一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，特别是涉及一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置及方法。

背景技术

煤炭在我国的主要能源占比约为75％，并且煤炭开采还通常伴随有高应力、强吸附性、高瓦斯、低渗透性的突出特点。煤矿安全事故易造成生命和财产损伤，从而制约煤炭产业的健康可持续发展。

为了降低煤炭开采时的瓦斯事故，技术人员开发了利用CO

然而，单一的CO

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置及方法，改变了原有仅以单一的CO

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置，包括CH

在所述CH

在所述CO

在所述N

在所述第一干燥罐的出气口与煤样夹持器上对应接入口之间的管路上依次设置有压力传感器、第四截止阀及第四减压阀。

在所述真空泵的抽气口与煤样夹持器上对应接入口之间的管路上依次设置有第五截止阀及压力计。

在所述第二干燥罐的进气口与煤样夹持器上对应接入口之间的管路上依次设置有第六截止阀及第五减压阀。

所述第二流量计的出气口接入气相色谱仪，在第二流量计与气相色谱仪之间的管路上依次设置有第三单向阀和CO

所述煤样夹持器包括压力室筒体、作动器、封盖堵头、反力顶杆、下垫块及上垫块；所述作动器同轴固装在压力室筒体底部，作动器的活塞杆采用空心结构，作动器的活塞杆上端延伸至压力室筒体内部，作动器的活塞杆下端延伸至压力室筒体外部，在作动器的活塞杆下端与作动器的壳体之间安装有位移传感器；所述封盖堵头同轴固装在压力室筒体顶端；所述反力顶杆同轴穿装于封盖堵头中部，反力顶杆采用空心结构，反力顶杆下端延伸至压力室筒体内部，反力顶杆上端延伸至压力室筒体外部；在所述作动器的活塞杆上端与反力顶杆下端之间由下之上依次为下垫块、煤样及上垫块，所述下垫块、煤样及上垫块同轴分布，在下垫块、煤样及上垫块的组合体外部密封套装有热缩套；在所述煤样的外表面贴装有应变片；在所述下垫块与煤样之间设置有下透气孔板，在所述上垫块与煤样之间设置有上透气孔板；在所述下垫块的中部开设有下通气孔道，所述第一干燥罐的出气口依次通过压力传感器、第四截止阀及第四减压阀与下通气孔道相连通，所述真空泵的抽气口依次通过第五截止阀及压力计与下通气孔道相连通；所述作动器的轴压加载口和轴压卸载口与轴压泵相连通；所述压力室筒体上的围压加载口和围压卸载口与围压泵相连通；在所述上垫块的中部开设有上通气孔道，所述第二干燥罐的进气口依次通过第六截止阀及第五减压阀与上通气孔道相连通；在所述压力室筒体内部设置有温度传感器。

一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验方法，采用了所述的混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将煤块按照垂直纹理、水平纹理或斜纹理切割成圆柱型的煤样；

步骤二：在煤样的表面贴装上应变片，然后将下垫块、下透气孔板、煤样、上透气孔板及上垫块顺序叠放在一起，之后套装上热缩套，再利用热风对热缩套进行加热，直到热缩套收缩并将叠放状态的下垫块、下透气孔板、贴装有应变片的煤样、上透气孔板及上垫块完全密封包裹住，形成试样组合体；

步骤三：在试样组合体上安装两根导管，一根导管与下垫块的下通气孔道密封连通，另一根导管与上垫块的上通气孔道密封连通；

步骤四：将试样组合体送入压力室筒体内并放置到作动器的活塞杆上端，使连接在下垫块上的导管从作动器活塞杆的中心孔中穿出，之后对作动器活塞杆的中心孔进行封孔；

步骤五：将封盖堵头及反力顶杆安装到压力室筒体顶端，使连接在上垫块上的导管从反力顶杆的中心孔中穿出，之后对反力顶杆的中心孔进行封孔；

步骤六：将第五截止阀打开，其余截止阀均保持关闭状态，然后启动真空泵，对煤样进行排气抽真空，直到压力计显示的读数达到设定值时，关闭第五截止阀，关停真空泵；

步骤七：设定第一减压阀和第四减压阀的出气压力，设定第一流量控制器的出气流量，将第一截止阀和第四截止阀打开，其余截止阀均保持关闭状态，之后开启CH

步骤八：启动围压泵，通过压力室筒体上的围压加载口向内充入恒温液，同时通过压力室筒体上的围压卸载口向外排出恒温液，使恒温液在压力室筒体内部循环流动，通过循环流动的恒温液对煤样进行调温，直到煤样与恒温液的温度达到一致；

步骤九：关闭围压泵的围压卸载功能，保留围压泵的围压加载功能，压力室筒体内部压力逐渐升高，直到煤样承受的围压达到设定值；同时，启动轴压泵，通过作动器的轴压加载口向内充入液压油，通过作动器的轴压卸载口向外排出液压油，使作动器的活塞杆向上输出轴向载荷，直到煤样承受的轴压达到设定值；

步骤十：设定第二减压阀、第三减压阀、第四减压阀和第五减压阀的出气压力，设定第二流量控制器、第三流量控制器的出气流量，将第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀和第六截止阀打开，其余截止阀均保持关闭状态，之后开启CO

步骤十一：将CH

本发明的有益效果：

本发明的混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置及方法，改变了原有仅以单一的CO

附图说明

图1为本发明的一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置的结构原理图；

图2为本发明的煤样夹持器的结构示意图；

图中，1—CH

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置，包括CH

在所述CH

在所述CO

在所述N

在所述第一干燥罐5的出气口与煤样夹持器7上对应接入口之间的管路上依次设置有压力传感器28、第四截止阀29及第四减压阀30。

在所述真空泵6的抽气口与煤样夹持器7上对应接入口之间的管路上依次设置有第五截止阀31及压力计32。

在所述第二干燥罐10的进气口与煤样夹持器7上对应接入口之间的管路上依次设置有第六截止阀33及第五减压阀34。

所述第二流量计17的出气口接入气相色谱仪35，在第二流量计17与气相色谱仪35之间的管路上依次设置有第三单向阀36和CO

所述煤样夹持器7包括压力室筒体38、作动器39、封盖堵头40、反力顶杆41、下垫块42及上垫块43；所述作动器39同轴固装在压力室筒体38底部，作动器39的活塞杆采用空心结构，作动器39的活塞杆上端延伸至压力室筒体38内部，作动器39的活塞杆下端延伸至压力室筒体38外部，在作动器39的活塞杆下端与作动器39的壳体之间安装有位移传感器 44；所述封盖堵头40同轴固装在压力室筒体38顶端；所述反力顶杆41同轴穿装于封盖堵头 40中部，反力顶杆41采用空心结构，反力顶杆41下端延伸至压力室筒体38内部，反力顶杆41上端延伸至压力室筒体38外部；在所述作动器39的活塞杆上端与反力顶杆41下端之间由下之上依次为下垫块42、煤样18及上垫块43，所述下垫块42、煤样18及上垫块43同轴分布，在下垫块42、煤样18及上垫块43的组合体外部密封套装有热缩套45；在所述煤样 18的外表面贴装有应变片；在所述下垫块42与煤样18之间设置有下透气孔板46，在所述上垫块43与煤样18之间设置有上透气孔板47；在所述下垫块42的中部开设有下通气孔道48，所述第一干燥罐5的出气口依次通过压力传感器28、第四截止阀29及第四减压阀30与下通气孔道48相连通，所述真空泵6的抽气口依次通过第五截止阀31及压力计32与下通气孔道 48相连通；所述作动器39的轴压加载口和轴压卸载口与轴压泵8相连通；所述压力室筒体 38上的围压加载口和围压卸载口与围压泵9相连通；在所述上垫块43的中部开设有上通气孔道49，所述第二干燥罐10的进气口依次通过第六截止阀33及第五减压阀34与上通气孔道49相连通；在所述压力室筒体38内部设置有温度传感器。

一种混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验方法，采用了所述的混合气体置换驱替煤层中瓦斯实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将煤块按照垂直纹理、水平纹理或斜纹理切割成圆柱型的煤样18；本实施例中，煤样18的尺寸为φ100×200mm；

步骤二：在煤样18的表面贴装上应变片，然后将下垫块42、下透气孔板46、煤样18、上透气孔板47及上垫块43顺序叠放在一起，之后套装上热缩套45，再利用热风对热缩套45进行加热，直到热缩套45收缩并将叠放状态的下垫块42、下透气孔板46、贴装有应变片的煤样18、上透气孔板47及上垫块43完全密封包裹住，形成试样组合体；

步骤三：在试样组合体上安装两根导管，一根导管与下垫块42的下通气孔道48密封连通，另一根导管与上垫块43的上通气孔道49密封连通；

步骤四：将试样组合体送入压力室筒体38内并放置到作动器39的活塞杆上端，使连接在下垫块42上的导管从作动器39活塞杆的中心孔中穿出，之后对作动器39活塞杆的中心孔进行封孔；

步骤五：将封盖堵头40及反力顶杆41安装到压力室筒体38顶端，使连接在上垫块43 上的导管从反力顶杆41的中心孔中穿出，之后对反力顶杆41的中心孔进行封孔；

步骤六：将第五截止阀31打开，其余截止阀均保持关闭状态，然后启动真空泵6，对煤样18进行排气抽真空，直到压力计32显示的读数达到设定值时，关闭第五截止阀31，关停真空泵6；

步骤七：设定第一减压阀19和第四减压阀30的出气压力，设定第一流量控制器21的出气流量，将第一截止阀20和第四截止阀29打开，其余截止阀均保持关闭状态，之后开启CH

步骤八：启动围压泵9，通过压力室筒体38上的围压加载口向内充入恒温液，同时通过压力室筒体38上的围压卸载口向外排出恒温液，使恒温液在压力室筒体38内部循环流动，通过循环流动的恒温液对煤样18进行调温，直到煤样18与恒温液的温度达到一致；本实施例中，为了保证煤样18与恒温液的温度一致，恒温液循环流动调温时间设定为1小时，且恒温液选用更为环保的水；

步骤九：关闭围压泵9的围压卸载功能，保留围压泵9的围压加载功能，压力室筒体38 内部压力逐渐升高，直到煤样18承受的围压达到设定值；同时，启动轴压泵8，通过作动器 39的轴压加载口向内充入液压油，通过作动器39的轴压卸载口向外排出液压油，使作动器 39的活塞杆向上输出轴向载荷，直到煤样18承受的轴压达到设定值；

步骤十：设定第二减压阀22、第三减压阀25、第四减压阀30和第五减压阀34的出气压力，设定第二流量控制器24、第三流量控制器27的出气流量，将第二截止阀23、第三截止阀26、第四截止阀29和第六截止阀33打开，其余截止阀均保持关闭状态，之后开启CO

步骤十一：将CH

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。