技术领域
[0001] 本
发明涉及井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟装置及方法，特别涉及井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置及测试方法。
背景技术
[0002]
煤层瓦斯含量不仅是评价
煤层突出危险性强弱的重要指标，也是评估
煤层气资源储藏分布规律的重要参数，准确测定煤层瓦斯含量一直是煤气共采领域的重要
基础研究。经过几十年的发展，煤层瓦斯含量测定技术取得了突破性成果，其中，井下直接测定煤层瓦斯含量方法应用最为广泛，测值准确率高。井下直接测定煤层瓦斯含量工艺主要包括取样过程损失量、井下解吸量和实验室测定残存量三大部分。井下解吸量和实验室测定残存量均为客观实测值，而损失量是指脱落后的煤屑沿孔底至孔口过程中所解吸逸散的瓦斯量。
由于技术所限，取样过程的损失量无法实测，只能通过煤屑初期瓦斯解吸规律反推。
[0003] 目前井下直接测定煤层瓦斯含量常用的取样方法有：麻花
钻杆排粉取样、压
风取样、反循环钻进取样、取芯管取样。为提高测算结果准确性，国家标准《GB/T 23250-2009》规定取样时间不得超过5min，即快速取样；另外，采集样品必须来源于预定
位置，保证定点取样。上述取样方法中，麻花钻杆和压风取样均不能实现定点目的，取芯管虽然能做到定点取样，但取样时间过长、瓦斯损失量大。反循环取样是一种定点快速取样的新方法，非常适用于井下煤层瓦斯含量直接测定以及瓦斯突出预测指标检验等工作。反循环取样钻孔的沿程压
力从最初风压最大值逐渐衰减至
大气压，表现为变超常压连续衰减状态，此阶段的瓦斯解吸规律异于常压环境下的解吸特征，而标准中规定的损失量推算 方法仅适用于常压解吸环境，无法满足反循环超常压取样过程的损失量推算。因此，研究反循环取样过程煤屑瓦斯解吸规律是构建变超常压环境下瓦斯损失量推算模型的基础，也是完善反循环取样测定瓦斯含量和煤层突出危险性指标的根本需求。
发明内容
[0004] 本发明目的在于克服
现有技术缺点，提供一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置及测试方法，从而为反循环取样技术准确测定煤层瓦斯含量以及测定煤层突出危险性指标提供关键的技术手段。
[0005] 本发明采用的技术方案是：一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置，包括高压瓦斯注气系统管连接
真空脱气系统，高压氮气充气系统，高压瓦斯注气系统包括带有甲烷气瓶
开关的高压甲烷气瓶顺序管连接电磁
阀a、高压参考罐、压力
传感器Ⅰ、
电磁阀b、电磁阀c、放空端，真空脱气系统包括真空抽气
泵分别管连接电磁阀f及放空端、真空规管及复合真空计后，再管连接电磁阀d，高压氮气充气系统包括带有氮气瓶开关的高压氮气瓶管连接电 磁阀g，特点在于：高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统后，管连接超常压恒温解吸系统，再管连接高压氮气充气系统。
[0006] 其中：超常压恒温解吸系统包括分别管连接
压力传感器Ⅲ、电动小流量调节阀、电动三通阀、变压罐，电动小流量调节阀顺序管连接流量传感器、甲烷传感器、放空端，电动三通阀管连接设于恒/变温箱中插有
温度传感器的煤样罐后管连接压力传感器Ⅱ，再管连接电磁阀e。
[0007] 其中：PLC分别电连接压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、温度传感器、电动三通阀、流量传感器、甲烷浓度传感器、电动小流量调节阀、电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c、电磁阀d、电磁阀e、电磁阀f、电磁阀g、计算机。
[0008] 一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置的测试方法，包括将筛好的煤样置于干燥箱干燥后，称重装满煤样罐，将煤样罐放入恒/变温箱，并设置开采煤层温度，关闭甲烷气瓶开关后，通过PLC打开电磁阀a、电磁阀b、电磁阀d、电磁阀e，关闭电磁阀c、电磁阀f、电动三通阀，启动真空抽气泵，对煤样罐、高压参考罐以及连接管线脱气，当复合真空计显示设定真空度时，关闭电磁阀a、电磁阀b、电磁阀d、电磁阀e和真空抽气泵，随后立即打开电磁阀f，脱气结束，打开甲烷气瓶开关后，打开电磁阀a、电磁阀b，向高压参考罐充入高浓度甲烷，当压力传感器Ⅰ压力值为设定值，关闭电磁阀a、甲烷气瓶开关，打开电磁阀e，高压参考罐向煤样罐煤样充入甲烷，压力传感器Ⅱ压力值为设定值，关闭电磁阀e，注气结束，电动三通阀、电动小流量调节阀处关闭状态，顺序打开氮气瓶开关、电磁阀g向变压罐充入氮气，压力传感器Ⅲ压力值为矿井下压风系统气压值，关闭电磁阀g、氮气瓶开关，氮气充气完成，特点在于：调节电动三通阀使煤样罐与大气连通，释放煤样罐内游离瓦斯，待压力传感器Ⅱ压力值降至零时，再次调节电动三通阀使煤样罐与变压罐连通，打开电动小流量调节阀，并调节阀
门开度，用井下反循环取样深度所耗时间释放变压罐内氮气同时，使井下反循环取样深度所耗时间内初始煤屑温度降至结束煤屑温度变化一致，按时间
节点t由流量传感器、甲烷浓度传感器记录混合气体流量Qt和甲烷浓度C％。
[0009] 其中：St＝Qt×C％，St为时间节点t时刻瓦斯解吸量，ml/min；Qt为时间节点t时刻混合气体流量，ml/min；C％为时间节点t时刻甲烷浓度，％，获得瓦斯解吸速度，然后利用微积分计算不同节点的累计瓦斯解吸量。
[0010] 改变煤样粒径及初设温度、煤样的
吸附平衡压力、氮气初始压力、氮气释放时间和温度
监控系统的温变梯度，研究不同煤层瓦斯含量、煤层温度、取样深度、取样风压条件下的反循环取样过程中瓦斯解吸规律。
[0011] 本发明的有益效果在于：本发明测试装置可调控煤层温度、煤层瓦斯含量、反循环取样钻孔深度、反循环取样压风强度、反循环取样钻孔沿程温度等外界条件，系统的研究反循环取样过程煤屑瓦斯解吸规律及影响因素，构建了反循环取样过程钻孔沿程气压和温度的变化环境，提供了一种反循环取样从孔底至孔口煤屑流动过程中瓦斯解吸规律的测定方法。
附图说明
[0012] 图1是本发明
实施例的结构原理示意图；
[0013] 图2是本发明实施例控制原理示意图。
[0014] 图中：1.高压甲烷气瓶，2.高压参考罐，3.复合真空计，4.真空规管，5.真空抽气泵，6.煤样罐，7.温度传感器，8.恒/变温箱，9.电动三通阀，10.高压氮气瓶，11.变压罐，12.流量传感器，13.甲烷浓度传感器，14.电动小流量调节阀，15.压力传感器Ⅰ，16.压力传感器Ⅱ，17.压力传感器Ⅲ，18.电磁阀a，19.电磁阀b，20.电磁阀c，21.电磁阀d，22.电磁阀e，23.电磁阀f，24.电磁阀g，30.氮气瓶开关，40.甲烷气瓶开关，50.计算机，60.PLC。
具体实施方式
[0015] 第一实施例
[0016] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置，包括高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统，高压氮气充气系统，高压瓦斯注气系统包括带有甲烷气瓶开关40的高压甲烷气瓶1顺序管连接电磁阀a18、高压参考罐2、压力传感器Ⅰ15、电磁阀b19、电磁阀c20、放空端，真空脱气系统包括真空抽气泵5分别管连接电磁阀f23及放空端、真空规管4及复合真空计3后，再管连接电磁阀d21，高压氮气充气系统包括带有氮气瓶开关30的高压氮气瓶10管连接电磁阀g24，特点在于：高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统后，管连接超常压恒温解吸系统，再管连接高压氮气充气系统。
[0017] 第二实施例
[0018] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置，包括高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统，高压氮气充气系统，高压瓦斯注气系统包括带有甲烷气瓶开关40的高压甲烷气瓶1顺序管连接电磁阀a18、高压参考罐2、压力传感器Ⅰ15、电磁阀b19、电磁阀c20、放空端，真空脱气系统包括真空抽气泵5分别管连接电磁阀f23及放空端、真空规管4及复合真空计3后，再管连接电磁阀d21，高压氮气充气系统包括带有氮气瓶开关30的高压氮气瓶10管连接电磁阀g24，特点在于：高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统后，管连接超常压恒温解吸系统，再管连接高压氮气充气系统。
[0019] 其中：超常压恒温解吸系统包括分别管连接压力传感器Ⅲ17、电动小流量调节阀14、电动三通阀9、变压罐11，电动小流量调节阀14顺序管连接流量传感器12、甲烷传感器
13、放空端，电动三通阀9管连接设于恒/变温箱8中插有温度传感器7的煤样罐6后管连接压力传感器Ⅱ16，再管连接电磁阀e22。
[0020] 第三实施例
[0021] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置，包括高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统，高压氮气充气系统，高压瓦斯注气系统包括带有甲烷气瓶开关40的高压甲烷气瓶1顺序管连接电磁阀a18、高压参考罐2、压力传感器Ⅰ15、电磁阀b19、电磁阀c20、放空端，真空脱气系统包括真空抽气泵5分别管连接电磁阀f23及放空端、真空规管4及复合真空计3后，再管连接电磁阀d21，高压氮气充气系统包括带有氮气瓶开关30的 高压氮气瓶10管连接电磁阀g24，特点在于：高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统后，管连接超常压恒温解吸系统，再管连接高压氮气充气系统。
[0022] 其中：PLC60分别电连接压力传感器Ⅰ15、压力传感器Ⅱ16、压力传感器Ⅲ17、温度传感器7、电动三通阀9、流量传感器12、甲烷浓度传感器13、电动小流量调节阀14、电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀c20、电磁阀d21、电磁阀e22、电磁阀f23、电磁阀g24、计算机50。
[0023] 第四实施例
[0024] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置，包括高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统，高压氮气充气系统，高压瓦斯注气系统包括带有甲烷气瓶开关40的高压甲烷气瓶1顺序管连接电磁阀a18、高压参考罐2、压力传感器Ⅰ15、电磁阀b19、电磁阀c20、放空端，真空脱气系统包括真空抽气泵5分别管连接电磁阀f23及放空端、真空规管4及复合真空计3后，再管连接电磁阀d21，高压氮气充气系统包括带有氮气瓶开关30的高压氮气瓶10管连接电磁阀g24，特点在于：高压瓦斯注气系统管连接真空脱气系统后，管连接超常压恒温解吸系统，再管连接高压氮气充气系统。
[0025] 其中：超常压恒温解吸系统包括分别管连接压力传感器Ⅲ17、电动小流量调节阀14、电动三通阀9、变压罐11，电动小流量调节阀14顺序管连接流量传感器12、甲烷传感器
13、放空端，电动三通阀9管连接设于恒/变温箱8中插有温度传感器7的煤样罐6后管连接压力传感器Ⅱ16，再管连接电磁阀e22。
[0026] 其中：PLC60分别电连接压力传感器Ⅰ15、压力传感器Ⅱ16、压力传感器Ⅲ17、温度传感器7、电动三通阀9、流量传感器12、甲烷浓度传感器13、电动小流量调节阀14、电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀c20、电磁阀d21、电磁阀e22、电磁阀f23、电磁阀g24、计算机50。
[0027] 第五实施例
[0028] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置的测试方法，包括将筛好1mm～3mm的煤样置于110℃干燥箱干燥后，称重装满煤样罐6，将煤样罐6放入恒/变温箱8，并设置开采煤层温度，恒温28℃，关闭甲烷气瓶开关40后，通过PLC60打开电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀d21、电磁阀e22，关闭电磁阀c20、电磁阀f23、电动三通阀9，启动真空抽气泵5，对煤样罐6、高压参考罐2以及连接管线脱气，当复合真空计3显示设定真空度10Pa时，关闭电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀d21、电磁阀e22和真空抽气泵5，随后立即打开电磁阀f23，脱气结束，打开甲烷气瓶开关40后，打开电磁阀a18、电磁阀b19，向高压参考罐2充入高浓度99.99％甲烷，当压力传感器Ⅰ15压力值为设定值4.5MPa，关闭电磁阀a18、甲烷气瓶开关40，打开电磁阀e22，高压参考罐2向煤样罐6煤样充入甲烷，压力传感器Ⅱ16压力值为设定值1.5MPa，关闭电磁阀e22，注气结束，电动三通阀9、电动小流量调节阀14处关闭状态，顺序打开氮气瓶开关30、电磁阀g24向变压罐11充入氮气，压力传感器Ⅲ17压力值为矿井下压风系统气压值0.6MPa，关闭电磁阀g24、氮气瓶开关30， 氮气充气完成，特点在于：
调节电动三通阀9使煤样罐6与大气连通，释放煤样罐内游离瓦斯，待压力传感器Ⅱ16压力值降至零时，再次调节电动三通阀9使煤样罐6与变压罐11连通，打开电动小流量调节阀14，并调节阀门开度，用井下反循环取样深度100m所耗时间90s释放变压罐11内氮气同时，使井下反循环取样深度100m所耗时间90s内初始煤屑温度28℃降至结束煤屑温度25℃变化一致，既设定温度监控系统的温降梯度为0.033℃/s，按时间节点t由流量传感器12、甲烷浓度传感器13记录混合气体流量Qt和甲烷浓度C％。
[0029] 第六实施例
[0030] 参见图1、图2，一种井下反循环取样瓦斯解吸过程模拟测试装置的测试方法，包括将筛好1mm～3mm的煤样置于110℃干燥箱干燥后，称重装满煤样罐6，将煤样罐6放入恒/变温箱8，并设置开采煤层温度，恒温28℃，关闭甲烷气瓶开关40后，通过PLC60打开电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀d21、电磁阀e22，关闭电磁阀c20、电磁阀f23、电动三通阀9，启动真空抽气泵5，对煤样罐6、高压参考罐2以及连接管线脱气，当复合真空计3显示设定真空度10Pa时，关闭电磁阀a18、电磁阀b19、电磁阀d21、电磁阀e22和真空抽气泵5，随后立即打开电磁阀f23，脱气结束，打开甲烷气瓶开关40后，打开电磁阀a18、电磁阀b19，向高压参考罐2充入高浓度99.99％甲烷，当压力传感器Ⅰ15压力值为设定值4.5MPa，关闭电磁阀a18、甲烷气瓶开关40，打开电磁阀e22，高压参考罐2向煤样罐6煤样充入甲烷，压力传感器Ⅱ16压力值为设定值1.5MPa，关闭电磁阀e22，注气结束，电动三通阀9、电动小流量调节阀14处关闭状态，顺序打开氮气瓶开关30、电磁阀g24向变压罐11充入氮气，压力传感器Ⅲ17压力值为矿井下压风系统气压值0.6MPa，关闭电磁阀g24、氮气瓶开关30，氮气充气完成，特点在于：
调节电动三通阀9使煤样罐6与大气连通，释放煤样罐内游离瓦斯，待压力传感器Ⅱ16压力值降至零时，再次调节电动三通阀9使煤样罐6与变压罐11连通，打开电动小流量调节阀14，并调节阀门开度，用井下反循环取样深度100m所耗时间90s释放变压罐11内氮气同时，使井下反循环取样深度100m所耗时间90s内初始煤屑温度28℃降至结束煤屑温度25℃变化一致，既设定温度监控系统的温降梯度为0.033℃/s，按时间节点t由流量传感器12、甲烷浓度传感器13记录混合气体流量Qt和甲烷浓度C％。
[0031] 其中：St＝Qt×C％，St为时间节点t时刻瓦斯解吸量，ml/min；Qt为时间节点t时刻混合气体流量，ml/min；C％为时间节点t时刻甲烷浓度，％，获得瓦斯解吸速度，然后利用微积分计算不同节点的累计瓦斯解吸量。
[0032] 改变煤样粒径及初设温度、煤样的吸附平衡压力、氮气初始压力、氮气释放时间和温度监控系统的温变梯度，研究不同煤层瓦斯含量、煤层温度、取样深度、取样风压条件下的反循环取样过程中瓦斯解吸规律。
