一種蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流的測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤礦瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流的測(cè)試裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦瓦斯是一種可燃性氣體，它既是一種寶貴的資源，也是威脅煤礦安全生產(chǎn)的最大隱患，在采礦過(guò)程中，瓦斯從煤層內(nèi)擴(kuò)散涌出到礦井的巷道中，當(dāng)巷道中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限，遇到明火時(shí)，就會(huì)造成煤礦瓦斯爆炸事故。進(jìn)行井下本煤層或鄰近煤層的瓦斯預(yù)抽采是減少礦井瓦斯涌出量、防治煤礦瓦斯災(zāi)害的有效方法。目前公知的煤層瓦斯抽采方法主要有本煤層鉆孔抽采、鄰近煤層穿層鉆孔抽采、鄰近煤層巷道鉆孔聯(lián)合抽采和地面垂直鉆孔抽采等方法，這些方法的共同原理是在煤層中施工和外部連通的鉆孔或巷道，鉆孔或巷道周圍壓力高的瓦斯會(huì)向鉆孔或巷道的低壓區(qū)流動(dòng)，但由于我國(guó)的絕大多數(shù)煤田都屬于低滲透煤層，瓦斯流動(dòng)的速度緩慢，常規(guī)的瓦斯抽放方法對(duì)于低滲透煤層效果較差。
[0003]我國(guó)擁有豐富的煤層氣資源，其中絕大多數(shù)煤層為低滲透煤層，煤層氣開采量小，開采成本高、時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法形成大規(guī)模的工業(yè)化開采，因此，多年來(lái)許多學(xué)者對(duì)如何提高煤層氣的滲透率和滲透量進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，主要集中于地應(yīng)力對(duì)煤巖體滲透性影響以及注氣驅(qū)替煤層氣的方法，理論也揭示，溫度是改善煤層氣透氣性的一個(gè)關(guān)鍵性因素，蒸汽注入煤層中提高煤層溫度，促使煤層氣解吸，蒸汽在煤層中滲透驅(qū)動(dòng)煤層氣流動(dòng)，可以提高煤層氣開采效率，但對(duì)于煤層氣條件、煤層甲烷條件，需要使用不同的蒸汽注入?yún)?shù)如蒸汽溫度、蒸汽干度、蒸汽流量、注氣鉆孔布置等，針對(duì)以上情況，亟需對(duì)蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流進(jìn)行測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種便于操作、工作量小、測(cè)量快速準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)性能高，能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)定不同環(huán)境條件下煤體中瓦斯的吸附滲透性的一種蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流的測(cè)試裝置及方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流的測(cè)試裝置，包括抽真空系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、解吸滲流系統(tǒng)和氣體計(jì)量系統(tǒng)；
抽真空系統(tǒng)包括真空栗和真空容器，真空栗的進(jìn)氣口通過(guò)第一氣管與真空容器的出氣口連接，第一氣管上沿氣體流動(dòng)方向依次設(shè)有真空表和第一截止閥；
注氣系統(tǒng)包括甲烷氣罐，甲烷氣罐通過(guò)第二氣管與解吸滲流系統(tǒng)連接，第二氣管上沿氣體流動(dòng)方向依次設(shè)有高壓表、第一減壓閥、低壓表、第一管道增壓栗、第二截止閥、單向閥、蒸汽發(fā)生機(jī)構(gòu)、調(diào)壓閥、第三截止閥和第一壓力表;真空容器的進(jìn)氣口通過(guò)第三氣管與第二氣管連接，第三氣管與第二氣管的連接處位于調(diào)壓閥與第三截止閥之間，第三氣管上設(shè)有第四截止閥；
解吸滲流系統(tǒng)包括密封恒溫箱、三軸夾持器和平衡罐;平衡罐和三軸夾持器位于密封恒溫箱內(nèi)，甲烷氣罐通過(guò)第二氣管與三軸夾持器連接;平衡罐上設(shè)有第四壓力表，平衡罐的進(jìn)氣口通過(guò)第五氣管與第二氣管連接，第五氣管與第二氣管的連接處位于調(diào)壓閥與第三截止閥之間，平衡罐的出氣口通過(guò)第六氣管與第二氣管連接，第六氣管與第二氣管的連接處位于第一壓力表與三軸夾持器之間，第五氣管上設(shè)有第五截止閥，第六氣管上設(shè)有第六截止閥;密封恒溫箱的進(jìn)口設(shè)有第一溫度傳感器，密封恒溫箱的出口設(shè)有第二溫度傳感器;三軸夾持器通過(guò)第七氣管連接有軸壓栗，三軸夾持器通過(guò)第八氣管連接有圍壓栗，第七氣管上設(shè)有第七截止閥，第八氣管上設(shè)有第八截止閥；
氣體計(jì)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集控制電腦、電子天平、氣液分離器和氣體流量計(jì)，氣液分離器通過(guò)第九氣管與三軸夾持器的出口連接，第九氣管上沿氣體流動(dòng)方向依次設(shè)有第三壓力表、第二減壓閥、第九截止閥和制冷器;氣液分離器通過(guò)第十氣管與氣體流量計(jì)連接，第十氣管上設(shè)有干燥器;數(shù)據(jù)采集控制電腦分別通過(guò)數(shù)據(jù)線與第一壓力表、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第四壓力表、第三壓力表、氣體流量計(jì)和電子天平連接。
[0006]蒸汽發(fā)生機(jī)構(gòu)包括水箱和蒸汽發(fā)生器，水箱通過(guò)第一水管與蒸汽發(fā)生器連接，蒸汽發(fā)生器通過(guò)第四氣管與第二氣管連接;第一水管上沿水流動(dòng)方向依次設(shè)有自吸栗、第十截止閥、高壓儲(chǔ)水罐和第十一截止閥，第四氣管上沿蒸汽流動(dòng)方向依次設(shè)有第二壓力表、第十二截止閥、第二管道增壓栗和第十三截止閥，蒸汽發(fā)生器的出氣口處設(shè)有溫度表。
[0007]蒸汽驅(qū)動(dòng)煤體瓦斯解吸滲流的測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟:
(1)制備煤樣;采集不同滲透率的煤樣，按照要求將其加工成Φ50 X 10mm標(biāo)準(zhǔn)煤樣，50mm為煤樣的直徑，I OOmm為煤樣的長(zhǎng)度；
(2)檢查實(shí)驗(yàn)條件:檢查各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)試其是否完好無(wú)損，并檢查所有管路是否暢通，甲烷氣罐的氣體含量是否能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)想的實(shí)驗(yàn)壓力，三軸夾持器的密封效果是否完好，各實(shí)驗(yàn)儀表的示數(shù)是否正常，用電設(shè)備的線路是否通路；
(3)裝配煤樣并準(zhǔn)備真空實(shí)驗(yàn)條件:將煤樣套上熱收縮橡膠套，接著固定到三軸夾持器上;打開第三截止閥、第四截止閥和第一截止閥，其他閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟真空栗和密封恒溫箱，使密封恒溫箱內(nèi)的溫度保持在100?105° C，真空栗對(duì)三軸夾持器內(nèi)部抽真空，當(dāng)真空表的示數(shù)為0.1Mpa時(shí)，關(guān)閉第三截止閥、第四截止閥和第一截止閥；
(4)向平衡罐內(nèi)注入甲烷氣體:打開第一減壓閥、第二截止閥、單向閥、調(diào)壓閥和第五截止閥，同時(shí)打開甲烷氣罐，甲烷氣體在第一管道增壓栗的驅(qū)動(dòng)下并沿第二氣管和第五氣管進(jìn)入平衡罐，當(dāng)平衡罐上的第四壓力表上的壓力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉甲烷氣罐，同時(shí)關(guān)閉第一減壓閥、第二截止閥、單向閥、調(diào)壓閥和第五截止閥；
(5)向三軸夾持器內(nèi)注入甲烷氣體:打開第六截止閥，平衡罐內(nèi)的甲烷氣體沿第六氣管并經(jīng)第二氣管進(jìn)入三軸夾持器內(nèi)，連續(xù)24h向三軸夾持器內(nèi)充入甲烷氣體，使煤樣對(duì)甲烷氣體的吸附達(dá)到平衡，當(dāng)?shù)谒膲毫Ρ淼氖緮?shù)不再變化時(shí)，關(guān)閉第六截止閥；
(6)煤樣受力模擬:打開第七截止閥和第八截止閥，接著啟動(dòng)軸壓栗和圍壓栗，對(duì)煤樣施加軸向壓力和環(huán)向壓力；
(7)打開數(shù)據(jù)采集控制電腦；
(8)持續(xù)向三軸夾持器內(nèi)通入高溫高壓蒸汽:打開第十截止閥，然后開啟自吸栗往高壓儲(chǔ)水罐內(nèi)注水，當(dāng)高壓儲(chǔ)水罐內(nèi)注滿水后，關(guān)閉第十截止閥和高壓儲(chǔ)水罐，接著打開第十一截止閥并啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器，當(dāng)蒸汽發(fā)生器的出氣口處的溫度計(jì)示數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，依次打開第十二截止閥、第十三截止閥和第三截止閥，同時(shí)打開第二管道增壓栗，在第二管道增壓栗的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)向三軸夾持器內(nèi)注入高溫高壓蒸汽，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)第一壓力表的示數(shù)，使第一壓力表示數(shù)為a;
(9)氣液分離:開啟制冷器，然后打開第二減壓閥和第九截止閥，三軸夾持器內(nèi)的氣液混合體經(jīng)過(guò)第三壓力表和制冷器進(jìn)入氣液分離器，被冷卻的液體在氣液分離器的液體出口流出，被解吸的甲烷氣體經(jīng)過(guò)干燥器干燥，最后經(jīng)氣體流量計(jì)排出，同時(shí)記錄第三壓力表的示數(shù)b、電子天平的示數(shù)和氣體流量計(jì)的示數(shù)d
(10)數(shù)據(jù)采集控制電腦對(duì)第一壓力表、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第四壓力表、第三壓力表、氣體流量計(jì)和電子天平所示的上述數(shù)值進(jìn)行采集，根據(jù)煤體瓦斯?jié)B透率公式，計(jì)算瓦斯煤樣滲透率k=(