本發(fā)明屬于煤礦災(zāi)害防治技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采過(guò)程中瓦斯、火災(zāi)、粉塵和水等災(zāi)害日益嚴(yán)重，為了提高煤礦防災(zāi)效果，我國(guó)普遍采用煤層注水技術(shù)進(jìn)行煤礦綜合災(zāi)害(瓦斯、粉塵、沖擊地壓)的治理。目前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展煤層注水基礎(chǔ)理論研究的難度較大，需要實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬真實(shí)情況下煤層注水動(dòng)力過(guò)程，因原煤試樣制備過(guò)程復(fù)雜且不易成型，而型煤具有形狀可塑性高、顆粒均勻、性質(zhì)均化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，故目前實(shí)驗(yàn)所用煤樣多為型煤試樣，即使采用原煤試樣也多為瓦斯或水的單向滲流實(shí)驗(yàn)，采用原煤試樣模擬真實(shí)煤層注水動(dòng)力過(guò)程的徑向滲流實(shí)驗(yàn)鮮見(jiàn)報(bào)道。

眾所周知，煤為各向異性多孔介質(zhì)，內(nèi)部發(fā)育有原生節(jié)理、采動(dòng)裂隙等網(wǎng)絡(luò)滲流結(jié)構(gòu)，而型煤試樣不具備模擬這一結(jié)構(gòu)的功能，同時(shí)型煤試樣也無(wú)法真實(shí)反映原煤力學(xué)特性，無(wú)法得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的任務(wù)之一是提供一種原煤試樣的制作方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)中原煤制作不易成型等缺陷，本發(fā)明提供的原煤試樣，可以滿足后續(xù)注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，為煤層注水技術(shù)防治煤礦災(zāi)害提供科學(xué)指導(dǎo)。

其技術(shù)解決方案包括：

一種原煤試樣的制作方法，依次包括以下步驟：

a沿采煤工作面選取一定尺寸的立方體煤樣作為實(shí)驗(yàn)煤樣，將所述實(shí)驗(yàn)煤樣切割成一定尺寸的柱狀體試樣，并對(duì)其表面進(jìn)行打磨，在該柱狀體試樣中心處自上而下鉆取注水孔，在所述注水孔中安設(shè)注水花管，將所述注水花管的兩個(gè)端部密封；

b將安設(shè)有注水花管的柱狀體試樣放置在環(huán)狀滲氣缸內(nèi)，在環(huán)狀滲氣缸的底座澆筑水泥，在其內(nèi)壁與柱狀體試樣之間安設(shè)透氣管，所述透氣管通過(guò)穿透環(huán)狀滲氣缸缸壁的支撐桿固定，向所述環(huán)狀滲氣缸缸壁與所述柱狀體試樣形成的空隙內(nèi)澆筑水泥，直至覆蓋試樣頂面一定厚度為止，在所述柱狀體試樣頂部安設(shè)壓盤；

c待環(huán)狀滲氣缸內(nèi)的水泥凝固后，將所述支撐桿取出，即得原煤試樣。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述柱狀體試樣的尺寸為Φ300×h50mm，所述注水孔直徑為10mm。

本發(fā)明的另一任務(wù)是提供一種含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定方法，其中原煤試樣即為上述制備所得原煤試樣，通過(guò)含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)，可揭示含瓦斯原煤動(dòng)力水侵特征及煤-水-氣力學(xué)作用機(jī)制；并通過(guò)對(duì)原煤試件切片觀測(cè)并結(jié)合非線性分形幾何分析，可完善動(dòng)力水侵下含瓦斯原煤宏-細(xì)觀結(jié)構(gòu)中水的滲透性與分形結(jié)構(gòu)關(guān)系，并獲得外部宏觀參數(shù)(覆壓、瓦斯壓力)對(duì)滲透率分形模型的影響規(guī)律。

一種含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定方法，包括以下步驟：

步驟一、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)罐體、覆壓加載系統(tǒng)、高壓注水系統(tǒng)、抽真空-注氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述實(shí)驗(yàn)罐體包括罐本體，在所述罐本體的四周設(shè)置有進(jìn)氣口、進(jìn)水口、出氣口和壓力變送器接口，在所述罐本體內(nèi)設(shè)置有環(huán)狀滲氣缸，所述環(huán)狀滲氣缸緊密嵌置在罐本體內(nèi)壁，并與所述進(jìn)氣口相通，所述環(huán)狀滲氣缸內(nèi)放置如權(quán)利要求1或2制備得到的原煤試樣，在所述原煤試樣上方放置壓盤，所述壓盤上方安設(shè)T型活塞，所述T型活塞上方安設(shè)用于對(duì)所述罐本體密封的密封蓋體；所述覆壓加載系統(tǒng)與所述密封蓋體連接，所述高壓注水系統(tǒng)通過(guò)管道與所述進(jìn)水口連接，所述抽真空-注氣系統(tǒng)通過(guò)管道與所述進(jìn)氣口連接，所述壓力變送器接口連接在所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括集氣裝置，所述集氣裝置通過(guò)管道與所述進(jìn)氣口連接；

步驟二、通過(guò)抽真空-注氣系統(tǒng)向所述罐本體內(nèi)注入Ar，并開(kāi)啟數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性，待氣密性良好后關(guān)閉抽真空-注氣系統(tǒng)；

步驟三、啟動(dòng)覆壓加載系統(tǒng)，對(duì)環(huán)狀滲氣缸內(nèi)的原煤試樣進(jìn)行覆壓加載，通過(guò)面積比計(jì)算原煤試樣承載覆壓，對(duì)應(yīng)煤層原始覆壓；

步驟四、啟動(dòng)抽真空-注氣系統(tǒng)，先對(duì)罐本體進(jìn)行抽真空，然后再注入甲烷，并保持恒壓狀態(tài)，待原煤試樣平衡吸附8h后，關(guān)閉抽真空-注氣系統(tǒng)；

步驟五、開(kāi)啟高壓注水系統(tǒng)向罐本體內(nèi)注水，待完成含瓦斯煤體高壓水侵實(shí)驗(yàn)后，關(guān)閉高壓注水系統(tǒng)，此時(shí)開(kāi)啟抽真空-注氣系統(tǒng)向罐本體內(nèi)注入甲烷，并保持恒壓狀態(tài)，在該原煤試樣內(nèi)瓦斯與水競(jìng)爭(zhēng)吸附，平衡8h；

步驟六、開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甲烷經(jīng)所述原煤試樣徑向滲流至注水花管，滲流初期為氣、水共存狀態(tài)，待為全氣狀態(tài)，且氣體流量穩(wěn)定后，讀取測(cè)試結(jié)果，按照式(1)計(jì)算高壓水侵含瓦斯原煤試樣的滲透率：

式中：K為煤樣的滲透率，mD，μ為氣體粘度，p₀為實(shí)驗(yàn)室的大氣壓力，Pa；Q₀為氣體流量，ml/s；p_w、p_e分別為內(nèi)外邊界壓力，MPa；r_w、r_e分別為內(nèi)外邊界半徑，cm；h為原煤厚度，cm。

優(yōu)選的，所述覆壓加載系統(tǒng)包括電液伺服控制油壓泵，通過(guò)所述電液伺服控制油壓泵向T型活塞施加壓力，從而完成對(duì)原煤試樣的覆壓加載。

優(yōu)選的，與所述集氣裝置連接的管道上還設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器通過(guò)線路連接所述壓力變送器接口和質(zhì)量流量計(jì)。

優(yōu)選的，所述抽真空-注氣系統(tǒng)包括真空泵、減壓閥、甲烷鋼瓶和Ar鋼瓶，所述甲烷鋼瓶和Ar鋼瓶通過(guò)管道連接在所述注氣口上，所述真空泵和減壓閥安設(shè)在甲烷鋼瓶和注氣口之間的管道上。

本發(fā)明所帶來(lái)的有益技術(shù)效果：

首先，本發(fā)明制備得到的原煤試樣克服了現(xiàn)有技術(shù)中常用的型煤試樣無(wú)法完全模擬原煤力學(xué)特性、孔隙結(jié)構(gòu)的缺陷，在原煤試樣的制作方法中，本發(fā)明克服了其不易成型等技術(shù)缺陷，通過(guò)本發(fā)明方法制備得到的原煤試樣，其更滿足后續(xù)注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，本發(fā)明制備得到的原煤試樣可以真實(shí)反映原煤力學(xué)特性；

其次，在含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定方法中，采用了上述制備得到的原煤試樣，該測(cè)定方法可揭示含瓦斯原煤動(dòng)力水侵特征及煤-水-氣力學(xué)作用機(jī)制；并通過(guò)對(duì)原煤試件切片觀測(cè)并結(jié)合非線性分形幾何分析，可完善動(dòng)力水侵下含瓦斯原煤宏-細(xì)觀結(jié)構(gòu)中水的滲透性與分形結(jié)構(gòu)關(guān)系，并獲得外部宏觀參數(shù)(覆壓、瓦斯壓力)對(duì)滲透率分形模型的影響規(guī)律；同時(shí)，以有效應(yīng)力原理為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，可構(gòu)建動(dòng)力水侵下原煤瓦斯微觀吸附膨脹與宏觀滲流耦合動(dòng)力學(xué)模型，為煤層注水防治煤與瓦斯突出事故提供科學(xué)依據(jù)及理論指導(dǎo)；

最后，在含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)罐體、覆壓加載系統(tǒng)、高壓注水系統(tǒng)、抽真空-注氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相互配合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，方便操作。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B透率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；

圖2為圖1中實(shí)驗(yàn)罐體的A-A剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明原煤試樣制備過(guò)程示意圖；

其中，1-電液伺服控制油壓泵，2-實(shí)驗(yàn)罐體，3-質(zhì)量流量計(jì)，4-高壓注水泵，5-集氣裝置，6-水池，7-電腦，8-數(shù)據(jù)采集器，9-真空泵，10-減壓閥，11-甲烷鋼瓶，12-螺母，13-連接法蘭，14-T型活塞，15-O型密封圈，16-進(jìn)氣口，17-壓力變送器，18-罐本體，19-壓盤，20-注水花管，21-環(huán)狀滲氣缸，22-進(jìn)水/出氣口，23-柱狀體試樣，24-硅膠，25-水泥，26-透氣管，27-水泥，28-原煤試樣，29-支撐桿，30-進(jìn)氣管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。

如圖3所示，本發(fā)明原煤試樣的制作方法，具體包括以下步驟：

A、現(xiàn)場(chǎng)沿采煤工作面選擇層理清晰、完整性較好的區(qū)域進(jìn)行刻槽取樣，尺寸為400×400×400mm的立方體，密封送實(shí)驗(yàn)室，選取我國(guó)典型礦區(qū)的高、低硬度和高、低孔隙率4類煤樣作為實(shí)驗(yàn)煤樣；

B、切割機(jī)制備成Φ300×h50mm的柱狀體試樣23，圓柱面沿層理與垂直層理方向分制成兩類試樣，對(duì)其表面進(jìn)行打磨，圓柱中心鉆取Φ10mm注水孔，安設(shè)注水花管20，注水花管20兩端與柱狀體試樣23通過(guò)硅膠24密封，注水花管20下端采用O型密封圈15連接在罐本體18的底盤，并進(jìn)行密封連接；

C、將柱狀體試樣23安設(shè)于環(huán)狀滲氣缸21內(nèi)，在環(huán)狀滲氣缸21底座澆筑水泥25，在環(huán)狀滲氣缸21缸壁與試樣之間安設(shè)透氣管26，透氣管26通過(guò)穿透環(huán)狀滲氣缸缸壁小孔的支撐桿29固定，向環(huán)狀滲氣缸缸壁與試樣之間的空間澆筑水泥27，直至覆蓋柱狀體試樣頂面一定厚度，隨后在該柱狀體試樣的頂部安設(shè)壓盤19，并通過(guò)O型密封圈15與環(huán)狀滲氣缸21密封；

D、水泥凝固48小時(shí)后，將環(huán)狀滲氣缸21缸壁小孔中的支撐桿29取出，即為成型的原煤試樣28，將其真空干燥后再進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

將上述制備得到的原煤試樣用于含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)中，具體的該實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合圖1和圖2所示，包括實(shí)驗(yàn)罐體2、覆壓加載系統(tǒng)、高壓注水系統(tǒng)、抽真空-注氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；具體的，實(shí)驗(yàn)罐體2包括罐本體18，在罐本體18的四周設(shè)置有進(jìn)氣口16、進(jìn)水口22、出氣口22和壓力變送器17接口，進(jìn)氣口16處連接進(jìn)氣管30，在罐本體18內(nèi)設(shè)置有環(huán)狀滲氣缸21，環(huán)狀滲氣缸21緊密嵌置在罐本體18內(nèi)壁，并與進(jìn)氣口16相通，在環(huán)狀滲氣缸內(nèi)放置制備得到的原煤試樣28，在原煤試樣上方放置壓盤19，壓盤上方安設(shè)T型活塞14，T型活塞14上方安設(shè)用于對(duì)罐本體密封的密封蓋體，如連接法蘭13，通過(guò)連接法蘭13配合螺母12對(duì)罐本體進(jìn)行密封，原煤試樣28中的注水花管20通過(guò)內(nèi)部管路與進(jìn)水/出氣口22相連通。

覆壓加載系統(tǒng)，包括電液伺服控制油壓泵1，其用于向罐本體內(nèi)T型活塞14施加壓力，具體的加載方法為：?jiǎn)?dòng)電液伺服油壓泵1，向T型活塞14與密封蓋之間空間注入液壓油，對(duì)原煤試樣28進(jìn)行覆壓加載。

高壓注水系統(tǒng)包括高壓注水泵4、水池6，主要滿足高壓注水實(shí)驗(yàn)要求，具體的它通過(guò)管道與進(jìn)水口22連接，向罐本體內(nèi)提供高壓水源。

抽真空-注氣系統(tǒng)包括真空泵9、減壓閥10、甲烷鋼瓶11和Ar鋼瓶，甲烷鋼瓶11和Ar鋼瓶與進(jìn)氣口連接，當(dāng)需要通入甲烷時(shí)，切斷Ar鋼瓶與進(jìn)氣口之間的連接，當(dāng)需要通入Ar時(shí)，切斷甲烷鋼瓶與進(jìn)氣口之間的連接，真空泵9通過(guò)相應(yīng)管路與實(shí)驗(yàn)罐體2相連通，并通過(guò)減壓閥10與甲烷鋼瓶11相連通。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電腦7和數(shù)據(jù)采集器8，數(shù)據(jù)采集器8分別與質(zhì)量流量計(jì)3、壓力變送器17相連接，同時(shí)與一數(shù)據(jù)處理中心相連接。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)壓力及流量等相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及采集，自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)采集精確。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括集氣裝置5和質(zhì)量流量計(jì)3，集氣裝置通過(guò)管道與進(jìn)氣口連接，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)3監(jiān)測(cè)進(jìn)氣量，并傳送至與它連接的數(shù)據(jù)采集器8。

為了便于控制，在抽真空-注氣系統(tǒng)、高壓注水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的管道上可設(shè)置閥門。

上述用于含瓦斯原煤高壓注水及徑向瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)方法中，可以對(duì)原煤試樣的滲透率進(jìn)行測(cè)定，具體的測(cè)定方法為：

步驟一、按照上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將原煤試樣28安設(shè)于罐本體中，并安設(shè)T型活塞14，并連接密封蓋體；開(kāi)啟Ar鋼瓶，向罐本體內(nèi)注入Ar，采用穩(wěn)壓法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣密性；

步驟二、啟動(dòng)電液伺服油壓泵1，向T型活塞14與密封蓋體之間空間注入液壓油，對(duì)原煤試樣28進(jìn)行覆壓加載，通過(guò)面積比計(jì)算原煤試樣承載覆壓，對(duì)應(yīng)煤層原始覆壓；

步驟三、啟動(dòng)真空泵9，進(jìn)行抽真空，然后開(kāi)啟甲烷鋼瓶11及減壓閥10向高壓罐體2注氣，并保持恒壓狀態(tài)，煤體平衡吸附8h；隨后關(guān)閉抽真空-注氣系統(tǒng)的閥門；

步驟四、開(kāi)啟高壓注水泵4，進(jìn)行升壓(壓力值高于高壓罐體內(nèi)氣體壓力)，開(kāi)啟注水系統(tǒng)閥門，進(jìn)行預(yù)設(shè)條件(恒壓或恒流)注水，并采集注水過(guò)程注水口及罐體壁處壓力數(shù)據(jù)，為觀測(cè)水在煤體宏-細(xì)觀結(jié)構(gòu)中的運(yùn)移規(guī)律，水內(nèi)混合顏料；

步驟五、完成含瓦斯煤體高壓水侵實(shí)驗(yàn)后，關(guān)閉高壓注水系統(tǒng)閥門，開(kāi)啟甲烷鋼瓶11及減壓閥10向罐本體2內(nèi)注氣，并保持恒壓狀態(tài)，煤體內(nèi)瓦斯與水競(jìng)爭(zhēng)吸附，平衡8h；

步驟六、開(kāi)啟數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高壓甲烷經(jīng)原煤試樣28徑向滲流至注水花管20，滲流初期為氣、水共存狀態(tài)，待為全氣狀態(tài)，且氣體流量穩(wěn)定后，讀取測(cè)試結(jié)果，經(jīng)下式計(jì)算高壓水侵含瓦斯原煤滲透率：

式中：K為煤樣的滲透率，mD，μ為氣體粘度，p₀為實(shí)驗(yàn)室的大氣壓力，Pa；Q₀為氣體流量，ml/s；p_w、p_e分別為內(nèi)外邊界壓力，MPa；r_w、r_e分別為內(nèi)外邊界半徑，cm；h為原煤厚度，cm。

為構(gòu)建高壓水侵原煤微觀吸附膨脹變形與宏觀滲流耦合模型，考慮煤對(duì)惰性氣體(Ar)的低吸附能力，基于上述實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計(jì)：Ar在干燥原煤、干燥含瓦斯原煤(吸附不同壓力甲烷)、高壓水侵原煤(不同水侵壓力、無(wú)甲烷)、高壓水侵含瓦斯原煤(不同水侵壓力、瓦斯壓力)和甲烷在高壓水侵含瓦斯原煤(不同水侵壓力、瓦斯壓力)等5類條件下的徑向穩(wěn)態(tài)滲流實(shí)驗(yàn)；獲得實(shí)驗(yàn)中KAr-PAr、KAr-P甲烷、KAr-P水、KAr-P甲烷與水、K甲烷-P甲烷與水特征曲線。

需要說(shuō)明的是，在本說(shuō)明書(shū)的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式，或明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。