一种工业ct瓦斯吸附实验系统及使用方法
技术领域
1.本发明涉及瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种工业ct瓦斯吸附实验系统及使用方法。
背景技术：2.浅部资源的逐渐枯竭，深部煤矿开采俨然趋于常态，随着采深的增加，瓦斯压力和瓦斯含量也逐渐升高，煤矿动力灾害发生的频率越来越高。瓦斯促进了煤体新裂隙的萌生发育和原始裂隙的扩展贯通，劣化了煤体的力学特性，从而造成煤与瓦斯突出灾害日益严重。
3.要揭示煤与瓦斯突出的机理，就必须研究在突出过程中瓦斯的吸附、解吸、扩散、渗透过程及其在突出过程中的作用机制。目前针对瓦斯吸附的研究大多是在宏观角度下进行的，仅能探究含瓦斯煤体力学性质，而工业ct实验设备可实现在细观和微观角度下观测煤体内部裂隙的动态演化过程。由于ct试验设备较为精密，对试验要求比较高，与瓦斯吸附试验装置配合难度较大，目前虽有将两个系统结合到一起的试验系统，但存在以下不足，首先，由于瓦斯吸附时会对煤体的微观结构产生影响，劣化其力学性质，而现有装置及系统只能对煤体进行吸附前后状态进行扫描，而无法实现瓦斯吸附过程中煤样裂隙动态演化的实时观测；其次，当煤体发生破裂等现象时，表明瓦斯吸附达到峰值，然而，现有的装置无法检测到瓦斯吸附量，不能对实验结果进行量化分析。
技术实现要素：4.本发明的主要目的在于提供一种工业ct瓦斯吸附实验系统及使用方法，旨在解决现有的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种工业ct瓦斯吸附实验系统，包括，
6.供气系统，通过控制压力差的方式调节气体流速，向管道内输送瓦斯气体；
7.加载系统，与供气系统连通，以水为加压介质对样品施加轴向压力以及围压，并通过全方位实时扫描方式透射煤样得到其在吸附过程中内部裂隙演化规律。
8.进一步地，所述供气系统包括具有进气孔和出气孔的瓦斯气瓶、与进气孔连接的气压表、与出气孔连接的气阀以及用于输送瓦斯的管道，所述管道上设有用于调控气压的减压阀门以及与气压表配合检测压力差值的分压监测表。
9.进一步地，所述加载系统包括用于以全方位扫描方式透射煤样的x射线源、用于采集衰减射线信息的接收板、夹持器、设于夹持器内用于通过输入水对样品施加轴向压力以及围压并调节水流速率控制轴向压力和侧向压力大小的轴压加载装置和围压加载装置、气体渗流装置以及用于处理被检层面图像的计算机。
10.进一步地，所述加载系统还包括设于夹持器内用于包裹进入系统内煤样的橡胶套。
11.进一步地，还包括用于实时监测瓦斯流速以及气体总流量的气体流量实时检测系
统，所述气体流量实时检测系统包括第一气体检测仪和第二气体检测仪。
12.进一步地，还包括尾气收集系统，与加载系统连通，所述尾气收集系统包括用于收集尾气的主筒体、与主筒体连接的外供气管以及设于外供气管内的单向阀门。
13.进一步地，还包括脱气系统，所述脱气系统包括具有进气口和出气口的真空泵、进气口与真空泵出气口连接的液体箱、集水瓶以及一端深入至液体箱液面以下且另一端与集水瓶连接的导管，所述真空泵的进气口与加载系统连接，所述真空泵一侧设有数显真空计。
14.进一步地，还包括用于控制气体流动的第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门。
15.一种工业ct瓦斯吸附实验系统的使用方法，包括以下步骤，
16.步骤一：实验前的准备，将整个系统管道内的气体由脱气系统抽出、处理并记录其体积v1。
17.步骤二：拧开气体阀门，通过调节减压阀门控制瓦斯气罐向实验装置内提供恒压瓦斯，利用观测设备对加载系统内的煤样进行实时微观观测，当煤样首次出现较为明显孔隙时，记录两台气体检测仪的读数，并计算其差值v2。
18.步骤三：持续向加载系统内冲入瓦斯，观察首次出现贯穿煤样上下表面的明显裂隙，记录其气体流量差值v3。
19.步骤四：待流入气压与输出气压差值波动微小且趋于稳定时，说明煤体达到吸附峰值，可记录此煤样瓦斯吸附极限量v4。由此，可从微观角度观测瓦斯对煤体的实时劣化程度以及煤体对瓦斯吸附量的实时监测数据。
20.步骤五：试验结束后，由脱气系统将管道及装置内残留的瓦斯气体抽取收集，防止气体对环境造成危害。
21.本发明的有益效果体现在：
22.本发明适于煤对瓦斯的吸附量的测定以及瓦斯对煤体的实时劣化程度，可以测定出不同轴压、不同围压、不同瓦斯供给压力条件下煤样的劣化机制、力学性质、渗透系数和瓦斯吸附量等参数，适合煤瓦斯吸附规律的试验，可准确模拟井下储层环境，实验效率高。
23.本发明的气体流量均由气体检测仪自动采集，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。
24.本发明的瓦斯气体均被收集，防止残余的瓦斯等气体对人体和环境造成危害，保证了试验人员的安全，增加了实验系统的安全系数。
附图说明
25.图1为本发明实验系统示意图；
26.图2为本发明加载系统示意图。
27.附图标记说明：
28.1、瓦斯气瓶；2、气阀；3、气压表；4、第一阀门；5、减压阀门；6、分压监测表；7、第一气体检测仪；8、第二阀门；9、夹持器；10、第二气体检测仪；11、第三阀门；12、外供气管；13、单向阀门；14、主筒体；15、第四阀门；16、数显真空计；17、真空泵；18、第五阀门；19、液体箱；20、导管；21、集水瓶；22、计算机；23、气体渗流装置；24、轴压加载装置；25、围压加载装置；26、橡胶套；27、x射线源；28、接收板。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
31.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在。
32.请参阅图1和2，本发明一种工业ct瓦斯吸附实验系统，包括，
33.供气系统，通过控制压力差的方式调节气体流速，向管道内输送瓦斯气体；
34.加载系统，与供气系统连通，以水为加压介质对样品施加轴向压力以及围压，并通过全方位实时扫描方式透射煤样得到其在吸附过程中内部裂隙演化规律。
35.供气系统以恒定气体压力输出瓦斯气体，加载系统通过输入水对样品施加轴向压力以及围压，调节水流速率控制轴向压力和侧向压力的大小，采集衰减射线信息，运用特定算法以二维灰度图像形式将被检层面图像直观地显示出来，通过对图像的观测分析，能够实现受载样品在瓦斯吸附破坏过程中的实时动态监测。
36.适于煤对瓦斯的吸附量的测定以及瓦斯对煤体的实时劣化程度，可以测定出不同轴压、不同围压、不同瓦斯供给压力条件下煤样的劣化机制、力学性质、渗透系数和瓦斯吸附量等参数，适合颗粒煤瓦斯吸附规律的试验，可准确模拟井下储层环境，实验效率高。
37.在一实施例中，请参阅图1，供气系统包括具有进气孔和出气孔的瓦斯气瓶1、与进气孔连接的气压表3、与出气孔连接的气阀2以及用于输送瓦斯的管道，管道上设有用于调控气压的减压阀门5以及与气压表3配合检测压力差值的分压监测表6。瓦斯气瓶1出气孔向管道内输出瓦斯气体，气体经过减压阀5进行调控气压，与气阀2处产生压力差，压力差值由气压表3及分压监测表6进行计算。
38.在一实施例中，请参阅图2，加载系统包括用于以全方位扫描方式透射煤样的x射线源27、用于采集衰减射线信息的接收板28、夹持器9、设于夹持器9内用于通过输入水对样品施加轴向压力以及围压并调节水流速率控制轴向压力和侧向压力大小的轴压加载装置24和围压加载装置25、气体渗流装置23以及用于处理被检层面图像的计算机。由气体渗流装置23进入夹持器9，在夹持器9中的轴压加载装置24和围压加载装置25通过输入水对样品施加轴向压力以及围压，调节水流速率控制轴向压力和侧向压力的大小，x射线源27以全方位扫描方式透射煤样，通过接收板28采集衰减射线信息，在计算机22中运用特定算法以二
维灰度图像形式将被检层面图像直观地显示出来，通过对图像的观测分析，能够实现受载样品在瓦斯吸附破坏过程中的实时动态监测。
39.在一实施例中，请参阅图1，加载系统还包括设于夹持器内用于包裹进入系统内煤样的橡胶套26。煤样外侧由橡胶套26包裹防止水分侵入，避免对检测过程中造成干扰。
40.在一实施例中，请参阅图1，还包括用于实时监测瓦斯流速以及气体总流量的气体流量实时检测系统，气体流量实时检测系统包括第一气体检测仪7和第二气体检测仪10。第一气体检测仪7用于检测实验开始时通入的瓦斯气体流量，第二气体检测仪10用于检测部分瓦斯气体在实验时被煤样吸附后，剩余的瓦斯总流量。
41.在一实施例中，请参阅图1，还包括尾气收集系统，与加载系统连通，尾气收集系统包括用于收集尾气的主筒体14、与主筒体14连接的外供气管12以及设于外供气管12内的单向阀门13。实验后，剩余的瓦斯气体进入主筒体14，气体就会经过设置在管道顶端的单向阀门13进入主筒体14内，单向阀门13的作用是只允许气体从管道进入主筒体14，不允许气体倒流入第二气体检测仪10。
42.在一实施例中，请参阅图1，还包括脱气系统，脱气系统包括具有进气口和出气口的真空泵17、进气口与真空泵17出气口连接的液体箱19、集水瓶21以及一端深入至液体箱19液面以下且另一端与集水瓶21连接的导管20，真空泵17的进气口与加载系统连接，真空泵17一侧设有数显真空计16。在实验前先通过气密性检测，避免因为气密性不够导致实验质量下降并导致周围环境污染的问题；将连接好的管道中的气体由真空泵17进行真空抽取处理，气体进入液体箱19，由压强原理可知在压力作用下，与吸取气体等体积的液体会随着导管20进入集水瓶21被收集，可计算液体体积，气体被真空泵17吸入的负压指数可由数显真空计16进行调控观测。
43.在一实施例中，请参阅图1，还包括用于控制气体流动的第一阀门4、第二阀门8、第三阀门11、第四阀门15和第五阀门18。分别用于控制管路中瓦斯气体流动通道的打开和关闭。
44.一种工业ct瓦斯吸附实验系统的使用方法，包括以下步骤，
45.步骤一：实验前的准备，将整个系统管道内的气体由脱气系统抽出、处理并记录其体积v1。
46.步骤二：拧开气体阀门，通过调节减压阀门5控制瓦斯气罐向实验装置内提供恒压瓦斯，利用观测设备对加载系统内的煤样进行实时微观观测，当煤样首次出现较为明显孔隙时，记录两台气体检测仪的读数，并计算其差值v2。
47.步骤三：持续向加载系统内冲入瓦斯，观察首次出现贯穿煤样上下表面的明显裂隙，记录其气体流量差值v3。
48.步骤四：待流入气压与输出气压差值波动微小且趋于稳定时，说明煤体达到吸附峰值，可记录此煤样瓦斯吸附极限量v4。由此，可从微观角度观测瓦斯对煤体的实时劣化程度以及煤体对瓦斯吸附量的实时监测数据。
49.步骤五：试验结束后，由脱气系统将管道及装置内残留的瓦斯气体抽取收集，防止气体对环境造成危害。
50.在实验准备阶段时，首先进行气密性检测，在进口处通入氮气，第三阀门11和第四阀门15处于关闭状态，待冲入适量气体后，分别关闭第一阀门4和第二阀门8，观测各封闭阶
段内气体压力是否达到平衡以此衡量管道气密性，检测完毕后将气体排除并静置，待气管内压力与大气压相等时开始实验，关闭第一阀门4、第三阀门11，将第二阀门8、第四阀门15、第五阀门18打开，将连接好的管道中的气体由真空泵17进行真空抽取处理，气体进入液体箱19，由压强原理可知在压力作用下，与吸取气体等体积的液体会随着导管20进入集水瓶21被收集，可计算液体体积，气体被真空泵17吸入的负压指数可由数显真空计16进行调控观测。
51.准备阶段结束后，关闭第五阀门18，防止水凝蒸汽倒入到真空泵17损坏实验设备，同时关闭第三阀门11，打开第一阀门4、第二阀门8、第三阀门11以及气阀2，以恒定气体压力由瓦斯气瓶1出气孔向管道内输出瓦斯气体，气体经过减压阀5进行调控气压，与气阀2处产生压力差，压力差值由气压表3及分压监测表6进行计算，瓦斯气体经过第一气体检测仪7进行气体流量监测，并由气体渗流装置23进入夹持器9，在夹持器9中的轴压加载装置24和围压加载装置25通过输入水对样品施加轴向压力以及围压，调节水流速率控制轴向压力和侧向压力的大小，煤样外侧由橡胶套26包裹防止水分侵入，x射线源22以全方位扫描方式透射煤样，通过接收板28采集衰减射线信息，在计算机22中运用特定算法以二维灰度图像形式将被检层面图像直观地显示出来，通过对图像的观测分析，能够实现受载样品在瓦斯吸附解析破坏过程中的实时动态监测。部分瓦斯气体被煤样吸附后，由夹持器9流向第二气体检测仪10，并记录剩余瓦斯总流量，由计算机22显示两台气体检测仪实时气体流量差值。
52.经此，瓦斯进入主筒体14，主筒体14的一侧连接有外供气管12，管道内侧安置单向阀门13，气体就会经过设置在管道顶端的单向阀门13进入主筒体14内，单向阀门413的作用是只允许气体从管道进入主筒体14，不允许气体倒流入第二气体检测仪10。
53.试验结束后，关闭气阀2、第一阀门4、第三阀门11，打开第四阀门15、五阀门18，由真空泵17吸取管道及装置内残余瓦斯气体，防止气体对环境造成危害。
54.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：包括，供气系统，通过控制压力差的方式调节气体流速，向管道内输送瓦斯气体；加载系统，与供气系统连通，以水为加压介质对样品施加轴向压力以及围压，并通过全方位实时扫描方式透射煤样得到其在吸附过程中内部裂隙演化规律。2.如权利要求1所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：所述供气系统包括具有进气孔和出气孔的瓦斯气瓶(1)、与进气孔连接的气压表(3)、与出气孔连接的气阀(2)以及用于输送瓦斯的管道，所述管道上设有用于调控气压的减压阀门(5)以及与气压表(3)配合检测压力差值的分压监测表(6)。3.如权利要求2所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：所述加载系统包括用于以全方位扫描方式透射煤样的x射线源(27)、用于采集衰减射线信息的接收板(28)、夹持器(9)、设于夹持器(9)内用于通过输入水对样品施加轴向压力以及围压并调节水流速率控制轴向压力和侧向压力大小的轴压加载装置(24)和围压加载装置(25)、气体渗流装置(23)以及用于处理被检层面图像的计算机(22)。4.如权利要求3所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：所述加载系统还包括设于夹持器(9)内用于包裹进入系统内煤样的橡胶套(26)。5.如权利要求4所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：还包括用于实时监测瓦斯流速以及气体总流量的气体流量实时检测系统，所述气体流量实时检测系统包括第一气体检测仪(7)和第二气体检测仪(10)。6.如权利要求5所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：还包括尾气收集系统，与加载系统连通，所述尾气收集系统包括用于收集尾气的主筒体(14)、与主筒体(14)连接的外供气管(12)以及设于外供气管(12)内的单向阀门(13)。7.如权利要求6所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：还包括脱气系统，所述脱气系统包括具有进气口和出气口的真空泵(17)、进气口与真空泵(17)出气口连接的液体箱(19)、集水瓶(21)以及一端深入至液体箱(19)液面以下且另一端与集水瓶(21)连接的导管(20)，所述真空泵(17)的进气口与加载系统连接，所述真空泵(17)一侧设有数显真空计(16)。8.如权利要求1所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统，其特征在于：还包括用于控制气体流动的第一阀门(4)、第二阀门(8)、第三阀门(11)、第四阀门(15)和第五阀门(18)。9.如权利要求1-8任一项所述的一种工业ct瓦斯吸附实验系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：实验前的准备，将整个系统管道内的气体由脱气系统抽出、处理并记录其体积v1。步骤二：拧开气体阀门，通过调节拧动减压阀门(5)控制瓦斯气罐向实验装置内提供恒压瓦斯，利用观测设备对加载系统内的煤样进行实时微观观测，当煤样首次出现较为明显孔隙时，记录两台气体检测仪的读数，并计算其差值v2。步骤三：持续向加载系统内冲入瓦斯，观察首次出现贯穿煤样上下表面的明显裂隙，记录其气体流量差值v3。步骤四：待流入气压与输出气压差值波动微小且趋于稳定时，说明煤体达到吸附峰值，可记录此煤样瓦斯吸附极限量v4。由此，可从微观角度观测瓦斯对煤体的实时劣化程度以
及煤体对瓦斯吸附量的实时监测数据。步骤五：试验结束后，由脱气系统将管道及装置内残留的瓦斯气体抽取收集，防止气体对环境造成危害。
技术总结本发明公开了一种工业CT瓦斯吸附实验系统及使用方法，其特征在于：包括，供气系统，用于以恒定压力由向管道内输出瓦斯气体；加载系统，与供气系统连通，用于输入水对样品施加轴向压力以及围压，以全方位扫描方式透射煤样并采集衰减射线信息；本发明适于煤对瓦斯的吸附量的测定以及瓦斯对煤体的实时劣化程度，可以测定出不同轴压、不同围压、不同瓦斯供给压力条件下煤样的裂隙演化规律、力学性质、渗透系数和瓦斯吸附量等参数，适合煤瓦斯吸附规律的试验，可准确模拟井下储层环境，实验效率高。实验效率高。实验效率高。
技术研发人员：王磊 商瑞豪 陈礼鹏 李少波 刘怀谦 张宇 王安铖 张帅 刘化强
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
