电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置及监测方法，包括高压点火开关；高压开关触发装置；电容储能柜；压力釜；甲烷气瓶；液态CO2加注装置；加注头；电极；压力传感器、数据收集系统；液态CO2；通信电缆；空压机。该发明专利技术利用高压电脉冲代替传统化学药剂燃烧放热来激励超临界CO2，具体为通过高压脉冲放电激励超临界CO2压力响应实验装置，对不同放电电压等级、放电能量在等容液态CO2相变为超临界CO2状态压力进行监测与研究，建立高压脉冲放电激励超临界CO2压力响应的数学模型。为高压电脉冲激励超临界CO2致裂煤层增透技术的实际应用提供理论依据。的实际应用提供理论依据。的实际应用提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置及监测方法


[0001]本专利技术涉及煤矿安全
，具体为一种电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置及监测方法。

技术介绍

[0002]煤炭是我国主要的一次能源。我国能源赋存特点为“富煤、贫油、少气”，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的 33.8%，煤炭产量与消费量长期位居世界首位。2010年煤炭在能源消费中的比重为69.2%，2015年降至64%，2018年煤炭占一次能源消费比例首次低于60%；但未来煤炭仍将占我国能源构成的主体地位，煤炭对于保障我国国民经济持续发展至关重要。我国煤层赋存条件复杂、煤层透气性低，开采难度较大，并且我国煤矿产能的95%来自井工矿，大中型煤矿平均开采深度已经达到456m，其中开采深度大于600m的矿井产量占28.5%，矿井开采最深部已达1365m。随着开采深度的增加，煤层地应力、瓦斯压力也将随之增大，煤矿瓦斯动力灾害越来越严重。根据国家矿山安全监察局查询系统，从2006年至2020年因瓦斯灾害而死亡的人数逐年递减，但进一步分析每年造成的各类灾害死亡人数占比发现，以瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯中毒窒息为主的煤矿瓦斯灾害造成的死亡人数仍占据主要煤矿灾害总和的37%左右。国家矿山安全监察局对2020年发生的煤矿事故案例进行梳理，公布的2020年全国煤矿事故十大典型案例结果显示，煤与瓦斯突出事故、瓦斯爆炸事故共占了三项，这提醒我们在瓦斯灾害防治领域还有许多工作要做，尤其是高瓦斯低渗透性煤层瓦斯灾害防治工作仍是重中之重。目前，低渗透煤层钻孔压裂增透技术方法主要是采用水力化增透、深孔爆破及高压气体致裂增透。水力化增透主要包括水力压裂、水力割缝和水力冲孔等技术，高压气体致裂增透技术主要包括高压空气炮技术及液态CO2相变气爆致裂煤层增透技术。
[0003]高压气体致裂增透技术的现场应用主要是以液态CO2相变气爆致裂煤层增透技术为主，液态CO2相变气爆的原理是通过加热药剂对致裂器内液态CO2进行瞬时加热相变为100MPa以上高压气体，高压气体剪断阻隔片后作用在钻孔煤壁，利用瞬间释放高压气体冲击效应生成初始径向裂纹，再依靠高压气体的尖劈压裂效应扩展初始裂纹，提高煤层的渗透性。液态CO2相变气爆过程属于低波速爆破，其克服了以往炸药爆破过程中破坏性大、在煤层钻孔周边形成压实区不利于煤层瓦斯释放的缺点，应用液态CO2相变气爆致裂煤层后，煤层透气性系数、钻孔内瓦斯抽采流量及浓度等均得到显著提高，增透防突效果显著，该技术为物理爆破，爆破过程本质安全 ；但在应用液态CO2相变气爆致裂煤层增透过程中发现该技术存在致裂压力作用煤壁时间短、增透影响半径小、设备电阻值受煤层钻孔内环境影响不稳定及井下环境影响存在拒爆的缺点；通过起爆器激发点火药头的引燃方式在煤矿井下运输过程中存在闪爆的可能；以上这些特点限制了该技术在煤矿井的推广与应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置及监测
方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置，包括电源、充电系统、超临界CO2发生器、CO2充填系统和数据采集系统。
[0006]其特征在于：所述充电系统包括高压点火开关、高压点火开关触发器和电容储能柜；所述电源为一升压、整流、滤波、稳压电路，按设计要求为电容储能柜充电，为已知技术。
[0007]高压点火开关的输出端通过导线与高压开关触发器的对应接口连接，高压开关触发器分别通过通信电缆或导线与电极和电容储能柜对应接口连接。
[0008]所述超临界CO2发生器，包括反应釜，发应釜一端固定设置有液态CO2加注头，其另一端固定设置有电极座，电极座上固定有电极，电极前端位于反应釜內，反应釜内充填有液态CO2。
[0009]所述数据采集系统包括压力传感器和数据采集器，压力传感器固定设置在反应釜上。压力传感器的输出端通过数据线与数据采集器电连接。数据采集器的采集信号输出端通过导线与计算机主机的对应接口连接。压力传感器实时检测反应釜内相变压力变化情况，并通过导线将采集到的相变压力信号送到数据采集器，数据采集器，将采集的相变压点信号输送给计算机的主机，经计算机的主机分析、运算、得出反应釜内超临界CO2的相变压力规律，并通过显示器显示出。
[0010]所述液态CO2充填系统包括液态CO2加注器、空压机和甲烷瓶，加注头、空压机、液态CO2气瓶分别通过管路与液态CO2加注器的第一和第二输入口连接。
[0011]一种电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置的监测方法，包括下述步骤：步骤一：通过空压机加压至8MPa将气瓶内液态CO2通过加注器通过管路，经过加注头将液态CO2压入反应釜内；步骤二：给电容储能柜通电储能后，通过高压点火开关启动高压开关触发器给电极通过高压电流，电极瞬间放电产生热量激励反应釜内液态CO2相变为超临界CO2；步骤三：反应釜内液态CO2相变为超临界CO2后体积膨胀，通过压力传感器监测反应釜内超临界CO2压力，并由计算机的显不器显示变化规律。
[0012]另外，本专利技术提出的基于高压电脉冲激发超临界CO2相变压力响应的监测方法是根据放电能量E和储能电容C及放电电压U之间的关系，调整放电能量，同时考察电极间距对放电能量的影响。针对超临界CO2相变过程符合热力学理论、Span＆Wagner和等熵方程状态方程，分析计算各因素对反应釜内超临界CO2压力变化的影响，建立高压脉冲放电激励过程中主要影响因素与超临界CO2压力响应特征参数（相变压力峰值、升压时间、降压时间）间的关系，确定高压脉冲放电激励超临界CO2压力响应数学模型。为高压电脉冲激发超临界CO2压裂煤层增透技术用于井下煤层增透提供理论依据。
[0013]所述的高压开关触发器可实现不同电压等级放电，所述的电容储能柜可实现不同放电能量。
[0014]本专利技术的优点：与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：该专利技术利用高压电脉冲代替传统化学药剂燃烧放热来激励超临界CO2，利用压力传感器进行数据采集，随后传递到主机进行数据分析，有利于得出影响液态CO2相变压力及瓦斯物态转化的关键因素,得出高压电脉冲
激发超临界CO2相变压力响应规律的数学模型，为高压电脉冲激励超临界CO2致裂煤层增透的实际应用于提供理论支撑。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的整体结构平面示意图。
[0016]图2是本专利技术放电系统示意图。
具体实施方式
[0017]电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置，包括电源、充电系统、临界CO2发生器、CO2充填系统和数据采集系统。
[0018]其特征在于：所述超临界CO2发生器，包括反应釜2，反应釜2的一端固定设置有液态CO2加注头3，反应釜2的另一端固定设置有电极座4，电极座4上固定设置有电极5，电极5的前端位于反应釜2内，反应釜2内充填有液态CO2，反应釜2上固定设置有压力传感器6；所述放电系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电脉冲激励超临界CO2相变压力响应监测装置，包括电源、充电系统、超临界CO2发生器、CO2充填系统和数据采集系统；其特征在于：所述超临界CO2发生器，包括反应釜（2），反应釜（2）的一端固定设置有液态CO2加注头（3），反应釜（2）的另一端固定设置有电极座（4），电极座（4）上固定设置有电极（5），电极（5）的前端位于反应釜（2）内，反应釜（2）内充填有液态CO2，反应釜（2）上固定设置有压力传感器（6）；所述放电系统，包括高压点火开关（7）、高压开关触发器（8）和电容储能柜（9），电容储能柜（9）由一电源按设计要求为其充电，该电源是一个升压、整流、滤波，稳压电源，所述高压点火开关7的信号输出端通过导线与高压开关触发器（8）的对应接口连接，高压开关触发器（8）的电压输出端通过导线与电极（5）连接，电容储能柜（9）的电压输出端通过导线与高压开关触发器（8）的电压输入接口连接；所述数据采集系统，包括压力传感器（6）和数据采集器（11），压力传感器（6）设置在反应釜（2）上，压力传感器（6）通过导线与数据采集器（11）的信号输入端连接，数据采集器（11）的信号输出端通过导线与计算机（1）的主机的对应接口连接，压力传感器（6）实时检测反应釜（2）内相变压力变化情况，并通过导线将采集到的相变压力信号送到数据采集器（11），数据采集器（11），将采集的相变压点信号输送给计算机（1）的主机，经计算机（1）的主机分析、运算、得出反应釜（2）内超临界CO2的相变压力规律，并通过显示器显示出；所述液态CO2充填系统，包括液态CO2充填器（12）、空压机（13）和装有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海东，陈学习，张凤岩，李雪冰，秦洪岩，杨涛，高佳慧，
申请(专利权)人：华北科技学院中国煤矿安全技术培训中心，
类型：发明
国别省市：