[發(fā)明專利]一種煤巖非線性滲透系數(shù)測試裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710395375.6
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107101928A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程波;鄒銀輝;張志剛;向衍斌;王建;張林良;李大勇;程建圣;孫炳興;李文哲;徐騰飛;冀超輝;黃光利;劉俊;杜文波
• 申請（專利權(quán)）人: 中煤科工集團重慶研究院有限公司
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11275
• 代理人: 趙榮之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種煤巖非線性滲透系數(shù)測試裝置及方法。

背景技術(shù)

煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對主要位置，50年代的比例曾高達90％。預計到2015年，我國將達到39億噸的煤炭生產(chǎn)量。然而，新形勢下我國煤炭工業(yè)的發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。頻繁發(fā)生的重特大瓦斯災害事故，已成為煤礦安全生產(chǎn)最嚴重的制約因素。我國煤層賦存條件復雜，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井約占1/3，防治煤礦瓦斯災害成為安全生產(chǎn)的重中之重。此外，瓦斯(煤層氣)是一種清潔、高效的能源，在國際油價居高不下、減排壓力空前增加的大環(huán)境下，亟需加大瓦斯的開發(fā)利用力度，將其作為優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)的重要資源。瓦斯抽采不僅是有效防治煤礦瓦斯災害和實現(xiàn)安全本質(zhì)型生產(chǎn)的區(qū)域性措施，也是煤層氣開發(fā)的主要技術(shù)手段。目前，針對礦井瓦斯抽采的問題，在實施工藝技術(shù)上已經(jīng)接近成熟。但如何有效的運用這一手段，科學地實施礦井瓦斯治理，尚缺乏理論指導。因此，如何將煤層瓦斯流動理論與瓦斯抽采相結(jié)合，成為當前我國煤炭行業(yè)實施科學抽采亟需解決的問題。其中，如何測試煤巖非線性滲透系數(shù)，便成為實施科學抽采規(guī)劃的關(guān)鍵。

有鑒于此，本發(fā)明公開了一種測試煤巖非線性滲透系數(shù)與鉆孔抽采瓦斯物理模擬的裝置及方法，解決了如何測試煤巖非線性滲透系數(shù)的問題，為深入研究煤層瓦斯流動機理，探求煤自身物性參數(shù)對瓦斯在煤體內(nèi)運移的控制機制提供了技術(shù)支撐。同時也為礦井制定合理的抽采規(guī)劃方案提供了依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明為了解決實施礦井瓦斯治理時缺乏理論指導的問題，提供一種煤巖非線性滲透系數(shù)測試裝置及方法。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：包括煤樣密封裝置、入口端壓力控制系統(tǒng)、出口端壓力控制系統(tǒng)和真空管路系統(tǒng)，煤樣密封裝置包括恒溫槽和氣室，氣室安裝在恒溫槽內(nèi)，氣室內(nèi)安裝有與氣室密封連接的密封腔體，密封腔體的中部穿設(shè)有中空的圓柱狀鋼桿，鋼桿的下部穿出密封腔體的部分為連接出氣端，密封腔體的上方密封安裝有彎折狀的頂蓋，頂蓋的環(huán)形面上均勻設(shè)置若干篩孔，頂蓋上部設(shè)有上部密封擋塊，氣室為圓筒形結(jié)構(gòu)且氣室側(cè)面設(shè)有側(cè)室閥門；

入口端壓力控制系統(tǒng)包括入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和高壓氣瓶減壓閥，入口端壓力控制器、入口端壓力傳感器和氣室側(cè)面的側(cè)室閥門安裝在三通管的三個管路上，高壓氣瓶減壓閥連接在入口端壓力控制器所在管路上，氣室側(cè)面的側(cè)室閥門所在的管路上安裝有入口端質(zhì)量流量計；

出口端壓力控制系統(tǒng)包括出口端質(zhì)量流量計、出口端氣體壓力控制器和出口端壓力傳感器，連接出氣端、出口端氣體壓力控制器和壓力傳感器安裝在三通管的三個管路上，出口端質(zhì)量流量計安裝在連接出氣端所在管路上；

真空管路系統(tǒng)包括真空泵，真空泵與入口端壓力控制器管路連接且該管路上安裝有真空泵閥門。

進一步，恒溫槽為恒溫水浴槽或者恒溫空氣浴槽。

進一步，密封腔體的底部設(shè)有與密封腔體固定連接的底部托盤，底部托盤的中部固定安裝有凸臺，氣室通過法蘭與底部托盤上的凸臺密封連接，氣室與底部托盤密封連接的法蘭上開設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有密封圈。

進一步，上部密封擋塊外側(cè)設(shè)有格米圈、密封圈和導向帶，格米圈和密封圈對封缸體內(nèi)的煤樣上端面進行二次密封，導向帶能夠使上部密封擋塊上下移動。

一種煤巖非線性滲透系數(shù)測試裝置的測試方法，包括以下步驟：

S1：將制備好的煤粒壓入模具中，冷壓一次成型，將煤粒制成圓柱體，利用取芯裝置將圓柱體煤樣制備成所需的圓環(huán)柱體型；

S2：將制備好的圓環(huán)柱體型煤樣放入到密封腔體內(nèi)，在密封腔體底部和頂部涂抹一定量的密封劑，實現(xiàn)待測試煤樣的端面密封，在煤樣頂部放置上部密封擋塊；

S3：將密封腔體放入到氣室內(nèi)，設(shè)置氣室內(nèi)的氣體壓力；

S4：調(diào)節(jié)流出圓環(huán)柱形煤樣試件的氣體壓力，使測試氣體在壓差的驅(qū)動下于煤樣的環(huán)形柱體內(nèi)流動，待氣體滲透達到穩(wěn)定流動狀態(tài)后，測量氣體穩(wěn)定流動時的氣體流量；

S5：煤巖非線性滲透系數(shù)的計算：根據(jù)前期進行的不同氣含量下的瓦斯?jié)B透測試結(jié)果的分析，得到煤巖非線性滲流的數(shù)學模型為：

式中：k₀為煤巖的極限滲透率m/s；μ為氣體粘度Pa.s；Δp為煤巖兩端的氣體壓力梯度；w為煤巖吸附氣體量m³；μ_ap是表征煤體氣體流動孔道特征的參數(shù)，反映了煤體滲透特性隨吸附氣體量改變的敏感性大小。

根據(jù)比流量形式有：