本發(fā)明涉及注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，關(guān)于注氣驅(qū)替煤層瓦斯試點(diǎn)應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，但目前關(guān)于注氣驅(qū)替煤層瓦斯的認(rèn)識(shí)僅停留在驅(qū)替過(guò)程的滲透率變化、競(jìng)爭(zhēng)吸附和驅(qū)替比例等問(wèn)題上，而對(duì)驅(qū)替過(guò)程中注入氣體與瓦斯的雙向擴(kuò)散機(jī)制的認(rèn)識(shí)還是一片空白，由于雙向擴(kuò)散過(guò)程決定了注入氣體和瓦斯在煤層裂隙與基質(zhì)煤體之間的交換速率，因此掌握其規(guī)律具有非常重要的意義。

但目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有用于測(cè)定注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置，包括煤樣罐、注氣罐、氣源、數(shù)據(jù)采集裝置、第一真空泵、第二真空泵和組分分析裝置；所述起源與所述注氣罐相連，所述注氣罐與所述煤樣罐相連；所述數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)采集儀、第一壓力傳感元件和第二壓力傳感元件，用于獲得所述煤樣罐和所述注氣罐內(nèi)氣體壓力變化；所述第一真空泵與所述煤樣罐相連，所述第二真空泵與所述注氣罐相連；所述組分分析裝置用于分析從所述煤樣罐內(nèi)采集的氣樣的氣體組分。

上述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置還包括恒溫控制裝置，用于控制所述煤樣罐和所述注氣罐內(nèi)溫度。

在上述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置中，所述起源包括氦氣瓶、二氧化碳瓶、氮?dú)馄亢屯咚蛊俊?/p>

注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法，采用上述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置進(jìn)行測(cè)定，步驟包括：

（a）在煤樣罐內(nèi)裝入煤樣，將煤樣罐與注氣罐連接，將所述注氣罐與氣源中的氦氣瓶連接，打開所述氦氣瓶，向所述煤樣罐內(nèi)通入氦氣，通過(guò)與所述煤樣罐相連的數(shù)據(jù)采集裝置的第一壓力傳感元件和數(shù)據(jù)采集儀獲得所述煤樣罐內(nèi)氣體壓力變化，測(cè)定所述煤樣罐內(nèi)自由空間體積；

（b）利用第一真空泵將所述煤樣罐抽成真空，打開所述氣源中的瓦斯瓶，通過(guò)所述注氣罐向所述煤樣罐注入瓦斯，通過(guò)連續(xù)采集所述煤樣罐內(nèi)氣體壓力下降過(guò)程和最終的平衡壓力，獲得瓦斯氣體擴(kuò)散規(guī)律和吸附平衡后的煤體瓦斯含量；

（c）待所述煤樣罐內(nèi)瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤樣罐注入瓦斯，將所述注氣罐抽成真空，打開二氧化碳瓶或氮?dú)馄浚蛩鲎夤迌?nèi)注入二氧化碳或氮?dú)?，并使達(dá)到預(yù)定壓力；

（d）將所述注氣罐與所述煤樣罐連通，模擬注氣驅(qū)替的氣體雙向擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)所述第一壓力傳感元件記錄所述煤樣罐內(nèi)氣體壓力變化，通過(guò)第二壓力傳感元件記錄所述注氣罐內(nèi)氣體壓力變化，通過(guò)采樣裝置按一定規(guī)律采集所述煤樣罐內(nèi)的氣樣并記錄采集時(shí)間，采氣頻率為先高后低，利用組分分析裝置分析采集氣樣的氣體組分，分析游離氣體的壓力與組分變化規(guī)律，及其擴(kuò)散平衡后的最終狀態(tài)；

（e）待所述煤樣罐和所述注氣罐內(nèi)氣體壓力與氣體組分穩(wěn)定后，確認(rèn)雙向擴(kuò)散過(guò)程達(dá)到平衡；

（f）通過(guò)第一真空泵和第二真空泵將所述煤樣罐和所述注氣罐抽成真空，變換注氣種類、注氣壓力或?qū)嶒?yàn)煤樣，重復(fù)步驟（a）-（e）；

（g）經(jīng)過(guò)步驟（a）-（f），測(cè)定不同注氣種類、注氣壓力或?qū)嶒?yàn)煤樣條件下所述煤樣罐（1）自由空間內(nèi)注入氣體與瓦斯的壓力與組分變化，采用下式計(jì)算獲得所述煤樣罐（1）自由空間內(nèi)各組分的含量變化規(guī)律：

，

，

其中，為游離體積中瓦斯氣體質(zhì)量，為游離體積中注入氣體質(zhì)量；為瓦斯氣體分子量；為注入氣體分子量；為所述煤樣罐與注氣罐中的自由空間的總體積；為t時(shí)刻游離氣體的壓力；為氣體常數(shù)；為所述煤樣罐內(nèi)絕對(duì)溫度；為混合氣體的壓縮因子；為測(cè)定的自由空間中瓦斯氣體組分；

（h）進(jìn)一步根據(jù)下式獲得t時(shí)刻，煤樣中的瓦斯氣體和注入氣體的吸附總量：

，

，

其中，為所述煤樣罐和所述注氣罐內(nèi)瓦斯氣體的總質(zhì)量為所述煤樣罐和所述注氣罐內(nèi)注入氣體的總質(zhì)量；

再根據(jù)下式得到在t時(shí)刻與(t-1)時(shí)刻間，瓦斯氣體與注入氣體從自由空間向煤體中的擴(kuò)散量和：

，

，

進(jìn)而根據(jù)下式得到在吸附段i達(dá)到徹底吸附平衡后，瓦斯和注入氣體的吸附總量和：

，

；

（i）最后得到在每個(gè)壓力的注氣驅(qū)替吸附段，瓦斯的解吸-擴(kuò)散量與注入氣體的擴(kuò)散-吸附量分別為：

，

，

其中，為實(shí)驗(yàn)采用的顆粒煤體的平均半徑，為瓦斯氣體的擴(kuò)散系數(shù)，為注入氣體的擴(kuò)散系數(shù)。

在上述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法中，通過(guò)微量取氣裝置從所述煤樣罐取氣，然后傳給所述組分分析裝置分析采集氣樣的氣體組分。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法，利用已知體積的注氣罐和裝有煤樣的煤樣罐相連，通過(guò)連續(xù)測(cè)定雙向擴(kuò)散過(guò)程中自由空間內(nèi)的氣體壓力與氣體組分隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而能夠計(jì)算獲得注入氣體的減少規(guī)律，即向內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律，和瓦斯氣體的增加規(guī)律，即向外擴(kuò)散規(guī)律。利用大容量置換吸附裝置和微量取氣裝置，配合高精度氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分的測(cè)定，能夠有效避免對(duì)氣體擴(kuò)散與吸附解吸平衡過(guò)程的擾動(dòng)，測(cè)定結(jié)果更為精確。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中

圖1是本發(fā)明注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法實(shí)施示意圖。

圖中標(biāo)記為：1-煤樣罐，2-注氣罐，3-氣源，301-氦氣瓶，302-二氧化碳瓶，303-氮?dú)馄浚?04-瓦斯瓶，4-數(shù)據(jù)采集裝置，401-數(shù)據(jù)采集儀，402-第一壓力傳感元件，403-第二壓力傳感元件，5-第一真空泵，6-第二真空泵，7-恒溫控制裝置，8-組分分析裝置。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

圖1所示是本發(fā)明注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法的優(yōu)選實(shí)施例。

所述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置，包括煤樣罐1、注氣罐2、氣源3、數(shù)據(jù)采集裝置4、第一真空泵5、第二真空泵6和組分分析裝置8；所述起源3與所述注氣罐2相連，所述注氣罐2與所述煤樣罐2相連；所述數(shù)據(jù)采集裝置4包括數(shù)據(jù)采集儀401、第一壓力傳感元件402和第二壓力傳感元件403，用于獲得所述煤樣罐1和所述注氣罐2內(nèi)氣體壓力變化；所述第一真空泵5與所述煤樣罐1相連，所述第二真空泵6與所述注氣罐2相連；所述組分分析裝置8用于分析從所述煤樣罐1內(nèi)采集的氣樣的氣體組分。

所述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置還包括恒溫控制裝置7，用于控制所述煤樣罐1和所述注氣罐2內(nèi)溫度。

在本實(shí)施例中，所述起源3包括氦氣瓶301、二氧化碳瓶302、氮?dú)馄?03和瓦斯瓶304。

采用本實(shí)施例進(jìn)行測(cè)定的所述注氣驅(qū)替煤層瓦斯過(guò)程中雙向擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法，步驟包括：

（a）在煤樣罐1內(nèi)裝入煤樣，將煤樣罐1與注氣罐2連接，將所述注氣罐2與氣源3中的氦氣瓶301連接，打開所述氦氣瓶301，向所述煤樣罐1內(nèi)通入氦氣，通過(guò)與所述煤樣罐1相連的數(shù)據(jù)采集裝置4的第一壓力傳感元件402和數(shù)據(jù)采集儀401獲得所述煤樣罐1內(nèi)氣體壓力變化，測(cè)定所述煤樣罐1內(nèi)自由空間體積；

（b）利用第一真空泵5將所述煤樣罐1抽成真空，打開所述氣源3中的瓦斯瓶304，通過(guò)所述注氣罐2向所述煤樣罐1注入瓦斯，通過(guò)連續(xù)采集所述煤樣罐1內(nèi)氣體壓力下降過(guò)程和最終的平衡壓力，獲得瓦斯氣體擴(kuò)散規(guī)律和吸附平衡后的煤體瓦斯含量；

（c）待所述煤樣罐1內(nèi)瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤樣罐1注入瓦斯，將所述注氣罐2抽成真空，打開二氧化碳瓶302或氮?dú)馄?03，向所述注氣罐2內(nèi)注入二氧化碳或氮?dú)?，并使達(dá)到預(yù)定壓力；

（d）將所述注氣罐2與所述煤樣罐1連通，模擬注氣驅(qū)替的氣體雙向擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)所述第一壓力傳感元件402記錄所述煤樣罐1內(nèi)氣體壓力變化，通過(guò)第二壓力傳感元件403記錄所述注氣罐2內(nèi)氣體壓力變化，通過(guò)采樣裝置按一定規(guī)律采集所述煤樣罐1內(nèi)的氣樣并記錄采集時(shí)間，采氣頻率為先高后低，利用組分分析裝置8分析采集氣樣的氣體組分，分析游離氣體的壓力與組分變化規(guī)律，及其擴(kuò)散平衡后的最終狀態(tài)；

（e）待所述煤樣罐1和所述注氣罐2內(nèi)氣體壓力與氣體組分穩(wěn)定后，確認(rèn)雙向擴(kuò)散過(guò)程達(dá)到平衡；

（f）通過(guò)第一真空泵5和第二真空泵6將所述煤樣罐1和所述注氣罐2抽成真空，變換注氣種類、注氣壓力或?qū)嶒?yàn)煤樣，重復(fù)步驟（a）-（e）；

（g）經(jīng)過(guò)步驟（a）-（f），測(cè)定不同注氣種類、注氣壓力或?qū)嶒?yàn)煤樣條件下所述煤樣罐1自由空間內(nèi)注入氣體與瓦斯的壓力與組分變化，采用下式計(jì)算獲得所述煤樣罐1自由空間內(nèi)各組分的含量變化規(guī)律：

，

，

其中，為游離體積中瓦斯氣體質(zhì)量，為游離體積中注入氣體質(zhì)量；為瓦斯氣體分子量；為注入氣體分子量；為所述煤樣罐1與注氣罐2中的自由空間的總體積；為t時(shí)刻游離氣體的壓力；為氣體常數(shù)；為所述煤樣罐1內(nèi)絕對(duì)溫度；為混合氣體的壓縮因子；為測(cè)定的自由空間中瓦斯氣體組分；

（h）進(jìn)一步根據(jù)下式獲得t時(shí)刻，煤樣中的瓦斯氣體和注入氣體的吸附總量：

，

，

其中，為所述煤樣罐1和所述注氣罐2內(nèi)瓦斯氣體的總質(zhì)量為所述煤樣罐1和所述注氣罐2內(nèi)注入氣體的總質(zhì)量；

再根據(jù)下式得到在t時(shí)刻與(t-1)時(shí)刻間，瓦斯氣體與注入氣體從自由空間向煤體中的擴(kuò)散量和：

，

，

進(jìn)而根據(jù)下式得到在吸附段i達(dá)到徹底吸附平衡后，瓦斯和注入氣體的吸附總量和：

，

；

i最后得到在每個(gè)壓力的注氣驅(qū)替吸附段，瓦斯的解吸-擴(kuò)散量與注入氣體的擴(kuò)散-吸附量分別為：

，

，

其中，為實(shí)驗(yàn)采用的顆粒煤體的平均半徑，為瓦斯氣體的擴(kuò)散系數(shù)，為注入氣體的擴(kuò)散系數(shù)。

在本實(shí)施例中，通過(guò)微量取氣裝置從所述煤樣罐1取氣，然后傳給所述組分分析裝置8分析采集氣樣的氣體組分。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。