本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法及装置。所述装置由气调系统、等压渗吸系统和等压加水系统组成。所述装置通过玻璃瓶对液态蒸馏水的单独密封并与实验煤样一起预置于密闭煤样罐内；煤样吸附平衡后，需要水分进入含瓦斯煤时，打破玻璃瓶，从而实现了含瓦斯煤等压加水；通过等压渗吸装置，实现了含瓦斯煤的等压渗吸，并通过瓦斯解吸仪定量收集置换出的瓦斯。本发明简单易行、原理可靠，可以实现不同吸附平衡和不同含水率条件下的等压渗吸实验，解决目前无法定量、准确的研究煤层注水后水分对瓦斯渗吸置换作用的问题，有助于更好地认清煤层注水治理瓦斯机理，为煤矿更好利用煤层注水技术治理瓦斯提供参考。
1.一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置，其特征在于，由气调系统、等压渗吸系统和等压加水系统组成；
所述的气调系统包括甲烷充气系统和真空脱气系统，甲烷充气系统包括通过管路依次连接的高压甲烷气瓶（1）、阀门（2）、参考罐（3）、压力传感器（4）、阀门（5），真空脱气系统包括通过管路依次连接的真空泵（6）、复合真空计（7）、阀门（8），甲烷充气系统和真空脱气系统通过管路共同连接于三通（9），三通（9）通过管路连接于等压渗吸系统；
所述的等压渗吸系统通过三通（10）分别连接右侧的气调系统和左侧的等压加水系统，三通（10）向上通过第一段管路连接密闭腔体（12）且管路上设置阀门（11），第一段管路从密闭腔体（12）底部中心穿入密闭腔体（12）内部，第一段管路在密闭腔体内部由一段长度为5~
10cm软胶管（13）连接第二段管路，第二段管路从密闭腔体（12）上部中心穿出并且管路末端连接瓦斯解吸仪（16）；密闭腔体（12）上部开设三个接口，第二段管路从中心接口穿过，左侧接口连接阀门（15），右侧接口连接安装精密压力表（14）以及氮气充气系统，氮气充气系统由管路依次连接的阀门（17）、压力传感器（18）、参考罐（19）、阀门（20）、高压氮气气瓶（21）组成；
所述的等压加水系统设置于恒温水浴（29）内部，与三通（10）连接；三通（10）的一端连接可旋转针阀（23），且管路上有阀门（22），可旋转针阀（23）设置在煤样罐（25）的罐盖中心接口上，煤样罐（25）内放置型煤（26），型煤（26）中心有预留孔洞，孔洞底部放置微凸起的圆柱体铁块（27），圆柱体铁块（27）上放置密闭的储水玻璃瓶（28），储水玻璃瓶（28）上端位于可旋转针阀（23）正下端，煤样罐（25）的罐盖左侧还有一处接口且有压力传感器（24）设置于此接口处。
2.一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法，其特征在于，利用权利要求1所述的一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置，按如下步骤进行：步骤一，型煤制备：将采集到的新鲜煤样筛分至不同的粒度，按照一定的配比混合均匀后加入适量的水，在恒定的压力下加工制作成中心预留有孔洞的特制型煤，置于红外干燥箱中在105℃条件下干燥处理，直至型煤恒重为止；
步骤二，水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率，将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有剩余体积，采用蜡封方式使液态石蜡占据全部剩余体积，待液态石蜡凝固后，用胶密封玻璃瓶；
步骤三，实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将圆柱体铁块和型煤整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；
步骤四，真空脱气：通过气调系统的真空脱气系统将煤样罐真空脱气至10Pa以下；
步骤五，充入气体：设定恒温水浴温度，在特定温度下，通过甲烷充气系统向煤样罐冲入甲烷气体，待达到吸附平衡压力P0后，关闭甲烷充气系统；
步骤六，设定压力：在密闭腔体中加入水使其淹没软胶管，通过氮气充气系统调节，使精密压力表（14）显示数值P1与吸附平衡压力P0相等；
步骤七，等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤；
步骤八，等压渗吸测试：等压加水后，水进入煤样，驱替煤体中的甲烷气体，使得煤样罐中的压力P2升高；当煤样罐中的压力P2大于精密压力表（14）显示数值P1时，密闭腔体内的软胶管打开，煤样罐中的甲烷气体可通过等压渗吸系统到达瓦斯解吸仪，气体通过管路排出，煤样罐中的压力P2降低；当煤样罐中的压力P2小于或等于精密压力表（14）显示数值P1时，软胶管在水和气的作用下再次闭合。
一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法与装置
技术领域
[0001] 本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法及装置。
背景技术
[0002] 瓦斯是煤矿安全的“第一杀手”。在治理煤层瓦斯方面，通过向煤层中注水来消除煤层瓦斯危险性的方法被证明为有效，并在我国得到了应用和推广。但是由于对煤层注水治理瓦斯机理目前仍存在着较大的分歧，这个在很大程度上限制了煤层注水防治瓦斯技术的发展和应用。
[0003] 目前，国内外学者对煤层注水治理瓦斯机理进行了研究并取得一些成果，例如在煤矿现场方面，一些学者用不同方法进行了煤矿现场试验，证实了水分能够使煤体塑性增强，脆性减弱，使煤体塑性变形，释放出一部分弹性潜能，增大工作面卸压带长度，促进了煤层的消突，同时高压注水能够使煤体压裂、疏松，使煤层透气性增大并能驱赶出游离瓦斯，进而降低了瓦斯含量和瓦斯压力，达到治理瓦斯的效果，同时也通过对煤层注水区域内瓦斯浓度、瓦斯流量以及残余瓦斯含量等参数的考察，认为水分不仅能够对瓦斯解吸起到封堵作用，也能够通过渗吸作用将瓦斯置换出来，促进瓦斯的解吸。但由于水分对瓦斯解吸的影响是煤体、瓦斯和水分的微观效应的综合效应，在现场无法定量研究，因此国内外学者在实验室开展了水分对瓦斯解吸的影响研究；在实验室方面，很多学者主要是通过设计实验装置，进行高压注水，然后通过煤体中瓦斯解吸速度和残余瓦斯含量等参数进行水分对瓦斯解吸的影响方面研究，认为水分能够抑制瓦斯的解吸；另外一部分学者发现注水后煤样罐中压力升高明显，证实了水分能够置换出煤体中瓦斯，促进解吸。在高压注水时，煤样罐中压力突然的升高促进了游离瓦斯的重新吸附以及高压水能够驱替出煤样中的游离瓦斯，无法剥离开抑制、驱赶与置换作用，因此也无法研究抑制、置换和驱替作用的作用机理和影响程度。一些学者也对等压吸水后渗吸置换效应进行了单因素的研究，但等压吸水后发生的置换作用使得实验系统内压力升高，使得游离瓦斯重新吸附，这也造成了置换量测试数据的不准确。
[0004] 渗吸是指在多孔介质中，润湿相流体利用毛细管力作用置换非润湿相流体。在低渗透裂缝性油藏注水开采过程中，水分在毛细管力作用下从裂缝渗吸进入含油的基质岩块中，可以将基质的原油置换出来，许多研究学者认为渗吸驱油是裂缝性油藏的有效驱油机理。煤体是一种非均质多孔介质，孔隙、裂隙分布极度复杂。煤层注水后，水分进入煤体裂隙和孔隙，在毛细管力的作用下进入孔隙置换出瓦斯，一方面由于煤体是多孔介质，存在着毛细管力；另一方面由于水比甲烷对煤体更有亲和力，能够置换出瓦斯。因此，如果能研究出一种实验装置和实验方法定量、准确的测定出水分对煤体瓦斯的置换量，就能够定量研究出水分对煤体中瓦斯解吸的促进程度。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于设计一种可以定量、准确的测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置，以解决高压注水的干扰和渗吸过程置换出的游离瓦斯因压力升高而被重新吸附的问题，能够单因素、定量的研究水分的置换作用，进而为逐一的研究抑制、驱替作用奠定基础，以助于更好的认清煤层注水治理瓦斯机理，也为煤矿更好利用煤层注水技术治理瓦斯提供参考。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法与装置，由气调系统、等压渗吸系统和等压加水系统组成。
[0008] 所述的气调系统包括甲烷充气系统和真空脱气系统，甲烷充气系统包括通过管路依次连接的高压甲烷气瓶1、阀门2、参考罐3、压力传感器4、阀门5，真空脱气系统包括通过管路依次连接的真空泵6、复合真空计7、阀门8，甲烷充气系统和真空脱气系统通过管路共同连接于三通9，三通9通过管路连接于等压渗吸系统。
[0009] 所述的等压加水系统设置于恒温箱29内部，与三通10连接的管路另一端连接可旋转针阀23，且管路上有阀门22，可旋转针阀23设置在煤样罐25的罐盖中心接口上，煤样罐25内放置型煤26，型煤26中心有预留孔洞，孔洞底部放置微凸起的圆柱体铁块27，圆柱体铁块27上放置密闭的储水玻璃瓶28，储水玻璃瓶28上端位于可旋转针阀23正下端，煤样罐25的罐盖左侧还有一处接口且有压力传感器24设置于此接口处。
[0010] 所述的等压渗吸系统通过三通10分别连接右侧的气调系统和左侧的等压加水系统，三通10向上通过第一段管路连接密闭腔体12且管路上设置阀门11，第一段管路从密闭腔体12底部中心穿入密闭腔体12内部，第一段管路在密闭腔体内部由一段长度为5 10cm软~胶管13连接第二段管路，第二段管路从软胶管12上部中心穿出并且管路末端连接瓦斯解吸仪16；密闭腔体12上部开设三个接口，第二段管路从中心接口穿过，左侧接口连接阀门15，右侧接口连接安装精密压力表14以及氮气充气系统，氮气充气系统由管路依次连接的阀门
17、压力传感器18、参考罐19、阀门20、高压氮气气瓶21组成。
[0011] 所述的压力传感器4、压力传感器18、压力传感器24都连接有显示器。
[0012] 一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法与装置，利用上述的含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置，按如下步骤进行。
[0013] 步骤一，型煤制备：将采集到的新鲜煤样筛分至不同的粒度，按照一定的配比混合均匀后加入适量的水，在恒定的压力下加工制作成中心预留有孔洞的特制型煤，置于红外干燥箱中在105℃条件下干燥处理，直至型煤恒重为止；
[0014] 步骤二，水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率，将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有剩余体积，采用蜡封方式使液态石蜡占据全部剩余体积，待液态石蜡凝固后，用胶密封玻璃瓶；
[0015] 步骤三，实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将其整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；
[0016] 步骤四，真空脱气：通过气调系统的真空脱气系统将煤样罐真空脱气至10Pa以下；
[0017] 步骤五，充入气体：设定恒温水浴温度，在特定温度下，通过甲烷充气系统向煤样罐冲入甲烷气体，待达到吸附平衡压力P0后，关闭甲烷充气系统；
[0018] 步骤六，设定压力：在密闭腔体中加入水使其淹没软胶管，通过氮气充气系统调节，使精密压力表14显示数值P1与吸附平衡压力P0相等；
[0019] 步骤七，等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤；
[0020] 步骤八，等压渗吸测试：等压加水后，水进入煤样，驱替煤体中的甲烷气体，使得煤样罐中的压力P2升高。当煤样罐中的压力P2大于精密压力表14显示数值P1时，密闭腔体内的软胶管打开，煤样罐中的甲烷气体可通过等压渗吸系统到达瓦斯解吸仪，气体通过管路排出，因此煤样罐中的压力P2降低；当煤样罐中的压力P2小于或等于精密压力表14显示数值P1时，软胶管在水和气的作用下再次闭合。
[0021] 本发明提供了一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法及装置，能够研究水分对瓦斯解吸影响。该实验装置不仅能够排除高压注水的干扰，而且能够解决渗吸过程置换出的游离瓦斯因压力升高而被重新吸附的问题，单独、准确定量的研究不同吸附平衡压力、不同含水率下的置换效应，为逐一的研究抑制、驱替作用提供理论支撑，有助于更好地认清煤层注水治理瓦斯机理，为煤矿现场充分的利用煤层注水治理瓦斯提供技术指导。
附图说明
[0022] 图1是本发明的一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法与装置示意图。
具体实施方式
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案以及优点以更加简单、清楚的方式展现出来，本发明将结合示意图进行详细阐述。
[0024] 本发明涉及一种含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置，包括气调系统、等压渗吸系统和等压加水系统，所述气调系统是用于向煤样罐中充填甲烷并调节吸附平衡的压力值，所述等压渗吸系统排除了渗吸置换出的瓦斯造成煤样罐压力的升高引起游离瓦斯重新吸附的影响，所述等压加水排除了高压注水带来的影响。
[0025] 所述的气调系统，由通过管路依次连接的高压甲烷气瓶1、阀门2、参考罐3、压力传感器4、阀门5组成甲烷充气系统和通过管路依次连接的真空泵6、复合真空计7、阀门8组成的真空真空脱气系统两个部分组成，两部分系统共同连接于三通9，并通过三通9连接到整个含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置中，主要用于向等压加水系统中的煤样罐充入甲烷气体，并使煤样罐中的型煤吸附平衡。
[0026] 所述的等压渗吸系统通过三通10连接入整个测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验装置中，并且通过此三通10连通右侧的气调系统和左侧的等压加水系统，三通10向上的管路连接密闭腔体12且管路末端连接于瓦斯解吸仪16，位于密闭腔体12内部中段的管路用5cm软胶管代替，软胶管通过活动金属卡子与管路进行连接，保证气密性；密闭腔体12的罐盖上开设三个接口，上述管路从中心接口穿出，左侧接口连接阀门15，阀门15用于向密闭腔体12内加水和泄气调节压力，右侧接口连接精密压力表14以及氮气充气系统，精密压力表
14用于监测密闭腔体12内部压力，氮气充气系统由管路依次连接的阀门17、压力传感器18、参考罐19、阀门20、高压氮气气瓶21组成，充气系统用于保证密闭腔体12内部压力恒定；使用时须通过阀门15向密闭腔体12内加入占罐体总体积3/4的水，使得水淹没软胶管13，然后通过氮气充气系统向密闭腔体12充气至特定值，当煤样罐25中的压力P2大于精密压力表14显示数值P1时，密闭腔体12内的软胶管13打开，煤样罐25中的甲烷气体可通过等压渗吸系统到达瓦斯解吸仪16，气体通过管路排出，因此煤样罐中的压力P2降低；当煤样罐25中的压力P2小于精密压力表14显示数值P1时，软胶管13在水和气的作用下再次闭合。
[0027] 所述的等压加水系统，由煤样罐25，型煤26、储水玻璃瓶28、可旋转针阀23、压力传感器24、阀门22、圆柱体铁块27及管路组成，整个等压加水系统放置于恒温水域29内，压力传感器24与显示器连接，通过数据采集模块在电脑上进行实时监控煤样罐25内压力；型煤26吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐25顶部的旋转针阀23，针阀23向下运动挤压储水玻璃瓶28，由于储水玻璃瓶28底提前预置微凸起的圆柱体铁块27，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入型煤26。
[0028] 本发明涉及一种测试含瓦斯煤体等压渗吸效应的实验方法与装置，具体实验过程如下：
[0029] 步骤一，型煤制备：将采集到的原煤在粉碎机上粉碎后，采用0.25mm和0.5mm的组合筛分别筛选出0.25mm～0.5mm和0.25mm以下两种粒度的煤粉，按1:2的比例混合均匀后加入适量的水，在压力机上以恒定80KN的压力下压制1h制作成中心有孔洞的特制型煤，型煤规格为Φ50mm×80mm，中心孔洞尺寸为Φ22mm×80mm，制备完成后将型煤置于红外干燥箱内，在105℃条件下干燥至型煤恒重为止；
[0030] 步骤二，水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有部分剩余空间，采用蜡封方式使液态石蜡占据剩余空间，以消除这部分体积对实验带来的干扰，待液态蜡凝固后，采用A-B胶密封玻璃瓶；
[0031] 步骤三，实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将其整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；
[0032] 步骤四，真空脱气：通过气调系统的真空脱气系统将煤样罐真空脱气至10Pa以下；
[0033] 步骤五，充入气体：设定恒温水浴温度，在特定温度下，通过甲烷充气系统向煤样罐冲入甲烷气体，待达到吸附平衡压力P0后，关闭甲烷充气系统；
[0034] 步骤六，设定压力：在密闭腔体中加入水使其淹没软胶管，通过氮气充气系统调节，使精密压力表14显示数值P1与吸附平衡压力P0相等。
[0035] 步骤七，含瓦斯煤等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤。
[0036] 步骤八，等压渗吸测试：通过等压加水，水分接触型煤并且开始发生渗吸作用，打开阀门，能够使煤样罐中的压力保持恒定，排出因渗吸置换出的瓦斯造成系统压力升高引起游离瓦斯重新吸附的影响，实验等压渗吸，置换出的瓦斯进入瓦斯解吸仪，利用秒表每30秒计数一次，直至瓦斯解吸仪读数2h不再变化，进而定量、准确的测量出置换量。
[0037] 本实验装置可以通过等压加水系统以及等压渗吸系统，研究型煤在不同含水率、不同吸附平衡压力下等压渗吸效应，进而能够准确的分析水分、吸附平衡压力对渗吸置换效应的影响。
[0038] 以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，参照上述实施例进行详细的说明，本领域的普通技术人员能够按照实施例进行实验操作。在不改变本发明原理和方法上，对实验装置进行局部的替换，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
