一种含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法

摘要

本发明公开了一种含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法，属于煤矿灾害防治技术领域。该方法首先在选取并切割后的圆柱状试样的顶部中心处向下钻取注水孔，并在该注水孔中安设注水花管，将注水花管的两个端部密封，放置在环状渗气缸内，在环状渗气缸的底座浇筑水泥，在其内壁与柱状体试样之间安设透气管，向缸壁与柱状体试样形成的空隙内浇筑水泥，在柱状体试样顶部安设压盘，待环状渗气缸内的水泥凝固后，将支撑杆取出，得原煤试样；然后将该原煤试样放置在实验罐体内，通过与实验罐体连接的覆压加载系统、高压注水系统等相互配合，最终计算得到高压水侵含瓦斯原煤试样的渗透率。本发明方法为煤层注水技术防治煤矿灾害提供科学指导。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿灾害防治技术领域，具体涉及一种高压注水及径向瓦斯渗流实验方法，尤其涉及一种含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法。

背景技术

近年来，随着煤矿开采深度的增加，开采过程中瓦斯、火灾、粉尘和水等灾害日益严重，为了提高煤矿防灾效果，我国普遍采用煤层注水技术进行煤矿综合灾害(瓦斯、粉尘、冲击地压)的治理。目前，通过现场实验开展煤层注水基础理论研究的难度较大，需要实验室实验来模拟真实情况下煤层注水动力过程，因原煤试样制备过程复杂且不易成型，而型煤具有形状可塑性高、颗粒均匀、性质均化等优点而被广泛采用，故目前实验所用煤样多为型煤试样，即使采用原煤试样也多为瓦斯或水的单向渗流实验，采用原煤试样模拟真实煤层注水动力过程的径向渗流实验鲜见报道。

众所周知，煤为各向异性多孔介质，内部发育有原生节理、采动裂隙等网络渗流结构，而型煤试样不具备模拟这一结构的功能，同时型煤试样也无法真实反映原煤力学特性，无法得到预期的实验结果来指导现场技术的应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的任务之一是提供一种原煤试样的制作方法，它克服了现有技术中原煤制作不易成型等缺陷，本发明提供的原煤试样，可以满足后续注水及径向瓦斯渗流实验的进行，为煤层注水技术防治煤矿灾害提供科学指导。

其技术解决方案包括：

一种原煤试样的制作方法，依次包括以下步骤：

a沿采煤工作面选取一定尺寸的立方体煤样作为实验煤样，将所述实验煤样切割成一定尺寸的柱状体试样，并对其表面进行打磨，在该柱状体试样中心处自上而下钻取注水孔，在所述注水孔中安设注水花管，将所述注水花管的两个端部密封；

b将安设有注水花管的柱状体试样放置在环状渗气缸内，在环状渗气缸的底座浇筑水泥，在其内壁与柱状体试样之间安设透气管，所述透气管通过穿透环状渗气缸缸壁的支撑杆固定，向所述环状渗气缸缸壁与所述柱状体试样形成的空隙内浇筑水泥，直至覆盖试样顶面一定厚度为止，在所述柱状体试样顶部安设压盘；

c待环状渗气缸内的水泥凝固后，将所述支撑杆取出，即得原煤试样。

作为本发明的一个优选方案，所述柱状体试样的尺寸为Φ300×h50mm，所述注水孔直径为10mm。

本发明的另一任务是提供一种含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法，其中原煤试样即为上述制备所得原煤试样，通过含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗流实验，可揭示含瓦斯原煤动力水侵特征及煤-水-气力学作用机制；并通过对原煤试件切片观测并结合非线性分形几何分析，可完善动力水侵下含瓦斯原煤宏-细观结构中水的渗透性与分形结构关系，并获得外部宏观参数(覆压、瓦斯压力)对渗透率分形模型的影响规律。

一种含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法，包括以下步骤：

步骤一、准备实验系统，所述实验系统包括实验罐体、覆压加载系统、高压注水系统、抽真空-注气系统、数据监测系统和数据采集系统，所述实验罐体包括罐本体，在所述罐本体的四周设置有进气口、进水口、出气口和压力变送器接口，在所述罐本体内设置有环状渗气缸，所述环状渗气缸紧密嵌置在罐本体内壁，并与所述进气口相通，所述环状渗气缸内放置如权利要求1或2制备得到的原煤试样，在所述原煤试样上方放置压盘，所述压盘上方安设T型活塞，所述T型活塞上方安设用于对所述罐本体密封的密封盖体；所述覆压加载系统与所述密封盖体连接，所述高压注水系统通过管道与所述进水口连接，所述抽真空-注气系统通过管道与所述进气口连接，所述压力变送器接口连接在所述数据监测系统；所述数据采集系统包括集气装置，所述集气装置通过管道与所述进气口连接；

步骤二、通过抽真空-注气系统向所述罐本体内注入Ar，并开启数据监测系统，检测实验系统的气密性，待气密性良好后关闭抽真空-注气系统；

步骤三、启动覆压加载系统，对环状渗气缸内的原煤试样进行覆压加载，通过面积比计算原煤试样承载覆压，对应煤层原始覆压；

步骤四、启动抽真空-注气系统，先对罐本体进行抽真空，然后再注入甲烷，并保持恒压状态，待原煤试样平衡吸附8h后，关闭抽真空-注气系统；

步骤五、开启高压注水系统向罐本体内注水，待完成含瓦斯煤体高压水侵实验后，关闭高压注水系统，此时开启抽真空-注气系统向罐本体内注入甲烷，并保持恒压状态，在该原煤试样内瓦斯与水竞争吸附，平衡8h；

步骤六、开启数据采集系统，甲烷经所述原煤试样径向渗流至注水花管，渗流初期为气、水共存状态，待为全气状态，且气体流量稳定后，读取测试结果，按照式(1)计算高压水侵含瓦斯原煤试样的渗透率：

式中：K为煤样的渗透率，mD，μ为气体粘度，p₀为实验室的大气压力，Pa；Q₀为气体流量，ml/s；p_w、p_e分别为内外边界压力，MPa；r_w、r_e分别为内外边界半径，cm；h为原煤厚度，cm。

优选的，所述覆压加载系统包括电液伺服控制油压泵，通过所述电液伺服控制油压泵向T型活塞施加压力，从而完成对原煤试样的覆压加载。

优选的，与所述集气装置连接的管道上还设置有质量流量计，所述数据监测系统包括计算机和数据采集器，所述数据采集器通过线路连接所述压力变送器接口和质量流量计。

优选的，所述抽真空-注气系统包括真空泵、减压阀、甲烷钢瓶和Ar钢瓶，所述甲烷钢瓶和Ar钢瓶通过管道连接在所述注气口上，所述真空泵和减压阀安设在甲烷钢瓶和注气口之间的管道上。

本发明所带来的有益技术效果：

首先，本发明制备得到的原煤试样克服了现有技术中常用的型煤试样无法完全模拟原煤力学特性、孔隙结构的缺陷，在原煤试样的制作方法中，本发明克服了其不易成型等技术缺陷，通过本发明方法制备得到的原煤试样，其更满足后续注水及径向瓦斯渗流实验的进行，本发明制备得到的原煤试样可以真实反映原煤力学特性；

其次，在含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定方法中，采用了上述制备得到的原煤试样，该测定方法可揭示含瓦斯原煤动力水侵特征及煤-水-气力学作用机制；并通过对原煤试件切片观测并结合非线性分形几何分析，可完善动力水侵下含瓦斯原煤宏-细观结构中水的渗透性与分形结构关系，并获得外部宏观参数(覆压、瓦斯压力)对渗透率分形模型的影响规律；同时，以有效应力原理为基础，结合实验分析，可构建动力水侵下原煤瓦斯微观吸附膨胀与宏观渗流耦合动力学模型，为煤层注水防治煤与瓦斯突出事故提供科学依据及理论指导；

最后，在含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定实验系统中，通过实验罐体、覆压加载系统、高压注水系统、抽真空-注气系统、数据监测系统和数据采集系统的相互配合，可实现自动化控制，方便操作。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗透率的测定实验系统示意图；

图2为图1中实验罐体的A-A剖面示意图；

图3为本发明原煤试样制备过程示意图；

其中，1-电液伺服控制油压泵，2-实验罐体，3-质量流量计，4-高压注水泵，5-集气装置，6-水池，7-电脑，8-数据采集器，9-真空泵，10-减压阀，11-甲烷钢瓶，12-螺母，13-连接法兰，14-T型活塞，15-O型密封圈，16-进气口，17-压力变送器，18-罐本体，19-压盘，20-注水花管，21-环状渗气缸，22-进水/出气口，23-柱状体试样，24-硅胶，25-水泥，26-透气管，27-水泥，28-原煤试样，29-支撑杆，30-进气管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图3所示，本发明原煤试样的制作方法，具体包括以下步骤：

A、现场沿采煤工作面选择层理清晰、完整性较好的区域进行刻槽取样，尺寸为400×400×400mm的立方体，密封送实验室，选取我国典型矿区的高、低硬度和高、低孔隙率4类煤样作为实验煤样；

B、切割机制备成Φ300×h50mm的柱状体试样23，圆柱面沿层理与垂直层理方向分制成两类试样，对其表面进行打磨，圆柱中心钻取Φ10mm注水孔，安设注水花管20，注水花管20两端与柱状体试样23通过硅胶24密封，注水花管20下端采用O型密封圈15连接在罐本体18的底盘，并进行密封连接；

C、将柱状体试样23安设于环状渗气缸21内，在环状渗气缸21底座浇筑水泥25，在环状渗气缸21缸壁与试样之间安设透气管26，透气管26通过穿透环状渗气缸缸壁小孔的支撑杆29固定，向环状渗气缸缸壁与试样之间的空间浇筑水泥27，直至覆盖柱状体试样顶面一定厚度，随后在该柱状体试样的顶部安设压盘19，并通过O型密封圈15与环状渗气缸21密封；

D、水泥凝固48小时后，将环状渗气缸21缸壁小孔中的支撑杆29取出，即为成型的原煤试样28，将其真空干燥后再进行后续实验。

将上述制备得到的原煤试样用于含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗流实验中，具体的该实验所采用的实验系统，结合图1和图2所示，包括实验罐体2、覆压加载系统、高压注水系统、抽真空-注气系统、数据监测系统和数据采集系统；具体的，实验罐体2包括罐本体18，在罐本体18的四周设置有进气口16、进水口22、出气口22和压力变送器17接口，进气口16处连接进气管30，在罐本体18内设置有环状渗气缸21，环状渗气缸21紧密嵌置在罐本体18内壁，并与进气口16相通，在环状渗气缸内放置制备得到的原煤试样28，在原煤试样上方放置压盘19，压盘上方安设T型活塞14，T型活塞14上方安设用于对罐本体密封的密封盖体，如连接法兰13，通过连接法兰13配合螺母12对罐本体进行密封，原煤试样28中的注水花管20通过内部管路与进水/出气口22相连通。

覆压加载系统，包括电液伺服控制油压泵1，其用于向罐本体内T型活塞14施加压力，具体的加载方法为：启动电液伺服油压泵1，向T型活塞14与密封盖之间空间注入液压油，对原煤试样28进行覆压加载。

高压注水系统包括高压注水泵4、水池6，主要满足高压注水实验要求，具体的它通过管道与进水口22连接，向罐本体内提供高压水源。

抽真空-注气系统包括真空泵9、减压阀10、甲烷钢瓶11和Ar钢瓶，甲烷钢瓶11和Ar钢瓶与进气口连接，当需要通入甲烷时，切断Ar钢瓶与进气口之间的连接，当需要通入Ar时，切断甲烷钢瓶与进气口之间的连接，真空泵9通过相应管路与实验罐体2相连通，并通过减压阀10与甲烷钢瓶11相连通。

数据监测系统包括电脑7和数据采集器8，数据采集器8分别与质量流量计3、压力变送器17相连接，同时与一数据处理中心相连接。该系统实现了实验压力及流量等相关参数的实时监测及采集，自动化程度高，数据采集精确。

数据采集系统包括集气装置5和质量流量计3，集气装置通过管道与进气口连接，通过质量流量计3监测进气量，并传送至与它连接的数据采集器8。

为了便于控制，在抽真空-注气系统、高压注水系统、数据监测系统中的管道上可设置阀门。

上述用于含瓦斯原煤高压注水及径向瓦斯渗流实验方法中，可以对原煤试样的渗透率进行测定，具体的测定方法为：

步骤一、按照上述实验系统结构，将原煤试样28安设于罐本体中，并安设T型活塞14，并连接密封盖体；开启Ar钢瓶，向罐本体内注入Ar，采用稳压法检测实验系统气密性；

步骤二、启动电液伺服油压泵1，向T型活塞14与密封盖体之间空间注入液压油，对原煤试样28进行覆压加载，通过面积比计算原煤试样承载覆压，对应煤层原始覆压；

步骤三、启动真空泵9，进行抽真空，然后开启甲烷钢瓶11及减压阀10向高压罐体2注气，并保持恒压状态，煤体平衡吸附8h；随后关闭抽真空-注气系统的阀门；

步骤四、开启高压注水泵4，进行升压(压力值高于高压罐体内气体压力)，开启注水系统阀门，进行预设条件(恒压或恒流)注水，并采集注水过程注水口及罐体壁处压力数据，为观测水在煤体宏-细观结构中的运移规律，水内混合颜料；

步骤五、完成含瓦斯煤体高压水侵实验后，关闭高压注水系统阀门，开启甲烷钢瓶11及减压阀10向罐本体2内注气，并保持恒压状态，煤体内瓦斯与水竞争吸附，平衡8h；

步骤六、开启数据监测系统和数据采集系统，高压甲烷经原煤试样28径向渗流至注水花管20，渗流初期为气、水共存状态，待为全气状态，且气体流量稳定后，读取测试结果，经下式计算高压水侵含瓦斯原煤渗透率：

式中：K为煤样的渗透率，mD，μ为气体粘度，p₀为实验室的大气压力，Pa；Q₀为气体流量，ml/s；p_w、p_e分别为内外边界压力，MPa；r_w、r_e分别为内外边界半径，cm；h为原煤厚度，cm。

为构建高压水侵原煤微观吸附膨胀变形与宏观渗流耦合模型，考虑煤对惰性气体(Ar)的低吸附能力，基于上述实验步骤，设计：Ar在干燥原煤、干燥含瓦斯原煤(吸附不同压力甲烷)、高压水侵原煤(不同水侵压力、无甲烷)、高压水侵含瓦斯原煤(不同水侵压力、瓦斯压力)和甲烷在高压水侵含瓦斯原煤(不同水侵压力、瓦斯压力)等5类条件下的径向稳态渗流实验；获得实验中KAr-PAr、KAr-P甲烷、KAr-P水、KAr-P甲烷与水、K甲烷-P甲烷与水特征曲线。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。