[发明专利]含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与方法

说明书

本发明公开了一种含瓦斯煤增透、驱替及多相渗流物理模拟试验系统与试验方法，包括：用于煤岩试件制作和加载试验的模型反力及密封系统，用于施加轴向压力的应力加载系统，用于对试件进行增透及驱替处理的流体注入系统以及用于试件内部物理力学参数监测的数控系统。本发明能够模拟深部吸附瓦斯煤体爆破致裂，水力致裂等增透措施或注入CO₂，N₂等驱替措施，试件内部传感器可实时监测煤体应力，应变，温度及气体压力等物理力学参数，从而研究高地应力条件下瓦斯在煤岩体内部吸附与解吸、渗透与运移的规律与机理。

技术领域

本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，具体涉及一种用于研究在深部高地应力条件下吸附瓦斯煤体与气、汽、液等流体耦合作用的试验装置系统及试验方法。

背景技术

煤炭是中国的主要能源，占一次能源消费总量的70％以上。进入21世纪以来，我国煤炭资源禀赋的基本特征和对能源的旺盛需求推动了煤炭开采以每年10～25m的速度快速向深部转移，然而开采条件也随之不断恶化，突出表现在大采深条件下的高地应力、煤层高瓦斯压力和含量、地质构造条件复杂，以上各因素造成煤矿瓦斯灾害日益严重。但是，在煤炭开采过程中进行瓦斯抽采可以极大降低瓦斯灾害发生概率。瓦斯抽采可减少掘进及回采过程中的瓦斯异常涌出，避免瓦斯积聚，预防瓦斯超限，为矿井通风创造有利的条件。此外，抽采可以降低煤层中存储的瓦斯压力及含量，防治煤与瓦斯突出。抽出的瓦斯还可作为高效清洁能源使用，提高矿井经济效益。

就我国煤矿地质条件而言，煤层瓦斯赋存情况具有如下特点：煤层瓦斯含量高，平均达10～30m³/t，吸附态瓦斯占总量的90％；瓦斯压力较大，平均可达3～12MPa；煤层渗透率极低，小于0.001md。我国煤炭开采中瓦斯抽采率仅约为30％，小于国际上45％的平均抽采率。为了提高煤层瓦斯抽采率，使瓦斯资源得到充分有效的利用，需要了解并掌握瓦斯在煤岩层中的渗流规律，即分析高地应力与高压瓦斯赋存条件下瓦斯吸附与渗透流动变化，尤其针对在水力致裂，爆破致裂以及注入CO₂，N₂驱替介质条件下，瓦斯在煤岩体内部吸附与解吸、扩散与运移的规律与机理，从而提高煤层瓦斯扩散速率和抽采率。

物理模拟试验可以严格控制试验对象的主要参数，有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，具有试验条件可控、试验参数可调、试验过程可重复、试验数据易采集等优点，已成为国内外学者研究多场耦合作用的重要科学手段。因此，针对这一研究需求，迫切需要构建三维模拟试验台进行煤层瓦斯增透、驱替及多相渗流物理模拟试验。

目前，针对煤岩流固耦合物理模拟试验装置的研究已经取得一批成果，研究现状如下：

(1)申请号为201410848128.3的中国专利公开了一种二维固热气三场耦合物理相似模拟实验台，包括箱体和电阻丝、充气系统、应力采集系统、渗透速度测试系统，可在煤层开采时测定煤层上覆岩层应力与卸压瓦斯渗流速度。但本装置不能对煤层进行加压，且无法注入流体对煤层进行增透及驱替处理。

(2)申请号为201210515137.1的中国专利公开了一种煤层注水驱替瓦斯模拟实验系统，包含筒状的高压罐体，罐体内部设有注水管，注水管向外穿过高压罐体与高压微量输液泵相连；该系统可模拟不同条件下煤层注水驱替过程中的瓦斯压力变化规律，但需要提前预制模型，且无法在试件内部埋设传感器，无法注入气体驱替瓦斯。

(3)申请号为201520092381.0的中国专利公开了一种气固耦合物理相似模拟实验装置，包括三轴压力机与固定装置、加压油缸及进气装置，但本装置加载试件尺寸较小，无法对试件进行增透及驱替处理。