多煤層聯合開采過程中煤層氣抽采試驗方法技術

本發明專利技術公開了一種多煤層聯合開采過程中煤層氣抽采試驗方法，包括步驟如下：1、前期準備；2、瓦斯吸附；3、瓦斯抽采；4、結束一次試驗；5、改變模擬采深或模型工作面推進速度其中的之一試驗參數，而保持其他試驗參數不變，重復以上步驟2-4。本發明專利技術可在實驗室內模擬現場工況的煤層氣抽采，再現實際工況中煤層參數的變化情況，從而研究應力場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析煤層瓦斯流動與煤巖體裂隙耦合的時空演化及分布規律。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種模擬多場耦合作用機制下煤層氣開采過程的試驗系統及方法。
技術介紹
煤層氣是一種潛在的潔凈的能源。在當前能源緊張的局勢下，加快煤層氣的開發利用，對改善我國能源結構，對能源的充分利用和減少環境污染等具有重要的現實意義。從礦產資源的角度講，煤層氣是以甲烷為主要成份(含量>85%)的、在煤化作用過程中形成的、儲集在煤層氣及其臨近巖層之中的、可以利用開發技術將其從煤層中采出并加以利用的非常規天然氣。我國煤層氣資源豐富，據煤層氣資源評價，我國埋深2000米以淺煤層氣地質資源量約36.81萬億立方米，居世界第三位，主要分布在華北和西北地區。其中，華北地區、西北地區、南方地區和東北地區賦存的煤層氣地質資源量分別占全國煤層氣地質資源總量的 56.3%,28.1%、14.3%、1.3%。最常見的煤層氣開發方式主要有兩種，即:井下煤層氣抽采和地面鉆井開采。井下抽采煤層氣是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔，在地面通過煤層氣泵來抽取煤層中的煤層氣。這種開發方式的煤層氣產量較小，甲烷濃度不高(20% 50%)，而且容易受到煤礦采掘生產的影響，所以它多以煤礦安全生產為目的，煤層氣的利用率較低。從20世紀50年代開始，我國就將煤層氣抽采作為治理煤礦瓦斯災害的重要措施在高瓦斯和突出礦井推廣。半個世紀以來，我國實施煤層氣抽采的礦井數量和瓦斯抽入量逐年穩步上升。然而，我國煤層的主要特點是煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險嚴重、煤層群開采、地質構造復雜，我國的煤層賦存條件決定了我國的煤層氣抽采應以卸壓抽采為主。地面鉆井開采煤層氣是從地面鉆井進入未開采煤層，通過排水降壓解吸出煤層中的煤層氣，再通過井筒流動到地面。這種開米方式的產氣量大、產氣時間長，甲燒含量高(大于90%),所以可以支撐大規模的商業化利用，但為了保證煤層氣的可采性，并且獲得一定的經濟效益，這種開發方式對煤層氣資源量、煤層地質構造、含氣量、滲透率、地理環境等都有較高的要求。目前，我國總體煤層氣抽放效果不佳，具體表現為煤層氣抽放率低。導致我國煤礦煤層氣抽放率低的原因有2個方面:一方面是客觀原因，我國95%以上的高煤層氣和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數只有0.004 0.04m2/ (MPa2.d)，煤層氣抽放(特別是預抽)難度非常大；另一方面是主觀原因，主要表現為抽放時間短、鉆孔工程量不足、封孔質量差、抽放系統不匹配和管理不到位。因此研究如何對煤層氣進行有效的抽采具有極其重要的工程意義。另一方面，根據礦壓理論，煤層開采后其頂板巖層發生冒落移動，當上覆巖層下沉穩定后，上覆巖層采動裂隙區劃可分為“豎三帶”和“橫三區”，即采動區沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；沿工作面推進方向在工作面風巷和機巷區域分為煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。隨著工作面不斷向前推進，沿工作推進方向上的“橫三區”隨之交替向前移動。在煤層氣抽采的過程中，瓦斯在煤巖層中的運移將受到“豎三帶”和“橫三區”中新產生的裂隙區域分布的影響，而合理的利用“豎三帶”和“橫三區”中新產生的裂隙對提高抽采效率有著重要的影響。目前還沒有在實驗室進行煤層氣抽采模擬的試驗裝置或者方法，實驗室所能模擬的狀態大都是在假三軸條件下煤層滲透率隨著應力、瓦斯壓力、溫度變化而變化的關系，并在此基礎上提出各種提高煤層滲透性的方法。雖然這些滲流模擬試驗在一定程度上說明了各種影響因素對煤層煤層氣流動的影響作用，但鑒于抽采工作及其制度的復雜性，這些模擬狀態與現場實際情況相差較遠，并不能說明實際條件下的煤層氣抽采受到各因素的作用。因此本領域技術人員致力于開發一種能夠在實驗室物理模擬煤層氣抽采的試驗裝置及方法。
技術實現思路
有鑒于現有技術上述缺陷，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種能夠在實驗室物理模擬煤層氣抽采的試驗裝置及方法。為實現上述目的，本專利技術提供了一種多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統，包括試件箱；所述試件箱上部設置有至少一個Z向壓桿和Z向壓板；所述試件箱的右箱板上設置有至少一個Y向壓桿和Y向壓板；所述試件箱的后箱板上設置有至少一個X向壓桿和X向壓板；所述Z向壓板、Y向壓板和X向壓板均位于所述試件箱內；所述試件箱的前箱板設置有階梯狀的突出口 ；所述突出口內通過螺栓固定連接有突出套；所述突出套與所述前箱板的階梯面之間設置有第一密封圈；所述試件箱的底部設置有透氣鋼板和氣道；所述透氣鋼板覆蓋在所述氣道上；所述氣道的進口設置有內接插頭；所述試件箱的左箱板外部間隔固定連接有第一墊板；所述左箱板在各第一墊板的間隔之間設置有接口 ；所述接口中設置有傳感器接頭；所述突出套的內孔為前大后小的階梯孔，該階梯孔內設置有形狀與階梯孔對應的外管固定座；所述突出套的階梯面與所述外管固定座之間設置有第二密封圈；所述外管固定座的內孔中螺紋連接有外管；所述外管延伸至所述試件箱內；所述突出套的前端面通過螺栓連接有固定法蘭；所述外管固定座與所述固定法蘭之間設置有第三密封圈；所述固定法蘭的前端設置有法蘭凸臺；所述法蘭凸臺的外圓設置有螺紋；所述外管的后端封閉，前端開口 ；所述外管上設置有位置與各所述Z向壓桿對應的抽采外區；所述抽采外區上設置有若干抽采外孔；所述外管和固定法蘭中設置有內管；所述內管包括第一接管和第三接管，以及可選的一根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺紋連接，且連接螺紋具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的結合端面處均設置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外徑小于所述外管的內徑；所述第一接管對應所述法蘭凸臺處設置有限位凸緣；所述第一接管在所述限位凸緣的前端外圓設置有螺紋；所述第一接管的前端內孔中配合有第一接頭；所述限位凸緣和法蘭凸臺的外螺紋上配合有螺母；所述第一接管和第二接管沿軸向設置有通孔；所述第三接管沿軸向設置有前端開口后端封閉的盲孔；所述第三接管設置有抽采內區；所述抽采內區的前后端兩端分別設置有第一抽采凸緣和第二抽采凸緣；所述第二抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設置有第四密封圈；所述抽采外區上設置有與所述第二抽采凸緣對應的第一密封區；所述抽采內區的外徑小于所述外管的直徑；所述抽采內區沿周向和軸向均布有多個抽采內孔；所述Z向壓桿的中心線可位于與所述第一抽采凸緣和第二抽采凸緣相對端面等距的虛擬面上。為便于測量計算某一 Z向壓桿對抽采的影響，所述第一抽采凸緣與所述外管配合，并與所述外管之間設置有第五密封圈；所述抽采外區上設置有與所述第一抽采凸緣對應的第二密封區。較佳的，所述抽采外孔的孔徑大于所述抽采內孔的孔徑；所述抽采外孔的分布密度大于所述抽采內孔的分布密度；所述抽采外區內、第一密封區和第二密封區外，各所述抽采外孔之間的第一軸向孔心距不小于5mm ;各所述抽采內孔之間的第二軸向孔心距為所述第一軸向孔心距的兩倍。較佳的，所述外管的抽采外區在圓周方向上均布有18個所述抽采外孔；所述第三接管的抽采內區在圓周方向上均布有4個所述抽采內孔；所述抽采外孔的孔徑不大于1.5mm ;所述抽采內孔的孔徑不小于2mm ;所述第一軸向孔心距為5mm ;所述第二軸向孔心距為 10mnin較佳的，所述第一接頭與所述內管的前端面之間設置有組合墊圈。為便于操作，所述突出套的內孔孔徑大于所述外管固定本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多煤層聯合開采過程中煤層氣抽采試驗方法，其特征是：包括步驟如下：1、前期準備1a）測試所用煤樣的含水性，然后根據煤樣質量添加一定的水制成預定含水率；將試件制成多煤層試件，并在下煤層鋪設多個油壓包，油壓包連接至箱體左板的數據采集孔；1b）蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；在試件箱中部與各Y向壓桿正對處設置第二接頭，各第二接頭內側與膠管接頭連接，膠管接頭與側向接管連接，側向接管上密布有多個側向抽采孔；1c）在各第二接頭的外端連接第三瓦斯流量計；將試件箱與瓦斯氣源連接；將各油壓包連接至其外接控制管路；2、瓦斯吸附關閉各閥門以密封箱體，啟動數據采集系統，然后啟動三向應力加載系統，對試件箱的各壓桿施加預定的應力水平，以模擬采深；打開真空泵對煤層抽真空，以使試件箱內的壓力達到1×102Pa；一個小時后打開瓦斯氣瓶進行充氣，充氣壓力為1.2MPa，充氣時間為48小時；3、瓦斯抽采同時打開4個第三瓦斯流量計，檢測煤層內部瓦斯壓力和應力變化及各個抽采點的瓦斯流量變化，待流量穩定后，以1.44h或0.72h或0.48h或0.36h為間隔由前至后逐個排空各油壓包，直至所有油壓包排空為止，以模擬實際工 況中煤層開采速度；在這一過程中不間斷監測上煤層和下煤層內的瓦斯壓力、煤層應力和各抽采點流量的變化；這一過程中，瓦斯源壓力一直穩定于與模擬采深相對應的壓力；4、結束一次試驗關閉瓦斯系統，停止三向加載；繼續打開瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱體內煤層氣解吸完全，停止數據采集系統，結束實驗；5、改變模擬采深或模型工作面推進速度其中的之一試驗參數，而保持其他試驗參數不變，重復以上步驟2?4。...

【技術特征摘要】
1.一種多煤層聯合開采過程中煤層氣抽采試驗方法，其特征是:包括步驟如下: 1、前期準備 Ia)測試所用煤樣的含水性，然后根據煤樣質量添加一定的水制成預定含水率；將試件制成多煤層試件，并在下煤層鋪設多個油壓包，油壓包連接至箱體左板的數據采集孔； Ib)蓋板安裝密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；在試件箱中部與各Y向壓桿正對處設置第二接頭，各第二接頭內側與膠管接頭連接，膠管接頭與側向接管連接，側向接管上密布有多個側向抽米孔； Ic)在各第二接頭的外端連接第三瓦斯流量計；將試件箱與瓦斯氣源連接；將各油壓包連接至其外接控制管路； 2、瓦斯吸附 關閉各閥門以密封箱體，啟動數據采集系統，然后啟動三向應力加載系統，對試件箱的各壓桿施加預定的應力水平，以模擬采深；打開真空泵對煤層抽真空，以使試件箱內的壓力達到IXlO2Pa ;—個小時后打開瓦斯氣瓶進行充氣，充氣壓力...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尹光志，許江，劉東，王維忠，彭守建，梁永慶，李波波，蔣長寶，程立朝，葉桂兵，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：