真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置的制作方法

1.本发明属于瓦斯实验装置技术领域，尤其涉及一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置。


背景技术：

2.煤层中瓦斯气体的吸附解吸渗流特性受瓦斯压力、地应力、地下水、地温、煤体结构、受力状态等诸多因素的影响，尤其是随着我国煤矿日益进入深部开采，这种多因素耦合关系表现得更加明显。为了更准确掌握受载含瓦斯煤水气吸附解吸渗流规律，因此提出真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置来研究上述的规律。
3.目前国内外针对真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验系统的研究较少，缺少真三轴受载含瓦斯煤水气吸附解吸渗流影响的基础理论和实验研究，仅有的一些研究成果只是对伪三轴受载含瓦斯煤吸附解吸渗流等方面开展的研究工作，且大都将围压简化为一个方向，这与煤矿现场实际情况差别较大，获得的数据误差大。
4.因此亟需设计一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置来解决上述的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，包括：
7.供气系统，所述供气系统用于供给实验所需的蒸汽和瓦斯；
8.混合系统，所述混合系统包括与所述供气系统连通的混合罐，所述混合罐的出口依次连通有真空泵和参考罐；
9.实验系统，所述实验系统包括与所述混合罐出口连通的压力室，所述压力室用于装夹试样并对所述试样进行实验；所述压力室的出口连通有检测组件；所述压力室的内壁设置有用于随所述试样施压的围压组件；
10.恒温系统，所述恒温系统包括分别设置在所述混合罐、所述参考罐和所述压力室内的恒温组件，所述恒温组件包括恒温体，所述恒温体内设置有加热丝。
11.优选的，所述恒温体由高导热材料制作，所述加热丝嵌设在所述恒温体内，所述恒温体分别固接在所述混合罐、所述参考罐和所述压力室内壁。
12.优选的，所述恒温体的外壁固接有支架，所述支架的外壁固接有隔热层，所述隔热层分别固接在所述混合罐、所述参考罐和所述压力室内壁。
13.优选的，所述围压组件包括固接在所述压力室内腔底端的支撑臂，所述试样摆放在所述支撑臂顶端；所述试样的顶端抵接有上压臂，所述上压臂的顶端伸出所述压力室并与所述压力室侧壁滑动连接；所述试样的侧壁分别抵接有侧压臂，所述侧压臂远离所述试
样的一端伸出所述压力室并与所述压力室滑动连接。
14.优选的，所述支撑臂与所述试样之间抵接有下多孔板，所述上压臂与所述试样之间抵接有上多孔板；所述支撑臂内嵌设固接有出气口，所述出气口一端与所述下多孔板连通，所述出气口的另一端伸出所述压力室并与所述检测组件连通；所述上压臂内嵌设固接有进气口，所述进气口的一端与所述上多孔板连通，所述进气口的另一端在所述压力室外伸出所述上压臂，所述进气口与所述混合罐的出口之间连通有供气管。
15.优选的，所述真空泵和所述参考罐分别与位于所述混合罐和所述进气口之间的供气管连通；所述真空泵靠近所述混合罐设置。
16.优选的，所述检测组件包括第一压力计、第二压力计、第一气体质量流量计、第二气体质量流量计以及温度传感器；所述第一压力计和所述第一气体质量流量计与所述进气口连通，所述第二压力计和所述第二气体质量流量计与所述出气口连通，所述温度传感器嵌设安装在所述试样内。
17.优选的，所述供气系统包括高压瓦斯罐和水蒸气发生器，所述水蒸气发生器通过第一减压阀与所述混合罐一进口连通，所述高压瓦斯罐通过第二减压阀与所述混合罐的另一进口连通。
18.优选的，所述混合罐的底端倾斜设置，所述混合罐的底端开设有导水口，所述导水口位于所述混合罐底端的最低点。
19.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：使用时，通过供气系统供给瓦斯气和水蒸气，然后在混合罐内进行混合，混合后的气体进入实验系统的压力室内，对压力室内的试样进行吸附；吸附平衡后通过检测组件检测从试样中渗流出的气体的流量，进而进行两项渗流实验；恒温系统的恒温体内设置有加热丝，分别环绕设置在压力室、参考罐和混合罐的内壁，相较于常规的水浴加热，响应速度快，热量损失少，加热的均匀性更好，同时解决了水浴加热中液体对实验过程的影响，提高了数据的精度。
20.本技术可以兼顾加载围压时的多个方向，克服了液态水与瓦斯气体难以直接混合的不足，同时提高了三轴压力室中的受热不均的问题，加热更为方便快捷。
附图说明
21.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
22.图1为本发明系统示意图；
23.图2为本发明混合罐结构示意图；
24.图3为本发明参考罐结构示意图；
25.图4为本发明压力室结构示意图；
26.图中：1、供气系统；2、混合系统；3、实验系统；4、恒温系统；5、试样；11、高压瓦斯罐；12、水蒸气发生器；13、第一减压阀；14、第二减压阀；15、第一阀门；16、第二阀门；21、供气管；22、真空泵；23、参考罐；24、第三阀门；25、第四阀门；26、第五阀门；27、第六阀门；28、混合罐；29、导水口；31、压力室；32、支撑臂；33、上压臂；34、侧压臂；35、下多孔板；36、上多孔板；37、出气口；38、进气口；311、第一压力计；312、第二压力计；313、第一气体质量流量计；314、第二气体质量流量计；315、温度传感器；316、第七阀门；317、第八阀门；318、开关
阀；319、第三减压阀；320、第三压力计；321、第四压力计；41、恒温体；42、加热丝；43、支架；44、隔热层。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参照图1-4所示，本实施例提供一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，包括：
30.供气系统1，供气系统1用于供给实验所需的蒸汽和瓦斯；
31.混合系统2，混合系统2包括与供气系统1连通的混合罐28，混合罐28的出口依次连通有真空泵22和参考罐23；
32.实验系统3，实验系统3包括与混合罐28出口连通的压力室31，压力室31用于装夹试样5并对试样5进行实验；压力室31的出口连通有检测组件；压力室31的内壁设置有用于随试样5施压的围压组件；
33.恒温系统4，恒温系统4包括分别设置在混合罐28参考罐23和压力室31内的恒温组件，恒温组件包括恒温体41，恒温体41内设置有加热丝42。
34.使用时，通过供气系统1供给瓦斯气和水蒸气，然后在混合罐28内进行混合，混合后的气体进入实验系统3的压力室31内，对压力室31内的试样5进行吸附；吸附平衡后通过检测组件检测从试样5中渗流出的气体的流量，进而进行两项渗流实验；恒温系统4的恒温体41内设置有加热丝42，分别环绕设置在压力室31、参考罐23和混合罐28的内壁，相较于常规的水浴加热，响应速度快，热量损失少，加热的均匀性更好，同时解决了水浴加热中液体对实验过程的影响，提高了数据的精度。
35.进一步优化方案，恒温体41由高导热材料制作，加热丝42嵌设在恒温体41内，恒温体41分别固接在混合罐28、参考罐23和压力室31内壁。恒温体41由高导热材料制作，使得加热丝42的温度高效的传递到外界，对需要调节温度的位置进行加热；高导热材料可选用铜等金属以及石墨等非金属材质，同时需要避免与瓦斯和水反应，此处不再赘述。
36.进一步优化方案，恒温体41的外壁固接有支架43，支架43的外壁固接有隔热层44，隔热层44分别固接在混合罐28、参考罐23和压力室31内壁。隔热层44固接在容器的内壁，减少内部热量的散失，减少混合罐28、参考罐23和压力室31的热量损失，同时减少对外界的影响；支架43用于将恒温体41固定在容器内，防偏斜移动，提高稳定性；同时支架43还可调节恒温体41的布置方式，提高加热的均匀性。
37.进一步优化方案，围压组件包括固接在压力室31内腔底端的支撑臂32，试样5摆放在支撑臂32顶端；试样5的顶端抵接有上压臂33，上压臂33的顶端伸出压力室31并与压力室31侧壁滑动连接；试样55的侧壁分别抵接有侧压臂34，侧压臂34远离试样55的一端伸出压力室31并与压力室31滑动连接。围压组件用于对试样5提供需要的围压，支撑臂32和上压臂
33对应设置，上压臂33下压，支撑臂32固定，为试样5提供纵向的围压，侧压臂34分布在正方体的试样5的四个侧边，实现对平方向的围压施力，灵活多变，可真实的模拟地层下的压力变化。
38.进一步优化方案，支撑臂32与试样5之间抵接有下多孔板35，上压臂33与试样5之间抵接有上多孔板36；支撑臂32内嵌设固接有出气口37，出气口37一端与下多孔板35连通，出气口37的另一端伸出压力室31并与检测组件连通；上压臂33内嵌设固接有进气口38，进气口38的一端与上多孔板36连通，进气口38的另一端在压力室31外伸出上压臂33，进气口38与混合罐28的出口之间连通有供气管21。上多孔板36和下多孔板35的主要目的是增加进气和出气的面积，同时使进气和出气均与试样5关联；进气口38通过供气管21与混合罐28连通，混合后的混合气体进去进气口38，再通过上多孔板36均布后进入试样5，吸附渗流后进入下多孔板35，在进入出气口37排出；两个多孔板扩大了试样5的进出气面积，使渗流更均匀。
39.进一步优化方案，真空泵22和参考罐23分别与位于混合罐28和进气口38之间的供气管21连通；真空泵22靠近混合罐28设置。真空泵22用于在实验前对供气管21和压力室31抽真空，模拟地下的真空环境，同时减少内部的其余空气对实验的影响，进一步提高实验的数据准确性。
40.进一步的，参考罐23的作用是为了实验过程中算出吸附量。参考罐23的出口安装有第四压力计321，用于参考罐23出口的压力，第四压力计321与第七阀门316之间依次安装有开关阀318、第三减压阀319和第三压力计320，由混合罐28混的气体经过第三减压阀319减压后计入试样5内，第三压力计320和第四压力计321是为了确定减压前后的混合气体。
41.进一步优化方案，检测组件包括第一压力计311、第二压力计312、第一气体质量流量计313、第二气体质量流量计314以及温度传感器315；第一压力计311和第一气体质量流量计313与进气口38连通，第二压力计312和第二气体质量流量计314与出气口37连通，温度传感器315嵌设安装在试样5内。第一压力计311和第一气体质量流量计313用于测量进入试样5的混合气的组分和压力，第二压力计312和第二气体质量流量计314测量出气口37的出气压力和出气组分；温度计嵌设在试样5内，用于测量试样5内的温度，温度传感器315优选杆状传感器。
42.进一步优化方案，供气系统1包括高压瓦斯罐11和水蒸气发生器12，水蒸气通过第一减压阀13与混合罐28一进口连通，高压瓦斯罐11通过第二减压阀14与混合罐28的另一进口连通。高压瓦斯罐11用于提供瓦斯气体，通过第二减压阀14减压后进入混合罐28，水蒸气发生器12用于提供高压水蒸气，在第一减压阀13减压后进入混合罐28，瓦斯和水蒸气在混合罐28内进行加热和混合；混合罐28上设置有用于测量温度的温度计和用于测量压力的压力表。
43.进一步的，参考罐23上也设置有用于测量温度的温度计和用于测量压力的压力表。
44.进一步的，瓦斯的供给压力由第二减压阀14控制，流量由第一阀门15控制；高压蒸汽的供给压力由第一减压阀13控制，流量由第二阀门16控制；第一减压阀13和第二减压阀14配套设置有压力表用于测量出气压力。
45.进一步优化方案，混合罐28的底端倾斜设置，混合罐28的底端开设有导水口29，导
水口29位于混合罐28底端的最低点。混合罐28内的水蒸气和瓦斯混合时，会有部分的水蒸气液化，从导水口29排出，防止液态水积聚吸热，影响加热的速度。
46.进一步的第三阀门24控制混合罐28的出气量，第四阀门25控制真空泵22的进气速度，第五阀门26控制真空泵22和参考罐23之前的供气管21的流量，第六阀门27控制参考罐23的速度；第七阀门316控制进气口38的进气量，第八阀门317控制出气口37的出气速度。
47.实验步骤：
48.(一)使用该装置进行实验时，检查整个系统管路的密封性；
49.(二)在保证系统连接正确、气密性完好的前提下，取一初始试样5，将初始试样5放入恒温压力室31中，将混合罐28、压力室31和参考罐23升温至预定值；
50.(三)通过围压组件对试样5施加预定的x、y、z轴压力及轴向压力，然后利用真空泵22对整体实验装置进行真空脱气；
51.(四)通过水蒸气发生器12和高压瓦斯罐11向混合装置内充入水蒸气和瓦斯气体，等待混合罐28中气体压力稳定，再次对试样5施加预定的x、y、z轴压力及轴向压力，然后向试样5中充入水蒸气和瓦斯混合气体，进行试样5吸附；
52.(五)待试样5吸附平衡后，从试样5内部出来的水蒸气及瓦斯通过水汽计量装置和气体流量计进行两相渗流实验。
53.本发明将真压力室31与水气两相吸附解吸渗流结合一起，并将真压力室31进行改装，将需水浴加热保持恒温改为混合罐28、真压力室31和参考罐23内加热保持恒温，更方便做实验。
54.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
55.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于，包括：供气系统(1)，所述供气系统(1)用于供给实验所需的蒸汽和瓦斯；混合系统(2)，所述混合系统(2)包括与所述供气系统(1)连通的混合罐(28)，所述混合罐(28)的出口依次连通有真空泵(22)和参考罐(23)；实验系统(3)，所述实验系统(3)包括与所述混合罐(28)出口连通的压力室(31)，所述压力室(31)用于装夹试样(5)并对所述试样(5)进行实验；所述压力室(31)的出口连通有检测组件；所述压力室(31)的内壁设置有用于随所述试样(5)施压的围压组件；恒温系统(4)，所述恒温系统(4)包括分别设置在所述混合罐(28)、所述参考罐(23)和所述压力室(31)内的恒温组件，所述恒温组件包括恒温体(41)，所述恒温体(41)内设置有加热丝(42)。2.根据权利要求1所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述恒温体(41)由高导热材料制作，所述加热丝(42)嵌设在所述恒温体(41)内，所述恒温体(41)分别固接在所述混合罐(28)、所述参考罐(23)和所述压力室(31)内壁。3.根据权利要求2所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述恒温体(41)的外壁固接有支架(43)，所述支架(43)的外壁固接有隔热层(44)，所述隔热层(44)分别固接在所述混合罐(28)、所述参考罐(23)和所述压力室(31)内壁。4.根据权利要求1所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述围压组件包括固接在所述压力室(31)内腔底端的支撑臂(32)，所述试样(5)摆放在所述支撑臂(32)顶端；所述试样(5)的顶端抵接有上压臂(33)，所述上压臂(33)的顶端伸出所述压力室(31)并与所述压力室(31)侧壁滑动连接；所述试样(5)的侧壁分别抵接有侧压臂(34)，所述侧压臂(34)远离所述试样(5)的一端伸出所述压力室(31)并与所述压力室(31)滑动连接。5.根据权利要求4所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述支撑臂(32)与所述试样(5)之间抵接有下多孔板(35)，所述上压臂(33)与所述试样(5)之间抵接有上多孔板(36)；所述支撑臂(32)内嵌设固接有出气口(37)，所述出气口(37)一端与所述下多孔板(35)连通，所述出气口(37)的另一端伸出所述压力室(31)并与所述检测组件连通；所述上压臂(33)内嵌设固接有进气口(38)，所述进气口(38)的一端与所述上多孔板(36)连通，所述进气口(38)的另一端在所述压力室(31)外伸出所述上压臂(33)，所述进气口(38)与所述混合罐(28)的出口之间连通有供气管(21)。6.根据权利要求5所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述真空泵(22)和所述参考罐(23)分别与位于所述混合罐(28)和所述进气口(38)之间的供气管(21)连通；所述真空泵(22)靠近所述混合罐(28)设置。7.根据权利要求5所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述检测组件包括第一压力计(311)、第二压力计(312)、第一气体质量流量计(313)、第二气体质量流量计(314)以及温度传感器(315)；所述第一压力计(311)和所述第一气体质量流量计(313)与所述进气口(38)连通，所述第二压力计(312)和所述第二气体质量流量计(314)与所述出气口(37)连通，所述温度传感器(315)嵌设安装在所述试样(5)内。8.根据权利要求1所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述供气系统(1)包括高压瓦斯罐(11)和水蒸气发生器(12)，所述水蒸气发生器
(12)通过第一减压阀(13)与所述混合罐(28)一进口连通，所述高压瓦斯罐(11)通过第二减压阀(14)与所述混合罐(28)的另一进口连通。9.根据权利要求2所述的真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，其特征在于：所述混合罐(28)的底端倾斜设置，所述混合罐(28)的底端开设有导水口(29)，所述导水口(29)位于所述混合罐(28)底端的最低点。

技术总结
本发明公开一种真三轴受载含瓦斯煤水气两相吸附解吸渗流实验装置，包括供气系统，供气系统用于供给实验所需的蒸汽和瓦斯；混合系统包括与供气系统连通的混合罐，混合罐的出口依次连通有真空泵和参考罐；实验系统包括与混合罐出口连通的压力室，压力室用于装夹试样并对试样进行实验；压力室的出口连通有检测组件；压力室的内壁设置有用于随试样施压的围压组件；恒温系统包括分别设置在混合罐、参考罐和压力室内的恒温组件，恒温组件包括恒温体，恒温体内设置有加热丝。本申请可以兼顾加载围压时的多个方向，克服了液态水与瓦斯气体难以直接混合的不足，同时提高了三轴压力室中的受热不均的问题，加热更为方便快捷。加热更为方便快捷。加热更为方便快捷。


技术研发人员：张义平 吴莲花 彭新潮 兰红 李波波 衡献伟 刘开心
受保护的技术使用者：贵州一和科技有限公司 贵州一和矿业有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/24