一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及相似模拟实验方法，具体涉及一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法，包括煤样罐、高压氮气瓶、输送管和瓦斯压力传感器，煤样罐包括罐体、密封盖、进气口、出气口和模拟钻孔管道，模拟钻孔管道竖向设于所述罐体内中心，且其底部与罐体内底面固接，其顶部穿过并外露于所述密封盖；模拟钻孔管道表面开设有多个模拟钻孔；高压氮气瓶通过输送管与所述煤样罐的进气口连接，瓦斯压力传感器与所述煤样罐的出气口连接。该煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法，结构简单，验证了气室体积越小、压力平衡时间越快这一假想，操作过程简便、验证时间短、实验结果可靠，能够解决煤矿井下实验周期长、成果难以直观体现等问题。

A similar simulation experiment device and method for coal seam gas pressure measurement

The invention relates to a similar simulation experimental method, in particular to a similar simulation experimental device and method for measuring coal seam gas pressure, including a coal sample tank, a high-pressure nitrogen cylinder, a conveyor pipe and a gas pressure sensor. The coal sample tank includes a tank body, a sealing cover, an air inlet, an air outlet and a simulated drilling pipe to simulate the vertical direction of the drilling pipe. The bottom of the tank is fixed with the bottom of the tank body, and the top of the tank passes through and exposes to the sealing cover; the surface of the simulated borehole pipeline is provided with several simulated boreholes; the high-pressure nitrogen cylinder is connected with the gas inlet of the coal sample tank through the conveying pipe, and the gas pressure sensor is connected with the gas outlet of the coal sample tank. Similar simulation experiment device and method for gas pressure measurement in coal seam have simple structure. It verifies the hypothesis that the smaller the volume of gas chamber and the faster the pressure balance time. The operation process is simple, the verification time is short, and the experimental results are reliable. It can solve the problems of long underground experiment period and difficult to visualize the results.

【技术实现步骤摘要】
一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法
本专利技术涉及一种相似模拟实验方法，具体涉及一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法。
技术介绍
瓦斯是煤化作用的产物，由于范得华力的存在使煤中的瓦斯气体以分子的形式吸附于煤体表面之上。煤中所含的瓦斯分为吸附瓦斯、游离瓦斯、以及微量的溶解瓦斯。瓦斯压力是游离瓦斯发生运动的产物，在煤层没有受到采动或者其他作用的情况下，游离瓦斯存在于煤体中较大的孔隙和裂隙当中，且与吸附瓦斯处于动态平衡状态。当煤层受到采掘、抽采以及人为卸压的情况下，吸附解吸状态重新与井下大气压力达到平衡状态，直接法测定瓦斯压力利用的正是这一过程。瓦斯压力、游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量之间具有一定的内在联系。在井下利用直接法测定瓦斯压力时，会有如下物理现象发生：钻孔未封孔时，整个钻孔内的瓦斯解吸扩散量会远大于封孔后孔底测压气室中瓦斯解吸扩散量，但是孔底测压气室内的瓦斯浓度值在封孔后达到峰值的时间会远快于钻孔未封孔达到峰值的时间。目前针对根据该现象，有关人员提出关于瓦斯压力平衡时间与测压气室体积的理想性假设，即测压气室体积越小，瓦斯压力平衡时间越短。但是，采用煤矿井打钻现场实测不仅工程量大，而且受各种实际条件的影响使得所测压力不准，难以达到验证效果。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题，提供一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法。第一方面，本专利技术提供了一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，包括煤样罐、高压氮气瓶、输送管和瓦斯压力传感器，所述煤样罐包括罐体、密封盖、进气口、出气口和模拟钻孔管道，所述密封盖设于所述罐体开口顶部，所述进气口开设于所述密封盖，所述模拟钻孔管道竖向设于所述罐体内中心，且其底部与罐体内底面固接，其顶部穿过并外露于所述密封盖；所述模拟钻孔管道表面开设有多个模拟钻孔；所述高压氮气瓶通过输送管与所述煤样罐的进气口连接，所述瓦斯压力传感器与所述煤样罐的出气口连接。进一步地，所述罐体为桶状，且其外壁上相对的两侧连接有拉手；所述密封盖为圆形，其上设有拉环。优选地，所述进气孔的孔径为5mm-10mm。优选地，所述模拟钻孔的直径为2cm。所述模拟钻孔管道位于所述罐体内的长度为35cm。本专利技术另一方面提供了一种采用上述的煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置的方法，包括如下步骤：(1)连接并调试各仪器并保证各仪器设备良好运行以及煤样罐气密性；(2模拟初始相似状态使得煤样罐中的气体压力始终保持稳定的压力值，且气体进入测压气室符合煤层瓦斯的解吸涌出扩散规律；(3)空罐模拟压力测试，煤样罐内未装煤条件下，实验过程中记录数据，分别获得多组气体压力值的平衡时间与测压气室体积的关系；(4)装煤样模拟压力测试，煤样罐内装满煤的条件下，实验过程中记录数据，分别获得多组气体压力值的平衡时间与测压气室体积的关系。优选地，所述步骤(1)包括煤样罐密封性测试，具体为：将仪器设备连接，煤样罐内无需装入煤样；将肥皂水涂覆在煤样罐的进气口、出气口以及罐体与密封盖的连接处；将瓦斯压力传感器与出气口连接，打开高压氮气瓶向煤样罐内充气，使得注气压力达到一定值；观察各易漏气部位，若无气泡产生以及瓦斯压力传感器显示读数与高压氮气瓶充气压力相同，则说明煤样罐气密性良好。优选地，所述步骤(2)中模拟初始相似状态具体操作为：1)高压氮气瓶通过注气胶管连接煤样罐的进气口，连接处留有孔隙；2)模拟煤层压力为一定值A，按照A+0.12MPa的压力值向煤样罐内注气，经过一定时间后，煤样罐内的气体压力始终保持在A±0.005Mpa范围内；3)对模拟钻孔进行处理，处理方法为：将布料聚酯纤维包在模拟钻孔管道外表面，然后在布料上刷浆糊，继续用布包在其外层，最后一层用尼龙扎带将布缠紧在模拟钻孔管道上，并且在钻孔内填入棉花，防止测压过程中有煤灰进入瓦斯压力传感器。优选地，所述步骤(3)空罐模拟压力测试的具体步骤为：1)将煤样罐的气体从进气口缓慢放出，所有气体放出后，罐内气体压力状态与大气压力相同，为0MPa；2)进行三组压力值的实验，分别是0.1MPa、0.3MPa和0.5MPa，多次进行完全充气放气实验，记录每一次向煤样罐内充气达到目标压力值时需要用的时间，最后求平均值，得到所需时间；3)将瓦斯压力传感器从煤样罐的模拟钻孔管道顶部拆下，用堵头堵上模拟钻孔管道顶部的出口，按照步骤2)得到平均充气时间进行充气，充气完毕后，拆下堵头，将压力传感器迅速地拧紧在模拟钻孔上，记录观察传感器达到各压力值所用的时间；改变模拟钻孔测压气室的体积，按照该步骤的上述方法测试不同测压气室体积下达到各压力值所需要的时间；4)根据以上步骤获得的数据绘制气体压力平衡时间与测压气室体积的关系图，并分析后获得气体压力平衡时间与测压气室体积的关系。进一步地，所述步骤(3)空罐模拟压力测试的步骤3)中改变测压气室体积的方法为：将点燃蜡烛流出的蜡油滴入钻孔，后将凝固的蜡油中穿一个小洞通气；位于煤样罐内的模拟钻孔管道的长度分别为30cm、20cm、10cm、5cm、2cm、1cm，对应的测压气室体积分别为94.2cm3、62.8cm3、31.4cm3、15.7cm3、6.28cm3、3.14cm3，每个测压气室体积进行五次模拟测压。进一步地，所述步骤(4)装煤样模拟压力测试的具体步骤为：1)将煤样装入煤样罐内，装入煤样后，将密封盖密封在罐体顶部开口：2)进行三组压力值的实验，分别是0.1MPa、0.3MPa和0.5MPa，多次进行完全充气放气实验，记录每一次向煤样罐内充气达到目标压力值时需要用的时间，最后求平均值，得到所需时间；3)将瓦斯压力传感器从煤样罐的模拟钻孔管道顶部拆下，用堵头堵上模拟钻孔管道顶部的出口，按照步骤2)得到平均充气时间进行充气，充气完毕后，拆下堵头，将压力传感器迅速地拧紧在模拟钻孔上，记录观察传感器达到各压力值所用的时间；改变模拟钻孔测压气室的体积，按照该步骤的上述方法测试不同测压气室体积下达到各压力值所需要的时间；4)根据以上步骤获得的数据绘制气体压力平衡时间与测压气室体积的关系图，并分析后获得气体压力平衡时间与测压气室体积的关系。进一步地，所述步骤(4)-1)中装煤样入煤样罐的步骤具体为：先将底层铺上粒径小于1mm的煤样，再向上依次铺粒径为1mm-3mm煤样层、粒径为3mm-5mm煤样层，然后将三种粒径的煤样混合装入，最后将粒径为3mm-5mm的煤样铺在顶层。采用上述技术方案，包括以下有益效果：本专利技术所提供的一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置及方法，结构简单，验证了气室体积越小、压力平衡时间越快这一假想，操作过程简便、验证时间短、实验结果可靠，能够解决煤矿井下实验周期长、成果难以直观体现等问题。附图说明图1为本专利技术实施例所提供煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置的结构示意图；图2为压力值0.1MPa未装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图；图3为压力值0.3MPa未装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图；图4为压力值0.5MPa未装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图；图5为压力值0.1MPa装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图；图6为压力值0.31MPa装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图；图7为压力值0.31MPa装煤测压气室体积与气体平衡时间关系图图中，1、高压氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征在于，包括煤样罐(3)、高压氮气瓶(1)、输送管(2)和瓦斯压力传感器(4)，所述煤样罐(3)包括罐体(3.1)、密封盖(3.2)、进气口(3.3)、出气口(3.4)和模拟钻孔管道(5)，所述密封盖(3.2)设于所述罐体(3.1)开口顶部，所述进气口(3.3)开设于所述密封盖(3.2)，所述模拟钻孔管道(5)竖向设于所述罐体(3.1)内中心，且其底部与罐体(3.1)内底面固接，其顶部穿过并外露于所述密封盖(3.2)；所述模拟钻孔管道(5)表面开设有多个模拟钻孔(5.1)；所述高压氮气瓶(1)通过输送管(2)与所述煤样罐(3)的进气口(3.3)连接，所述瓦斯压力传感器(4)与所述煤样罐(3)的出气口(3.4)连接。

【技术特征摘要】
1.一种煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征在于，包括煤样罐(3)、高压氮气瓶(1)、输送管(2)和瓦斯压力传感器(4)，所述煤样罐(3)包括罐体(3.1)、密封盖(3.2)、进气口(3.3)、出气口(3.4)和模拟钻孔管道(5)，所述密封盖(3.2)设于所述罐体(3.1)开口顶部，所述进气口(3.3)开设于所述密封盖(3.2)，所述模拟钻孔管道(5)竖向设于所述罐体(3.1)内中心，且其底部与罐体(3.1)内底面固接，其顶部穿过并外露于所述密封盖(3.2)；所述模拟钻孔管道(5)表面开设有多个模拟钻孔(5.1)；所述高压氮气瓶(1)通过输送管(2)与所述煤样罐(3)的进气口(3.3)连接，所述瓦斯压力传感器(4)与所述煤样罐(3)的出气口(3.4)连接。2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征在于，所述罐体(3.1)为桶状，且其外壁上相对的两侧连接有拉手；所述密封盖为圆形，其上设有拉环。3.根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置，其特征在于，所述模拟钻孔管道(5)位于所述罐体内的长度为35cm。4.一种采用权利要求1-3任意一项中所述的煤层瓦斯压力测定相似模拟实验装置的方法，包括如下步骤：(1)连接并调试各仪器并保证各仪器设备良好运行以及煤样罐气密性；(2模拟初始相似状态使得煤样罐中的气体压力始终保持稳定的压力值，且气体进入测压气室符合煤层瓦斯的解吸涌出扩散规律；(3)空罐模拟压力测试，煤样罐内未装煤条件下，实验过程中记录数据，分别获得多组气体压力值的平衡时间与测压气室体积的关系；(4)装煤样模拟压力测试，煤样罐内装满煤的条件下，实验过程中记录数据，分别获得多组气体压力值的平衡时间与测压气室体积的关系。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括煤样罐密封性测试，具体为：将仪器设备连接，煤样罐内无需装入煤样；将肥皂水涂覆在煤样罐的进气口、出气口以及罐体与密封盖的连接处；将瓦斯压力传感器与出气口连接，打开高压氮气瓶向煤样罐内充气，使得注气压力达到一定值；观察各易漏气部位，若无气泡产生以及瓦斯压力传感器显示读数与高压氮气瓶充气压力相同，则说明煤样罐气密性良好。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中模拟初始相似状态具体操作为：1)高压氮气瓶通过注气胶管连接煤样罐的进气口，连接处留有孔隙；2)模拟煤层压力为一定值A，按照A+0.12MPa的压力值向煤样罐内注气，经过一定时间后，煤样罐内的气体压力始终保持在A±0.005Mpa范围内；3)对模拟钻孔进行处理，处理方法为：将布料聚酯纤维包在模拟钻孔管道外表面，然后在布料上刷浆糊，继续用布包在其外层，最后一层用尼龙扎带将布缠紧在模拟钻孔管道上，并且在钻孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏涛，谢宏，梁家辉，魏童，田进，刘斌，
申请(专利权)人：华北科技学院，
类型：发明
国别省市：河北,13