[发明专利]外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明是涉及表面化学、吸附动力学特性的加压注水注气吸附装置及方法，尤其是一种适用于实验室中模拟含瓦斯煤层在不同外加水分条件下的瓦斯解吸特性的装置及方法。 

背景技术

2009年我国煤炭产量达到30.3亿t，有力地保障了经济的快速增长，同时也导致煤矿每年以10～20m的速度向深部延伸，许多矿井已进入深部开采。随着开采深度的增加，煤层地应力增高、瓦斯压力增大，再加上煤层透气性低，瓦斯采前抽采困难，煤与瓦斯突出（以下简称突出）和爆炸灾害日趋严重。为了增大煤层的透气性、减少抽采钻孔工程量，有关科研机构研究和试验了多种水力化增透和消除突出危险性的技术和方法，包括煤层注水、水力冲孔、水力冲刷、水力割缝、水力压裂和水力挤出等。 

水力化措施消除煤层突出危险性作用的原因总结如下：（1）增大煤体的裂隙、提高煤层的透气性，改善瓦斯抽采效果；（2）驱逐瓦斯，高压水将加速游离瓦斯和部分吸附瓦斯的排放；（3）水进入裂隙和孔隙，封闭了吸附瓦斯解吸的通道，减少瓦斯解吸速度，降低瓦斯释放时产生的能量；（4）湿润煤体，改善煤体的力学性质，使应力集中区内移，卸压防护带宽度增大。 

各种水力化措施本质都是不同程度地增加了煤体的外加水分，原始煤体在外加水分的作用下一方面将改变煤体孔隙结构和裂隙发育状况，另一方面外加水分进入煤体孔隙和裂隙在驱逐游离瓦斯和部分吸附瓦斯的同时，还会封闭裂隙及孔隙间吸附瓦斯解吸的通道，阻碍瓦斯解吸过程。因此，煤体外加水分增加后，其瓦斯解吸性能将发生改变，对突出煤层的瓦斯解吸速度、残存瓦斯含量、区域性消除突出危险指标和瓦斯抽采指标等产生重大影响。 

目前，国内外对水力化措施用于突出煤层防突后的瓦斯解吸动力学过程研究多停留在现场试验，并对现场现象进行描述，缺少外加水分对瓦斯解吸动力学过程影响的理论研究。以往研究外加水分对瓦斯解吸动力学过程影响的实验多采用先注入水分、再进行高压吸附瓦斯和解吸瓦斯的实验流程，虽然利用现有高压吸附实验装置较易进行实验，但与现场含瓦斯煤层注水后的工程实际情况不符，且在这种实验流程下，先注入的水分抢占了瓦斯的吸附位，研究结果不能反映外加水分对瓦斯在煤体孔隙结构中的封闭作用。前苏联学者开展的注水煤体瓦斯解吸性能研究，由于受实验条件的限制，只是在实验室中向吸附高压瓦斯的罐体中注入高压水，使煤样浸泡在水中，研究煤样的解吸性能，这与实际情况差异较大。进行突出煤层外加水分条件下瓦斯解吸动力学过程实验研究的技术难点在于，必须首先用干煤样在专用罐体内吸附高压瓦斯，达到吸附平衡后，再向高压罐体内注入水分，通过搅拌，使水分进入含瓦斯煤体并能够均匀分布，最后测试含瓦斯煤样在外加水分条件下的瓦斯解吸动力学过程。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单、测试方法简便、效果好的含瓦斯煤体在外加水分条件下的解吸特性测试装置及方法。 

技术方案：本发明的外加水分对含瓦斯煤体的解吸特性的测试装置，包括抽真空系统、加压注气系统、恒温系统、高压注水系统及解吸测定系统，其中：抽真空系统包括真空泵、与真空泵相连的抽排气管及第2阀门、设在抽排气管上的真空压力表和连接在此管路上的第3阀门；加压注气系统包括高压气瓶、与高压气瓶相连的高压缓冲罐及设在二者连接管路上的第1阀门、与高压缓冲罐连接的第1压力表及与第1压力表连接的第4阀门；恒温系统包括与高压缓冲罐相连的压力容器及二者连接管路上的第5阀门、与压力容器相连的第2压力表、装有压力容器的恒温水浴箱；高压注水系统包括与压力容器相连的定量容器、搅拌装置及设在二者连接管路上的单向阀和第6阀门、与定量容器相连的增液泵和连接在二者连接管路上的第3压力表和二者连接管路上的第7阀门、与增液泵相连的水箱以及设在二者连接管路上的第8阀门；解吸测定系统包括与第6阀门连接的解吸量筒。 

本发明的外加水分对含瓦斯煤体的解吸特性的测试方法，步骤如下： 

（a）称取约60g的1-3mm粒径的待测试干燥煤样装入压力容器内，打开压力容器与真空泵相连接管路上的第2阀门、第3阀门、第5阀门，对压力容器抽真空，同时对注满水的恒温水浴箱进行加热至60℃；

（b）观察与真空泵相连接的真空压力表，当真空压力降至0.4Pa时，继续抽真空4～6h后，关闭压力容器与真空泵相连接管路上的第2阀门、第3阀门、第5阀门，打开第1阀门、第4阀门，观察与高压缓冲罐连接的第1压力表，当显示压力达到预定压力时，关闭第1阀门；