高低温高压吸附解吸试验装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于瓦斯吸附解吸试验装置技术领域，尤其涉及一种高低温高压吸附解吸试验装置与方法。
【背景技术】
[0002]煤层气产生于成煤过程中，主要以吸附状态储存于煤层中。随着煤层开采深度的加大，含瓦斯煤层的微孔隙、低渗透、高吸附的赋存特征越来越显现出来。在煤与瓦斯共采过程中，瓦斯难以抽采所导致的煤矿安全事故及能源浪费问题困扰着煤矿的生产。因此模拟深部煤层储存环境，进行吸附解吸实验，探寻煤层吸附瓦斯机理，对深部煤层瓦斯灾害防治和煤层气的勘探与开发有重要的理论意义。
[0003]煤层的瓦斯含量是矿井生产和科研的重要基础资料，其取值的准确性对于瓦斯涌出量预测、瓦斯地质评价、煤矿瓦斯综合治理以及综合利用具有重要意义。但在瓦斯含量测定过程中，钻孔取样使煤样温度升高，煤芯瓦斯放散速度加快，造成瓦斯含量测定值偏低。目前，冷冻取样法成为瓦斯含量准确测定的一个新的技术途径，因此，低温环境下煤的瓦斯吸附解吸特性的研究就尤为重要。同时，甲烷的临界温度-82.6°C，临界压力4.5MPa。在临界点附近，甲烷有很强的可压缩性，适当增加压力可使它的密度接近一般液体，此时甲烷的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等性质发生剧烈的变化。因此研究甲烷在该环境条件下的相态变化及吸附解吸特性，对瓦斯的高效抽采及利用具有重要的现实意义。
[0004]目前，已公开的专利文献“煤的高压等温吸附实验装置”(CN202502025U)、“变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置”(CN203705293U)、“一种瓦斯吸附解吸试验装置”(CN103033442A)等，都采用的是水浴加热方式，不能进行低于室温环境的实验；“一种高温高压吸附解吸装置及其使用方法”(CN104062204A)采用硅油为介质的恒温油槽加热方式，实验环境恶劣，操作复杂，同样不能进行低温下的吸附解吸实验。并且上述装置自动化程度较低，可承受的压力范围小，气密性不足，能同时进行的实验样品量少，实验效率低。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种试验操作简便、试验精度高、试验数据精确，能够自动采集数据并且试验效率高的高低温高压吸附解吸试验装置。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:高低温高压吸附解吸试验装置，包括充气系统、脱气系统、吸附系统、解吸系统、温度控制系统和数据采集系统；
充气系统包括甲烷充气单元和氦气充气单元，甲烷充气单元包括高压甲烷气瓶、甲烷储气罐和第一五通阀，高压甲烷气瓶和甲烷储气罐之间通过高压管连通，高压甲烷气瓶和甲烷储气罐之间的高压管上沿甲烷气体流通方向依次串联设有第一气体减压阀和高压气体增压栗，第一五通阀包括第一阀体，第一阀体上设有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口和第五接口，阀体上设有与第一至第五接口相对应的五个接口开关，甲烷储气罐通过高压管与第四接口连接;氦气充气单元包括高压氦气瓶和第二气体减压阀，高压氦气瓶通过高压管与第二接口连接，第二气体减压阀设置在高压氦气瓶与第二接口之间的高压管上；
脱气系统包括真空栗、真空容器、真空计和第二五通阀，第二五通阀包括第二阀体，第二阀体上设有第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口，第二阀体上设有与第六至第十接口相对应的五个接口开关，真空栗通过高压管与真空容器连接，真空计设在真空容器上，真空容器通过高压管与第三接口连接，第一五通阀的第一接口与第二五通阀的第八接口通过高压管连接，第一五通阀的第五接口与第二五通阀的第九接口通过高压管连接；
温度控制系统包括高温单元和低温单元，高温单元包括高温恒温箱和设在高温恒温箱上的第一控制面板，第一控制面板上设有第一温控仪、第一电源开关、加热开关、指示灯开关和由加热开关控制的加热器;低温单元包括低温恒温箱和设在低温恒温箱上的第二控制面板，第二控制面板上设有第二温控仪、第二电源开关、制冷开关和由制冷开关控制的制冷单元；
吸附系统包括高温吸附单元和低温吸附单元，高温吸附单元包括设置在高温恒温箱内的第一气体缓冲罐和若干煤样罐，第一气体缓冲罐和每个煤样罐分别通过连接管并联设置在第一接口与第八接口之间的高压管上，第一接口与第八接口之间的高压管上沿气体流通方向依次串联设有第一气动阀和第一压力传感器，第一气体缓冲罐上设有第一温度传感器和第二压力传感器，第一气体缓冲罐上连接的连接管上设有第二气动阀，每个煤样罐上分别设有第二温度传感器和第三压力传感器，每个煤样罐上连接的连接管上分别设有第三气动阀；
低温吸附单元包括设置在低温恒温箱内的第二气体缓冲罐和若干煤样罐，第二气体缓冲罐和每个煤样罐分别通过连接管并联设置在第五接口和第九接口之间的高压管上，第五接口与第九接口之间的高压管上沿气体流通方向依次串联设有第四气动阀和第四压力传感器，第二气体缓冲罐上设有第三温度传感器和第五压力传感器，第二气体缓冲罐上连接的连接管上设有第五气动阀，每个煤样罐上分别设有第四温度传感器和第六压力传感器，每个煤样罐上连接的连接管上分别设有第六气动阀；
解吸系统包括气排水计量装置、电子天平和若干并联在一起的解吸气体流量计，各解吸气体流量计的量程互不相同，每个解吸气体流量计分别通过高压管与第七接口连接，每个解吸气体流量计与第七接口之间的高压管上分别设有第七气动阀；
气排水计量装置包括储水容器、排水管和集水容器，储水容器上端通过高压管与第六接口连接，储水容器与第六接口之间的高压管上设有第八气动阀，排水管一端与储水容器底部连通，排水管另一端与集水容器顶部连通，集水容器放置在电子天平上，第十接口上连接有排空管，排空管上设有第九气动阀；
数据采集系统包括计算机和控制单元，控制单元包括第三控制面板，第三控制面板上设有压力巡检仪、温度巡检仪、流量计显示器、用于控制第二电源开关的低温恒温箱开关、用于控制第一电源开关的高温恒温箱开关，以及用于控制压力巡检仪和温度巡检仪的第三电源开关，计算机控制连接第一气体减压阀、第二气体减压阀、第一五通阀、第二五通阀及第一至第九气动阀。
[0007]高温吸附单元内所述煤样罐为五个，分别为第一煤样罐、第二煤样罐、第三煤样罐、第四煤样罐和第五煤样罐，低温吸附单元内所述煤样罐为五个，分别为第六煤样罐、第七煤样罐、第八煤样罐、第九煤样罐和第十煤样罐。
[0008]解吸系统内所述解吸气体流量计为三个，分别为第一解吸气体流量计、第二解吸气体流量计和第三解吸气体流量计，第一解吸气体流量计的量程为0-2000ml/min，第二解吸气体流量计的量程为0-500ml/min，第三解吸气体流量计的量程为0-100ml/min;所述流量计显示器为三个，分别为与第一解吸气体流量计、第二解吸气体流量计、第三解吸气体流量计相对应的第一解吸气体流量计、第二解吸气体流量计、第三解吸气体流量计。
[0009]本发明的目的还在于提供一种高低温高压吸附解吸试验装置的试验方法，分别模拟高温条件和低温条件不同压力下的吸附解吸试验，并实现试验数据实时精确自动采集，为研究煤体瓦斯吸附解吸规律，提供更加可靠的数据基础，对瓦斯的高效抽采及利用具有重要的现实意义。
[0010]为实现上述发明目的，本发明的高低温高压吸附解吸试验装置的试验方法依次包括以下步骤:
(I)在井下采掘工作面上钻取块状新鲜煤样，进行严密封装后送至地面实验室，将新鲜煤样粉碎、筛分成不同的粒度，分别选取相应粒度的煤样进行真密度和视密度的测定；
(2)检查试验装置确保试验装置连接可靠，打开第二气体减压阀、第一接口、第二接口、第五接口、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀和第六气动阀，将氦气充入第一气体缓冲罐、第二气体缓冲罐及第一至第十煤样罐，检查试验装置的气密性确保试验装置气密性良好，然后关闭所有气体减压阀、气动阀及接口；打开第一接口、第三接口和第五接口，打开第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀和第六气动阀，启动真空栗对高温吸附单元和低温吸附单元进行脱气处理，直到真空计压力显示20Pa以下三个小时以上，然后关闭真空栗和所有气体减压阀、气动阀及接口，将电子天平放置在排空管处，将集水容器放置在电子天平上并注入水，将排空管的出口端伸入到集水容器水面以下，记录下电子天平的示数gl，打开第八接口和第十接口，打开第九气动阀，集水容器内的水流入并填充第一气动阀与第八接口之间的高压管，记录下电子天平的示数&，&与0的差值所对应的水的体积即为第一气动阀与第八接口之间的高压管的体积，依次打开第二气动阀和第一至第五煤样罐上的第三气动阀，每次打开相应气动阀后待电子天平的示数稳定后，记录此时电子天平的示数并关闭该气动阀，分别测得流入水的质量，得出第一气体缓冲罐和第一至第五煤样罐的体积，关闭所有接口及气动阀，然后打开第九接口和第十接口，打开第九气动阀，集水容器内的水流入并填充第四气动阀与第九接口之间的高压管，记录下电子天平的示数，计算出第四气动阀与第九接口之间的高压管的体积，然后依次打开第五气动阀和第六至第十煤样罐上的第六气动阀，每次打开相应气动阀后待电子天平的示数稳定后，记录此时电子天平的示数并关闭该气动阀，分别测得流入水的质量，得出第二气体缓冲罐和第六至第十煤样罐的体积；
(3)在第一至第十煤样罐内装填煤样，通过第一温控仪控制加热器设定高温恒温箱内的试验温度，通过第二温控仪控制制冷单元设定低温恒温箱内的试验温度，高温恒温箱温度设置范围为20°C至80°C，低温恒温箱温度设置范围为-100°C至20°C，打开第一五通阀上的第一接口、第三接口和第五接口，打开第一至第六气动阀，关闭其余接口和气动阀，启动真空栗对高温吸附单元和低温吸附单元进行脱气处理，直到真空计压力显示20Pa以下并保持三个小时以上，然后关闭真空栗和所有气动阀及接口，打开第一接口和第二接口，打开第一气动阀，开启高压氦气瓶，高压氦气经第二气体减压阀减压处理后进入高温吸附单元的高压管内，待