[发明专利]一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法

摘要

本发明公开了一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，它是将煤样测试试件放进一个密闭的夹持腔体中，从而在煤样两端分别形成注气腔和出气腔腔，将氦气导入注气腔中，氦气先渗流到煤裂隙内，之后开始扩散到煤基质内；绘制气体数量百分数与扩散时间开平方的曲线图，根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式，用最小二乘法拟合曲线的斜率，从而计算出气体扩散率。本发明采用整体煤块作为煤试样，保留了煤体特有的孔隙结构，能真实反映煤复杂的孔隙结构对气体扩散的影响情况，测试计算出的气体扩散率、将对深入认识掌握煤层气运移机理提供了重要技术支持。

主权项

一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步骤如下：第一步：加工制作煤样测试试件将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；将煤样插入橡胶套中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；第二步，组装测试装置制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将注气腔和出气腔分别与各自的气压传感器接通；将氦气源用管子与注气腔接通；将真空泵用管子与出气腔接通，将两个气压传感器的导线与外设数据采集电脑相连；至此测试装置组装完成；第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后；同时启动真空泵对煤样抽真空除气；第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至预定值P1后关闭气源；此后注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，当t1时刻注气腔与出气腔内的气压相等即为P2时，渗流过程完成；此后注气腔与出气腔内的气压共同平稳下降，直至t2时刻的恒定值P3时不再下降为止；在上述过程中，记录注气腔与出气腔内的气压变化情况，直至停止变化；上述预定值P1要求小于环向压力即可；第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下：第5.1步：确定注气腔内气体数量已知注气腔的体积为Vu和初始气压P1，可以确定在初始时刻注气腔内气体数量为其中R为气体常数，T为温度；第5.2步：从P1开始，气体从注气腔经过煤样，流入至出气腔内，引起出气腔内压力不断升高，注气腔压力下降；当注气腔与出气腔的压力相等后，即压力P2，对应时刻为t1，意味着两腔压力与煤样裂隙压力相等，此时，出气腔内气体数量为其中Vd为出气腔的体积；第5.3步：之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散，导致裂隙内气体数量减少，所以裂隙压力与两腔压力相等并不断下降，煤基质压力不断升高，当裂隙压力与基质压力相等后，即压力P3，对应时刻t2，裂隙内气体停止向基质扩散，认为裂隙与基质之间达到平衡状态；气体渗流过程中，其中：t1时刻存留煤试样内的气体数量t2时刻扩散进入煤基质的气体总数量为在整个t1时刻到t2时刻扩散阶段内，在不同时刻t时的扩散气体量为对应的气体扩散数量百分数mt/mdiffusion，其中的P为t时刻的裂隙压力；第5.4步：绘制气体数量百分数mt/mdiffusion与扩散时间开平方的曲线图，根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式用最小二乘法拟合曲线的斜率该式变换为计算出有效扩散率De；上述公式中，气压和压力的单位为Pa；体积的单位为m3；气体数量单位为mol；时间单位为秒；温度单位为K；R单位为J/(mol*K)。