一种瓦斯吸附解吸试验装置

1.一种瓦斯吸附解吸试验装置，其特征在于，包括充气系统、脱气系统、瓦斯吸附解吸系统和温度控制系统；充气系统包括高压气源和高压气源上的气体减压阀；脱气系统包括真空泵、复合真空计、真空规管和真空管系，真空管系上设有控制阀和真空抽气控制阀，复合真空计和真空规管串联在真空管系上，真空泵通过控制阀与真空管系相连接；瓦斯吸附解吸系统包括吸附单元和解吸单元，吸附单元包括充气罐、煤样罐和数据采集仪，充气罐上设有充气罐控制阀、仪表阀和压力传感器，充气罐控制阀上设有充气罐截止阀，煤样罐上设有煤样罐控制阀、仪表阀和压力传感器，煤样罐控制阀上设有煤样罐截止阀，煤样罐截止阀与充气罐控制阀相连，压力传感器与数据采集仪相连，解吸单元包括瓦斯解吸速度测定仪、高精度瓦斯解吸速度测定仪和连通瓦斯解吸速度测定仪与高精度瓦斯解吸速度测定仪的三通阀，三通阀另一端与煤样罐控制阀相连；充气罐截止阀通过三通阀与气体减压阀和真空抽气控制阀相连；温度控制系统包括恒温水浴和恒温水浴上连通的恒温器，吸附单元位于恒温水浴内；
所述煤样罐为四个，分别为第一煤样罐、第二煤样罐、第三煤样罐和第四煤样罐，每个煤样罐上均设有煤样罐控制阀、仪表阀和压力传感器，煤样罐控制阀上设有煤样罐截止阀，压力传感器与数据采集仪相连，第一煤样罐与第二煤样罐通过各自的煤样罐控制阀串联为一组，第三煤样罐与第四煤样罐通过各自的煤样罐控制阀串联为一组；第一煤样罐的煤样罐截止阀与充气罐控制阀之间设有吸附三通阀，第三煤样罐通过煤样罐截止阀与吸附三通阀相连；第二煤样罐的煤样罐截止阀上设有第一三通阀，第四煤样罐的煤样罐截止阀上设有第二三通阀，第一三通阀的另外两端分别与瓦斯解吸速度测定仪和高精度瓦斯解吸速度测定仪相连，第二三通阀的另外两端分别与瓦斯解吸速度测定仪和高精度瓦斯解吸速度测定仪相连。
2.如权利要求1所述的瓦斯吸附解吸试验装置，其特征在于，所述瓦斯解吸速度测定仪包括2个尺寸为Φ150mm×1000mm的大刻度解吸仪，高精度瓦斯解吸速度测定仪包括6根最小刻度为2ml的小刻度解吸仪。

一种瓦斯吸附解吸试验装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于瓦斯实验装置技术领域，特别涉及一种瓦斯吸附解吸试验装置。\n背景技术\n[0002] 煤层瓦斯含量和瓦斯压力是表征煤层气储层特征的关键储层参数，准确获取煤层瓦斯含量与瓦斯压力对于煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。按照煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GBT23250-2009）和地勘时期煤层瓦斯含量测定方法（GB/T23249-2009），煤层瓦斯含量等于解吸气含量、残余气含量和损失气含量三者之和。解吸气含量和残余气含量是通过解吸试验直接实测的；损失气含量是煤样从暴露到开始测定瓦斯解吸量期间所遗失的瓦斯量，无法直接测得，只能通过煤样瓦斯解吸规律经验公式进行估算。由于现场条件的制约，煤层瓦斯压力往往无法直接测定，普遍采用郎缪尔方程由实测瓦斯含量反演计算煤层瓦斯压力，郎缪尔方程中的两个吸附常数a、b必须从等温吸附试验得出。因此，瓦斯吸附与解吸试验有着现实意义。但是，目前还不存在能够进行等温吸附与瓦斯放散的试验装置。\n发明内容\n[0003] 本发明提供了一种结构简单、可进行等温瓦斯吸附-放散实验、实验数据准确和实验效率高的瓦斯吸附解吸试验装置。\n[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种瓦斯吸附解吸试验装置，包括充气系统、脱气系统、瓦斯吸附解吸系统和温度控制系统；充气系统包括高压气源和高压气源上的气体减压阀；脱气系统包括真空泵、复合真空计、真空规管和真空管系，真空管系上设有控制阀和真空抽气控制阀，复合真空计和真空规管串联在真空管系上，真空泵通过控制阀与真空管系相连接；瓦斯吸附解吸系统包括吸附单元和解吸单元，吸附单元包括充气罐、煤样罐和数据采集仪，充气罐上设有充气罐控制阀、仪表阀和压力传感器，充气罐控制阀上设有充气罐截止阀，煤样罐上设有煤样罐控制阀、仪表阀和压力传感器，煤样罐控制阀上设有煤样罐截止阀，煤样罐截止阀与充气罐控制阀相连，压力传感器与数据采集仪相连，解吸单元包括瓦斯解吸速度测定仪、高精度瓦斯解吸速度测定仪和连通瓦斯解吸速度测定仪与高精度瓦斯解吸速度测定仪的三通阀，三通阀另一端与煤样罐控制阀相连；充气罐截止阀通过三通阀与气体减压阀和真空抽气控制阀相连；温度控制系统包括恒温水浴和恒温水浴上连通的恒温器，吸附单元位于恒温水浴内。\n[0005] 所述煤样罐为四个，分别为第一煤样罐、第二煤样罐、第三煤样罐和第四煤样罐，每个煤样罐上均设有煤样罐控制阀、仪表阀和压力传感器，煤样罐控制阀上设有煤样罐截止阀，压力传感器与数据采集仪相连，第一煤样罐与第二煤样罐通过各自的煤样罐控制阀串联为一组，第三煤样罐与第四煤样罐通过各自的煤样罐控制阀串联为一组；第一煤样罐的煤样罐截止阀与充气罐控制阀之间设有吸附三通阀，第三煤样罐通过煤样罐截止阀与吸附三通阀相连；第二煤样罐的煤样罐截止阀上设有第一三通阀，第四煤样罐的煤样罐截止阀上设有第二三通阀，第一三通阀的另外两端分别与瓦斯解吸速度测定仪和高精度瓦斯解吸速度测定仪相连，第二三通阀的另外两端分别与瓦斯解吸速度测定仪和高精度瓦斯解吸速度测定仪相连。\n[0006] 所述瓦斯解吸速度测定仪包括2个尺寸为Φ150mm×1000mm的大刻度解吸仪，高精度瓦斯解吸速度测定仪包括6根最小刻度为2ml的小刻度解吸仪。\n[0007] 与现有技术相比，本发明的优点是：\n[0008] 1、本发明包括充气系统、脱气系统、瓦斯吸附解吸系统和温度控制系统，其结构简单，用于煤的吸附常数、极限瓦斯解吸量的测定，可以测定出不同温度、不同压力、不同变质程度和不同粒度条件下的损失气量、钻屑解吸指标和扩散系数等参数，适合颗粒煤瓦斯吸附解吸规律的试验；可模拟井下储层环境，可同时进行四组不同粒度碎屑煤样在不同温度条件的瓦斯吸附、解吸实验，可进行等温吸附试验、瓦斯放散试验，并且能直接测定瓦斯解吸损失量和瓦斯极限解吸量；可同时做多组瓦斯吸附放散实验，可有效提高实验效率，测定精度高。\n[0009] 2、本发明的恒温水浴和恒温器可使系统温度恒定，排除气源温度不同的干扰，使煤样瓦斯吸附解吸过程在同一温度下进行，可实现实验的完整性和连续性。\n[0010] 3、本发明各处的承压管路为高压胶管，可严格控制管路长度，尽最大可能减少管路的自由空间，使实验数据更准确。在进行试验容器体积标定时，根据现有技术规范规定真空度须为10Pa以下才能满足精度要求，然而一般脱气系统很难达到此要求，本发明的脱气系统配合使用新方法在真空度不大于100Pa时，也可对系统自由空间进行准确标定。\n[0011] 4、解吸单元包括大刻度的瓦斯解吸速度测定仪和小刻度的高精度瓦斯解吸速度测定仪，在做解吸测定时，瓦斯压力快速平衡到大气压时期的瓦斯流量用瓦斯解吸速度测定仪来测定，瓦斯压力平衡到大气压以后的时期用高精度瓦斯解吸速度测定仪来测定，既能在解吸初始阶段避免死空间游离瓦斯快速释放给高精度瓦斯解吸速度测定仪带来的巨大冲击，又能消除死空间游离瓦斯的影响，方便确定解吸起始时间，对于解吸数据的经过处理，建立相对应的解吸规律模型，更加准确的推算瓦斯损失量。\n[0012] 5、本发明的数据采集仪对所需收集的数据除解吸量外均为计算机自动采集，可减少人为读数的误差，采集精度高，可提高实验准确率和效率。\n附图说明\n[0013] 图1是本发明的结构示意图。\n具体实施方式\n[0014] 如图1所示的瓦斯吸附解吸试验装置，其包括通过管路连接的充气系统、脱气系统、瓦斯吸附解吸系统和温度控制系统。\n[0015] 充气系统包括高压气源19和高压气源19上的气体减压阀22。高压气源19是由北京氦普气体公司生产的浓度为99.999%、压力为13.6Mpa的高纯甲烷气瓶，气体减压阀22将气体调节到实验所需的压力，从而为瓦斯吸附解吸系统提供恒压气源。\n[0016] 脱气系统包括真空泵15、复合真空计8、真空规管12和真空管系13，在真空管系\n13的上部设有真空抽气控制阀14、下部设有控制阀23，复合真空计8和真空规管12串联后连接到真空管系13上部，真空泵15通过控制阀23与真空管系13相连接。复合真空计\n5 -5\n8的测量范围为1.0×10～1.0×10 Pa、控制精度为≤±1%。真空泵15为双级旋片式真空泵。\n[0017] 瓦斯吸附解吸系统包括吸附单元和解吸单元，吸附单元包括充气罐18、第一煤样罐9、第二煤样罐92、第三煤样罐93、第四煤样罐94和数据采集仪6。在充气罐18上设有充气罐控制阀17、仪表阀16和压力传感器21，充气罐控制阀17右端设有充气罐截止阀24，充气罐截止阀24通过三通阀28与气体减压阀22和真空抽气控制阀14相连。煤样罐9上设有煤样罐控制阀5、仪表阀25和压力传感器26，煤样罐控制阀5一端设有煤样罐截止阀11；\n煤样罐92上设有煤样罐控制阀52、仪表阀252和压力传感器262，煤样罐控制阀52左端设有煤样罐截止阀112；煤样罐93上设有煤样罐控制阀53、仪表阀253和压力传感器263，煤样罐控制阀53右端设有煤样罐截止阀113；煤样罐94上设有煤样罐控制阀54、仪表阀254和压力传感器264，煤样罐控制阀54左端设有煤样罐截止阀114。压力传感器21、压力传感器26、压力传感器262、压力传感器263和压力传感器264均连接在数据采集仪6上，可实时读取各罐体内的气体压力数值。第一煤样罐9与第二煤样罐92通过煤样罐控制阀5和煤样罐控制阀52串联为一组，第三煤样罐93与第四煤样罐94通过煤样罐控制阀53和煤样罐控制阀54串联为一组。第一煤样罐9的煤样罐截止阀11与充气罐控制阀17之间设有吸附三通阀20，第三煤样罐93通过煤样罐截止阀113与该吸附三通阀20相连。第二煤样罐92的煤样罐截止阀112上连接有第一三通阀27、第四煤样罐94的煤样罐截止阀114上连接有第二三通阀3，第一三通阀27与第二三通阀3为玻璃三通阀。解吸单元包括瓦斯解吸速度测定仪2和高精度瓦斯解吸速度测定仪1，瓦斯解吸速度测定仪2包括2个尺寸为Φ150mm×1000mm的大刻度解吸仪，高精度瓦斯解吸速度测定仪1包括6根最小刻度为2ml的小刻度解吸仪，瓦斯压力快速平衡到大气压时期的瓦斯流量用瓦斯解吸速度测定仪2来测定，瓦斯压力平衡到大气压以后的时期用高精度瓦斯解吸速度测定仪1来测定。第一三通阀27其余两端分别从左端与瓦斯解吸速度测定仪2和高精度瓦斯解吸速度测定仪1相连，第二三通阀3其余两端分别从右端与瓦斯解吸速度测定仪2和高精度瓦斯解吸速度测定仪1相连，通过调节第一三通阀27和第二三通阀3来实现解吸单元的切换使用。\n[0018] 温度控制系统包括恒温水浴7和恒温水浴7上连通的恒温器4，吸附单元位于恒温水浴7内，即充气罐18及其上的充气罐控制阀17、仪表阀16与压力传感器21、4个煤样罐\n9及其上的煤样罐控制阀5、仪表阀25与压力传感器26、数据采集仪6以及充气罐截止阀\n24、三通阀20和三通阀28位于恒温水浴7内。恒温水浴7为一大型自动恒温水浴，实验装置放入恒温水浴7中，通过调节水温来控制整个实验环境温度。温度控制系统的温度调节范围为-10℃～90℃、温度变化速度为2min/℃、温度控制精度为±0.05℃。\n[0019] 在本发明中，数据采集仪6主要是由计算机自动采集恒温水浴7的温度、环境温度、真空度、罐体内气体压力和大气压力。\n[0020] 在本实施方式中，煤样罐9的尺寸为Φ50mm×100mm，充气罐18的容积为2000ml，煤样罐9与充气罐18均设定两层密封圈以保证罐体密封性；各处的承压管路均为高压胶管，高压胶管内径为4mm、耐64MPa气体压力，可减小自由空间的体积和提高实验的安全性；\n截止阀和控制阀均耐16MPa气体压力。\n[0021] 本发明进行瓦斯吸附解吸规律实验的步骤如下：\n[0022] （1）实验前准备\n[0023] 选取采掘工作面的新鲜煤样进行严密封装后送至实验室，将新鲜煤样粉碎、筛分成所需的粒度，分别选取相应粒度的煤样进行工业分析、真密度和视密度等参数的测定。\n[0024] （2）实验装置检测调试\n[0025] 检查装置以确保系统连接可靠，并用N2检查装置的气密性；将煤样烘干，称取一定质量的烘干煤样装入煤样罐9中；然后，把打开煤样罐控制阀5、煤样罐截止阀11、真空抽气控制阀14和充气罐控制阀17，关闭仪表阀16和仪表阀25，打开真空泵15脱气，直到真空表压力显示20Pa三小时以上即可关闭真空泵15；进行煤样罐9的体积测定及剩余体积测定；将系统与瓦斯解吸速度测定仪2接通，读取量筒初始液面高度h1；最后，打开真空阀门使空气进入被测煤样罐9及其管路中，此时量筒内液面上升至h2，h2-h1的体积即为被测煤样罐9及其管路的体积，同时记录室内大气压、室内温度、水温，以便校正数据。\n[0026] （3）吸附实验\n[0027] 将恒温水浴7的温度调到预定值，向充气罐18充入一定量的瓦斯，记录稳定后的压力值；然后，依次对煤样罐9进行充气，当压力值低于预定值时，需对煤样罐9进行补气，当压力值高于预定值时，则需对煤样罐9进行放气，如此反复操作，直至压力表连续3个小时读数不变且吸附时间大于8h，则认为吸附已达到平衡，记录相关数据；重复上述步骤，至少得到八组不同压力条件下的数据，通过数据处理分析计算可得吸附常数a、b值。\n[0028] （4）解吸实验\n[0029] 在吸附试验中，每次吸附平衡后，进行瓦斯放散试验。将吸附平衡后的煤样罐9与高精度瓦斯解吸速度测定仪1接通后，测定随时间变化解吸速度和累计气体解吸量的变化规律。测定刚开始时，每隔1min读一次数，20min后随时间的延长，气体解吸量减小，读数间隔适当延长，总计测试时间为120min；同时，记录实验室大气温度、解吸仪水槽温度和大气压以便数据校正。不同温度、压力条件下瓦斯极限解吸量等于该温度与压力条件下的吸附量减去解吸温度与压力条件下的吸附量。由于刚开始解吸量大，要用瓦斯解吸速度测定仪\n2测定；当气体解吸量减小时，则换用高精度瓦斯解吸速度测定仪1测定。\n[0030] （5）实验结束\n[0031] 整理实验记录，分析计算实验数据。\n[0032] 在步骤（2）中，为了保证实验仪器体积标定的准确性，重复测试5次，取其平均值。\n[0033] 不限于上述实施方式，本发明可固定于支架上，将本发明连同支架一起放置于恒温水浴7中，且支架与升降装置相连接。