1. 瓦斯实验系统

本文中提出的瓦斯实验系统主要包括加压系统、稳压系统、温度控制系统、加热系统、气体传输系统、以及测量系统等共同组成。煤炭样品的周围压力和轴压供给来源为手动试压泵基于三轴吸附解吸装置提供，在加压后利用稳压器进行压力稳定；利用气体压力调节阀对孔隙的压力进行有效调节，通过压力表对孔隙压力、轴压与围压等参数进行确定，精度设计为0.2级；将加热棒安装在三轴吸附解吸装置上，通过介质加热方法对样煤温度进行调节，利用基于热电偶测温的智能温度控制器进行温度控制；利用量筒和排水法对解吸气体的具体量值进行测量读取。

2. 非磁性三轴渗透仪概述

三轴渗透仪主要包括缸体、密封圈、压头以及螺母等零部件组成，其主要特点是在缸体下端的盖子中间部分设置螺纹孔，在左侧设置孔为并且安装加载密封阀，右端设置排气孔螺纹与之进行封堵连接。将中间带有孔洞的下压头安装在下端盖子中间位置的凹槽位置，下端盖螺纹孔与下压头孔相对应，并在缸体上端盖连接活塞，在活塞杆顶端安装可加载密封阀，在活塞凹槽位置内安装中间有空的上压头，并在上下压头的斜面上安装O形密封圈与密封套，随后使用螺母装置与三角压环进行固定^[1]。最后，在上端盖左侧螺纹处连接可加载围压密封阀。

3. 实验设备与样品采集

本次试验使用的样品煤炭开采自辽宁省阜新市某煤矿场。对开采的样品煤炭进行筛选分析，选择水平层的样品煤并对其切割加工，使用切割机将其加工成5cm*5cm*10cm的标准规格，在称量重量后将其放置到真空环境的干燥箱中，随后进行加热。控制加热温度为105℃左右，恒温加热时间控制在8h，进行冷却。样品煤温度冷却到与室温相近时取出使用。

本次试验使用的气体为甲烷气体，其纯度达到99.99%，真实状态与理想状态气体高度近似。为保证实验过程中的人员安全，对实验室环境进行通风处理，同时使用风扇装置对解吸出的甲烷气体进行浓度稀释处理。

4. 实验流程分析

本次瓦斯实验的具体流程如下：

（1）对实验样品煤进行加工处理，将其切割加工成5cm*5cm*10cm的标准规格，并使用专用胶带将实验样品煤的侧面进行密封处理。

（2）对实验样品煤进行称重，记录数据后将其放置到真空干燥箱中，进行加热处理，箱内温度加热到105℃左右时保持恒温状态，恒温加热时间控制在8h。冷却，当温度冷却至与室温相近时将实验样品煤取出，再次称重并记录数据。将实验样品煤放到三轴瓦斯渗透仪中，拧紧仪器两端的盖子，使用真空泵装置对其进行脱气处理，整个脱气过程控制在24h。

（3）对实验样品煤进行轴压施加，直至达到预定值时停止，随后施加孔隙压力与围压，在此过程中对装置系统的气密性进行检查，对气体渗透率进行测定。打开高压气瓶中的瓦斯进气阀，同时对瓦斯的预定压力值进行设定，将浓度值为99.99%瓦斯气体注入其中^[2]。使用排水阀对气体进行测量，使用管线将出气口位置的瓦斯气体连接到量筒中，量筒的量程为1800ml，等待瓦斯气体排除速度维持在恒定状态时，对一段时间内瓦斯排出的体积量值进行记录。

（4）同时打开瓦斯气体的出气阀与进气阀，对不同温度、不同孔隙压力、不同轴压与围压环境下的煤层气体渗透率进行观测记录。

（5）将出气阀关闭，将吸附时间设置为24h，同时控制瓦斯气体压力不变。

（6）吸附时间达到24h后，将瓦斯气体进气阀关停，随后打开瓦斯气体出气阀，利用排水阀对解析状态进行观测记录，记录数据包括解吸时间、解吸气体对应的体积等。

（7）对实验温度进行调节时，首先接通电源，将智能温度控制系统开启，依据标准对温度值进行设定，随后温度进行自动调节变动。在某一具体温度环境中进行解吸实验时，需要将温度稳定控制在标准值一段时间后方可进行实验，稳定时间最小值为30min。

（8）数据处理：根据煤样解吸单解吸记录表计算解析量换算成标准状态下体积，用Eexcel把全部测量数据制成表格，绘制成散点趋势线图，根据线形图进行更加清晰明确的分析。

（9）报告编制：测定结果详细填写记录表中，并将实验过程中发生各种情况写在备注中。汇总表所有测定结果一并填入煤层瓦斯含量测定报告中。

（10）报告审核：实验室接取煤样应及时进行测试，测试报告完成后首先对报告进行自审，再拿给科内技术人员审查，最后交防突科科长审核无误交到矿上技术负责人审核。

5. 实验分析

通过对不同环境温度条件下的煤层瓦斯渗透与解吸规律进行具体实验后，能够得出以下结论：当环境温度、轴压与围压参数相同时，煤样的渗透率会随着孔隙压力变化而发生变化，且两者之间具有正向关联关系；煤样的解吸量会随着孔隙压力增加而增加。当环境温度、孔隙压力参数相同时，煤样轴压与围压参数的增加会导致甲烷的渗透率发生下降变化，即彼此之间具有负向关联关系；煤样轴压与围压参数的增加会导致甲烷的解吸量出现减少变化^[3]。当孔隙压力、轴压与围压参数相同时，环境温度的升高会导致甲烷渗透率下降，而甲烷的解吸量会发生增加变化，且会随着孔隙压力的增加而越发显著。

结论：固体受热膨胀以及气体受热膨胀现象是影响煤层瓦斯气体解吸的关键原因，固体受热膨胀现象会导致煤层中的空隙裂缝受到挤压，气体传输路径出现堵塞，并不利于瓦斯进行解吸；气体受热膨胀还会导致煤层气体密度降低，显著提高气体活性，则有助于瓦斯气体进行解吸。

参考文献：

[1] 吴迪. 非等温条件下煤层瓦斯渗透及解吸规律实验研究[J]. 农业装备技术, 2021.

[2] 曹涵. 低渗透煤层孔隙结构及瓦斯涌出规律分析[J]. 山东煤炭科技, 2020(1):3.

[3] 李广涛. 大埋深低渗透性煤层工作面爆注一体化瓦斯防治技术研究[J].  2020.

[2]