述气水分离器连接有流量传感器，所述压力传感器和流量传感器分别与数据采集与处理计算机连接。

所述气水分离器和煤样夹持器分别设有称重装置。

鉴于目前各水力化措施工艺及作用机理的差异性，本实用新型针对其共性特征，系统深入研究高压水侵入含瓦斯的原始煤层过程及之后，煤体含水率和瓦斯渗透率的变化规律及其耦合关系。

具体实施例，如图1所示：

装置结构与详细参数：

QCT-2型煤岩渗透率测试系统(即煤样加载与温控系统)：

QTC-2型煤岩渗透率测试系统包括JB-Ⅲ手摇泵、夹持器、温度测量系统、压力测试系统、位移传感器、框架及计算机采集系统等。此装置主要用来测试在不同温度，不同压力下煤岩样。

技术参数：

1.岩芯尺寸：φ50×50～100mm；

2.工作压力：50MPa；

3.加热功率：800W；

4.工作温度：80℃。

SartoriusCubis系列MSA精密分析天平(高精度天平)：

Cubis系列属高精度天平，该系列产品专门设计用于精确液体、糊状、粉末或固体材料的测定质量。天平精度为0.001g，最大称重量程为500g。

Cubis天平可以独立操作，也可以连接个人电脑或联网操作。

STIPT501plus泵(注高压水泵)：

STIPT501plus溶剂输送泵是一种精度高、准确度高和可靠性高的串联双柱往复式输液泵，可与各种液谱检测器配合使用(如紫外线、可见光、电导、示差折光检测器)，也可以作为溶剂输送的平台工具。流量精度<±1％ul/min，流量范围0.001-10mL/min。压力范围0～41MPa。

微机型数显复合真空计：

真空计为一路电阻测量和一路电离测量，组合为复合真空计。电阻硅适用于粗、低真空测量，即大气压1.0×105Pa～1.0×10-1Pa测量，电离规适用于较低真空度下测量，测量范围为1.0Pa～5.0×10-5Pa。

本实用新型的装置介绍与试验方法：

其加载系统由煤样夹持器、恒温控制装置、手动加压泵及相关附属装置组成，可以实现三轴压缩试验，轴压和围压采用水力加载的方式，加载范围为0～50MPa；气水两相流独立开关设计和水力平流泵能够提供瓦斯预吸附以及不同的外侵水压力等实验所需条件；全电子式进出口压力传感器与流量传感器能够实时记录整个实验过程的进出口端压力与气体流量，精确测定瓦斯流量并计算瓦斯渗透率；通过高精度天平称量计算气水分离器重量变化量，并与承压水入口端的转子流量计配合使用，及其附属装置用于实时测定煤样含水量变化计量试验中所测水相流量参数，同时气水分离装置还可以保护气体流量计，并避免实验过程中因水汽进入气体流量计而影响实验系统正常工作和造成实验误差；针式全封闭水力加载系统和煤样夹持器设计便于煤样的放取和煤体含水率的称量与计算针式全封闭水力加载系统和煤样夹持器设计便于煤样的放取，可以通过直接称量煤样重量对煤样含水量变化量进行对比验证。

利用该实验系统，首先对干燥煤样进行加载和瓦斯预吸附平衡，然后实验模拟水力化措施过程中高压水进入受载含瓦斯煤体过程。按照正交实验设计改变原始瓦斯压力、外加轴压和围压、侵入水压和侵入时间，测试分析各因素对煤样瓦斯渗透率的影响，并在每组实验结束后通过称重计算煤样含水率增量的变化，研究水力化措施过程中受载煤体含水率与瓦斯渗透率的变化规律，建立受载含瓦斯煤体水力化措施条件与煤体含水率增量和瓦斯渗透率变化的关系模型。

水力化措施过程实验完成后，关闭高压水进口端，保持瓦斯进口端开启，模拟水力化措施结束后的瓦斯渗流涌出过程，测试分析三轴应力、瓦斯压力和渗流时间效应对煤样含水率和瓦斯渗透率的影响规律，建立受载煤体在水力化措施结束后，煤体含水率变化与瓦斯渗流涌出过程的关系模型，以及瓦斯渗透率随煤体含水率变化的演化方程。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，其特征在于，包括应力加载系统、气液加载系统和气水分离系统，所述应力加载系统包括煤样夹持器，所述煤样夹持器设有保温层和温度传感与控制装置，所述煤样夹持器轴向的一端设有轴向加载装置，所述轴向加载装置连接有轴压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器的侧壁连接有围压加载的针式手动加载泵，所述煤样夹持器轴向的另一端与气液加载系统相连；所述气液加载系统设有气相管路和液相管路，所述气相管路与高压瓦斯瓶和高压氦气瓶分别连接，所述液相管路与水力平流泵连接；所述轴向加载装置的外端与气水分离系统相连，所述气水分离系统包括真空泵和气水分离器。

2.根据权利要求1所述的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，其特征在于，所述轴压加载的针式手动加载泵的加载管路上、围压加载的针式手动加载泵的加载管路上、气相管路上分别设有压力传感器，所述气水分离器连接有流量传感器，所述压力传感器和流量传感器分别与数据采集与处理计算机连接。

3.根据权利要求1或2所述的水力化措施对煤体瓦斯渗流特性影响的物理模拟试验装置，其特征在于，所述气水分离器和煤样夹持器分别设有称重装置。