一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置及方法

摘要

一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置及方法，属于煤矿安全生产技术领域，是涉及提高煤层气解吸效率的装置及方法。本发明将产生的微波作用于煤体，并具有三轴加载功能，模拟了煤体应力状态及气体的吸附解吸过程，获得微波作用下煤体解吸规律，为煤层气的有效抽放和综合利用提供参考数据。本发明装置包括微波激励煤层气解吸渗流实验装置和煤岩三轴加压吸附解吸系统；煤岩三轴加压吸附解吸系统由第一、第二、第三调压阀、甲烷气瓶、加载气瓶、围压压力表、轴压压力表、孔隙压压力表、流量计及温控表组成；利用微波提高煤层气解吸效率的方法，包括如下步骤：进行吸附实验；进行微波激励解吸实验。

权利要求

1.一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置，其特征在于包括微波激励煤层气解吸渗流实验装置和煤岩三轴加压吸附解吸系统；煤岩三轴加压吸附解吸系统由第一、第二、第三调压阀、甲烷气瓶、加载气瓶、围压压力表、轴压压力表、孔隙压压力表、阀门、流量计及温控表组成；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的上压头进气孔与甲烷气瓶相连通，在上压头进气孔与甲烷气瓶之间设置有第一调压阀和孔隙压压力表；加载气瓶与多通阀门相连，多通阀门与第一、第二支路相连通，第一支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的上压盖贯通孔相连通，在第一支路上设置有第二调压阀和围压压力表；第二支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的下压盖贯通孔相连通，在第二支路上设置有第三调压阀和轴压压力表；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的下压头出气孔与流量支路的一端相连通，在流量支路上设置有阀门和流量计；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的温度传感器与温控表相连，温控表与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的控制器相连；所述微波激励煤层气解吸渗流实验装置，包括三轴加压装置和微波发生装置，三轴加压装置由上、下压盖、筒体、活塞、挡板及上、下压头组成，微波发生装置由微波天线、波导管、谐振腔、磁控管及控制器组成，上、下压盖分别设置在筒体的上、下部，在上、下压盖的底面上分别设置有上、下压盖贯通孔，在下压盖内部设置有活塞，在活塞上方的下压盖或筒体的内侧壁上固定有挡板，在下压盖内部设置有穿过挡板的下压头，在下压头的底部设置有下压头第一凸起，下压头第一凸起的外端设置在下压盖的外部，在下压头及下压头第一凸起的内部设置有贯通的下压头出气孔和下压头贯通孔，在下压头贯通孔内设置有温度传感器；在筒体内侧壁上设置有微波天线，在筒体内设置有上压头，在上压头的顶部设置有上压头第一凸起，上压头第一凸起的外端设置在上压盖外部，在上压头及上压头第一凸起的内部设置有贯通的上压头进气孔；在筒体外部设置有波导管、谐振腔、磁控管及控制器，谐振腔的一端与磁控管相连，另一端与波导管相连，磁控管与控制器相连，微波天线的一端设置在波导管内；在上、下压头之间设置有煤体，在煤体、上压头及下压头的外部设置有热缩管，下压头贯通孔与煤体的内部相连通，温度传感器的感温部分设置在煤体的内部。

2.根据权利要求1所述的利用微波提高煤层气解吸效率的装置,其特征在于所述第一调压阀设置在甲烷气瓶与孔隙压压力表之间。

3.根据权利要求1所述的利用微波提高煤层气解吸效率的装置,其特征在于所述第二调压阀设置在多通阀门与围压压力表之间。

4.根据权利要求1所述的利用微波提高煤层气解吸效率的装置,其特征在于所述第三调压阀设置在多通阀门与轴压压力表之间。

5.一种利用微波提高煤层气解吸效率的方法，其特征在于采用权利要求1所述的利用微波提高煤层气解吸效率的装置，包括如下步骤：

步骤一：进行吸附实验；

打开多通阀门与第一、第二支路相连通的阀门，调整第三调压阀给煤体施加初始轴压，调整第二调压阀给煤体施加初始围压，调整第一调压阀，给煤体施加初始孔隙压，孔隙压压力值稳定后保持十二小时以上，使煤体对甲烷气体进行充分吸附，接通温控表电源，记录此时由温度传感器测得的煤体内部温度值；

步骤二：进行微波激励解吸实验；

关闭第一、第二、第三调压阀，设定温控表的初始温度值，即当温控表达到初始温度值时，温控表自动切断控制器电源；设定控制器的输出功率，接通控制器电源，当煤体内部的温度值达到温控表的初始温度值时，开启阀门，通过流量计记录单位时间内输出的甲烷气体体积，直至无气体输出，解吸过程结束，关闭第一、第二、第三调压阀和阀门，关闭温控表、控制器及磁控管的电源；

步骤三：重复步骤一、二，并在过程中改变控制器的输出功率；

步骤四：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第一调压阀改变孔隙压压力值，控制器的输出功率与步骤三中的控制器的输出功率相同；

步骤五：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第二、第三调压阀分别改变煤体的围压压力值和轴压压力值，控制器的输出功率与步骤三或四中的控制器的输出功率相同，孔隙压压力值与步骤四中的孔隙压压力值相同。

6.根据权利要求5所述的利用微波提高煤层气解吸效率的方法,其特征在于在进行所述步骤一之前检查利用微波提高煤层气解吸效率的装置的气密性。

说明书

一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤矿安全生产技术领域，是涉及提高煤层气解吸效率的装置及方法，特别是涉及一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置及方法。

背景技术

[0002] 随着我国煤矿资源开采逐渐向深部发展，煤体内瓦斯含量逐渐增加，煤体渗透性能和瓦斯解吸能力降低，造成瓦斯抽放难度急剧增大，积聚在煤层中的煤层气严重影响煤矿安全生产。

[0003] 为了合理的进行瓦斯抽放，目前多采用钻孔、水里压裂等常规方法。增加煤层钻孔的数量和密度，可一定程度上提高瓦斯抽放量；采用水力压裂措施，增加煤体裂隙，也可增强煤体渗透性能。以上方法是通过破坏煤体结构，增加煤体裂隙数量或裂隙宽度的方式，以达到增加煤体渗透性的目的，不但成本高，增渗效果也难以达到预期的目的。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置及方法，其将产生的微波作用于煤体，并具有三轴加载功能，模拟了煤体应力状态及气体的吸附解吸过程，获得微波作用下煤层气解吸规律，为煤层气的有效抽放和综合利用提供参考数据。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置，包括微波激励煤层气解吸渗流实验装置和煤岩三轴加压吸附解吸系统；煤岩三轴加压吸附解吸系统由第一、第二、第三调压阀、甲烷气瓶、加载气瓶、围压压力表、轴压压力表、孔隙压压力表、阀门、流量计及温控表组成；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的上压头进气孔与甲烷气瓶相连通，在上压头进气孔与甲烷气瓶之间设置有第一调压阀和孔隙压压力表；加载气瓶与多通阀门相连，多通阀门与第一、第二支路相连通，第一支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的上压盖贯通孔相连通，在第一支路上设置有第二调压阀和围压压力表；第二支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的下压盖贯通孔相连通，在第二支路上设置有第三调压阀和轴压压力表；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的下压头出气孔与流量支路的一端相连通，在流量支路上设置有阀门和流量计；微波激励煤层气解吸渗流实验装置的温度传感器与温控表相连，温控表与微波激励煤层气解吸渗流实验装置的控制器相连。

[0006] 所述微波激励煤层气解吸渗流实验装置，包括三轴加压装置和微波发生装置，三轴加压装置由上、下压盖、筒体、活塞、挡板及上、下压头组成，微波发生装置由微波天线、波导管、谐振腔、磁控管及控制器组成，上、下压盖分别设置在筒体的上、下部，在上、下压盖的底面上分别设置有上、下压盖贯通孔，在下压盖内部设置有活塞，在活塞上方的下压盖或筒体的内侧壁上固定有挡板，在下压盖内部设置有穿过挡板的下压头，在下压头的底部设置有下压头第一凸起，下压头第一凸起的外端设置在下压盖的外部，在下压头及下压头第一凸起的内部设置有贯通的下压头出气孔和下压头贯通孔，在下压头贯通孔内设置有温度传感器；在筒体内侧壁上设置有微波天线，在筒体内设置有上压头，在上压头的顶部设置有上压头第一凸起，上压头第一凸起的外端设置在上压盖外部，在上压头及上压头第一凸起的内部设置有贯通的上压头进气孔；在筒体外部设置有波导管、谐振腔、磁控管及控制器，谐振腔的一端与磁控管相连，另一端与波导管相连，磁控管与控制器相连，微波天线的一端设置在波导管内；在上、下压头之间设置有煤体，在煤体、上压头及下压头的外部设置有热缩管，下压头贯通孔与煤体的内部相连通，温度传感器的感温部分设置在煤体的内部。

[0007] 所述第一调压阀设置在甲烷气瓶与孔隙压压力表之间。

[0008] 所述第二调压阀设置在多通阀门与围压压力表之间。

[0009] 所述第三调压阀设置在多通阀门与轴压压力表之间。

[0010] 一种利用微波提高煤层气解吸效率的方法，采用利用微波提高煤层气解吸效率的装置，包括如下步骤：

[0011] 步骤一：进行吸附实验；

[0012] 打开多通阀门与第一、第二支路相连通的阀门，调整第三调压阀给煤体施加初始轴压，调整第二调压阀给煤体施加初始围压，调整第一调压阀，给煤体施加初始孔隙压，孔隙压压力值稳定后保持十二小时以上，使煤体对甲烷气体进行充分吸附，接通温控表电源，记录此时由温度传感器测得的煤体内部温度值；

[0013] 步骤二：进行微波激励解吸实验；

[0014] 关闭第一、第二、第三调压阀，设定温控表的初始温度值，即当温控表达到初始温度值时，温控表自动切断控制器电源；设定控制器的输出功率，接通控制器电源，当煤体内部的温度值达到温控表的初始温度值时，开启阀门，通过流量计记录单位时间内输出的甲烷气体体积，直至无气体输出，解吸过程结束，关闭第一、第二、第三调压阀和阀门，关闭温控表、控制器及磁控管的电源；

[0015] 步骤三：重复步骤一、二，并在过程中改变控制器的输出功率；

[0016] 步骤四：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第一调压阀改变孔隙压压力值，控制器的输出功率与步骤三中的控制器的输出功率相同；

[0017] 步骤五：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第二、第三调压阀分别改变煤体的围压压力值和轴压压力值，控制器的输出功率与步骤三或四中的控制器的输出功率相同，孔隙压压力值与步骤四中的孔隙压压力值相同。

[0018] 在进行所述步骤一之前检查利用微波提高煤层气解吸效率的装置的气密性。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] 本发明与其他提高煤层气采收率的技术相比，本发明方法利用微波作用实现对煤体内部介质分子的激励作用，使得通过从煤体内部产生的热能加速甲烷分子解吸脱附，并通过改变微波的作用参数提高甲烷气体分子解析量及解析速度，为煤层气资源的合理抽放和综合利用提供可靠的方法；本发明方法操作简单、方便，性能可靠。

附图说明

[0021] 图1是本发明的利用微波提高煤层气解吸效率的装置的结构示意图；

[0022] 图中，1—谐振腔，2—磁控管，3—压紧螺母，4—压垫，5—温度传感器，6—微波天线，7—波导管，8—下压头，81—下压头出气孔，82—下压头贯通孔，83—下压头第一凸起，9—活塞，10—挡板，11—下压盖，111—下压盖贯通孔，12—筒体，13—天线支架，14—煤体，
15—上压盖，151—上压盖贯通孔，16—上压头，161—上压头进气孔，162—上压头第一凸起，17—热缩管，18—控制器，19—微波激励煤层气解吸渗流实验装置，20—煤岩三轴加压吸附解吸系统，21—甲烷气瓶，22—第一调压阀，23—孔隙压压力表，24—氮气气瓶，25—多通阀门，26—第二调压阀，27—围压压力表，28—第三调压阀，29—轴压压力表，30—阀门，
31—流量计，32—温控表。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 如图1所示，一种利用微波提高煤层气解吸效率的装置，包括微波激励煤层气解吸渗流实验装置19和煤岩三轴加压吸附解吸系统20；煤岩三轴加压吸附解吸系统20由第一、第二、第三调压阀、甲烷气瓶21、氮气气瓶24、围压压力表27、轴压压力表29、孔隙压压力表23、阀门30、流量计31及温控表32组成；微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的上压头进气孔161与甲烷气瓶21通过气路管相连通，在上压头进气孔161与甲烷气瓶21之间的气路管上设置有第一调压阀22和孔隙压压力表23，第一调压阀22用来控制甲烷气瓶21通过上压头进气孔161注入煤体14内的甲烷气体的压力，且此压力值显示在孔隙压压力表23上；

[0025] 氮气气瓶24通过气路管与多通阀门25相连，多通阀门25将引入的氮气气体分别通过第一、第二支路输出，第一支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的上压盖贯通孔151相连通，以便氮气气体进入筒体12内，氮气气体的压力直接作用在通过热缩管17密封的煤体14上，在第一支路上设置有第二调压阀26和围压压力表27，第二调压阀26用来控制通过上压盖贯通孔151进入筒体12内的氮气气体对煤体14的围压压力值，且此压力值显示在围压压力表27上；第二支路与微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的下压盖贯通孔12相连通，以便氮气气体进入由微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的下压盖11和活塞9形成的空间，并推动活塞9向上移动，活塞9的上表面与下压头的第一凸起83接触后推动下压头8向上移动，使下压头8给煤体14施加轴向压力，在第二支路上设置有第三调压阀28和轴压压力表29，第三调压阀28用来控制通过下压盖贯通孔12作用于活塞9上的氮气气体压力值，此压力值显示在轴压压力表29上，且此压力值经过换算后得到下压头8作用于煤体14的轴向压力；

[0026] 微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的下压头出气孔15与流量支路的一端相连通，流量支路的另一端悬空，在流量支路上设置有阀门30和流量计31，可通过流量计31记录煤体14内单位时间涌出的气体流量；微波激励煤层气解吸渗流实验装置19的温度传感器5通过温控表32的传感器接口与温控表32相连，温度传感器5测得的煤体14温度值直接显示在温控表32上，温控表32的继电器输出接口与控制器18的电源端相连，由温控表32控制控制器18电源的通断。

[0027] 所述的微波激励煤层气解吸渗流实验装置，包括三轴加压装置和微波发生装置，三轴加压装置由圆筒形的上、下压盖、筒体12、活塞9、挡板10及圆柱形的上、下压头组成，微波发生装置由微波天线6、波导管7、谐振腔1、磁控管2及控制器18组成，上、下压盖分别设置在筒体12的上、下部，在上、下压盖的底面中部均轴向设置有通孔，在上、下压盖的底面边缘分别设置有上、下压盖贯通孔，在下压盖11内部设置具有通孔的活塞9，活塞9的外侧壁与下压盖11的内侧壁紧密接触，且活塞9能够沿着下压盖11的内侧壁上、下移动；在活塞9上方的下压盖11内侧壁上固定具有通孔的挡板10，以便活塞9能够在加载压力的情况下上、下移动；在下压盖11内部设置有穿过挡板10通孔的下压头8，在下压头8的底部设置有圆柱形的下压头第一凸起83，下压头第一凸起83的外端依次通过活塞9的通孔、下压盖11的通孔设置在下压盖11的外部，在下压头8及下压头第一凸起83的内部轴向设置有贯通的下压头出气孔81和下压头贯通孔82，在下压头贯通孔82内设置有杆状的温度传感器5；在挡板10上方的筒体12底部的内侧壁上设置有天线支架13，在天线支架13内侧壁上设置有螺旋状凹槽，在螺旋状凹槽内固定有微波天线6的螺旋部分；在下压头的上方的筒体12内设置有上压头16，在上压头16顶部设置有上压头第一凸起162，上压头第一凸起162的外端通过上压盖15的通孔设置在上压盖15的外部，在上压头16及上压头第一凸起162的内部轴向设置有贯通的上压头进气孔161；在筒体12外部设置有波导管7、谐振腔1、磁控管2及控制器18，谐振腔1一端与磁控管2相连，另一端与水平设置的波导管7相连，控制器18的输出接口与磁控管2的电源端相连，由控制器18提供磁控管2所需电源，通过调整控制器18的输出电流改变磁控管2的输出功率；在天线支架13及筒体12侧壁上均设置有贯通孔，微波天线6的端头部分通过天线支架13及筒体12侧壁上的贯通孔设置在波导管7内，波导管7端面与筒体12外壁紧密接触，防止微波泄漏；实验时在上、下压头之间设置具有中心槽的煤体14，中心槽底部设置在煤体14中心，中心槽开口设置在煤体14底部，在煤体14、上压头16及挡板10上方的下压头8的外部设置有热缩管17，热缩管17两端分别固定在上、下压头上，对煤体14进行密封；下压头贯通孔82与煤体14的中心槽相连通，温度传感器5顶端的感温部分设置在煤体14的中心槽内。

[0028] 所述微波天线6与温度传感器5的感温部分相对应，便于温度传感器5及时检测到微波加热温度。

[0029] 所述温度传感器5的感温部分为t型热电偶，t型热电偶型号为：WRC。

[0030] 所述上、下压盖均设置在筒体12外部，且与筒体12通过螺纹连接。

[0031] 在所述筒体12下方的下压盖11内侧壁上设置有凸起，所述挡板10设置在筒体12底面与凸起上表面之间。

[0032] 在所述上压头16和挡板10上方的下压头8的侧壁上设置有锥形面，在锥形面上设置有压垫4，压垫4通过压紧螺母3固定在锥形面上，压紧螺母3与上、下压头侧壁以螺纹连接，热缩管17两端通过压垫4和压紧螺母3固定在上、下压头上。

[0033] 所述磁控管2的型号为2M219K。

[0034] 所述第一调压阀22设置在甲烷气瓶21与孔隙压压力表23之间。

[0035] 所述第二调压阀26设置在多通阀门25与围压压力表27之间。

[0036] 所述第三调压阀28设置在多通阀门25与轴压压力表29之间。

[0037] 一种利用微波提高煤层气解吸效率的方法，采用利用微波提高煤层气解吸效率的装置，包括如下步骤：

[0038] 步骤一：进行吸附实验；

[0039] 打开多通阀门25与第一、第二支路相连通的阀门，调整第三调压阀28，给活塞9施加2Mpa的初始压力，从而对煤体14施加初始轴压，并通过轴压压力表29显示此时给活塞9施加的压力值；调整第二调压阀26给煤体14施加2Mpa的初始围压，并通过围压压力表
27显示此时给煤体14施加的围压压力值；调整第一调压阀22给煤体14施加0.5Mpa的初始孔隙压，通过孔隙压压力表23显示此时给煤体14施加的孔隙压压力值，孔隙压压力值稳定后保持十二小时以上，使煤体14对该压力条件下的甲烷气体进行充分吸附，为进行微波激励解吸实验提供吸附气源，接通温控表32电源，记录此时由温度传感器5测得的煤体14内部温度值；

[0040] 步骤二：进行微波激励解吸实验；

[0041] 吸附实验完成后关闭第一、第二、第三调压阀，设定温控表32的初始温度值为20℃，即当温控表32的温度达到20℃时，温控表32自动切断控制器18电源；设定控制器
18的输出功率为200W，磁控管2输出的微波功率初始值与控制器18的输出功率值相同，接通控制器18电源，磁控管2开始工作产生频率为2450MHz的微波，微波通过谐振腔1调整方向后导入波导管23中，波导管23将微波能量传输给直线形的微波天线6的端头部分，微波天线6的端头部分改变微波模后导入筒体12内，在微波天线6的螺旋部分周围形成高频变化的电磁场，微波穿透煤体14表面，在煤体14内部对介质分子进行激励，煤体14从内部产生热能，通过热传导的作用对煤体14整体进行加热，煤体14内部的热量增大、温度升高，测量煤体14内部温度的温度传感器5传输到温控表32的温度值也随之升高，当温控表32的温度值达到20℃时，温控表32切断控制器18电源，控制器18控制磁控管2停止工作，磁控管2不再产生微波，记录微波激励煤体14的时间，煤体14内部温度逐渐降低，当温度传感器5测得温度小于20℃时，温控表32接通控制器18电源，控制器18控制磁控管2按照200W输出功率继续工作，磁控管2产生的微波再次通过微波天线6作用于煤体14，煤体
14温度逐渐升高，如此反复可将煤体14内部温度达到温控表32的初始温度值20℃，并保持恒定；开启阀门30，通过流量计31记录单位时间内输出的甲烷气体体积，直至无气体输出，解吸过程结束，关闭第一、第二、第三调压阀和阀门30，关闭温控表32、控制器18及磁控管2的电源；

[0042] 步骤三：重复步骤一、二，并在过程中设定控制器18的输出功率为400W；

[0043] 步骤四：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第一调压阀22设定孔隙压压力值为1.0Mpa，设定控制器18的输出功率为400W，与步骤三中的控制器18的输出功率相同；

[0044] 步骤五：重复步骤一、二，并在过程中通过调整第二、第三调压阀分别设定围压压力值和轴压压力值均为4Mpa，设定控制器18的输出功率为400W，与步骤三或四中的控制器18的输出功率相同，设定孔隙压压力值为1.0Mpa，与步骤四中的孔隙压压力值相同。

[0045] 在进行所述步骤一之前检查利用微波提高煤层气解吸效率的装置的气密性。

[0046] 所述孔隙压压力表23、围压压力表27及轴压压力表29采用的均是陕西创威科技有限公司的型号为CWY100的精密数字压力表。

[0047] 所述温控表32采用的是川江电器有限公司的型号为REX-C100的智能PID温控表。