煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法

摘要

本发明公开了一种煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法，包括以下步骤：（1）测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的空置体积；（2）试样安装；（3）测量吸附解吸罐的自由空间体积；（4）进行瓦斯等温定容吸附过程中煤体动态演化过程测试；（5）进行瓦斯等温定压吸附过程中煤体动态演化过程测试；（6）进行瓦斯定容变温条件下吸附-解吸动态演化过程测试；（7）进行瓦斯竞争性吸附过程中煤体动态演化过程测试；（8）瓦斯解吸过程中煤体动态演化过程测试。本发明操作简单，测试结果的准确性高。

主权项

1.一种煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法，其特征是：包括以下步骤：（1）测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的空置体积：11）在高压吸附解吸罐空置的情况下，对高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐进行抽真空至真空度达到4.0Pa以下；12）将0.2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；测量高压蓄气瓶内的压力值P_r和高压吸附解吸罐内的压力值P_s；13）将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐内的平衡压力值P_e；释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等；14）将已知体积为Vn的实心金属标准试块放入高压吸附解吸罐内，重复上述操作，并分别读取向高压吸附解吸罐内充气前高压蓄气瓶内的压力值P_r’，高压吸附解吸罐内的压力值P_s‘和高压吸附解吸罐内充气后的平衡压力P_e‘；如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P_s和P_s‘均大于4Pa，则重复步骤11）至14）；如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P_s和P_s‘均小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态，则根据以下方程组计算高压蓄气瓶及其管路，高压吸附解吸罐及其管路的体积：$\left\{\begin{array}{c}\frac{p_r{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_s)}{Z_e}\\ \frac{{p_r}^{\prime }{V}_r}{{Z_r}^{\prime }}=\frac{{p_e}^{\prime }(V_r+V_s-V_n)}{{Z_e}^{\prime }}\end{array}\right.$$V_r=\frac{(p_e/Z_e)({p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })-(p_e-Z_e)({p_r}^{\prime }/{Z_r}^{\prime }-{p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })}$$V_s=\frac{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })V_n}{(p_r/Z_r-p_e/Z_e)({p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })-(p_e/Z_e)({p_r}^{\prime }/{Z_r}^{\prime }-{p_e}^{\prime }/{Z_e}^{\prime })}$V_r,V_s,V_n——分别为高压蓄气瓶及其管路体积、高压吸附解吸罐及其管路体积和标准块体积，单位为cm³；p_r，p_s，p_e——分别为高压吸附解吸罐空置状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；p′_r，p′_s，p′_e——分别为高压吸附解吸罐置入标准试块状态下高压蓄气瓶的压力、高压吸附解吸罐的压力和平衡后高压蓄气瓶和吸附解吸罐的压力，单位为MPa；Z_r,Z′_r——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶初始气体的压缩因子，无量纲；Z_s,Z′_s——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压吸附解吸罐初始气体的压缩因子，无量纲；Z_e,Z′_e——分别为高压吸附解吸罐在空置状态下和置入标准试块状态下，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲；（2）试样安装：将从煤层取来的煤块按照罐体的容积制作长方体或圆柱体煤样；在试样表面安装电阻应变片，并将试样置于吸附解吸罐内；（3）测量吸附解吸罐的自由空间体积：31）对与高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐连接的充气系统进行抽真空；待真空度达到4.0Pa以下时，仍保持抽真空状态1小时；32）将0.2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；读取高压蓄气瓶内的压力值P₁和高压吸附解吸罐内的压力值P₂；33）将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后读取高压蓄气瓶压力值P_e；释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等；如果压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力P₂大于4Pa，则重复步骤31）至31）；如果P₂小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态；根据波义耳定律计算自由空间体积：$\frac{p_1{V}_r}{Z_r}=\frac{p_e(V_r+V_f)}{Z_e}$$V_f=\frac{(p_1/Z_r-p_e/Z_e)V_r}{(p_e-Z_e)}=(\frac{p_1/Z_r}{p_e/Z_e}-1)V_r$V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³；V_r——为高压蓄气瓶及其管路体积，单位为cm³；p₁，p_e——分别为高压蓄气瓶内He气的初始压力和平衡后的压力，单位为MPa；Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶内He气初始压力下的压缩因子，无量纲；Z_e——为高压吸附解吸罐在充入He气后，高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐平衡条件下气体的压缩因子，无量纲；（4）进行瓦斯等温定容吸附过程中煤体动态演化过程测试：41）再次对系统进行抽真空，使真空度达到4.0Pa；42）向高压蓄气瓶内充入1.0MPa～10.0MPa的CH₄；压力稳定后停止充气，并读取此时高压蓄气瓶内的压力值P₃和高压吸附解吸罐内的压力值；如果高压吸附解吸罐内的压力值小于4Pa，则继续下一步骤，否则进入步骤41）；43）将CH₄充入高压吸附解吸罐内，读取吸附过程中高压蓄气瓶内的压力值P_i；根据以下方程计算煤体的瓦斯吸附量：$\frac{p_3{V}_r}{Z_r}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i}$Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；Z_r——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；Z_i——吸附过程中CH₄压力为p_i时的压缩因子，无量纲；T_c——恒温温度，单位为K；T₀——标况温度，单位为K；p₀——标况压力，单位为MPa；（5）进行瓦斯等温定压吸附过程中煤体动态演化过程测试：51）再次对系统进行抽真空至4.0Pa；52）向高压蓄气瓶内充入CH₄，CH₄的压力值大于试验设定压力2.0MPa～3.0MPa；压力稳定后停止充气，并读取此时高压蓄气瓶内的压力值P₄；并将高压蓄气瓶的出口压力设定为试验测试压力P₅，使CH₄气充入高压吸附解吸罐的罐体内；保持高压吸附解吸罐内压力稳定；53）在30分钟内，当高压蓄气瓶内的压力变化不超过0.02MPa时，认为达到吸附平衡，记录此时高压蓄气瓶内的压力值P₆；通过以下方程获得煤体的瓦斯吸附量：$\frac{p_4{V}_r}{Z_4}=\frac{p_5(V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_5}+\frac{p_6{V}_r}{Z_6}$Q_吸——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³；V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；V_ai——由于煤体吸附瓦斯引起的体积变形量，单位为cm³；Z₄——为高压吸附解吸罐在真空状态下，高压蓄气瓶充入CH₄后初始压力下的压缩因子，无量纲；Z₅——为高压吸附解吸罐在CH₄压力为P₅下的压缩因子，无量纲；Z₆——为高压蓄气瓶在CH₄压力为P₆下的压缩因子，无量纲；T_c——恒温温度，单位为K；T₀——标况温度，单位为K；p₀——标况压力，单位为MPa；（6）进行瓦斯定容变温条件下吸附-解吸动态演化过程测试：61）按照（4）的步骤，使高压吸附解吸罐内的煤样达到吸附解吸平衡，读取高压蓄气瓶此时的压力值P₇；62）使高压吸附解吸罐达到测试温度T_i；63）在温度变化过程中，保持高压吸附解吸罐内的气体总量不发生变化，在达到新的温度条件下，使煤体达到新的吸附解吸平衡，读取高压蓄气瓶此时的压力值P_i；则温度变化过程中，煤体吸附量的变化由下式计算：$\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}=\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i}$$Q_T=\frac{T_0}{p_0}(\frac{p_7(V_r+V_f-V_a)}{Z_7{T}_1}-\frac{p_i(V_r+V_f-V_{\mathrm{ai}})}{Z_i{T}_i})$Q_T——煤体瓦斯吸附量（STP），单位为cm³；V_a，V_ai——初始平衡状态和变温过程中煤体的体积变形量，单位为cm³；Z₇,Z_i——分别在压力为p₇，p_i，温度T₁,T_i下甲烷的压缩因子，无量纲；T₁,T_i——分别为初始平衡温度和变化后的温度，单位为K；V_f——吸附罐自由空间体积，单位为cm³V_r——高压蓄气瓶及其管路的体积，单位为cm³；T₀——标况温度，单位为K；p₀——标况压力，单位为Mpa；（7）进行瓦斯竞争性吸附过程中煤体动态演化过程测试：71）隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐；将高压蓄气瓶及上游管路内的压力降低到标准大气压；对高压蓄气瓶及上游管路抽真空至真空度小于4.0Pa；72）向高压蓄气瓶内充入CO₂气体，CO₂气体的压力根据CO₂相对不同煤体的吸附压力确定；73）将CO₂气体充入高压吸附解吸罐内，使CO₂和CH₄进行竞争性吸附，直到高压蓄气瓶内的压力达到稳定值时，则表明CO₂和CH₄达到吸附解吸平衡；（8）瓦斯解吸过程中煤体动态演化过程测试：当测量解吸到标准大气压时，记录气体流量；当测量解吸到负压状态时（4Pa～标准大气压），先隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，将高压蓄气瓶及其上游管路内的压力降低到标准大气压；然后对高压蓄气瓶及其上游管路抽真空，待达到预定的负压后（4Pa～标准大气压），停止抽真空，连通高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，进行负压下的解吸；当测量解吸到固定压力时，按以下步骤进行：先隔离高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，将高压蓄气瓶及其上游管路内的压力降低到标准大气压；然后对高压蓄气瓶及其上游管路抽真空，待达到预定的负压后（4Pa～标准大气压），停止抽真空；向高压蓄气瓶内充入CH₄，CH₄的压力为预设的解吸压力；最后，连通高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐，进行固定压力下的解吸，当高压蓄气瓶内的压力达到稳定值时，达到解吸平衡。