水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统及测试方法技术方案

本发明专利技术提供了一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统及测试方法，该系统包括具有密封腔的测试罐体，以及向密封腔内进行充气的供气机构，还包括对煤样的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机，供气机构包括分别与密封腔相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得煤样可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。本发明专利技术所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，通过向密封腔内通入水蒸气，进而可对煤样预先进行水吸附处理，对其进行瓦斯吸附解吸变形特性的测试，能够反映煤体在内在水分影响下的瓦斯吸附解吸变形特性演化规律，使得原位煤储层煤体的瓦斯吸附解吸变形机理能够得到更深入的研究。

Visual Testing System and Testing Method for Adsorption and Desorption Deformation of Coal and Rock under the Action of Water and Gas

The invention provides a visual testing system and testing method for coal rock adsorption and desorption deformation under the combined action of water and gas. The system includes a test tank with a sealed chamber, a gas supplying mechanism that inflates gas into the sealed chamber, and an industrial high-speed camera that photographs the deformation strain of coal samples. The gas supplying mechanism includes methane gas connected with the sealed chamber respectively. The supply mechanism and the steam supply mechanism enable the coal sample to deform and strain under the coexistence of water and methane. The visualization test system for coal rock adsorption and desorption deformation under the combined action of water and gas in the invention can pre-process coal samples by water adsorption and desorption by injecting water vapor into the sealed chamber, and test their gas adsorption and desorption deformation characteristics, which can reflect the evolution law of gas adsorption and desorption deformation characteristics of coal body under the influence of internal water, so as to make in-situ coal reservoir coal. The deformation mechanism of gas adsorption and desorption can be further studied.

【技术实现步骤摘要】
水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统及测试方法
本专利技术涉及煤岩实验
，特别涉及一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统。本专利技术还涉及一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法。
技术介绍
煤层瓦斯(又称煤层气)是赋存于煤储层中以甲烷(CH4)为主的混合气体。由于甲烷的强扩散性和爆炸性等性质，瓦斯成为导致煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等矿井灾害的重要因素。同时瓦斯气体又是一种温室气体，其温室效应是同质量二氧化碳的20倍左右。然而，与煤炭相比瓦斯具有燃烧热值高、环保无污染等优点，是目前公认的清洁能源，据统计，我国陆上煤层埋深2000m以浅的煤层气(瓦斯)资源量高达32.86×1012m3，开发利用前景巨大。因此，实现煤层瓦斯的高效抽采利用，不仅可显著提升我国煤矿安全生产水平，而且对于保障我国经济可持续健康发展和国家能源安全具有重要意义。实际上，原位煤储层是煤、瓦斯、水共存的三维地质体，煤中的水可划分为裂隙系统中的自由水和煤基质孔隙的内在水,其中内在水以物理吸附及凝聚等形式赋存于煤孔隙，尤其是低阶煤往往具有高于中高阶煤的内在水含量，例如我国褐煤的水分含量高达25～40％。在煤吸附水过程中也伴随着煤基质膨胀变形，会导致煤体孔裂隙通道变化，促使煤岩渗透率改变，并最终影响煤体瓦斯流动。目前有学者已开展了瓦斯与水共同作用下的煤体吸附解吸变形研究，但大部分试验是在不同注水条件下进行，即通过液态水侵入煤样的试验方法研究外加水分对煤中瓦斯吸附解吸变形规律的影响。由于受孔隙界面张力的影响液态水无法克服界面张力进入小孔及微孔系统，因此利用注入液态水的方法无法反映内在水分对煤吸附解吸变形特性的影响规律，同时也无法还原原位煤储层中水分对煤体吸附解吸变形特性影响的本质。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，以可避免传统试验方法中无法改变煤样内在水的不足。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，包括具有密封腔的测试罐体，以及向所述密封腔内进行充气以使置于所述密封腔内的煤样进行变形应变的供气机构，还包括对所述煤样的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机，以及与所述工业高速相机电连接的计算机系统，所述供气机构包括分别与所述密封腔相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得所述煤样可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。进一步的，所述测试罐体包括罐体本体，以及与所述罐体本体可拆卸连接的旋盖，于所述旋盖上连接有与所述密封腔与相连通的供气管路，于所述罐体本体的侧壁上形成有至少一个供所述工业高速相机进行图像拍摄的可视窗口。进一步的，所述可视窗口为环所述罐体本体设置的三个，所述工业高速相机为与各所述可视窗口相对应设置的三个。进一步的，于所述供气管路上连通有抽排管路，并于所述抽排管路的出气端连接有真空泵，以及在所述真空泵上游的抽排管路上并联有具有放空阀的放气管。进一步的，所述甲烷气体供给机构包括经由甲烷供气管路而与所述供气管路连通的高压甲烷气体储瓶，以及经由气密检测管路而与所述供气管路连通的高压氦气储瓶，于所述甲烷供气管路上设置有第一减压阀，于所述气密检测管路上设置有第二减压阀。进一步的，所述水蒸气供给机构包括经由蒸气管路而与所述密封腔连通的恒湿玻璃皿，于所述恒湿玻璃皿内盛放有饱和盐溶液，并于所述密封腔内设置有与所述计算机系统电连接的温湿度传感器。进一步的，于所述密封腔底部设置有支撑座，所述煤样固定于所述支撑座上，并于所述测试罐体周侧设置有升降架，所述工业高速相机因固定于所述升降架上而高度可调。相对于现有技术，本专利技术具有以下优势：本专利技术所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，通过设置水蒸气供给机构以向密封腔内通入水蒸气，进而可对煤样预先进行水吸附处理，之后对其进行瓦斯吸附和解吸变形特性的测试，尤其可实现具有高内在水分含量特点的煤种例如褐煤、长焰煤等低阶煤的瓦斯吸附解吸变形特性测试，充分模拟了现场原位煤储层的瓦斯吸附解吸变形特性，能够反映煤体在内在水分影响下的瓦斯吸附解吸变形特性演化规律，使得原位煤储层煤体的瓦斯吸附解吸变形机理能够得到更深入的研究，填补国内对煤体在内在水分影响下瓦斯吸附解吸变形特性研究装置的空白，其结构简单、测试方法简便，使用效果好，具有广泛的实用性。同时，本专利技术还提供了一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法，该方法包括以下步骤：S1、将煤样固定于测试罐体的密封腔内，并在测试实验开始前对密封腔进行气密性检测；S2、利用饱和盐溶液产生的恒湿环境向密封腔内通入水蒸气，并通过工业高速相机对煤样的变形应变进行图像拍摄，以及通过计算机系统进行数据记录和图像保存，并当密封腔内的相对湿度维持至少48h不变时停止水蒸气通入，利用计算机系统分析该相对湿度下预吸附水煤样吸附水蒸气的变形规律；S3、向密封腔内通入一定压力的甲烷气体，使甲烷在预吸附水煤样内发生吸附，利用工业高速相机继续对煤样的变形进行图像拍摄，以及通过计算机系统进行数据记录和图像保存，当吸附时间t2维持至少48h且密封腔内的压强P2不再变化时停止甲烷气体通入，利用计算机系统分析该吸附平衡压力下的预吸附水煤样吸附甲烷过程的变形规律；S4、提高通入密封腔内的甲烷气体压力，以使得预吸附水煤样继续对进行吸附，并重复步骤S3，以获得预吸附水煤样在相同的相对湿度条件下，通入更高压力的甲烷气体时的变形应变数据，并绘制该相对湿度环境下预吸附水煤样的变形量随甲烷气体压力增加的变化曲线，然后逐级放出甲烷气体以使得预吸附水煤样形成解吸(降低气体压力即为解吸过程)，以及绘制该相对湿度环境下预吸附水煤样解吸过程中的变形量随甲烷气体压力降低的变化曲线；进一步的，在步骤S4后，还设有步骤S5：更换不同相对湿度的饱和盐溶液，并依次重复步骤S2-S4，以获得煤样在不同相对湿度环境下吸附甲烷的变形应变数据，分析水与瓦斯共同作用下的煤样的变形特征。进一步的，在步骤S2中，所述饱和盐溶液配制方法为：将无机盐颗粒与温度60℃的蒸馏水混合，配制成60℃条件下的饱和盐溶液，然后将该饱和盐溶液倒入密闭的恒湿玻璃皿中并恢复至室温。本专利技术所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试方法，与如上述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统具有相同的效果，在此不再赘述。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例所述的测试罐体的主视图；图3为图2俯视图；附图标记说明：1-密封腔，2-煤样，3-工业高速相机，4-第一通讯数据线，5-计算机系统，6-罐体本体，601-可视窗口，602-钢化玻璃板，7-旋盖，801-第一连接孔，802-第二连接孔，803-第三连接孔，9-供气管路，10-第一密封螺栓，11-甲烷供气管路，1101-第一减压阀，12-高压甲烷气体储瓶，13-气密检测管路，1301-第二减压阀，14-高压氦气储瓶，15-蒸气管路，1501-第四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，包括具有密封腔的测试罐体，以及向所述密封腔内进行充气以使置于所述密封腔内的煤样进行变形应变的供气机构，还包括对所述煤样的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机，以及与所述工业高速相机电连接的计算机系统，其特征在于：所述供气机构包括分别与所述密封腔相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得所述煤样可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。

【技术特征摘要】
1.一种水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，包括具有密封腔的测试罐体，以及向所述密封腔内进行充气以使置于所述密封腔内的煤样进行变形应变的供气机构，还包括对所述煤样的变形应变进行图像拍摄的工业高速相机，以及与所述工业高速相机电连接的计算机系统，其特征在于：所述供气机构包括分别与所述密封腔相连通的甲烷气体供给机构和水蒸气供给机构，以使得所述煤样可在水与甲烷共存条件下进行变形应变。2.根据权利要求1所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：所述测试罐体包括罐体本体，以及与所述罐体本体可拆卸连接的旋盖，于所述旋盖上连接有与所述密封腔与相连通的供气管路，于所述罐体本体的侧壁上形成有至少一个供所述工业高速相机进行图像拍摄的可视窗口。3.根据权利要求2所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：所述可视窗口为环所述罐体本体设置的三个，所述工业高速相机为与各所述可视窗口相对应设置的三个。4.根据权利要求2所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：于所述供气管路上连通有抽排管路，并于所述抽排管路的出气端连接有真空泵，以及在所述真空泵上游的抽排管路上并联有具有放空阀的放气管。5.根据权利要求2所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：所述甲烷气体供给机构包括经由甲烷供气管路而与所述供气管路连通的高压甲烷气体储瓶，以及经由气密检测管路而与所述供气管路连通的高压氦气储瓶，于所述甲烷供气管路上设置有第一减压阀，于所述气密检测管路上设置有第二减压阀。6.根据权利要求2所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：所述水蒸气供给机构包括经由蒸气管路而与所述密封腔连通的恒湿玻璃皿，于所述恒湿玻璃皿内盛放有饱和盐溶液，并于所述密封腔内设置有与所述计算机系统电连接的温湿度传感器。7.根据权利要求1至6中任一项所述的水与瓦斯共同作用下煤岩吸附解吸变形可视化测试系统，其特征在于：于所述密封腔底部设置有支撑座，所述煤样固定于所述支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明义，纪云飞，郭乃有，李浩然，张荣，张先萌，冯丹，杨亚璞，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北,13