CN218546437U - 考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置，采用抽真空单元和供气单元与温湿效应一体化样品罐连接，样品罐分为上下两段，上段罐体设有进气口和出气口，下段罐体内设有不锈钢置样台和过饱和盐溶液储存腔，保证了罐内湿度环境的供给，样品罐外围设有保温媒介层和包裹式加热贴片用于提供罐内温度环境；在样品罐内还设有温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器与外部数据处理器连接，数据处理器连接有工业控制计算机。本实用新型能够实现温度与湿度共同作用下的样品吸附变形量的长期自动监测，能够较好地用于研究温度和湿度共同作用下的煤岩吸附变形特性。

Description

考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置

技术领域

本实用新型涉及煤岩吸附变形试验装置领域，具体是一种考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置。

背景技术

工程实践证明，瓦斯抽采是降低或消除煤层瓦斯危险性、开发煤层瓦斯资源的主要技术手段。深部煤层气储层温度随采深不断增加，温度对煤层气抽采效果的影响不容忽视。煤岩是一种对温度十分敏感的有机岩体，温度升高可以减小煤中吸附气体量，从而降低煤体吸附变形量，改善煤层渗透性。同时煤体内部存在热膨胀、热开裂等微观响应也对煤层气开采具有重要意义。此外，低阶煤煤层气在我国煤层气资源总量中所占比例达40％，开发潜力巨大，而低阶煤赋存着较高的内在水含量，水在煤中会产生吸湿变形并对煤中瓦斯气体的流动产生显著影响。煤岩体积变形是影响煤层气渗透率演化的重要参量，因此，研究考虑温度与湿度共同作用的煤岩吸附变形特征，对掌握深部煤层瓦斯气体渗透率演化规律及深部煤层气安全高效抽采具有重要意义。然而现有技术更多关注温度(如CN201210558897.0、CN201710354692.3)或湿度(如CN201910607530.5、CN201811306744.0)单因素下的煤岩吸附变形测试，并且往往采用外置式水蒸气环境供给装置，设备操作复杂且难以保证水蒸气供给效果，为此本专利提出一种考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置，主要包括抽真空单元、供气单元、温湿效应一体化样品罐和数据采集存储单元；所述抽真空单元和供气单元与温湿效应一体化样品罐连接；所述温湿效应一体化样品罐分为上下两段，上段罐体设有进气口和出气口，下段罐体内设有不锈钢置样台和过饱和盐溶液储存腔；所述数据采集存储单元包括设于温湿效应一体化样品罐内的温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器，分别通过温度湿度监测线路、应变监测线路、压力监测线路与数据处理器连接，数据处理器还连接有工业控制计算机。

进一步的，所述抽真空单元包括真空泵以及依次设在真空泵管路上的第一截止阀及第一放空阀；所述供气单元包括气瓶以及依次设置在气瓶管路上的气瓶减压阀、第二截止阀、压力表、隔爆阀及第二放空阀；在第一截止阀和第一放空阀之间的真空泵管路与在压力表和隔爆阀之间的气瓶管路连通。

进一步的，所述气瓶包括高压氦气瓶和高压瓦斯气瓶。

进一步的，上段罐体的进气口和出气口连接于隔爆阀及第二放空阀之间的气瓶管路上。

进一步的，温湿效应一体化样品罐的上段罐体和下段罐体通过螺纹卡合和环形卡箍进行连接，并且上段罐体和下段罐体间采用O型垫圈保证密封效果；温湿效应一体化样品罐外部设有保温媒介层，且在温湿效应一体化样品罐与保温媒介层之间还设有包裹式加热贴片。

进一步的，还包括PLC程序控制单元，具体为第一放空阀、第二截止阀和第二放空阀、温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器、包裹式加热贴片均设置PLC监测控制器，工业计算机将温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器所实时采集的关于温度、湿度、压力、应变数据传输至PLC监测控制器，PLC监测控制器对获取数据进行判断，开启或关闭对应阀门以及控制包裹式加热贴片进行控温操作，实现整体装置的半自动化运行。

有益效果：本实用新型能够实现温度与湿度共同作用下的样品吸附变形量的长期自动监测，能够较好地用于研究温度和湿度共同作用下的煤岩吸附变形特性。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是温湿效应一体化样品罐上下两段罐体剖面示意图；

图3是温湿效应一体化样品罐整体剖面示意图；

图4是环形卡箍示意图；

图中：1.真空泵，2.气瓶，3.温湿效应一体化样品罐，4.进气口，5.不锈钢置样台，6.出气口，7.过饱和盐溶液储存腔，8.数据处理器，9.工业计算机，10.温度湿度一体数据采集器，11.应变数据采集器，12.压力数据采集器，13.环形卡箍， 14.保温媒介层，15.包裹式加热贴片，16.温度湿度监测线路，17.应变监测线路， 18.压力监测线路；

P1.压力表，JF1.气瓶减压阀，F1.第一截止阀，F2.第一放空阀，F3.第二截止阀，F4.隔爆阀，F5.第二放空阀。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步的详细描述。

(1)实施例一

如图1所示，本实用新型考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置主要包括抽真空单元、供气单元、温湿效应一体化样品罐和数据采集存储单元；所述抽真空单元包括真空泵1以及依次设在真空泵管路上的第一截止阀F1及第一放空阀F2；所述供气单元包括气瓶2以及依次设置在气瓶管路上的气瓶减压阀JF1、第二截止阀F3、压力表P1、隔爆阀F4及第二放空阀F5；在第一截止阀F1和第一放空阀F2之间的真空泵管路与在压力表P1和隔爆阀F4之间的气瓶管路连通；所述气瓶2包括高压氦气瓶和高压瓦斯气瓶。

如图2所示，所述温湿效应一体化样品罐3分为上下两段，上段罐体设有进气口4和出气口6，并连接于隔爆阀F4及第二放空阀F5之间的气瓶管路上；下段罐体内设有不锈钢置样台5和过饱和盐溶液储存腔7；

所述数据采集存储单元包括设于温湿效应一体化样品罐3内的温度湿度一体数据采集器10、应变数据采集器11、压力数据采集器12，分别通过温度湿度监测线路16、应变监测线路17、压力监测线路18与数据处理器8连接，数据处理器8还连接有工业控制计算机9。

进一步的，如图3-4所示，温湿效应一体化样品罐3的上段罐体和下段罐体通过螺纹卡合和环形卡箍13进行连接，并且上段罐体和下段罐体间采用O型垫圈保证密封效果；温湿效应一体化样品罐3外部设有保温媒介层14，且在温湿效应一体化样品罐3与保温媒介层14之间还设有包裹式加热贴片15，用于改变温湿效应一体化样品罐3内部温度条件。

上述煤岩吸附变形试验装置进行测试的具体方法包括以下步骤：

(a)将制备的过饱和盐溶液置于下段罐体的过饱和盐溶液储存腔7中，将干燥试验煤样放置在不锈钢置物台5上，将应变数据采集器11固定在试验煤样表面，连接固定上段罐体和下段罐体；

(b)关闭第一截止阀F1，开启第二截止阀F3，关闭第一放空阀F2和第二放空阀F5，打开存储有氦气的高压气瓶2、气瓶减压阀JF1、隔爆阀F4，观察压力表P1，向系统中冲入预定压力的氦气；通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算机9和压力数据采集器12观察温湿效应一体化样品罐3内的气体压力数值，达到预设值后，关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1、第二截止阀F3，监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力变化情况，以检查系统的气密性；

(c)待气密性检验合格后，打开第二放空阀F5，将系统内氦气放空，监测到温湿效应一体化样品罐3的内部压力降低到0.1MPa后，关闭第二放空阀F5，此时试验煤样与过饱和盐溶液储存腔7中提供的湿度环境进行接触，处于恒湿环境；同时控制包裹式加热贴片15到达预定温度，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9及温度湿度一体数据采集器10观测温度，确保温湿效应一体化样品罐3内处于恒温状态；

(d)通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样应变数值；当应变数据无明显变化时认为达到吸湿变形平衡状态，完成恒定湿度条件下煤样变形监测；

(e)改变包裹式加热贴片15的温度，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样处于新设定温度环境下的应变数值，可获得温度湿度共同作用下煤样变形特征；

(f)打开第一截止阀F1、利用真空泵1对温湿效应一体化样品罐3进行抽真空，为防止湿煤样大量水分被一同抽出，抽真空时间以1min为宜，抽真空结束后关闭第一截止阀F1；

(g)打开第二截止阀F3，打开存储有瓦斯的高压气瓶2、气瓶减压阀JF1，观察压力表P1，向温湿效应一体化样品罐3内注入指定压力的瓦斯气体，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和压力数据采集器12监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力，当罐内气体压力达到设定值后且压力值无明显变化后，关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1和第二截止阀F3，认为温湿效应一体化样品罐3内达到瓦斯气体吸附平衡状态，利用采集到的应变数据分析温度湿度共同作用下煤样吸附瓦斯变形特征。

(2)实施例二

采用实施例一的煤岩吸附变形试验装置，进行考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验，以预配置过饱和硫酸钾溶液(对应相对湿度98％)、温度为20℃、吸附瓦斯2MPa为例开展煤体吸附变形试验，具体测试方法说明如下：

(a)将制备的硫酸钾过饱和溶液置于过饱和盐溶液储存腔7中，干燥试验煤样置于不锈钢置物台5上，并将应变数据采集器11固定在试验煤样表面，连接固定上段罐体和下段罐体；

(b)关闭第一截止阀F1，开启第二截止阀F3，关闭第一放空阀F2和第二放空阀F5，打开存储有氦气的高压气瓶2及气瓶减压阀JF1，观察压力表P1，向系统中冲入5～7MPa压力的氦气；通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算机9和压力数据采集器12观察温湿效应一体化样品罐3内的气体压力数值，达到5～7MPa值后，关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1，并关闭第二截止阀F3，监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力变化情况，检查系统的气密性；

(c)待气密性检验合格后，打开第二放空阀F5，将系统内氦气放空，监测到温湿效应一体化样品罐3的内部压力降低到0.1MPa后，关闭第二放空阀F5，此时试验煤样与过饱和盐溶液储存腔7中提供的湿度环境进行接触，处于恒湿环境；同时控制包裹式加热贴片15到达初始温度20℃，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9及温度湿度一体数据采集器10，确保温湿效应一体化样品罐3内处于恒温状态；

(d)通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样应变数值；当应变数据无明显变化(<3×10^-6/30min)时认为达到吸湿变形平衡状态，完成恒定湿度条件下煤样变形监测；

(e)改变包裹式加热贴片15的温度，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样处于新设定温度环境下的应变数值，可获得温度湿度共同作用下煤样变形特征；

(f)打开第一截止阀F1、利用真空泵1对温湿效应一体化样品罐3进行抽真空，为防止湿煤样大量水分被一同抽出，抽真空时间以1min为宜，抽真空结束后关闭第一截止阀F1；

(g)打开第二截止阀F3，打开存储有瓦斯的高压气瓶2、气瓶减压阀JF1，观察压力表P1，向温湿效应一体化样品罐3内注入2MPa压力的瓦斯气体，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和压力数据采集器12监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力，当罐内气体压力达到设定值且无明显变化(<0.001MPa/30min)后，关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1和第二截止阀F3，认为温湿效应一体化样品罐3内达到瓦斯气体吸附平衡状态，利用采集到的应变数据分析温度湿度共同作用下煤样吸附瓦斯变形特征。

(3)实施例三

在实施例一的基础上，增加了PLC程序控制单元，提高试验装置的智能化水平。

如图1所示，本实用新型考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置主要包括抽真空单元、供气单元、温湿效应一体化样品罐、数据采集存储单元和 PLC程序控制单元；所述抽真空单元包括真空泵1以及依次设在真空泵管路上的第一截止阀F1及第一放空阀F2；所述供气单元包括气瓶2以及依次设置在气瓶管路上的气瓶减压阀JF1、第二截止阀F3、压力表P1、隔爆阀F4及第二放空阀 F5；在第一截止阀F1和第一放空阀F2之间的真空泵管路与在压力表P1和隔爆阀F4之间的气瓶管路连通；所述气瓶2包括高压氦气瓶和高压瓦斯气瓶。

如图2所示，所述温湿效应一体化样品罐3分为上下两段，上段罐体设有进气口4和出气口6，并连接于隔爆阀F4及第二放空阀F5之间的气瓶管路上；下段罐体内设有不锈钢置样台5和过饱和盐溶液储存腔7；

所述数据采集存储单元包括设于温湿效应一体化样品罐3内的温度湿度一体数据采集器10、应变数据采集器11、压力数据采集器12，分别通过温度湿度监测线路16、应变监测线路17、压力监测线路18与数据处理器8连接，数据处理器8还连接有工业控制计算机9；

PLC程序控制单元具体为第一放空阀F2、第二截止阀F3和第二放空阀F5、温度湿度一体数据采集器10、应变数据采集器11、压力数据采集器12、包裹式加热贴片15均设置PLC监测控制器，工业计算机14将温度湿度一体数据采集器10、应变数据采集器11、压力数据采集器12所实时采集的关于温度、湿度、压力、应变数据传输至PLC监测控制器，PLC监测控制器对获取数据进行判断，开启或关闭对应阀门以及控制包裹式加热贴片15进行控温操作，实现整体装置的半自动化运行。

进一步的，如图3-4所示，温湿效应一体化样品罐3的上段罐体和下段罐体通过螺纹卡合和环形卡箍13进行连接，并且上段罐体和下段罐体间采用O型垫圈保证密封效果；温湿效应一体化样品罐3外部设有保温媒介层14，且在温湿效应一体化样品罐3与保温媒介层14之间还设有包裹式加热贴片15，用于改变温湿效应一体化样品罐3内部温度条件。

上述煤岩吸附变形试验装置进行测试的具体方法包括以下步骤：

(a)将制备的过饱和盐溶液置于下段罐体的过饱和盐溶液储存腔7中，将干燥试验煤样放置在不锈钢置物台5上，将应变数据采集器11固定在试验煤样表面，连接固定上段罐体和下段罐体；

(b)手动关闭第一截止阀F1，PLC监测控制器自动开启第二截止阀F3、关闭第一放空阀F2和第二放空阀F5，手动打开存储有氦气的高压气瓶2、气瓶减压阀JF1、隔爆阀F4，观察压力表P1，向系统中冲入预定压力的氦气；通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算机9和压力数据采集器12观察温湿效应一体化样品罐3内的气体压力数值，达到预设值后，手动关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1，PLC监测控制器自动关闭第二截止阀F3，监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力变化情况，以检查系统的气密性；

(c)待气密性检验合格后，PLC监测控制器打开第二放空阀F5，将系统内氦气放空，监测到温湿效应一体化样品罐3的内部压力降低到0.1MPa后，PLC监测控制器关闭第二放空阀F5，此时试验煤样与过饱和盐溶液储存腔7中提供的湿度环境进行接触，处于恒湿环境；同时PLC监测控制器控制包裹式加热贴片 15到达预定温度，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9 及温度湿度一体数据采集器10观测温度，确保温湿效应一体化样品罐3内处于恒温状态；

(d)通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样应变数值；当应变数据无明显变化时认为达到吸湿变形平衡状态，PLC监测控制器自动完成恒定湿度条件下煤样变形监测；

(e)通过PLC监测控制器改变包裹式加热贴片15的温度，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和应变数据采集器11，采集温湿效应一体化样品罐3内的试验煤样处于新设定温度环境下的应变数值，可获得温度湿度共同作用下煤样变形特征；

(f)手动打开第一截止阀F1、利用真空泵1对温湿效应一体化样品罐3进行抽真空，为防止湿煤样大量水分被一同抽出，抽真空时间以1min为宜，抽真空结束后关闭第一截止阀F1；

(g)PLC监测控制器打开第二截止阀F3，手动打开存储有瓦斯的高压气瓶2、气瓶减压阀JF1，观察压力表P1，向温湿效应一体化样品罐3内注入指定压力的瓦斯气体，通过数据采集存储单元的数据处理器8、工业控制计算器9和压力数据采集器12监测温湿效应一体化样品罐3内气体压力，当罐内气体压力达到设定值后且压力值无明显变化后，手动关闭气瓶2、气瓶减压阀JF1，PLC监测控制器关闭第二截止阀F3，认为温湿效应一体化样品罐3内达到瓦斯气体吸附平衡状态，利用采集到的应变数据分析温度湿度共同作用下煤样吸附瓦斯变形特征。

Claims (6)

1.一种考虑温度湿度共同作用下的煤岩吸附变形试验装置，包括抽真空单元、供气单元、温湿效应一体化样品罐和数据采集存储单元，其特征在于，所述抽真空单元和供气单元与温湿效应一体化样品罐连接；所述温湿效应一体化样品罐分为上下两段，上段罐体设有进气口和出气口，下段罐体内设有不锈钢置样台和过饱和盐溶液储存腔；所述数据采集存储单元包括设于温湿效应一体化样品罐内的温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器，分别通过温度湿度监测线路、应变监测线路、压力监测线路与数据处理器连接，数据处理器还连接有工业控制计算机。

2.根据权利要求1所述的煤岩吸附变形试验装置，其特征在于，所述抽真空单元包括真空泵以及依次设在真空泵管路上的第一截止阀及第一放空阀；所述供气单元包括气瓶以及依次设置在气瓶管路上的气瓶减压阀、第二截止阀、压力表、隔爆阀及第二放空阀；在第一截止阀和第一放空阀之间的真空泵管路与在压力表和隔爆阀之间的气瓶管路连通。

3.根据权利要求2所述的煤岩吸附变形试验装置，其特征在于，所述气瓶包括高压氦气瓶和高压瓦斯气瓶。

4.根据权利要求2所述的煤岩吸附变形试验装置，其特征在于，上段罐体的进气口和出气口连接于隔爆阀及第二放空阀之间的气瓶管路上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的煤岩吸附变形试验装置，其特征在于，温湿效应一体化样品罐的上段罐体和下段罐体通过螺纹卡合和环形卡箍进行连接，并且上段罐体和下段罐体间采用O型垫圈保证密封效果；温湿效应一体化样品罐外部设有保温媒介层，且在温湿效应一体化样品罐与保温媒介层之间还设有包裹式加热贴片。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的煤岩吸附变形试验装置，其特征在于，还包括PLC程序控制单元，具体为第一放空阀、第二截止阀、第二放空阀、温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器、包裹式加热贴片均设置PLC监测控制器，工业计算机将温度湿度一体数据采集器、应变数据采集器、压力数据采集器所实时采集的关于温度、湿度、压力、应变数据传输至PLC监测控制器，PLC监测控制器对获取数据进行判断，开启或关闭对应阀门以及控制包裹式加热贴片进行控温操作，实现整体装置的半自动化运行。

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