[发明专利]注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法

权利要求书

1.注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：包括煤样罐（1）、注气罐（2）、气源（3）、数据采集装置（4）、第一真空泵（5）、第二真空泵（6）和组分分析装置（8）；

所述起源（3）与所述注气罐（2）相连，所述注气罐（2）与所述煤样罐（2）相连；

所述数据采集装置（4）包括数据采集仪（401）、第一压力传感元件（402）和第二压力传感元件（403），用于获得所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内气体压力变化；

所述第一真空泵（5）与所述煤样罐（1）相连，所述第二真空泵（6）与所述注气罐（2）相连；

所述组分分析装置（8）用于分析从所述煤样罐（1）内采集的气样的气体组分。

2.根据权利要求1所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：还包括恒温控制装置（7），用于控制所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内温度。

3.根据权利要求1或2所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：所述起源（3）包括氦气瓶（301）、二氧化碳瓶（302）、氮气瓶（303）和瓦斯瓶（304）。

4.注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，其特征在于：采用权利要求3所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置进行测定，步骤包括：

（a）在煤样罐（1）内装入煤样，将煤样罐（1）与注气罐（2）连接，将所述注气罐（2）与气源（3）中的氦气瓶（301）连接，打开所述氦气瓶（301），向所述煤样罐（1）内通入氦气，通过与所述煤样罐（1）相连的数据采集装置（4）的第一压力传感元件（402）和数据采集仪（401）获得所述煤样罐（1）内气体压力变化，测定所述煤样罐（1）内自由空间体积；

（b）利用第一真空泵（5）将所述煤样罐（1）抽成真空，打开所述气源（3）中的瓦斯瓶（304），通过所述注气罐（2）向所述煤样罐（1）注入瓦斯，通过连续采集所述煤样罐（1）内气体压力下降过程和最终的平衡压力，获得瓦斯气体扩散规律和吸附平衡后的煤体瓦斯含量；

（c）待所述煤样罐（1）内瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤样罐（1）注入瓦斯，将所述注气罐（2）抽成真空，打开二氧化碳瓶（302）或氮气瓶（303），向所述注气罐（2）内注入二氧化碳或氮气，并使达到预定压力；

（d）将所述注气罐（2）与所述煤样罐（1）连通，模拟注气驱替的气体双向扩散过程，通过所述第一压力传感元件（402）记录所述煤样罐（1）内气体压力变化，通过第二压力传感元件（403）记录所述注气罐（2）内气体压力变化，通过采样装置按一定规律采集所述煤样罐（1）内的气样并记录采集时间，采气频率为先高后低，利用组分分析装置（8）分析采集气样的气体组分，分析游离气体的压力与组分变化规律，及其扩散平衡后的最终状态；

（e）待所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内气体压力与气体组分稳定后，确认双向扩散过程达到平衡；

（f）通过第一真空泵（5）和第二真空泵（6）将所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）抽成真空，变换注气种类、注气压力或实验煤样，重复步骤（a）-（e）；

（g）经过步骤（a）-（f），测定不同注气种类、注气压力或实验煤样条件下所述煤样罐（1）自由空间内注入气体与瓦斯的压力与组分变化，采用下式计算获得所述煤样罐（1）自由空间内各组分的含量变化规律：

，

，

其中，为游离体积中瓦斯气体质量，为游离体积中注入气体质量；为瓦斯气体分子量；为注入气体分子量；为所述煤样罐（1）与注气罐（2）中的自由空间的总体积；为t时刻游离气体的压力；为气体常数；为所述煤样罐（1）内绝对温度；为混合气体的压缩因子；为测定的自由空间中瓦斯气体组分；

（h）进一步根据下式获得t时刻，煤样中的瓦斯气体 和注入气体的吸附总量：

，

，

其中，为所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内瓦斯气体的总质量为所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内注入气体的总质量；

再根据下式得到在t时刻与(t-1)时刻间，瓦斯气体与注入气体从自由空间向煤体中的扩散量和：

，

，

进而根据下式得到在吸附段i达到彻底吸附平衡后，瓦斯和注入气体的吸附总量和：

，

；

（i）最后得到在每个压力的注气驱替吸附段，瓦斯的解吸-扩散量与注入气体的扩散-吸附量分别为：

，

，

其中，为实验采用的颗粒煤体的平均半径，为瓦斯气体的扩散系数，为注入气体的扩散系数。

5.根据权利要求4所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，其特征在于：通过微量取气装置从所述煤样罐（1）取气，然后传给所述组分分析装置（8）分析采集气样的气体组分。