一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置

1.本发明涉及煤矿灾害监测技术领域，特别涉及一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置。


背景技术：

2.煤页岩瓦斯是在成煤或煤的变质过程中所伴生出的气体，是重要的新兴能源。我国是煤页岩瓦斯的储能大国，因此对于煤页岩瓦斯的开发利用与研究具有十分重要的战略意义。
3.目前，我国大部分地区煤页岩层属于低渗透页岩层，由于瓦斯在煤系页岩中受到很多自然条件的限制，因此对于煤页岩瓦斯的抽采效率极低，无法进行常规工业化开采。现有技术通常采用热力开采法对低渗透页岩层进行煤页岩瓦斯开采，利用热能注入提高煤页岩瓦斯的解吸渗流速度，提高煤页岩瓦斯产量，而现有的煤页岩解吸渗流实验装置通常采用恒温箱控制煤体的环境温度，此种方式无法保证煤体样品受热均匀，且实验装置对于煤层瓦斯的压力变化无法实现逐级调节。
4.因此，现有技术无法通过对煤层瓦斯逐级控压，并且模拟煤层瓦斯在原位条件下的抽采过程中气体扩散特性的准确性低。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置，解决了现有技术中无法通过对煤层瓦斯逐级控压，且模拟煤体在原位条件下的抽采过程中气体扩散特性准确低的技术问题。
6.本发明提供了一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置，包括：
7.气路系统、煤体应力加载系统、环压系统、逐级控压系统和恒温系统；
8.所述煤体应力加载系统设置在所述恒温系统中，所述煤体应力加载系统包括煤体夹持器，所述煤体夹持器用于夹持煤体；
9.所述气路系统与所述煤体应力加载系统的进气口和出气口连接；
10.所述环压系统与所述煤体夹持器连接；
11.所述逐级控压系统包括压力设定子系统和自动回压阀，所述自动回压阀的输入端与所述煤体应力加载系统的出气口连接，所述压力设定子系统与所述自动回压阀连接，用于设定所述自动回压阀的初始压力和预设压力，以对所述煤体逐级控压。
12.可选的，所述煤体夹持器的两端分别与所述煤体应力加载系统的进气口和出气口连接，所述煤体夹持器为三轴夹持器，所述煤体夹持器的轴向夹持长度可调节。
13.可选的，所述恒温系统包括恒温水浴槽，所述煤体夹持器放置在所述恒温水浴槽内，所述恒温水浴槽的温度调节范围为0-100℃。
14.可选的，所述环压系统包括轴压泵与围压泵，所述轴压泵与所述煤体夹持器连接，所述煤体夹持器通过所述轴压泵向所述煤体施加轴向应力；所述围压泵与所述煤体夹持器
连接，所述煤体夹持器通过所述围压泵向所述煤体施加环向应力。
15.可选的，所述逐级控压系统还包括回压缓冲容器、回压泵和回压压力表，所述回压压力表与所述煤体应力加载系统的出气口连接，所述回压泵与所述压力设定子系统连接，所述回压缓冲容器与所述自动回压阀的输出端连接。
16.可选的，所述气路系统包括供气子系统，所述供气子系统包括气源、增压泵、参考罐、压力传感器、电子调压阀、计量泵和压差计，所述气源与所述增压泵连接后分为两条支路，在一条支路中与所述参考罐连接，并经过所述压力传感器和所述电子调压阀与所述煤体应力加载系统的进气口连接；在另一条支路中与所述计量泵连接，并经过所述压差计与所述煤体应力加载系统的出气口连接。
17.可选的，所述气路系统还包括真空子系统，所述真空子系统包括真空泵、干燥罐、真空表和真空容器，所述真空泵经过所述干燥罐和所述真空容器与所述煤体应力加载系统的进气口连接，所述真空容器上连接有真空表。
18.可选的，所述原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置还包括流量采集控制系统，所述流量采集控制系统包括流量计与排水集气子系统，所述流量计与所述煤体应力加载系统的出气口连接，所述排水集气子系统与所述流量计连接。
19.可选的，所述气路系统和所述逐级控压系统分别连接有压力传感器，所述环压系统连接有应力传感器，所述流量采集控制系统连接有流量传感器。
20.可选的，所述原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置还包括工控机数据采集系统，所述工控机数据采集系统包括数据采集模块和工控机，所述压力传感器、所述应力传感器和所述流量传感器通过所述数据采集模块与所述工控机连接。
21.本发明提供的原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置，通过将煤体应力加载系统设置在恒温系统中，使煤体各个部位温度均匀；煤体夹持器通过环压系统可对煤体施加压力，满足随着开采深度增加，煤体在原位条件下随着煤层地温升高而应力升高的要求；通过压力设定系统设定自动回压阀的初始压力和预设压力，以对煤体逐级控压，进而准确模拟煤层瓦斯在原位条件下的抽采过程中气体扩散的特性。
22.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
23.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
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
25.图1为本发明实施例提供的一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置的结构图。
具体实施方式
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.本发明提供了一种原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置，参见图1，包括气路系统、煤体应力加载系统、环压系统、逐级控压系统和恒温系统；煤体应力加载系统设置在恒温系统中，煤体应力加载系统包括煤体夹持器，煤体夹持器用于夹持煤体；气路系统与煤体应力加载系统的进气口和出气口连接；环压系统与煤体夹持器连接；逐级控压系统包括压力设定子系统和自动回压阀，自动回压阀与煤体应力加载系统的出气口连接，压力设定子系统与自动回压阀连接，用于设定自动回压阀的初始压力和预设压力，以对煤体逐级控压。
30.本发明提供的原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置，通过将煤体应力加载系统设置在恒温系统中，使煤体各个部位温度均匀；煤体夹持器通过环压系统可对煤体施加压力，满足随着开采深度增加，煤体在原位条件下随着煤层地温升高而应力升高的要求；通过压力设定系统设定自动回压阀的初始压力和预设压力，以对煤体逐级控压，进而准确模拟煤层瓦斯在原位条件下的抽采过程中气体扩散的特性。
31.进一步的，煤体夹持器的两端分别与煤体应力加载系统的进气口和出气口连接，煤体夹持器为三轴夹持器，煤体夹持器的轴向夹持长度可调节。在本实施方式中，煤体夹持器优选为三轴岩心夹持器，主要包括夹持部件、测试压力调节部件、计量部件和数据采集处理装置，其中，夹持部件主要由孔隙体积夹持器和颗粒体积夹持器等组成，分别用来测量空隙体积和颗粒体积，并且轴向可以通过调节螺母以适应不同长度的样品，可夹持样品长度最长可达到100mm；测试压力调节部件包括压力调节阀和阀门管路等，用于提供稳定的测试压力；计量部件主要通过压力进行计量，主要由压力变送器和压力数显表组成；数据采集处理装置用于采集数据并进行处理。
32.进一步的，恒温系统包括恒温水浴槽，煤体夹持器放置在恒温水浴槽内，恒温水浴槽的温度调节范围为0-100℃。在本实施方式中，恒温水浴槽的外部是循环水浴系统，恒温水浴槽的内部用于放置煤体夹持器和煤体，煤体夹持器和煤体并不接触循环水。恒温系统通过恒温水浴槽对煤体进行水浴加热，以使煤体的各个部位温度均匀，恒温水浴槽的温度调整范围为0-100℃，使得煤体处于较大的温度范围内，便于根据实际测试需求进行灵活调整。
33.进一步的，环压系统包括轴压泵与围压泵，轴压泵与煤体夹持器连接，煤体夹持器
通过轴压泵向煤体施加轴向应力；围压泵与煤体夹持器连接，煤体夹持器通过围压泵向煤体施加环向应力。在本实施方式中，煤体夹持器的两端设有固定堵头，且四周有胶囊形状的外壁，轴压泵和围压泵分别与煤体夹持器连接，并分别为煤体夹持器提供轴向应力和环向应力，煤体夹持器利用环压系统可以对煤体施加0-80mpa的压力，使得煤体能够在满足原位条件下，随着开采深度的增加以及煤层地温升高，而提高应力的要求，煤层地温升高最高至40℃。其中，原位条件指的是模拟真实地层煤样所处的环境，本技术通过恒温系统对煤体调节温度，并利用环压系统与煤体夹持器共同作用，调节煤体的压力，以使煤体处于原位条件。
34.进一步的，逐级控压系统还包括回压缓冲容器、回压泵和回压压力表，回压压力表与煤体应力加载系统的出气口连接，回压泵与压力设定子系统连接，回压缓冲容器与自动回压阀的输出端连接。在本实施方式中，回压阀的最大耐压为10mpa，以使控制精度达到
±
0.1mpa，为控制煤体应力加载系统的出气口的气体以恒定压力模拟抽采过程中瓦斯解吸扩散。
35.进一步的，气路系统包括供气子系统，供气子系统包括气源、增压泵、参考罐、压力传感器、电子调压阀、计量泵和压差计，气源与增压泵和第一缓冲容器连接后分为两条支路，在一条支路中与参考罐连接，并经过压力传感器和电子调压阀与煤体应力加载系统的进气口连接；在另一条支路中与计量泵连接，并经过压差计与煤体应力加载系统的出气口连接。在本实施方式中，供气子系统还包括缓冲容器，供气子系统在经过气源与增压泵和缓冲容器连接进行供气后分为两条支路，一条支路通过电子调压阀以控制向煤体应力加载系统进气口提供的气体，另一条支路通过计量泵与压差计来检测煤体应力加载系统的出气口的气体，以实时检测并完成对煤体应力加载系统的供气。
36.具体地，在上述实施例中，气路系统还包括真空子系统，真空子系统包括真空泵、干燥罐、真空表和真空容器，真空泵经过干燥罐和真空容器与煤体应力加载系统的进气口连接，真空容器上连接有真空表。在本实施方式中，通过真空泵、干燥罐和真空容器配合使用，可对进入煤体应力加载系统进气口的气体进行抽真空，真空容器上的真空表可对气体进行真空压力测量。
37.进一步的，原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置还包括流量采集控制系统，流量采集控制系统包括流量计与排水集气子系统，流量计与煤体应力加载系统的出气口连接，排水集气子系统与流量计连接。在本实施方式中，流量计选用高精度的流量计，具体可选取两个量程范围分别为5ml/min和50ml/min的高精度流量计进行串联，并且采用用于高精度流量计自带的监测软件，可使检测精度达到
±
1％；排水集气子系统选取两个精度要求分别为2ml和0.5ml的量筒进行并联，通过直观观测排水体积即可得知气体的流量，并且与高精度的流量计的读数进行相互验证，本技术通过逐级控压系统与流量采集控制系统连接，能够验证气体流量计组记录数据的准确性，避免由于流量计没有校准或故障而造成读数误差。
38.具体地，在上述实施例中，气路系统和逐级控压系统分别连接有压力传感器，环压系统连接有应力传感器，流量采集控制系统连接有流量传感器。在本实施方式中，气路系统中的压力传感器可以用于检测气源提供的气体的压力，逐级控压系统中的压力传感器用于检测压力的变化；环压系统中应力传感器用于检测环压系统通过煤体夹持器施加给煤体的
应力；流量采集控制系统中的流量传感器用于检测流量的变化；本技术在各个功能系统中均连接有传感器，便于掌握实验的进展，并观测实验数据的变化。
39.具体地，在上述实施例中，原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置还包括工控机数据采集系统，工控机数据采集系统包括数据采集模块和工控机，压力传感器、应力传感器和流量传感器通过数据采集模块与工控机连接。在本实施方式中，工控机通过数据采集模块对压力传感器、应力传感器和流量传感器中的数据进行采集，工控机可用于对实验装备以及实验过程进行检测与控制，收集并反馈实验数据。
40.通过本发明提供的原位煤体逐级控压瓦斯扩散特性测试装置中的逐级控压系统具体可实现以下三种控压情形：
41.1、相同初始压力条件下不同梯度逐级调压：对于同一地层，通过调节压力设定系统设定初始压力及预设压力可以实现由初始压力减小到不同预设压力值的控制效果，并非将所有瓦斯一次性全部抽出，而是抽采至一定压力的情况，以模拟真实的抽采情况。例如，原始煤体内部的瓦斯压力为5mpa，可将预设压力值调节为4mpa。
42.2、不同初始压力条件下相同梯度逐级调压：对于不同地层，煤层瓦斯初始压力不同，通过调节压力设定系统设定不同的初始压力和预设压力，可以实现由不同初始压力减小到相同的预设压力的控制效果；用于对比初始瓦斯富集含量。例如，一种煤体初始压力为5mpa，另一种煤体初始压力为4mpa，通过逐级控压系统可将两种瓦斯富集含量不同的煤体内压力扩散为2mpa，以观测在扩散过程中瓦斯扩散特性的不同。
43.3、相同初始压力条件下连续分压逐级控制：对于同一地层，通过调节压力设定系统设定不同的初始压力和及变化过程可以实现由相同初始压力逐级依次递减的控制效果，可以实现由相同初始压力逐级依次递减的控制效果，以模拟实际情况中对同一煤层，分批次抽采的情况。例如，煤体的初始压力为5mpa，第一次抽采至4mpa，第二次从4mpa抽采至3mpa，第三次从3mpa抽采至2mpa。
44.具体的，逐级控压系统包括当前温度视窗、压力视窗与持续时间视窗。具体操作方式为调节系统下端旋钮选择设定压力(p)及持续时间(t)。
45.一种情况下：长按旋钮进入设定界面，在视窗显示出step1，点击确定后第一个出现的数字是煤体原有压力，例如选择5mpa作为初始压力后，点击旋钮确定，随后选择预设压力为4mpa，点击确定并进入tim界面，设定时间为30min，随后重复这个步骤可以完成4mpa扩散至3mpa的过程，最后长按按键完成设定，按开始旋钮，开始通过自动回压阀自动调节气体扩散压力及时间。
46.另一种情况下：在视窗显示出step1，点击确定后，设定5mpa初始压力，点击旋钮确定，随后选择第一预设压力4mpa，点击确定并进入tim界面，选择时间1小时，点击进入step2，设定第二预设压力为3mpa，设定时间为2h，点击按键，即可模拟原位煤体5mpa用30分钟扩散至4mpa，随后用两小时扩散至3mpa的抽采过程。
47.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。