一种煤体瓦斯宏-微观运移参数一体化测试系统及方法与流程

本发明涉及煤层气勘探开发利用，尤其涉及一种煤体瓦斯宏 微观运移参数一体化测试系统及方法。

背景技术：

1、瓦斯在煤体中的运移是一个跨尺度耦合过程，由微观基质孔隙内的扩散与宏观裂隙网络中的渗流两种机制协同控制。准确表征煤体瓦斯的宏观渗流与微观扩散特性，是煤矿瓦斯灾害防治和煤层气高效开发的关键。

2、目前，煤矿瓦斯渗透率与扩散的实验室测试主要采用相互分离的方法，使用不同的样品、仪器和原理进行独立测量。渗透率试验以柱状煤岩心为对象，通过施加轴压和围压模拟地层应力，测定气体渗透率以表征宏观裂隙的输运能力。扩散试验则以破碎煤粉为对象，在无应力条件下通过吸附动力学曲线反演扩散系数，以表征微观基质的传质能力。也有研究者将来自同一矿区但非同一煤样的两组测试结果进行数学关联，建立经验公式。

3、然而，现有技术的根本缺陷在于测试流程的物理过程割裂，具体导致三方面问题。其一，机理认知脱节，无法在同一物理过程中同步观测应力场动态变化如何耦合影响宏观渗透率与微观扩散，两种机制间的动态反馈关系被实验方法人为割裂。其二，关键参数失联，渗透率（k）与扩散系数（d）来源于不同物理状态（承载应力柱样与无应力粉样）、不同应力历史和不同测试环境，属非同源数据，无法建立具有严格物理意义的k-d关联模型，严重限制了跨尺度瓦斯运移数值模拟的精度与可靠性。其三，工程预测失真，扩散测试所用煤粉未经历应力加载，其物理状态与原位煤体基质存在差异，所获参数无法真实反映井下复杂应力路径下的瓦斯行为，导致工程预测偏差。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种煤体瓦斯宏-微观运移参数一体化测试系统及方法，用以解决现有技术中因渗透率与扩散系数测试分离、数据非同源所导致的数值模拟结果与实际情况偏差较大、模拟准确性和可靠性不足等问题中的至少一个。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种煤体瓦斯宏-微观运移参数一体化测试系统，包括：

4、应力-温度耦合渗透率测试模块，所述应力-温度耦合渗透率测试模块用于对煤样施加可控的轴压、围压、温度及孔隙压力，并测量流经所述煤样的气体稳态流量，以计算渗透率实测值；

5、同源煤粉制备模块，所述同源煤粉制备模块设置于所述应力-温度耦合渗透率测试模块的下游，作为离线操作工位，用于接收从所述应力-温度耦合渗透率测试模块中取出的完成渗透率测试后的同一煤样，并将所述煤样破碎筛分后获得同源煤粉；

6、恒温扩散测试模块，所述恒温扩散测试模块设置于所述同源煤粉制备模块的下游，用于容纳所述同源煤粉，向所述同源煤粉通入测试气体并控制吸附压力，在煤粉达到吸附平衡后释放气体并实时记录解吸气体流量，以计算扩散系数实测值；以及

7、数据采集与控制模块，所述数据采集与控制模块分别与所述应力-温度耦合渗透率测试模块和所述恒温扩散测试模块信号连接，用于采集压力、温度、流量数据并控制实验流程；

8、所述应力-温度耦合渗透率测试模块的气体出口与所述恒温扩散测试模块的气体入口连通。

9、进一步地，所述应力-温度耦合渗透率测试模块包括：

10、三轴压力室，所述三轴压力室设有进气端、出气端、轴压接口和围压液注入口；

11、轴压泵和围压泵，分别与所述三轴压力室的轴压接口和围压液注入口连接；

12、第一恒温水浴箱，所述三轴压力室浸没于所述第一恒温水浴箱中；

13、ch4气瓶、减压阀、第一阀门、气体缓冲罐和调压阀，所述ch4气瓶的出口经所述减压阀、所述第一阀门和所述气体缓冲罐与所述调压阀的入口连通，所述调压阀的出口经第一压力传感器和第二阀门与所述三轴压力室的进气端连通，所述第一压力传感器与所述第二阀门之间的管路上设有真空泵；

14、第三阀门和第一流量计，所述三轴压力室的出气端经所述第三阀门与所述第一流量计的入口连通，所述第一流量计的出口经第四阀门与所述恒温扩散测试模块的气体入口连通；

15、第四阀门，所述第四阀门设置于所述第一流量计的出口与所述恒温扩散测试模块的气体入口之间的管路上；

16、所述第一压力传感器、所述第一流量计、所述轴压泵和所述围压泵分别与所述数据采集与控制模块信号连接。

17、进一步地，所述恒温扩散测试模块包含多组并联的测试支路，每组所述测试支路沿气流方向依次包括：

18、第五阀门，所述第五阀门的入口端与所述应力-温度耦合渗透率测试模块的气体出口连通；

19、缓冲罐，所述缓冲罐的入口端与所述第五阀门的出口端连通；

20、所述缓冲罐的出口端分为第一支路和第二支路：

21、第一支路经第六阀门与第二压力传感器的入口端连通，所述第二压力传感器的出口端与第二流量计的入口端连通；

22、第二支路经电磁阀与煤样罐的进气口连通；

23、所述电磁阀与所述煤样罐之间的管路上还设有第三支路，所述第三支路经第七阀门与所述第二流量计的入口端连通。

24、所述煤样罐上设有第三压力传感器和压力表阀，所述第三压力传感器和所述压力表阀分别与所述煤样罐内部连通；

25、所述煤样罐置于第二恒温水浴箱中；

26、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述电磁阀及所述第二流量计分别与所述数据采集与控制模块信号连接。

27、进一步地，所述数据采集与控制模块包括数据采集系统和计算机，所述计算机与所述数据采集系统通过通信接口连接；所述数据采集系统与所述轴压泵、所述围压泵、所述第一恒温水浴箱的温控单元、所述第一压力传感器、所述第一流量计、各所述测试支路中的第二压力传感器、第三压力传感器、电磁阀及第二流量计信号连接。

28、进一步地，所述同源煤粉制备模块包括破碎单元和筛分单元，所述筛分单元设置于所述破碎单元的下游；所述破碎单元为液氮冷冻脆化装置和/或低损伤破碎机。

29、本发明提供了一种采用所述的测试系统进行煤体瓦斯宏-微观运移参数一体化的测试方法，包括以下步骤：

30、s1：利用所述应力-温度耦合渗透率测试模块，对装入所述三轴压力室中的煤样施加设定的轴压、围压和温度，通入测试气体至目标孔隙压力并使煤样达到吸附平衡，在煤样两端建立稳定压差并测量稳态气体流量，计算该条件下的渗透率实测值；改变轴压、围压、孔隙压力或温度中的至少一个变量，重复操作以获取多组不同应力-温度条件下的渗透率实测值数据；

31、s2：卸除应力，从所述三轴压力室中取出完成渗透率测试的同一煤样，转移至所述同源煤粉制备模块中破碎至目标粒度并筛分，获得同源煤粉；

32、s3：利用所述恒温扩散测试模块，将所述同源煤粉装入所述煤样罐中，通入测试气体至目标吸附压力并使煤粉达到吸附平衡，快速释放气体并实时记录解吸气体流量随时间的变化曲线，基于扩散定律反演计算该温度和吸附压力条件下的扩散系数实测值；改变温度和/或吸附压力中的至少一个变量，重复操作以获取多组不同温度和/或吸附压力条件下的扩散系数实测值数据；

33、s4：将步骤s1获得的数据与步骤s3获得的数据按照相同的样品编号、应力历史和温度条件关联，形成k-d同源实验数据集；

34、s5：构建渗透率模型和扩散模型：

35、所述渗透率模型中引入敏感性系数sf以表征气体吸附与温度耦合作用下煤基质体积膨胀对裂隙变形的综合贡献，所述渗透率模型中还引入基于裂纹单位表面能的损伤变量以表征煤岩损伤程度；

36、通过无量纲结构因子将所述渗透率模型和所述扩散模型进行关联，其中，为渗透率模型计算值，为扩散系数模型计算值，为煤粉颗粒半径，形成k-d跨尺度耦合本构模型；

37、基于所述k-d同源实验数据集标定所述k-d跨尺度耦合本构模型的待定参数，获得标定后的k-d跨尺度耦合本构方程组。

38、进一步地，所述渗透率模型的表达式为：

39、；

40、其中，为渗透率模型计算值，k0为初始渗透率，为裂隙压缩性系数，为外应力变化量，为biot系数，为孔隙压力变化量，为敏感性系数，为langmuir体积应变常数，为当前孔隙压力，为langmuir压力常数，为初始孔隙压力，为热膨胀系数，为温度变化量，为损伤-渗透率系数，为综合损伤变量。

41、进一步地，所述综合损伤变量的表达式为：

42、；

43、其中，为温度t下的弹性模量，为常温下的弹性模量，为裂纹单位表面能，为weibull尺度参数，m为weibull形状参数。

44、进一步地，所述k-d跨尺度耦合本构模型的表达式为：

45、;

46、其中，为初始结构因子，d0为初始扩散系数，为损伤-扩散耦合系数，为有效应力敏感系数，为吸附膨胀贡献系数，为扩散活化能，r为气体常数，t为温度。

47、进一步地，步骤s5中所述标定采用联合回归方法：

48、将步骤s1获得的多组不同应力-温度条件下的渗透率实测值数据代入所述渗透率模型，以渗透率实测值与渗透率模型计算值的残差平方和最小为目标，非线性回归拟合确定所述渗透率模型中的待定参数、、；

49、将步骤s3获得的多组不同温度和/或吸附压力条件下的扩散系数实测值数据代入扩散模型，以扩散系数实测值与扩散系数模型计算值的残差平方和最小为目标，非线性回归拟合确定所述扩散模型中的待定参数、、、；

50、所述渗透率模型和所述扩散模型的待定参数同步优化，以跨尺度结构因子k-d跨尺度耦合本构模型作为物理一致性约束，确保标定参数满足宏-微观耦合关系。

51、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

52、（1）本发明提供的煤体瓦斯宏微观运移参数一体化测试系统中，通过应力温度耦合渗透率测试模块、同源煤粉制备模块和恒温扩散测试模块的协同工作，实现了在同一煤样上依次完成渗透率测试、煤样破碎和扩散测试的连续实验流程，从根本上保证了宏观渗透率k与微观扩散系数d源自同一煤样、同一应力历程，使获得的kd参数及关联模型具备强物理一致性与高可信度，解决了现有技术中k与d数据来源不同导致的参数失联问题，为跨尺度瓦斯运移数值模拟提供了物理一致的本构关系。

53、（2）本发明提供的测试方法中，通过“渗透率测试→同源煤粉制备→扩散测试”的一体化连续流程，使煤样经历从原位赋存到工程扰动再到同源煤粉扩散的全过程，将煤样的完整应力历史传递至微观扩散测试，使得扩散测试条件更接近原位真实环境，所获扩散参数能够真实反映井下复杂应力路径下的瓦斯行为，解决了现有技术中煤粉测试条件与原位条件不符导致的工程预测失真问题，提高了工程决策的准确性。

54、（3）本发明提供的测试方法中，通过数据采集与控制模块将渗透率k数据与扩散系数d数据按照相同应力历史编号和温度条件自动关联，形成kd同源实验数据集，并结合渗透率模型和扩散模型通过无量纲结构因子进行关联，构建了具有物理一致性的跨尺度本构模型，为数值模拟提供了可靠的同源数据支撑和实验验证基准，解决了现有技术中瓦斯压力场和流量场模拟结果与实际情况偏差较大、模拟准确性和可靠性不足的问题。

55、（4）本发明提供的渗透率模型中，通过引入敏感性系数sf统一表征气体吸附与温度耦合作用下煤基质体积膨胀对裂隙变形的综合贡献，避免了传统模型中需分别处理吸附膨胀与热膨胀耦合效应的复杂性和不确定性，使得渗透率在应力-温度-吸附多场耦合条件下的演化描述更为准确，最终提高了瓦斯压力场和流量场的模拟精度。

56、（5）本发明提供的损伤变量模型中，依据griffith准则以裂纹单位表面能e作为weibull分布的随机分布变量，克服了传统方法以强度或应变为随机分布变量无法准确反映煤岩失效本质的缺陷，使损伤演化过程的描述更符合实际物理机制，从而提高了模型在塑性变形阶段对渗透率演化的预测能力，最终使得“加载-卸压-损伤”等工程扰动条件下的模拟结果更接近实际情况。

57、（6）本发明通过一次制样即可获取完整、关联的宏微观运移参数体系，大幅提高了测试效率与数据价值，降低了综合研究成本；所建立的精准kd模型可直接应用于瓦斯灾害智能预警、抽采动态优化与煤层气开发数值模拟，推动瓦斯治理向精准化、智能化发展。

58、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。