專利名稱：一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及采礦安全工程研究領域，尤其涉及一種測試煤巖體中氣體運 移過程的方法及裝置。
背景技術：
煤是一種復雜的多孔隙介質，在這些孔隙結構中吸附有大量甲烷和二氧 化碳氣體。隨著煤炭資源的開采向深部煤層進行，低瓦斯礦井逐漸轉型為高 瓦斯礦井，吸附態(tài)氣體會隨著環(huán)境溫度升高、應力降低解吸成游離態(tài)，并在 煤體的孔隙結構中運移。在深部煤巖體工程開挖中，游離瓦斯會隨著礦井通 風遷移出巷道，但仍有大量瓦斯吸附在煤體中，其構成了各類瓦斯事故發(fā)生 的物質條件。因此，對于賦存煤層中吸附氣體解吸運移特性的研究，既是目 前采礦安全工程的技術難點，也是急需解決的課題之一。
目前，國內外對煤中吸附氣體解吸-運移過程的研究絕大多數(shù)停留在在不 同溫度-壓力條件下吸附和解吸氣體的量上，以評價測試煤樣的瓦斯吸附-解 吸能力。其具體過程如下首先對采集的煤樣進行真空脫氣，接著再注入一 定壓力的氣體使煤樣吸附飽和，最后卸壓解吸，利用流量計、壓力計等儀器 對解吸氣體進行檢測，完成實驗過程。該過程雖然可以獲得煤樣的最大吸附 氣體量以及等溫條件下的朗格繆而吸附常數(shù)，但不能反映開挖前后煤層在溫 度場、應力場和滲流場等多物理場作用下吸附氣體的運移規(guī)律，不能真正模 仿實際環(huán)境下煤巖體的吸附、解吸過程，使得實驗數(shù)據在某種程度上缺乏可 靠性，不能為準確判斷瓦斯突出形成的時間和原因提供依據，給安全生產帶 來隱患。如何避免這種情況發(fā)生，提高模擬實驗研究下煤體中吸附氣體運移 規(guī)律的真實性和可靠性，就成為本發(fā)明要解決的問題。

發(fā)明內容
鑒于上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明旨在提供一種用于研究深部煤巖體 吸附氣體運移規(guī)律的實驗系統(tǒng)，以求真實再現(xiàn)煤體破壞過程中吸附瓦斯解 吸、瓦斯逸出以及吸附瓦斯隨溫度解吸、擴散的過程。
本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的
一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，包括選取煤樣，在密封狀態(tài) 下對煤樣施加軸向和徑向壓力；利用通道引導從煤樣中解吸出的氣體，檢測 氣體流量和壓力，分析氣體成分和含量，完成數(shù)據統(tǒng)計。 所述在密封狀態(tài)下還包括對煤樣的升溫控制。 所述煤樣為原始狀態(tài)下提取后直接使用，煤樣形狀為圓柱狀。 所述徑向壓力采用液壓方式，煤樣表面覆蓋有防止液壓油滲入的隔離層。
一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，包括加載系統(tǒng)、溫度控制系 統(tǒng)、氣體成份檢測及計量系統(tǒng)和數(shù)據采集儀，溫度控制系統(tǒng)和氣體成份檢測 及計量系統(tǒng)分別與加載系統(tǒng)連接，數(shù)據采集儀連接在氣體成份檢測及計量系 統(tǒng)上。
所述的加載系統(tǒng)為三軸壓力室，三軸壓力室包括密封室、油缸和兩個位 于密封室中的軸向壓頭，密封室上設有入口和出口，油缸固定在密封室的倉 體外部，缸桿垂直伸入密封室內，兩個軸向壓頭可分別對應連接在缸桿端部 和密封室的底座上，缸桿與其上連接的軸向壓頭內分別設有相互貫通的引導 通道。
所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器和加熱器，加熱器固定在密封室內， 溫度控制器通過導線與加熱器連接，溫度控制器上的探測頭與煤樣表面接 觸。所述氣體成份檢測及計量系統(tǒng)包括順序連接的壓力計、壓力電磁閥、流 量計、手動開關和氣相色譜儀，壓力計通過管路連接在缸桿的引導通道上， 壓力電磁閥和手動開關分別控制流量計和氣相色譜儀連接通道的連通。
所述流量計的數(shù)量為一個以上， 一個以上的流量計相互并聯(lián)，根據氣體 流量大小選擇不同量程流量計，以保證測量精度。
所述數(shù)據采集儀分別與壓力計、流量計和氣相色譜儀電連接。
本發(fā)明所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，以煤體內賦存的 原生吸附氣體為研究對象，利用軸壓和徑向圍壓對原始煤樣進行壓力承載實 驗，并利用加熱器對煤樣實行溫度控制實驗，真實地模擬了實際施工過程中 煤巖體在挖掘破壞過程中其內吸附氣體隨著溫度和應力變化由吸附態(tài)到游離 態(tài)、從擴散到滲流的變化過程，檢測出的解吸氣體壓力、流量以及成份、含 量數(shù)據準確可靠，為研究煤礦中瓦斯突出的形成、發(fā)生過程提供了有力的理 論和數(shù)據依據。本方法構思巧妙、合理，模擬過程逼真，充分再現(xiàn)了煤體破 壞過程中吸附瓦斯的解吸、運移過程。
本發(fā)明所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，利用三軸壓力室 為原始提取煤樣提供密封實驗環(huán)境，通過改變密封室內的溫度和壓力，達到 模擬真實環(huán)境中多物理場作用下深部煤巖體內氣體的運移情況，并通過壓力 計、流量計和氣相色譜儀檢測得到吸出氣體的相關數(shù)據。整個裝置模擬過程 真實、有效，操作簡單、方便，數(shù)據采集和測量過程準確、可靠。


圖l為本發(fā)明的結構示意圖2為溫度-壓力作用下煤中吸附氣體解吸過程；
圖3為溫度作用下煤屮吸附氣體解吸過程。
具體實施例方式
本發(fā)明的宗旨是在多物理場作用下真實模擬煤巖體在應力破壞后其內 吸附氣體的運移過程，檢測運移氣體壓力、流量和氣體中各成份含量，為研 究煤礦巷道中瓦斯事故提供準確、可靠的實驗依據，并為預防此類事故提供 判斷依據。
本發(fā)明所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，其具體步驟如
下
歩驟一選取煤樣，在密封狀態(tài)下對煤樣固定，并對煤樣施加軸向和徑 向壓力以及進行升溫控制。
選取的煤樣采用原始狀態(tài)下提取后直接使用的方式，盡量減少人為因素 對煤樣中吸附氣體的影響和破壞。煤樣形狀為圓柱狀，圓柱狀煤樣的采樣過 程簡單，在施加徑向壓力時受力均勻、可靠，使用方便。密封狀態(tài)下的實驗 過程可以保證煤樣在受控狀態(tài)下進行量化地軸向和徑向壓力實驗以及升溫控 制，使煤樣在多物理場作用下真實再現(xiàn)煤樣中附著氣體從吸附態(tài)到游離態(tài)以 及整個氣體運移的過程，保證實驗過程和實驗數(shù)據的準確性和可靠性。當 然，密封狀態(tài)下的煤樣實驗過程也可只有軸向壓力或者徑向壓力或者溫度的 升溫控制，甚至是三者之間的任意組合，以檢測不同條件對煤樣中吸附氣體 運移過程的影響。
軸向壓力可以由機械傳動產生。
徑向壓力可以采用液壓的方式，液壓作用力均勻、穩(wěn)定，壓強大、性能 可靠。為防止液體浸入煤樣影響和破壞實驗過程，在煤樣進行固定的過程 中，可以在煤樣表面覆蓋隔離層，利用隔離層將煤樣與液體充分隔開，同時 還能保證壓力的均勻傳遞。
升溫控制可以直接對煤樣進行升溫，也可對密封環(huán)境進行整體升溫，其 控制過程以能準確體現(xiàn)煤樣溫度為準。實驗過程的密封狀態(tài)可以由能承受一定壓力的密封室完成，整個實驗過 程都需在密封狀態(tài)下進行。
步驟二利用引導通道采集煤樣中解吸出的氣體，利用檢測儀器對吸出 氣體流量和壓力進行檢測，并分析氣體成分和含量，完成檢測數(shù)據的統(tǒng)計。
將密封狀態(tài)下煤樣解吸出的氣體引導出，利用壓力計和流量計以及氣相 色譜儀對吸出氣體進行檢測，分別得到氣體的壓力、流量大小以及氣體成份 和含量，匯總數(shù)據后得到相關曲線，通過曲線可以直接了解煤巖體中隨著壓 力和溫度變化其吸附氣體吸出的流量大小和運移情況，掌握不同狀態(tài)、不同 時期下煤體內吸附瓦斯解吸過程，從而為有效避免和預防瓦斯事故提供理論 依據。
其中，引導通道需保證密封效果，并能順利引導煤樣中解吸出的氣體。 由于實驗屮煤樣需承載均勻地徑向壓力，為降低引導通道對煤樣實驗的影 響，故引導通道的最佳位置應位于煤樣的軸向，軸向的引導通道既利于加 工、使用，又可降低對煤樣承載壓力的影響。
為得到一定的逸出氣體壓力，真實模擬煤樣應力破壞后氣體運移的過 程，在壓力計和流量計之間還設有壓力控制開關，壓力控制開關使壓力滿足 一定條件后才能將流量計的氣體引導管路連通，使煤樣中吸出的氣體在運移 中有一個噴出的過程。由于流量計量程的限制和對精度的要求，在氣體引導 管路上還可同時連接多個不同量程的流量計，以方便不同情況下的檢測使 用。
下面結合附圖l對本發(fā)明所述的裝置做進一步的描述
一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，包括加載系統(tǒng)、溫度控制系 統(tǒng)、氣體成份檢測及計量系統(tǒng)和數(shù)據采集儀。溫度控制系統(tǒng)和氣體成份檢測 及計量系統(tǒng)分別與加載系統(tǒng)連接，溫度控制系統(tǒng)完成對加載系統(tǒng)進行溫度控 制，氣體成份檢測及計量系統(tǒng)負責對吸出氣體進行量化分析，充分掌握吸出氣體的成份、含量、壓力等相關數(shù)據，數(shù)據采集儀則將這些相關數(shù)據進行匯 總、比較，形成相關數(shù)據曲線。
其中，加載系統(tǒng)為一個三軸壓力室，三軸壓力室包括密封室4、油缸l禾口
兩個位于密封室4中的軸向壓頭5，密封室4上設有進油口和出油口，通過外接 油泵12可以向密封室4內注入壓力油，使密封室4內形成一個均勻地帶有內壓 的環(huán)境。為保證壓力油與煤樣6表面不直接接觸，在煤樣6表面需套有隔離層 7。油缸1固定在密封室4的頂部，缸桿3垂直伸入密封室4內，兩個軸向壓頭5 分別對應連接在缸桿3端部和密封室4內的底座上，軸向壓頭5端面上設有凸 起，缸桿3端部和密封室4底座上分別設有與凸起相配合的凹坑，軸向壓頭5利 用凸起插接在缸桿3端部和密封室4底面的凹坑上。缸桿3和其上連接的軸向壓 頭5內還貫穿有引導通道2，缸桿3上引導通道2的出口通向密封室4外部。
溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器8和加熱器10，加熱器10為 -個筒狀絕緣體 支架，帶有陶瓷護圈的電阻絲9盤繞在筒狀支架中，加熱器10固定在密封室4 內并圍繞在實驗煤樣6的周圍。溫度控制器8安裝在密封室4外，溫度控制器8 通過導線與加熱器10連接，溫度控制器8上的探測頭11與密封室4內煤樣6的表 面相接觸。
氣體成份檢測及計量系統(tǒng)包括壓力計13、壓力電磁閥14、兩個流量計 16、兩個手動開關15和氣相色譜儀17。壓力計13連接在引導通道2出口的管路 上，壓力電磁闊14連接在壓力計13與流量計16之間，壓力電磁閥14為常閉狀 態(tài)，當滿足一定的壓力后，壓力電磁閥14開啟。手動開關15為兩個兩位三通 閥，為保證流量測量的準確性和安全性，兩個流量計16相互并聯(lián)，兩個流量 計16量程大小不同，分別針對不同氣體流量進行測量。兩個兩位三通閥分別 控制兩個流量計16和氣相色譜儀17的連通，利用流量計16和氣相色譜儀17完 成吸出氣體的相關數(shù)據檢測。
數(shù)據采集儀18分別與壓力計13、流量計16和氣相色譜儀17電連接，數(shù)據采集儀18將數(shù)據收集并整理后，形成各項監(jiān)測數(shù)據與時間的曲線顯示。
實驗準備階段，首先將選取的圓柱狀煤樣6用隔離層7套住，隔離層7選用 氟橡膠套密封。煤樣6兩端用兩個軸向壓頭5分別貼緊，氟橡膠套兩端分別與 軸向壓頭5表面用硅膠密封連接，保證煤樣6表面不會與外界液壓油接觸。接 著，移動缸桿3，將缸桿3和密封室4底座的凹坑分別套在煤樣6兩端軸向壓頭5 的凸起上，將加熱器10套在煤樣6上，加熱器10底部固定在密封室4底面上， 探測頭11固定在密封室4內，探測頭11與煤樣6表面的氟橡膠套相接觸。最 后，封閉密封室4，通過外接油泵12向密封室4內注入液壓油，充滿整個密封 室4。煤樣6在密封室4中保持垂直狀態(tài)，煤樣6、加熱器10和探測頭11全部浸 泡在壓力油中，煤樣6頂端通過缸杠3及其上連接的軸向壓頭5內的引導通道2 與外界壓力計13、流量計16以及氣相色譜儀17連通。
實驗中，設定加熱溫度，利用溫度控制器8控制加熱器10工作，使煤樣6 溫度達到實驗所需溫度值。通過油缸1推動缸桿3對密封室4內煤樣6施加的軸 向壓力，同時，密封室4中的液壓油也對煤樣6產生圍壓，圍壓均勻地作用在 包圍在油中的煤樣6側表面。在溫度場和應力作用下，煤樣6中吸附的氣體發(fā) 生解吸-運移過程，逸出氣體從煤樣6軸端通過引導通道2流出密封室4，壓力 計13隨時對逸出的氣體進行壓力值測定。由于壓力電磁閥14為常閉狀態(tài)，引 導通道2中的吸出氣體不會直接進入流量計16的通道，而是隨著解吸氣體的增 多，壓力達到一定數(shù)值后，壓力電磁閥14才會開啟。根據解吸氣體流量的大 小，手動操縱兩個兩位三通閥接通相應的流量計16通道和氣相色譜儀17通 道，通過流量計16和氣相色譜儀17檢測流過氣體的流量、成份和含量，數(shù)據 采集儀18最后將這些檢測數(shù)據匯總，并在數(shù)據采集儀18中繪出各個時間、各 個階段、不同壓力下煤樣6吸附氣體解吸、運移情況曲線。通過模擬各種環(huán)境 條件下深部煤巖體內吸附瓦斯突出的形成、發(fā)生過程，為預防瓦斯事故提供 理論和數(shù)據依據。如圖2所示為溫度與壓力作用下煤中吸附瓦斯解吸運移曲線。對煤樣施加 軸向壓力至破壞后，氣體逸出壓力陡降出現(xiàn)負值， 一段時間后回升至常壓。
煤樣破裂后滲透率增加，隨著溫度升高各種氣體濃度均增大。溫度升至7(TC
后，施加側向壓力，氣體壓力升高，有大量氣體從煤樣中逸出，各組分濃度 繼續(xù)增大。從實驗結果可以說明，單軸壓力作用下煤樣內產生的新生裂隙促 使氣體回流，表現(xiàn)為氣體壓力降低。而圍壓的作用可以減小裂隙體積，擠出 大量游離瓦斯。
如圖3所示為溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸規(guī)律。在溫度線性升高條件 下，煤樣中游離氣體受熱膨脹后，向外界流動。吸附氣體解吸成游離態(tài)后向 外界擴散，表現(xiàn)為各組分氣體濃度逐漸增大。從實驗結果可以說明在溫度作 用下，煤樣吸附能力降低。促使吸附氣體解吸成游離態(tài)向外界釋放。
權利要求
1、一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，其特征在于，包括選取煤樣，在密封狀態(tài)下對煤樣施加軸向和徑向壓力；利用通道引導從煤樣中解吸出的氣體，檢測氣體流量和壓力，分析氣體成分和含量，完成數(shù)據統(tǒng)計。
2、 根據權利要求l所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，其特 征在于，所述在密封狀態(tài)下還包括對煤樣的升溫控制。
3、 根據權利要求1或2所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，其 特征在于，所述煤樣為原始狀態(tài)下提取后直接使用，煤樣形狀為圓柱狀。
4、 根據權利要求1或2所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法，其 特征在于，所述徑向壓力采用液壓方式，煤樣表面覆蓋有防止液壓油滲入的隔離層。
5、 一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特征在于，包括加載系 統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣體成份檢測及計量系統(tǒng)和數(shù)據采集儀，所述溫度控制 系統(tǒng)和氣體成份檢測及計量系統(tǒng)分別與加載系統(tǒng)連接；所述數(shù)據采集儀連接 在氣體成份檢測及計量系統(tǒng)上。
6、 根據權利要求5所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特 征在于，所述的加載系統(tǒng)為三軸壓力室，三軸壓力室包括密封室、油缸和兩 個位于密封室中的軸向壓頭，所述密封室上設有入口和出口；所述油缸固定 在密封室的倉體外部，缸桿垂直伸入密封室內；所述兩個軸向壓頭可分別對 應連接在缸桿端部和密封室的底座上，缸桿與其上連接的軸向壓頭內分別設 有相互貫通的引導通道。
7、 根據權利要求5所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特 征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器和加熱器，所述加熱器固定在密封室內，溫度控制器通過導線與加熱器連接，溫度控制器上的探測頭與煤樣 表面接觸。
8、 根據權利要求5所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特 征在于，所述氣體成份檢測及計量系統(tǒng)包括順序連接的壓力計、壓力電磁 閥、流量計、手動開關和氣相色譜儀，所述壓力計通過管路連接在缸桿的引 導通道上，壓力電磁閥和手動開關分別控制流量計和氣相色譜儀連接通道的 連通。
9、 根據權利要求8所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特 征在于，所述流量計的數(shù)量為一個以上， 一個以上的流量計相互并聯(lián)，根據 氣體流量大小選擇不同量程流量計，以保證測量精度。
10、 根據權利要求5所述的一種測試煤巖體中氣體運移過程的裝置，其特 征在于，所述數(shù)據采集儀分別與壓力計、流量計和氣相色譜儀電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測試煤巖體中氣體運移過程的方法及裝置，通過在密封狀態(tài)下對選取的煤樣施加軸向、徑向壓力和溫度，并通過引導通道收集煤樣中解吸出的氣體，檢測氣體流量、壓力以及成分和含量，完成多物理場作用下煤巖體內吸出氣體運移情況的數(shù)據統(tǒng)計。其模擬實驗過程真實、有效，檢測數(shù)據準確、可靠，構思巧妙、合理，充分再現(xiàn)了煤體破壞過程中瓦斯解吸、運移的過程，為研究煤礦中瓦斯突出事故形成、發(fā)生過程提供了有力的理論和數(shù)據依據，整個裝置操作簡單、使用方便，非常適合用于深部煤巖體內吸附氣體的運移研究。
文檔編號E21B49/00GK101608545SQ200910088810
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權日2009年7月20日
發(fā)明者何滿潮, 張海江, 李德建 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)