[发明专利]深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统及实验方法

权利要求书

1.深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统，包括煤岩夹持器，煤岩夹持器具有进气口和出气口，煤岩夹持器的进气口连接有进气总管，出气口连接有排气管，排气管上设有第六阀门，其特征在于：

进气口处的进气总管连接有抽真空管路，抽真空管路连接有真空泵，抽真空管路上设有第五阀门；进气总管的末端设有三通器，三通器上设有进气电子压力表； 以气流方向为下游方向，三通器下游方向的进气总管上与三通器相邻设有第一阀门；抽真空管路与进气口之间的进气总管连接有入口电子压力表；抽真空管路上游方向的进气总管上与抽真空管路相邻设有第四阀门；出气口处的排气管上设有出口电子压力表；

三通器的第一接口连接进气总管，三通器的第二接口连接二氧化碳支管，三通器的第三接口连接甲烷支管和氮气支管；

甲烷支管连接有甲烷气瓶，氮气支管连接有氮气气瓶，二氧化碳支管连接有二氧化碳气瓶；

甲烷支管上设有第一减压阀，氮气支管上设有第二减压阀、二氧化碳支管上设有第三减压阀；

进气口处的进气总管处设有进气流速传感器，出气口出的排气管上设有出气流速传感器；

进气总管连接有氦气管路，氦气管路连接有氦气瓶，氦气管路上设有氦气减压阀；氦气管路在进气总管上位于抽真空管路的下游方向并位于入口电子压力表和进气流速传感器的上游方向；

排气管的末段连接有排气气体流量计，排气气体流量计连接有气相色谱仪；煤岩夹持器连接有真三轴加载系统，真三轴加载系统包括用于在前后方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第一液压加载系统、用于在左右方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第二液压加载系统，以及用于在上下方向上对煤岩夹持器中的煤样产生围压的第三液压加载系统，真三轴加载系统还包括有温度调节机构；煤岩夹持器上设有用于产生超声波振动的超声波振动器；第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统分别对应设有应力传感器，各应力传感器均位于煤岩夹持器中；

应力传感器、进气流速传感器、出气流速传感器、排气气体流量计、气相色谱仪、超声波振动器、进气电子压力表、入口电子压力表、出口电子压力表、第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统均与电控装置相连接，电控装置具有显示屏。

2.根据权利要求1所述的深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统，其特征在于：第一阀门和第四阀门之间的进气总管连接有混合管路和参考管路，混合管路连接有气体混合罐，参考管路连接有参考缸；混合管路上设有第二阀门，参考管路上设有第三阀门，参考管路与进气总管相通处设有参考缸电子压力表，参考缸电子压力表与电控装置相连接。

3.使用权利要求1或2中所述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统进行的实验方法，其特征在于按以下步骤进行：

第一步骤是准备深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；

第二步骤是放入煤样；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是向煤岩夹持器中通入氦气；

第五步骤是记录未加载时煤样渗透率的值k_s；

第六步骤是向煤岩夹持器通入甲烷、氮气和二氧化碳混合气体；

第七步骤是控温并加载围压；

第八步骤是计算超声波速度V；

第九步骤是计算温度、压力、超声波三场耦合下的煤样渗透率；

第十步骤是关闭深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于：

所述第一步骤具体是：通过管路和/或线路连接各设备，形成所述深部真三轴各向异性煤岩瓦斯渗流耦合试验系统；所有阀门的初始状态均为关闭状态；检查管路有无破损，如有破损则更换管路或者修补管路；在进行第一步骤的同时，通过核磁共振仪测定煤样表征得到煤样的孔隙率β；

所述第二步骤具体是：打开煤岩夹持器，放入煤样后再关闭煤岩夹持器；

所述第三步骤具体是：打开第五阀门、第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门，打开真空泵对系统进行抽真空，直到进气电子压力表、入口电子压力表和出口电子压力表检测到的压力均低于或等于1千帕；

所述第四步骤具体是：关闭第四阀门，打开氦气减压阀，使氦气通过进气总管进入煤岩夹持器内；

所述第五步骤具体是：关闭氦气减压阀，打开第四阀门；操作真三轴加载系统，在室温下，打开第六阀门，通过显示屏持续观测记录进气流速传感器和出气流速传感器的示数，进气流速和出气流速均稳定不变后，计算1秒钟内进气流量和出气流量的差值，并将该差值作为煤样的初始渗透率k_s；然后关闭第六阀门；

所述第六步骤具体是：打开第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀，使甲烷气瓶、氮气气瓶和二氧化碳气瓶中的气体进入煤岩夹持器；调节第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀的开启度从而模拟实验指定的瓦斯成份；保持5－10分钟后进入第五步骤；第六步骤中，煤样进入吸附解析状态；

所述第七步骤具体是：首先通过真三轴加载系统设定煤岩夹持器的内部温度T，设定第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统的压力值，使一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统按设定压力对煤岩夹持器进行注水加压；

第一液压加载系统施加的实际压力值与其设定压力相同，并为最大主应力σ₁；

第二液压加载系统施加的压力值与其设定压力相同，并为中间主应力σ₂；

第三液压加载系统施加的压力值与其设定压力相同，并为最小主应力σ₃；

记录煤岩夹持器的设定温度T以及σ₁、σ₂和σ₃；第七步骤中，煤样继续保持吸附解析状态；

煤岩夹持器内部的温度和压力达到设定范围后进入第八步骤；

所述第八步骤具体是：打开超声波振动器，根据实验设计设置超声波频率，

入口电子压力表的示数为p₁、出口电子压力表的示数为p₂；记录压力值稳定后的p₁和p₂；

按公式一计算超声波速度V；公式一是： V=ω（Kσ/ρ）^0.5； 公式一中，V是超声波速度，ω为煤的弹性模量与声速的比例系数，值为0.13，K是空气的绝热系数，值为1.4；ρ为煤的密度，值为1.4克/立方厘米；σ＝（σ₁+σ₂+σ₃）/3－（p₁－p₂）/2； 第七步骤中，煤样继续保持吸附解析状态；

所述第九步骤具体是：在煤样保持吸附解析状态24±1小时后，根据公式二计算温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；

公式二是：k（σ，T，V）＝k_s×（1+T）^m×e^－ασ×（1+βV）；

公式二中，k（σ，T，V）是温度、压力和超声波三场耦合下的煤样渗透率；k_s是第五步骤中得到的煤样渗透率；T是第六步骤中设定的煤岩夹持器的内部温度T；m是煤样温度影响指数，值为0.4；α为最大主应力和最小主应力的比值，α＝σ_1/σ₃；σ的值在第七步骤中计算得到；β是第一步骤中得到的煤样的孔隙率；V是第七步骤中计算得到的超声波速度；

第十步骤具体是：关闭所有阀门，关闭真三轴加载系统，对煤岩夹持器的压力进行卸载，卸载后打开第六阀门，记录排气气体流量计显示的气体流量；气体最终经过排气气体流量计排入大气。