利用示踪气体测试煤体渗透率的系统及方法技术方案

利用示踪气体测试煤体渗透率的系统及方法，属于煤矿安全技术领域，以克服现有技术不能真实的反应深部煤体在原始状态下渗透特性的缺点。包括注气、注气观测及渗透观测管路，注气管路包括依次连接的筛孔管、连通管及三通管，该三通管与储存有示踪气体的气瓶间接相连；注气观测管路包括依次连接的筛孔管、连通管及浓度检测仪；渗透观测管路包括依次连接的筛孔管、连通管及三通管，三通管的另外两端分别连接有压力表与浓度检测仪；浓度检测仪分别与主机相连；通过注气管路注入示踪气体，利用注气观测管路对注气管路的筛孔管所在的孔中气体含量观测，并利用渗透观测管路观测渗透的气体；适用于测试煤体中气体渗透率。

【技术实现步骤摘要】
利用示踪气体测试煤体渗透率的系统及方法
本专利技术属于煤矿安全
，涉及一种测试煤体渗透率的系统及方法，具体是一种利用示踪气体测试煤体渗透率的系统及方法。
技术介绍
煤炭是我国的主体能源，煤矿产业也是我国经济发展中其他相关企业发展的基础，在我国一直都有着重要的地位。近10年来，随着资源利用的加剧，地球浅部资源日益减少，资源开采逐渐向深部拓展，国内外矿山逐步进入深部资源开采状态。然而，我国煤矿地质条件极其复杂，随着煤矿开采深度逐渐增大，深部煤层开采具有高应力、高井温、高井深、瓦斯含量高、渗透性低、煤矿变化梯度大等特点，且随着深度的增加，瓦斯突出、冒顶等重特大事故的概率也逐渐增大，煤矿安全问题引起了人们的广泛关注。瓦斯作为煤的伴生矿产资源，以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，而煤体作为一种多孔介质，具有一定的渗透性，即一定颗粒的流体可以向煤体内渗透，甚至从煤体内流过、传递到下一种介质中。在巷道掘进和煤层开采过程中会使赋存于煤体的瓦斯发生运移，当瓦斯含量过高时，可能发生瓦斯突出、瓦斯爆炸等灾害事故。因此，为了避免瓦斯含量过高而发生灾害事故，有必要在工程实践中测试煤层瓦斯渗透率，探究深部煤体瓦斯赋存特征及瓦斯的运移规律，为瓦斯治理和为瓦斯抽采提供依据。影响煤体渗透特性的因素有多种，主要包括煤体的孔隙率、密度、孔径结构、弹性模量、体积模量等。对于某种固定流体在煤体内的渗透率来说，其影响因素除了煤体自身的因素还包括流体的动力粘滞系数、密度等参数，同时煤岩体的地质构造、自重应力和煤层开采等都对煤岩体渗透率产生影响。目前主要通过室内实验、数值模拟方法对煤体渗透率进行研究，其不能真实的反应深部煤体在原始状态下的渗透特性。因此，亟需一种能够在原始状态下测试煤体渗透率的系统与方法，为煤矿企业安全生产过程中涉及的瓦斯治理与瓦斯抽采提供依据。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了测试深部煤体在原始状态下的渗透率，提供一种利用示踪气体测试煤体渗透率的系统及方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用示踪气体测试煤体渗透率的系统，包括注气管路、注气观测管路及若干条渗透观测管路，还包括孔内管道，孔内管道包括筛孔管和若干根依次连接的连通管，筛孔管与第一根连通管相连，最后一根连通管的末端为孔内管道的连接口，孔内管道的数目与注气管路、注气观测管路及渗透观测管路三条管路的数目之和相同，注气管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气三通管相连，注气三通管的另外两端分别连接有注气压力表与通气管，通气管的另一端与储存有示踪气体的气瓶相连，通气管上设置有控制示踪气体流量的阀门；注气观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气观测浓度检测仪相连接；渗透观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与渗透观测三通管相连，渗透观测三通管的另外两端分别连接有渗透观测压力表与渗透观测浓度检测仪；注气观测浓度检测仪与渗透观测浓度检测仪分别与主机相连，用于将测得的浓度数据传送给主机，主机又与计算机相连，用于将数据传送给计算机使得计算机计算气体渗透率，主机为多通道主机，通道的数目与浓度检测仪的数目一一对应；通过注气管路注入示踪气体，利用注气观测管路对注气管路的孔内管道所在的孔中示踪气体含量观测，并利用渗透观测管路观测渗透的示踪气体。具体的，各个管路的孔内管道相互平行设置，且各孔内管道在竖直或水平方向的投影相重叠；渗透观测管路的孔内管道是以注气管路的孔内管道为圆心布置于注气管路周围，渗透观测管路的孔内管道到注气管路的孔内管道的距离为1～3m。优选的，筛孔管未与连通管连接的端头为扁平状封闭结构。进一步的，注气观测浓度检测仪与渗透观测浓度检测仪分别包括检测单元、微处理器、传输单元，微处理器分别与检测单元及传输单元相连，传输单元通过数据接口与线缆相接，微处理器将检测的气体浓度信息转化为电信号，通过线缆将气体浓度信息传输给主机。进一步的，注气观测浓度检测仪与渗透观测浓度检测仪分别内置有检测单元、存储单元、无线传输单元及微处理器，微处理器分别与检测单元、存储单元及无线传输单元相连，主机内设置有能够与注气观测浓度检测仪与渗透观测浓度检测仪的无线传输单元通信的无线传输模块。进一步的，主机包括存储模块、传输模块及处理控制模块，处理控制模块分别与存储模块及传输模块相连，处理控制模块将由传输模块接收到的气体浓度电信号进行处理后转换为数字信号，并存储到存储模块中，再通过传输模块将气体浓度信息传输至计算机。优选的，主机还包括图形显示模块，图形显示模块与处理控制模块相连。本专利技术解决其技术问题所采用的另一技术方案是：一种利用示踪气体测试煤体渗透率的方法，基于上述利用示踪气体测试煤体渗透率的系统，包括以下步骤：A.在测试煤层内钻取两个钻孔，其中，一个钻孔用于将矿用测温计放置于孔底测试煤层温度T，另一个钻孔用于利用压力表测试煤层瓦斯压力P；同时钻取注气孔与观测孔，两孔的孔间距为L，孔径为d，并记录上述数值；B.在注气孔内分别依次放置注气管路、注气观测管路的孔内管道，在观测孔内放置渗透观测管路的孔内管道，并利用封孔材料分别对注气孔和观测孔进行封孔；C.将各个管路的其他设备都连接好，将注气压力表放置在注气孔孔口，观测注气孔孔口的注气压力表变化，并实时记录注气控内压力p1；D.打开主机，将主机调试到实时监测气体浓度模式；E.打开阀门，当注气孔内压力大于煤层瓦斯压力a倍时，停止注气，a是为了保证注气孔压力大于煤层瓦斯压力设定的一个倍数，取值范围为1.1～1.5；F.利用注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别实时观测注气孔与观测孔内示踪气体的浓度变化，并将数据传输给主机进行记录，在每次记录浓度信息时，同时记录注气孔压力p1，监测完后，将主机内的示踪气体浓度信息导出到计算机进行后处理；G.计算机接收数据后，进行以下操作，应用达西定律来计算煤体的渗透系数K和渗透率k，公式如下：式中，v为渗流速度，单位为m/s；为压力梯度，单位为Pa；K为渗透系数，单位为m/s；渗透系数为式中ρ为流体密度，μ为流体的动力黏滞系数，g为加速度，k为表征裂隙介质渗透性能的常数，称为渗透率，单位为10-3um2，它取决于岩体的性质和裂隙几何特征，而与流体的性质无关，将式(1)和式(2)结合，可以得出煤体渗透率k的计算公式：将热力学公式及气体浓度值c带入后，煤体渗透率k转化为以气体浓度c为未知量的计算公式：k＝cπr2Mμ/[L(t2-t1)(p1M-cRT)ρg](4)式中，r为观测孔半径，M为示踪气体的分子量，L为注气孔与观测孔之间的距离；p1为注气孔压力，单位为Pa，每次记录浓度信息时，同时记录注气孔压力；R为摩尔气体常数，R＝8.31Pa·m3/(mol·k)；T为煤层温度，单位为K，得到煤体渗透率。优选的，步骤A中的观测孔为多个，观测孔以注气孔为圆心布置于注气孔周围，观测孔到注气孔的距离为1～3m，观测孔与渗透观测管路一一对应。进一步的，步骤F和步骤G之间还包括Q.当注气观测浓度检测仪(71)观测到注气孔内示踪气体浓度在煤体内扩散完后，重新进入步骤E，直至注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别实时观测注气孔与观测孔内示踪气体的浓度变化的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用示踪气体测试煤体渗透率的系统，其特征在于，包括注气管路、注气观测管路及若干条渗透观测管路，还包括孔内管道，孔内管道包括筛孔管(1)和若干根依次连接的连通管(2)，筛孔管(1)与第一根连通管相连，最后一根连通管(2)的末端为孔内管道的连接口，孔内管道的数目与注气管路、注气观测管路及渗透观测管路三条管路的数目之和相同，注气管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气三通管(41)相连，注气三通管(41)的另外两端分别连接有注气压力表(51)与通气管，通气管的另一端与储存有示踪气体的气瓶(9)相连，通气管上设置有控制示踪气体流量的阀门；注气观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气观测浓度检测仪(71)相连接；渗透观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与渗透观测三通管(42)相连，渗透观测三通管(42)的另外两端分别连接有渗透观测压力表(52)与渗透观测浓度检测仪(72)；注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别与主机(11)相连，用于将测得的浓度数据传送给主机，主机(11)又与计算机(12)相连，用于将数据传送给计算机使得计算机计算气体渗透率，主机(11)为多通道主机，通道的数目与浓度检测仪的数目一一对应；通过注气管路注入示踪气体，利用注气观测管路对注气管路的孔内管道所在的孔中示踪气体含量观测，并利用渗透观测管路观测渗透的示踪气体。...

【技术特征摘要】
1.一种利用示踪气体测试煤体渗透率的系统，其特征在于，包括注气管路、注气观测管路及若干条渗透观测管路，还包括孔内管道，孔内管道包括筛孔管(1)和若干根依次连接的连通管(2)，筛孔管(1)与第一根连通管相连，最后一根连通管(2)的末端为孔内管道的连接口，孔内管道的数目与注气管路、注气观测管路及渗透观测管路三条管路的数目之和相同，注气管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气三通管(41)相连，注气三通管(41)的另外两端分别连接有注气压力表(51)与通气管，通气管的另一端与储存有示踪气体的气瓶(9)相连，通气管上设置有控制示踪气体流量的阀门；注气观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与注气观测浓度检测仪(71)相连接；渗透观测管路包括孔内管道，该孔内管道的连接口与渗透观测三通管(42)相连，渗透观测三通管(42)的另外两端分别连接有渗透观测压力表(52)与渗透观测浓度检测仪(72)；注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别与主机(11)相连，用于将测得的浓度数据传送给主机，主机(11)又与计算机(12)相连，用于将数据传送给计算机使得计算机计算气体渗透率，主机(11)为多通道主机，通道的数目与浓度检测仪的数目一一对应；通过注气管路注入示踪气体，利用注气观测管路对注气管路的孔内管道所在的孔中示踪气体含量观测，并利用渗透观测管路观测渗透的示踪气体。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，各个管路的孔内管道相互平行设置，且各孔内管道在竖直或水平方向的投影相重叠；渗透观测管路的孔内管道是以注气管路的孔内管道为圆心布置于注气管路周围，渗透观测管路的孔内管道到注气管路的孔内管道的距离为1～3m。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，筛孔管(1)未与连通管(2)连接的端头为扁平状封闭结构。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别包括检测单元、微处理器、传输单元，微处理器分别与检测单元及传输单元相连，传输单元通过数据接口与线缆(10)相接，微处理器将检测的气体浓度信息转化为电信号，通过线缆(10)将气体浓度信息传输给主机(11)。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)分别内置有检测单元、存储单元、无线传输单元及微处理器，微处理器分别与检测单元、存储单元及无线传输单元相连，主机(11)内设置有能够与注气观测浓度检测仪(71)与渗透观测浓度检测仪(72)的无线传输单元通信的无线传输模块。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主机(11)包括存储模块、传输模块及处理控制模块，处理控制模块分别与存储模块及传输模块相连，处理控制模块将由传输模块接收到的气体浓度电信号进行处理后转换为数字信号，并存储到存储模块中，再通过传输模块将气体浓度信息传输至计算机(12)。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主机(11)还包括图形显示模块，图形显示模块与处理控制模块相连。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明忠，李安强，张茹，王英伟，王玉杰，贾哲强，汪文勇，刘强，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51