深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及煤矿技术领域，尤其设计一种深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验装置。

背景技术

煤矿开采深度的不断增加，大部分矿井逐渐进入深部煤层开采环境，随着开采深度的变化，开挖煤层时不同方向的地压力、温度逐渐增加，导致深部矿井开采环境愈发严峻，进而煤矿的气体突出事故也呈现上升趋势，而准确掌握深部煤层中气体的渗流规律是预防气体突出灾害和建设安全煤矿的前提。

煤层对于气体的吸附解吸与煤层采掘的地应力、超声波震动和地层温度有着密切的关系，随着开采深度的不断加深，这种来自不同方向的地应力的变化会对煤样的渗透率有着更为显著的影响。

目前大部分煤样夹持器仅仅考虑煤样渗透率与地应力场和温度场的关系，未考虑超声波震动对煤样内部孔隙损伤各向异性的变化特征，当忽略超声波震动对煤样内部孔隙损伤各向异性的变化特征时测得的渗透率数据往往误差较大。因此，开展超声波针对深部煤岩各向异性瓦斯气体渗流规律影响的研究是十分有必要的。

针对上述问题，研制深部真三轴条件下超声波震动各向异性煤岩的气体吸附解吸的试验装置，开展真三轴各向异性条件下煤岩气体渗流影响因素的研究，揭示深部矿井煤岩开采时地应力、超声波震动和温度三场耦合煤样渗流率的规律，为深部矿井开采设计提供科学基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提供一种在深部真三轴条件下超声波震动各向异性煤岩瓦斯气体渗流耦合试验装置，更准确的模拟深部煤层各向异性的地应力状况、超声波震动和温度状况，得到更准确的气体渗流实验数据，方便计算测试煤样的渗透率，为深部开采煤层和瓦斯突出提供指导。

为实现上述目的，本发明的深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统包括煤岩夹持器，煤岩夹持器具有进气口和出气口，煤岩夹持器的进气口连接有进气总管，出气口连接有排气管，排气管上设有第六阀门，进气口处的进气总管连接有抽真空管路，抽真空管路连接有真空泵，抽真空管路上设有第五阀门；进气总管的末端设有三通器，三通器上设有进气电子压力表； 以气流方向为下游方向，三通器下游方向的进气总管上与三通器相邻设有第一阀门；抽真空管路与进气口之间的进气总管连接有入口电子压力表；抽真空管路上游方向的进气总管上与抽真空管路相邻设有第四阀门；出气口处的排气管上设有出口电子压力表；

三通器的第一接口连接进气总管，三通器的第二接口连接二氧化碳支管，三通器的第三接口连接甲烷支管和氮气支管；

甲烷支管连接有甲烷气瓶，氮气支管连接有氮气气瓶，二氧化碳支管连接有二氧化碳气瓶；

甲烷支管上设有第一减压阀，氮气支管上设有第二减压阀、二氧化碳支管上设有第三减压阀；

进气口处的进气总管处设有进气流速传感器，出气口出的排气管上设有出气流速传感器；

进气总管连接有氦气管路，氦气管路连接有氦气瓶，氦气管路上设有氦气减压阀；氦气管路在进气总管上位于抽真空管路的下游方向并位于入口电子压力表和进气流速传感器的上游方向；

排气管的末段连接有排气气体流量计，排气气体流量计连接有气相色谱仪；煤岩夹持器连接有真三轴加载系统，真三轴加载系统包括用于在前后方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第一液压加载系统、用于在左右方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第二液压加载系统，以及用于在上下方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第三液压加载系统，真三轴加载系统还包括有温度调节机构；煤岩夹持器上设有用于产生超声波振动的超声波振动器；第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统分别对应设有应力传感器，各应力传感器均位于煤岩夹持器中；

应力传感器、进气流速传感器、出气流速传感器、排气气体流量计、气相色谱仪、超声波振动器、进气电子压力表、入口电子压力表、出口电子压力表、第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统均与电控装置相连接，电控装置具有显示屏。

第一阀门和第四阀门之间的进气总管连接有混合管路和参考管路，混合管路连接有气体混合罐，参考管路连接有参考缸；混合管路上设有第二阀门，参考管路上设有第三阀门，参考管路与进气总管相通处设有参考缸电子压力表，参考缸电子压力表与电控装置相连接。

本发明还公开了使用所述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统进行的实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是准备深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；

第二步骤是放入煤样；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是向煤岩夹持器中通入氦气；

第五步骤是记录未加载时煤样渗透率的值k

第六步骤是向煤岩夹持器通入甲烷、氮气和二氧化碳混合气体；

第七步骤是控温并加载围压；

第八步骤是计算超声波速度V；

第九步骤是计算温度、压力、超声波三场耦合下的煤样渗透率；

第十步骤是关闭深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统。

所述第一步骤具体是：通过管路和/或线路连接各设备，形成所述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；所有阀门的初始状态均为关闭状态；检查管路有无破损，如有破损则更换管路或者修补管路；在进行第一步骤的同时，通过核磁共振仪测定煤样表征得到煤样的孔隙率β；

所述第二步骤具体是：打开煤岩夹持器，放入煤样后再关闭煤岩夹持器；

所述第三步骤具体是：打开第五阀门、第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门，打开真空泵对系统进行抽真空，直到进气电子压力表、入口电子压力表和出口电子压力表检测到的压力均低于或等于1千帕；

所述第四步骤具体是：关闭第四阀门，打开氦气减压阀，使氦气通过进气总管进入煤岩夹持器内；

所述第五步骤具体是：关闭氦气减压阀，打开第四阀门；操作真三轴加载系统，在室温下，打开第六阀门，通过显示屏持续观测记录进气流速传感器和出气流速传感器的示数，进气流速和出气流速均稳定不变后，计算1秒钟内进气流量和出气流量的差值，并将该差值作为煤样的初始渗透率k

所述第六步骤具体是：打开第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀，使甲烷气瓶、氮气气瓶和二氧化碳气瓶中的气体进入煤岩夹持器；调节第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀的开启度从而模拟实验指定的瓦斯成份；保持5－10分钟后进入第五步骤；第六步骤中，煤样进入吸附解析状态；

所述第七步骤具体是：首先通过真三轴加载系统设定煤岩夹持器的内部温度T，设定第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统的压力值，使一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统按设定压力对煤岩夹持器进行注水加压；

第一液压加载系统施加的实际压力值与其设定压力相同，并为最大主应力σ

第二液压加载系统施加的压力值与其设定压力相同，并为中间主应力σ

第三液压加载系统施加的压力值与其设定压力相同，并为最小主应力σ

记录煤岩夹持器的设定温度T以及σ

煤岩夹持器内部的温度和压力达到设定范围后进入第八步骤；

所述第八步骤具体是：打开超声波振动器，根据实验设计设置超声波频率，

入口电子压力表的示数为p

按公式一计算超声波速度V；公式一是： V=ω（Kσ/ρ）

所述第九步骤具体是：在煤样保持吸附解析状态24±1小时后，根据公式二计算温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；

公式二是：k（σ，T，V）＝k

公式二中，k（σ，T，V）是温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；k

第十步骤具体是：关闭所有阀门，关闭真三轴加载系统，对煤岩夹持器的压力进行卸载，卸载后打开第六阀门，记录排气气体流量计显示的气体流量；气体最终经过排气气体流量计排入大气。

本发明具有如下的优点：

本发明能够进行温度、压力和超声波三场耦合下的实验，揭示了温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率规律，将温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率规律表达为公式二，对于研究温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率作为了创造性贡献，使用不同的特定煤层中的煤样进行试验，可以迅速得出该种煤样的温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率，在实际煤层中运用三场耦合下的煤样渗透率可以指导构建最佳的温度、压力和超声波三场耦合状态（其中煤层压力无法控制，煤层温度可以通过浇水实现降温，超声波状况可以通过在煤层处安装若干大型超声波振动器来进行控制），以得到最佳的煤层渗透率，更好地抽采瓦斯，既能更多地利用瓦斯，又降低了煤层开采过程中瓦斯突出的风险；既增加了能源供给，又能较大幅度地减少散入大气的瓦斯量，保护了环境。

气体混合罐有助于甲烷、氮气和二氧化碳气体更充分地混合，从而更准确地模拟煤层中的瓦斯气体。参考罐有助于稳定系统压力。

本发明能够精确的模拟深部煤层开采时地应力的实际情况，并方便计算煤样渗透率，注水加压的方式方便实验操作，精简实验流程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图1中B处的放大图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统包括煤岩夹持器1，煤岩夹持器1具有进气口和出气口，煤岩夹持器1的进气口连接有进气总管2，出气口连接有排气管3，排气管上设有第六阀门40；

进气口处的进气总管2连接有抽真空管路4，抽真空管路4连接有真空泵5，抽真空管路4上设有第五阀门6；进气总管2的末端设有三通器7，三通器7上设有进气电子压力表8；以气流方向为下游方向（即三通器7为进气总管2的上游端，煤岩夹持器1为进气总管2的下游端），三通器7下游方向的进气总管2上与三通器7相邻设有第一阀门9；抽真空管路4与进气口之间的进气总管2连接有入口电子压力表10；抽真空管路4上游方向的进气总管2上与抽真空管路4相邻设有第四阀门11；出气口处的排气管3上设有出口电子压力表12；

三通器7的第一接口连接进气总管2，三通器7的第二接口连接二氧化碳支管15，三通器7的第三接口连接甲烷支管13和氮气支管14；

甲烷支管13连接有甲烷气瓶16，氮气支管14连接有氮气气瓶17，二氧化碳支管15连接有二氧化碳气瓶18；

甲烷支管13上设有第一减压阀19，氮气支管14上设有第二减压阀17、二氧化碳支管15上设有第三减压阀18；

进气口处的进气总管2处设有进气流速传感器22，出气口出的排气管3上设有出气流速传感器23；

进气总管2连接有氦气管路，氦气管路连接有氦气瓶91，氦气管路上设有氦气减压阀92；氦气管路在进气总管上位于抽真空管路的下游方向并位于入口电子压力表10和进气流速传感器22的上游方向；

排气管3的末段连接有排气气体流量计24，排气气体流量计24连接有气相色谱仪25；煤岩夹持器1连接有真三轴加载系统，真三轴加载系统包括用于在前后方向上对煤岩夹持器1中的煤样产生围压的第一液压加载系统26、用于在左右方向上对煤岩夹持器1中的煤样产生围压的第二液压加载系统27，以及用于在上下方向上对煤岩夹持器1中的煤样产生围压的第三液压加载系统28，第一液压加载系统26至第三液压加载系统28均通过管路与煤岩夹持器相通。真三轴加载系统还包括有用于调节煤样温度的温度调节机构；煤岩夹持器1上设有用于产生超声波振动的超声波振动器29；第一液压加载系统26、第二液压加载系统27和第三液压加载系统28分别对应设有应力传感器30和控制器31，各应力传感器30均位于煤岩夹持器1中；

应力传感器30、进气流速传感器22、出气流速传感器23、排气气体流量计24、气相色谱仪25、超声波振动器29、进气电子压力表8、入口电子压力表10、出口电子压力表12、第一液压加载系统26、第二液压加载系统27和第三液压加载系统28均与电控装置32相连接，电控装置32具有显示屏。

电控装置32为PLC或工控计算机，为常规技术，不赘述。真三轴加载系统采用江苏拓创科研仪器有限公司生产的TCYQ-3型号的产品。

第一阀门9和第四阀门11之间的进气总管2连接有混合管路33和参考管路34，混合管路33连接有气体混合罐35，参考管路34连接有参考缸36；混合管路33上设有第二阀门37，参考管路34上设有第三阀门38，参考管路34与进气总管2相通处设有参考缸电子压力表39，参考缸电子压力表39与电控装置32相连接。

气体混合罐35有助于甲烷、氮气和二氧化碳气体更充分地混合，从而更准确地模拟煤层中的瓦斯气体。参考罐有助于稳定系统压力。

本发明还公开了使用上述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统进行的实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是准备深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；

第二步骤是放入煤样；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是向煤岩夹持器中通入氦气；

第五步骤是记录未加载时煤样渗透率的值k

第六步骤是向煤岩夹持器1通入甲烷、氮气和二氧化碳混合气体；

第七步骤是控温并加载围压；

第八步骤是计算超声波速度V；

第九步骤是计算温度、压力、超声波三场耦合下的煤样渗透率；

第十步骤是关闭深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统。

所述第一步骤具体是：通过管路和/或线路连接各设备，形成所述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；所有阀门的初始状态均为关闭状态；检查管路有无破损，如有破损则更换管路或者修补管路；在进行第一步骤的同时，通过核磁共振仪测定煤样表征得到煤样的孔隙率β；测定煤样表征得到煤样的孔隙率β是常规技术，具体不详述。

所述第二步骤具体是：打开煤岩夹持器1，放入煤样后再关闭煤岩夹持器1；

所述第三步骤具体是：打开第五阀门6、第四阀门11、第三阀门38、第二阀门37和第一阀门9，打开真空泵5对系统进行抽真空，直到进气电子压力表8、入口电子压力表10和出口电子压力表12检测到的压力均低于或等于1千帕；本项目中抽真空的目的在于减少空气进入煤样带来的偏差，不必要求严格的真空状态，实验人员根据实验需要确定系统需要达到的负压值是常规技术，如低于或等于1千帕即可，当然也可指定更低的压力值，具体不再详述。

所述第四步骤具体是：关闭第四阀门11，打开氦气减压阀92，使氦气通过进气总管1进入煤岩夹持器1内；

所述第五步骤具体是：关闭氦气减压阀92，打开第四阀门11；操作真三轴加载系统，在室温下，打开第六阀门40，通过显示屏持续观测记录进气流速传感器22和出气流速传感器23的示数，进气流速和出气流速均（基本）稳定不变后，计算1秒钟内进气流量和出气流量的差值，并将该差值作为煤样的初始渗透率k

所述第六步骤具体是：关闭第四阀门11，打开第一减压阀19、第二减压阀17和第三减压阀18，使甲烷气瓶16、氮气气瓶17和二氧化碳气瓶18中的气体进入煤岩夹持器1；调节第一减压阀19、第二减压阀17和第三减压阀18的开启度从而模拟实验指定的瓦斯成份；保持（进气状态）5－10分钟（包括两端值）后进入第五步骤；第六步骤中，煤样进入吸附解析状态；

所述第七步骤具体是：首先通过真三轴加载系统设定煤岩夹持器1的内部温度T，设定第一液压加载系统26、第二液压加载系统27和第三液压加载系统28的压力值（即设定煤样不同方向的压力值），使一液压加载系统、第二液压加载系统27和第三液压加载系统28按设定压力对煤岩夹持器1进行注水加压；

第一液压加载系统26施加的实际压力值与其设定压力相同，并为最大主应力σ

第二液压加载系统27施加的压力值与其设定压力相同，并为中间主应力σ

第三液压加载系统28施加的压力值与其设定压力相同，并为最小主应力σ

记录煤岩夹持器1的设定温度T以及σ

煤岩夹持器1内部的温度和压力达到设定范围后进入第八步骤；

所述第八步骤具体是：打开超声波振动器29，根据实验设计设置超声波频率（为测试不同超声波频率下的煤样渗透率规律，可以更改不同的超声波频率后多次重复本实验），

入口电子压力表10的示数为p

按公式一计算超声波速度V；公式一是： V=ω（Kσ/ρ）

所述第九步骤具体是：在煤样保持吸附解析状态24±1小时（包括23小时和25小时）后，根据公式二计算温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；

公式二是：k（σ，T，V）＝k

公式二中，k（σ，T，V）是温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；k

本发明中的计算过程，既可以通过电控装置32自动完成计算，也可以由实验人员观察显示屏上的数据后手动完成计算。

第十步骤具体是：关闭所有阀门，关闭真三轴加载系统，对煤岩夹持器1的压力进行卸载，卸载后打开第六阀门40，记录排气气体流量计24显示的气体流量；气体最终经过排气气体流量计24排入大气。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。