[发明专利]一种标定煤层瓦斯含量测定误差的实验系统及实验方法

权利要求书

1.一种标定煤层瓦斯含量测定误差实验系统的实验方法，所述实验系统为：氦气源(1)通过减压阀Ⅰ(2)连接到三通接头Ⅰ(5)的第一进口，瓦斯气源(3)通过减压阀Ⅱ(4)连接到三通接头Ⅰ(5)的第二进口，三通接头Ⅰ(5)的出口连接三通接头Ⅱ(6)的进口，三通接头Ⅱ(6)的第一出口通过针阀Ⅰ(7)连接真空泵(8)，三通接头Ⅱ(6)的第二出口通过针阀Ⅱ(9)连接参比罐(10)的进口，参比罐(10)的出口通过针阀Ⅲ(12)连接三通接头Ⅲ(14)的进口，三通接头Ⅲ(14)的第一出口通过针阀Ⅳ(16)连接气体解吸仪(18)，三通接头Ⅲ(14)的第二出口连接一体化吸附解吸破碎罐(15)；参比罐(10)的顶部连接有压力传感器(11)，压力传感器(11)的数据通过数据线传输至数据采集仪(13)；参比罐(10)、针阀Ⅲ(12)、压力传感器(11)、三通接头Ⅲ(14)、一体化吸附解吸破碎罐(15)均安设在可调温式恒温箱(17)中；

其特征在于，该实验系统的实验方法包括以下步骤：

①将煤样粉碎后筛分选取所需粒径，置于真空干燥箱中，在60-80℃抽真空干燥24-48h；

②关闭针阀Ⅰ(7)、针阀Ⅳ(16)、减压阀Ⅱ(4)，打开减压阀Ⅰ(2)、针阀Ⅱ(9)、针阀Ⅲ(12)，向系统内充入氦气，数据采集仪(13)采集压力传感器(11)的压力数据，压力在6h后保持不变，系统气密性良好；

③将干燥后的煤样称重并装入一体化吸附解吸破碎罐(15)，设置可调温式恒温箱(17)温度，使参比罐(10)和一体化吸附解吸破碎罐(15)的温度稳定；

④关闭减压阀Ⅰ(2)，打开针阀Ⅰ(7)，启动真空泵(8)，在恒温条件下对一体化吸附解吸破碎罐(15)内的煤样进行真空脱气大于等于12h，采集一组压力和温度，记为一体化吸附解吸破碎罐初始压力p₃、一体化吸附解吸破碎罐初始温度T₃；

⑤关闭针阀Ⅰ(7)、针阀Ⅲ(12)，打开减压阀Ⅰ(2)、针阀Ⅱ(9)，向参比罐(10)充入氦气，然后关闭减压阀Ⅰ(2)、针阀Ⅱ(9)，待压力稳定后采集一组参比罐(10)压力、温度，记为参比罐初始压力p₂、参比罐初始温度T₂，随后打开参比罐(10)和一体化吸附解吸破碎罐(15)之间的针阀Ⅲ(12)，待压力平衡后采集一组压力、温度，记为平衡后压力p₁、平衡后温度T₁，计算出煤样的体积V_s和一体化吸附解吸破碎罐(15)内的自由空间体积V_f；

⑥重复步骤⑤，一体化吸附解吸破碎罐(15)内自由空间体积重复测定至少3次，其中两次测量结果之间的差值小于等于0.1ml；

⑦重复步骤④，对系统内的氦气进行真空脱气，采集一组压力、温度，记为真空脱气后一体化吸附解吸破碎罐的初始压力p′₃、真空脱气后一体化吸附解吸破碎罐的初始温度T′₃；

⑧关闭针阀Ⅰ(7)、针阀Ⅲ(12)、减压阀Ⅰ(2)、针阀Ⅳ(16)，打开减压阀Ⅱ(4)、针阀Ⅱ(9)，向参比罐(10)充入瓦斯气体，然后关闭减压阀Ⅱ(4)、针阀Ⅱ(9)，待压力稳定后采集一组参比罐(10)内的压力、温度，记为参比罐内瓦斯气体初始压力p′₂、参比罐内瓦斯气体初始温度T′₂，随后打开参比罐(10)和一体化吸附解吸破碎罐(15)之间的针阀Ⅲ(12)，待瓦斯吸附平衡后采集一组压力、温度，记为瓦斯吸附平衡后压力p′₁、瓦斯吸附平衡后温度T₁′，分别计算出煤样内的吸附瓦斯量Q_吸附量和游离瓦斯量Q_游离量；

⑨关闭参比罐(10)和一体化吸附解吸破碎罐(15)之间的针阀Ⅲ(12)，打开针阀Ⅳ(16)，使用气体解吸仪(18)测定煤样的瓦斯解吸量，解吸过程持续时间为1-2h，得到解吸曲线后，减去煤样内的游离瓦斯量Q_游离量，即得到不包含游离瓦斯的解吸量Q₂和吸附瓦斯的解吸曲线；

⑩启动一体化吸附解吸破碎罐(15)的气动破碎马达，粉碎其中的煤样，继续使用气体解吸仪(18)计量残余瓦斯解吸量Q₃，随后利用不可解吸瓦斯量的计算公式计算出煤样粉碎后的不可解吸瓦斯量Q_{不可解吸量}；

得到煤样吸附瓦斯的解吸曲线后，通过舍弃不同时长的初始解吸数据来模拟钻孔取样过程中煤样不同的暴露时间及其瓦斯损失量Q_{实验损失量}，然后基于舍弃后剩余的瓦斯解吸数据和曲线使用损失量反演模型计算瓦斯损失量Q′₁；

得到实验系统直接测定的瓦斯含量Q_实验含量值后，标定钻孔瓦斯损失量反演模型的计算误差ε_损失量以及标定煤层瓦斯含量测定误差ε_含量；

步骤⑤中所述的计算煤样的体积V_s，计算公式如下：

式中：V₁——系统总体积；

V₂——参比罐体积；

V₃——一体化吸附解吸破碎罐体积；

Z₁——平衡条件下气体的压缩因子；

Z₂——参比罐初始气体的压缩因子；

Z₃——一体化吸附解吸破碎罐初始气体的压缩因子；

步骤⑤中所述的计算一体化吸附解吸破碎罐内自由空间体积V_f，计算公式如下：

V_f＝V₃-V_s (2)；

步骤⑧中所述的计算煤样吸附瓦斯量Q_吸附量，计算公式如下：

式中：G——煤样质量；

R——摩尔气体常数，

步骤⑧中所述的计算煤样游离瓦斯量Q_游离量，计算公式如下：

步骤⑩中所述的计算煤样粉碎后的不可解吸瓦斯量Q_{不可解吸量}，计算公式如下：

式中：a——煤样Langmuir吸附常数；

b——煤样Langmuir吸附常数；

A_d——煤样的灰分；

M_ad——煤样的水分；

π——煤样的孔隙率；

γ——煤样的容重；

步骤中所述的标定钻孔瓦斯损失量反演模型的计算误差ε_损失量，计算公式如下：

步骤中所述的标定煤层瓦斯含量测定误差ε_含量，计算公式如下：