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原文传递一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置

专利名称：	一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置
摘要：	本发明涉及一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，包括原位煤体模拟系统、煤体注水系统、吸附平衡系统、吸附监测系统、数据采集与分析系统；原位煤体模拟系统中采用柱状煤体试验，通过围压加载器和轴压加载器模拟原位煤体所受的应力，通过煤体注水系统模拟原位煤体的含水量，以煤体对气体发生吸附过程中煤体应变的动态变化特征反应煤体对气体的吸附动力学过程，以煤体达到吸附平衡前后的时间节点为关键点，厘定煤体吸附作用引起的气体参考缸压力变化，通过改变煤体所受的模拟应力和含水量得出不同条件下煤体对气体的吸附量，不仅解决了常规容量法的不足之处，更为精确评估原位条件下煤体对气体的吸附能力提供了一种方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河南;41
申请人：	洛阳理工学院
发明人：	杜志刚;黄强;陈伦;杨高峰;杜晨军;岳丽雅;高永强;曹哲;王晓强
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201910324204.3
公开号：	CN109946215A
代理机构：	北京中原华和知识产权代理有限责任公司
代理人：	寿宁;张华辉
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	471000 河南省洛阳市高新区丰华路8号
主权项：	1.一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于包括原位煤体模拟系统、煤体注水系统、吸附平衡系统、吸附监测系统、数据采集与分析系统；所述原位煤体模拟系统包括夹持器(11)、电加热器(12)、柱状煤体(13)、液压伺服系统；液压伺服系统包括液压泵(14)、围压加载器(15)、轴压加载器(16)；其中，电加热器(12)通过底座安装在夹持器(11)外表面并对夹持器(11)加热使夹持器内部温度达到预设温度；柱状煤体(13)置于夹持器(11)内，液压泵(14)通过液压管线(17)和溢流阀(18)与围压加载器(15)和轴压加载器(16)均连接，围压加载器(15)安装于夹持器(11)外表面，轴压加载器(16)安装于夹持器(11)左端；所述煤体注水系统包括储水箱(21)、设置于注水管线(5)的高压水泵(22)、水流阀门(23)、水压表(24)、水流量表(25)，储水箱(21)通过该注水管线(5)与夹持器(11)连接，高压水泵(22)、水流阀门(23)、水压表(24)、水流量表(25)在注水管线(5)上沿储水箱到夹持器的方向依次设置；所述吸附平衡系统包括夹持器出口阀门(31)、CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)、气体增压泵(34)、CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)、设置于CH4气瓶(32)输出管线的第一阀门(37)、设置于CO2气瓶(33)输出管线的第二阀门(38)、设置于真空泵(43)抽真空管线(3)的第三阀门(39)、设置于气体增压泵(34)出口的第四阀门(40)、第五阀门(41)、第六阀门(42)、真空泵(43)、CH4参考缸进口阀门(44)、CH4参考缸出口阀门(45)、CO2参考缸进口阀门(46)、CO2参考缸出口阀门(47)、第七阀门(48)、第八阀门(49)；其中，CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)均与气体增压泵(34)连接，真空泵(43)安装于CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)之后、气体增压泵(34)之前，CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)依次安装于气体增压泵(34)之后；真空泵(43)通过抽真空管线(3)与气体输送管线(1)连接；吸附监测系统包括安装于CH4参考缸(35)入口端的第一气体压力表(51)、安装于CO2参考缸(36)入口端的第二气体压力表(52)、第三气体压力表(53)、安装于CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)之后的气体压力自动跟踪器(54)、第一气体流量计(55)、第一应变片(56)、第二应变片(57)、第二气体流量计(58)；所述的第七阀门(48)、第八阀门(49)分别安装于气体压力自动跟踪器(54)两端；第七阀门(48)左端及第八阀门(49)右端还连接有一安装有第五阀门(41)的辅助管线(4)，辅助管线(4)与气体压力自动跟踪器(54)所在的气体输出管线(2)并联，第八阀门(49)之后的气体输出管线上依次安装有第三气体压力表(53)、第一气体流量计(55)、第六阀门(42)；第一应变片(56)沿轴向安装于柱状煤体(13)表面，第二应变片(57)沿径向安装于柱状煤体(13)表面；第二气体流量计(58)设置于夹持器出口阀门(31)之后；所述的数据采集与分析系统包括数据采集箱(61)和计算机(62)，数据采集箱(61)通过数据线与液压泵(14)、第一气体压力表(51)、第二气体压力表(52)、第三气体压力表(53)、气体压力自动跟踪器(54)、第一气体流量计(55)、第二气体流量计(58)、第一应变片(56)、第二应变片(57)、计算机(62)均连接。 2.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于所述CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)均为精密定值的固定体积刚性缸体。 3.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于柱状煤体(13)直径50cm，长度100cm。 4.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于第一气体压力表(51)、第二气体压力表(52)和第三气体压力表(53)精度为0.01MPa。 5.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于第一应变片(56)和第二应变片(57)精度为10-8。 6.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于用于对原位煤体气体吸附量测试的方法包括以下步骤： (1)、样品准备：沿垂直层理方向钻制柱状煤体，柱状煤体，用砂纸在柱状煤体表面分别沿轴向和径向预粘贴应变片的部位打磨出粗糙面；于柱状煤体表面分别沿轴向粘贴第一应变片、沿径向粘贴第二应变片； (2)、样品安装：打开夹持器，将粘贴过应变片的柱状煤体放入夹持器内，并将第一应变片、第二应变片用数据线连接至数据采集箱；开启电加热器对夹持器加热至实验温度，保证柱状煤体处于设定温度环境内； (3)、围压、轴压交替加载：连接液压伺服系统，按照先加围压、再加轴压的原则操作，操作步骤依次为：a、先启动液压泵，用围压加载器对柱状煤体施加2MPa的围压后暂停加载；b、打开轴压加载器对柱状煤体施加2MPa的轴压后暂停加载，重复a和b步骤，直到加载至轴压和围压均为实验设定的应力状态后关闭液压泵； (4)、气密性检验：围压、轴压交替加载后，首先关闭所有阀门，接着打开第三阀门、第四阀门、CH4参考缸进口阀门、CH4参考缸出口阀门、CO2参考缸进口阀门、CO2参考缸出口阀门、第五阀门、第六阀门，启动真空泵对整个装置系统进行抽真空至第一气体压力表、第二气体压力表和第三气体压力表的压力值均为-0.1MPa，接着关闭第三阀门，观测压力值是否稳定；若压力值保持稳定，接着进行步骤(5)；若压力值不稳定，重复步骤(2)和(3)； (5)、注水：气密性检验后，启动高压水泵、打开水流阀门、保持水压表数值为2MPa压力值，向柱状煤体注水，水流量表显示的数值为预设的注水体积时，关闭水流阀门结束注水； (6)、稳态吸附气源准备：关闭除第二阀门、第四阀门、CO2参考缸进口阀门外的所有阀门，启动气体增压泵向CO2参考缸进行CO2气体增压，增压至第二气体压力表显示的压力值高于最高实验压力值3MPa时，关闭CO2参考缸进口阀门停止增压； (7)、注气吸附：完成稳态吸附气源准备后，关闭所有阀门，设定气体压力自动跟踪器为实验压力值，控制向柱状煤体注入的气体压力始终为设定的实验压力值，保证夹持器内柱状煤体在恒压下稳态吸附，然后依次打开CO2参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门、第六阀门向柱状煤体注入CO2气体，进行吸附实验，第一气体流量计采集注入夹持器的气体量；实验过程中计算机记录轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力变化数据，并在一张图上形成曲线，当轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力数据均平稳不变时，结束注气吸附实验，然后关闭所有阀门，打开夹持器出口阀门将夹持器内的CO2气体放掉，第二气体流量计采集夹持器放掉的气体量，紧接着，关闭除第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门外的所有阀门，启动真空泵对柱状煤体抽真空，脱除煤体内残余的CO2气体，结束实验。 (8)、吸附作用下关键点的判识：以第一应变片记录的煤体轴向应变曲线为依据，选取轴向应变曲线转折点处为煤体发生吸附作用的开始时刻，以轴向应变曲线平稳不变处为煤体达到吸附饱和的终点时刻，该开始时刻和终点时刻分别对应于CO2参考缸内气体压力变化曲线上的压力数据P2和P3；在煤体发生吸附作用期间，CO2参考缸内气体压力由P2降为P3，参考缸内CO2气体的减少量便为模拟状态下煤体对CO2气体的吸附量； (9)、气体吸附量的计算：以气体摩尔量为单位计算气体吸附量，根据真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)计算出P2、P3所对应的气体摩尔量n2、n3，再根据公式Δn＝n2-n3计算出模拟原位状态下煤体对CO2气体的吸附量Δn；真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)中，Pi为气体压力，V为气体参考缸的体积，Zi为对应于气体压力Pi下气体的压缩因子，R为气体常数，T为温度，ni为气体的摩尔量。 7.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于步骤(3)应力加载过程中，为了防止柱状煤体裂开，采用应力控制的方式进行加载，加载速率小于等于0.05MPa/s。 8.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于步骤(2)中的实验温度为25～30℃，步骤(3)中实验设定的应力为8～50MPa，步骤(5)中预设的注水体积为5～30mL。 9.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于原位煤体吸附量计算后，启动真空泵对夹持器抽真空；重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)，通过改变煤体的受力状态、煤体含水量以及注气压力，进一步开展不同条件下原位煤体气体吸附量的测试实验，最终总结出应力、含水性、气体压力对原位煤体气体吸附量的影响规律，为研究不同地质背景条件下煤体对气体吸附能力的评估提供依据。 10.如权利要求1-9任一权利要求所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于用于模拟原位煤体对CH4和/或CO2气体吸附量的测试。
所属类别：	发明专利