本发明专利技术公开的矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置及方法，测试装置包括吸附单元及与其管路连接的供气系统、加卸载系统、回压系统和渗流系统，且吸附单元置于围压液容器中并通过气体管路与各系统相连，而各气体管路上均相应安装有控制阀，用以控制气体进出；在进气参考缸前装有真空脱气装置，在吸附单元后，渗流系统前，安装回压装置，可用于封闭气体管路，防止气体溢出；通过该测试方法，可探究承载煤体吸附态瓦斯量的变化，掌握不同载荷应力区域的瓦斯分布特征，精准确定需要进行瓦斯抽采区域，并进行合理布孔，充分发挥矿井瓦斯抽采利用潜力，可辨别因开采过程中载荷变化导致的瓦斯集中区域，提前采取措施防治瓦斯灾害，消除危险。消除危险。消除危险。
【技术实现步骤摘要】
一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置及方法
[0001]本专利技术属于煤矿安全开采
，特别涉及一种矿井开采中煤体吸附态瓦 斯量变化的测试装置及方法。
技术介绍
[0002]我国瓦斯资源丰富，是能源构成的重要部分，在井下主要以吸附状态赋存与 煤层中。
[0003]矿井煤层所受应力路径较长及应力环境复杂。地下煤层开采前，岩体处于静 态三轴压应力平衡状态；当煤层受到开采扰动后，原位应力遭受破环，不仅承受 地应力和构造应力，还受到重复采动应力和人为工程扰动应力的共同作用；开采 完成后，煤体经过长时间的应力演变，将再次达到应力平衡。在外部载荷的作用 下，煤体宏观表现为变形甚至遭受破坏，在承载初期，煤体内部的宏观裂隙及大
ꢀ‑
中孔隙被压密，形成新的微裂隙及小
‑
微孔隙结构，同时煤体内部原小
‑
微孔 隙结构被压实闭合；在承载中期，煤体达到极限承载能力，发生失稳破坏现象， 新生微裂隙相互贯通，生成宏观裂隙；在承载后期，煤体经受“二次压实”，其 内部的宏观裂隙再次闭合。综上所述，煤体受载历程路径复杂，受力变形演化周 期长，对煤吸附瓦斯特性产生重大影响。受开采扰动，煤岩体内部的应力场和裂 隙场必然发生变化，致使煤岩渗透率相应变化，进而影响煤层内的瓦斯运移，对 煤吸附瓦斯特性产生一定影响。因此，探究承载煤体吸附态瓦斯量的变化，可充 分发挥矿井瓦斯抽采利用潜力，同时，对构建矿井煤体吸附态瓦斯储量计算模型， 培育矿井产业新经济、新模式具有重要意义。
[0004]事实上，井下煤体在受力平衡时，处于三轴应力平衡状态。目前，实验室主 要考虑固定载荷条件及单一方向载荷下的甲烷吸附量的测试，忽视了其他方向载 荷对煤体的影响。且在进行矿井瓦斯资源储量计算时，大多只考虑了游离态瓦斯， 忽略了吸附态瓦斯储量。因此，提出一种针对矿井开采过程中承载煤体吸附态瓦 斯量变化的实验室测定方法十分有必要。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种矿井开采中煤体吸附态 瓦斯量变化的测试装置及方法，实现对矿井开采过程中承载煤体吸附态瓦斯量变 化的实验室测定。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置及方法，所述测试装置包 括吸附单元及与其管路连接的供气系统、加卸载系统、回压系统和渗流系统，且 吸附单元置于围压液容器中并通过气体管路与各系统相连，而各气体管路上均相 应安装有控制阀；
[0008]所述供气系统包括并联设置的供气管路和真空管路，且供气管路包括供气瓶、 气瓶调压阀及设于其后端管路上的第二控制阀，第二控制阀的后端管路上还设有 进气参考
缸，且进气参考缸的前端管路上设有第四控制阀；而真空管路位于第四 控制阀的后端管路上并设于吸附单元之前，且真空管路和吸附单元之前的前端管 路上设有第五控制阀；
[0009]所述回压系统包括回压阀以及与其连接的回压容器，且回压阀连接设于吸附 单元与渗流系统之间，而回压阀的前端管路设于第四控制阀与第五控制阀之间并 通过相应设置的第三控制阀控制回压系统；
[0010]所述加卸载系统包括用于测量吸附单元中的煤样压力的压力传感器、以及与 围压液容器连接的轴压加载恒速恒压泵和围压加载恒速恒压泵，且压力传感器和 围压液容器间还控制连接有温度设置系统，而温度设置系统、压力传感器和渗流 系统均通过数据传输线与数据采集系统连接。
[0011]所述真空管路包括真空容器和真空泵，且真空容器与真空泵连接的管路上设 有第七控制阀，而位于真空容器的前端管路上还设有第六控制阀，第七控制阀前 端与第五控制阀连通；
[0012]所述供气管路的前端管路上还设有用于控制整个测试装置的第一控制阀。
[0013]所述轴压加载恒速恒压泵与围压液容器的连接管路上相应设有第一进液阀 和第一出液阀；
[0014]所述围压加载恒速恒压泵与围压液容器的连接管路上也相应设有第二进液 阀和第二出液阀。
[0015]所述吸附单元包括用于夹持煤样的高压三轴煤岩芯夹持器，且高压三轴煤岩 芯夹持器置于围压液容器中。
[0016]所述供气瓶中通入的气体为甲烷。
[0017]矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置的方法，包括以下步骤：
[0018](1)检查测试装置的气密性，并进行测试装置的死空间标定；
[0019](2)采集煤层并制成标准煤样，干燥处理并冷却后称重，随后将其放入吸附单 元中；
[0020](3)围压液容器内加入硅油并充满腔体，连接吸附单元与进气参考缸间的管路 并组成通路；
[0021]打开轴压加载恒速恒压泵的第一进液阀，使泵内充满液体，随后关闭第一进液阀， 打开第一出液阀，并输入预设轴压，待轴压加载完成，保持第一出液阀畅通；
[0022]打开围压加载恒速恒压泵的第二进液阀，使泵内充满硅油，随后关闭第二进液阀， 打开第二出液阀，并输入恒定围压，待径向围压加载完成，保持第二出液阀畅通， 以维持压力恒定；
[0023](4)整个测试装置加压完成后，向回压阀内充入气体，形成闭合管路；随后关 闭第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀，打开第四控制阀、第五控制阀、第六 控制阀、第七控制阀以及真空泵，开始脱气并持续12h以上；
[0024]待脱气完成后，关闭所有控制阀以及真空泵。
[0025](5)对吸附单元内的煤样加热；
[0026](6)打开供气瓶、第二控制阀、第四控制阀，关闭第五控制阀，通过气瓶调压 阀向进气参考缸内充入一定压力气体，根据理想气体状态方程，此时装置内的充 气量为：
[0027][0028]式中：P2—充入气体压力，MPa；
[0029]V2—进气参考缸及上管路体积，mL；
[0030]n—充入气体的物质的量，mol；
[0031]R—摩尔气体常数，J/mol
·
K；
[0032]T—温度，K。
[0033]Z2—温度为T，压力为P2时甲烷的压缩因子，无量纲；；
[0034]将式(1)转化为标准状态，并将固定条件带入，可得到下列公式(2)：
[0035][0036]式中：Q1‑
充入进气参考缸及上管路中的甲烷标准体积，cm3；
[0037]打开第五控制阀，使进气参考缸内的甲烷气体进入到吸附单元，煤体开始吸 附瓦斯，经过长时间的吸附过程，达到吸附平衡状态，此时整个装置内压力为 P3，可得到装置内游离态瓦斯体积Q2：
[0038][0039]式中：Q2—整个装置内游离态甲烷标准体积，cm3；
[0040]P3—吸附平衡压力，MPa；
[0041]V3—整个装置内的死体积，mL；
[0042]Z3—温度为T，压力为P3时甲烷的压缩因子，无量纲；
[0043]则，该实验煤样的吸附量为：
[0044]ΔQ＝Q1‑<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置及方法，其特征在于：所述测试装置包括吸附单元及与其管路连接的供气系统、加卸载系统、回压系统和渗流系统，且吸附单元置于围压液容器中并通过气体管路与各系统相连，而各气体管路上均相应安装有控制阀；所述供气系统包括并联设置的供气管路和真空管路，且供气管路包括供气瓶、气瓶调压阀及设于其后端管路上的第二控制阀，第二控制阀的后端管路上还设有进气参考缸，且进气参考缸的前端管路上设有第四控制阀；而真空管路位于第四控制阀的后端管路上并设于吸附单元之前，且真空管路和吸附单元之前的前端管路上设有第五控制阀；所述回压系统包括回压阀以及与其连接的回压容器，且回压阀连接设于吸附单元与渗流系统之间，而回压阀的前端管路设于第四控制阀与第五控制阀之间并通过相应设置的第三控制阀控制回压系统；所述加卸载系统包括用于测量吸附单元中的煤样压力的压力传感器、以及与围压液容器连接的轴压加载恒速恒压泵和围压加载恒速恒压泵，且压力传感器和围压液容器间还控制连接有温度设置系统，而温度设置系统、压力传感器和渗流系统均通过数据传输线与数据采集系统连接。2.根据权利要求1所述的一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置，其特征在于：所述真空管路包括真空容器和真空泵，且真空容器与真空泵连接的管路上设有第七控制阀，而位于真空容器的前端管路上还设有第六控制阀，第七控制阀前端与第五控制阀连通；所述供气管路的前端管路上还设有用于控制整个测试装置的第一控制阀。3.根据权利要求2所述的一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置，其特征在于：所述轴压加载恒速恒压泵与围压液容器的连接管路上相应设有第一进液阀和第一出液阀；所述围压加载恒速恒压泵与围压液容器的连接管路上也相应设有第二进液阀和第二出液阀。4.根据权利要求2所述的一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置，其特征在于：所述吸附单元包括用于夹持煤样的高压三轴煤岩芯夹持器，且高压三轴煤岩芯夹持器置于围压液容器中。5.根据权利要求2所述的一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置，其特征在于：所述供气瓶中通入的气体为甲烷。6.基于权利要求2至5任一项所述的一种矿井开采中煤体吸附态瓦斯量变化的测试装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)检查测试装置的气密性，并进行测试装置的死空间标定；(2)采集煤层并制成标准煤样，干燥处理并冷却后称重，随后将其放入吸附单元中；(3)围压液容器内加入硅油并充满腔体，连接吸附单元与进气参考缸间的管路并组成通路；打开轴压加载恒速恒压泵的第一进液阀，使泵内充满液体，随后关闭第一进液阀，打开第一出液阀，并输入预设轴压，待轴压加载完成，保持第一出液阀畅通；打开...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈向军，冯帅龙，张贵鑫，李新建，赵伞，闵瑞，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。