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专利名称：一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置和方法
技术领域：
本发明涉及煤层气开发技术，特别是涉及一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数 的装置和方法。
背景技术：
煤层气俗称“瓦斯”，是与煤炭伴生、以吸附状态存储于煤层内的非常规天然气，其 主要成分是甲烷。煤层气具有如下几个特点第一，其热值与天然气相当，可以与天然气混 输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃 料；第二，当煤层气的空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故 的根源；第三，将煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境 破坏性极大。因此，在采煤之前先开采煤层气，可以有一举多得的功效首先，将煤矿瓦斯爆 炸率降低70%到85%，有效提高瓦斯事故防范水平；其次，有效减排温室气体，产生良好的 环保效应；再次，将煤层气作为一种高效、洁净能源进行商业化，能产生巨大的经济效益。对煤层气进行开发之前，首先要对煤层气在煤基质中的运移规律加以认识，这对 于煤层气的合理开采以及提高煤层气的采收率非常关键。目前，人类对煤层气在煤基质中 运移的动力学过程已经有比较清晰的认识即吸附于煤基质的煤层气对气压梯度的响应会 经过解吸、扩散和渗流三个阶段。解吸，是指原先吸附于煤基质的煤层气脱离煤基质而独立 存在的过程；扩散，是指煤层气由于存在浓度梯度而由高浓度区域向低浓度区域迁移并最 终达到浓度均勻分布的过程；渗流，是指不存在煤层气的浓度梯度，煤层气仅在气压差的作 用下，从气压高的区域向气压低的区域迁移最终达到气压均勻分布的过程。由于煤基质具 有特殊的孔裂隙结构，而且煤层气的吸附和解吸过程基本是可逆的，因此，扩散作用在这三 个运移阶段中发挥着重要的衔接作用。真实的煤层气扩散过程可以由式(1)所示的菲克第二定律来描述，即=⑴ dt dx2式(1)中，C(x，t)为煤层气的浓度，t为时间，χ为空间坐标，D为煤层气的扩散系 数，它表示煤层气的扩散能力，是与煤层气的扩散过程有关的关键量。在其他变量均可精确 测得的情况下，扩散系数D的精确程度关系到人们对煤层气在煤基质中运移规律认识的深 入程度，进而也影响到煤层气的开发水平。因此，需要对煤层气在煤基质中的扩散系数进行 精确的检测。现有技术检测煤层气在煤基质中的扩散系数，是将粉碎后的煤颗粒作为检测用的 样品密封于扩散室中，向扩散室中注入煤层气，当煤层气吸附于样品上时，会引起扩散室中 气体状态的煤层气减少，而使得扩散室中的气压降低，利用检测装置记录各时刻扩散室内 煤层气的气压值，当吸附饱和时可以由菲克第二定律计算得到煤层气在该样品中的扩散系 数。但是，现有技术这种利用粉碎后的煤颗粒作为样品来检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法，由于样品成粉末状，破坏了煤基质特有的空间结构，造成检测结果与煤层气 在真实的煤基质中的扩散系数相差比较大。

发明内容
本发明提供了一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置，利用该装置检测得 到的煤层气在煤基质中的扩散系数比现有技术更加接近真实值。本发明还提供了一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法，利用该方法检测 得到的煤层气在煤基质中的扩散系数比现有技术更加接近真实值。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置，该装置包括恒温装置、煤基质、支 架、密封扩散室、恒压装置、煤层气源和检测计算装置，其中所述恒温装置与密封扩散室相连，用于使密封扩散室内的温度保持为额定温度；所述支架用于支撑煤基质，使煤基质悬于密封扩散室内部；所述恒压装置通过密封导管分别与密封扩散室和煤层气源相连，用于检测密封扩 散室内各时刻的煤层气气压，判断所述煤层气气压是否为额定气压，如果低于额定气压，则 控制煤层气源通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤层气气压达 到额定气压；所述检测计算装置与恒压装置相连，用于记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层 气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。该装置进一步包括抽真空装置，所述抽真空装置通过密封导管与所述恒压装置相 连，用于将所述密封扩散室和所述密封导管抽为真空。在所述密封扩散室和所述恒压装置之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从 所述密封扩散室流向所述恒压装置的气体中的粉尘；在所述恒压装置和所述煤层气源之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从所 述煤层气源流出的煤层气中的粉尘。所述检测计算装置包括煤层气数据记录装置和计算机，其中，所述煤层气数据记录装置与所述恒压装置相连，用于记录各时刻注入到密封扩散 室中的煤层气的量，并将其发送到所述计算机；所述计算机，用于根据所述额定温度、额定气压以及所述煤层气数据记录装置发 送的各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。所述恒温装置为恒温水�。凰�述额定温度为20°C _60°C之间的温度；和/ 或，所述煤基质为最大裂隙不超过3微米的煤基质；和/ 或，所述煤基质为经过脱气处理的煤基质；和/ 或，所述煤基质为经过干燥处理的煤基质；和/ 或，所述恒压装置为计量泵；所述额定气压为1大气压到10兆帕之间的气压；
和/ 或，所述煤层气数据记录装置为数据采集卡。一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法，该方法包括使密封扩散室内的温度保持为额定温度；将煤基质悬于密封扩散室内部；检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，判断所述煤层气气压是否为额定气压， 如果低于额定气压，则通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤层 气气压达到额定气压；记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量；根据所述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计 算煤层气在煤基质中的扩散系数。在检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压之前，该方法进一步包括将所述密封 扩散室和所述密封导管抽为真空。当检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压时，该方法进一步包括将所述密封扩 散室流出的气体中的粉尘滤除；当向密封扩散室内注入煤层气时，该方法进一步包括滤除所述注入的煤层气中 的粉尘。所述记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量；根据所述额定温度、额定气 压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数为 记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，并将其发送到计算机；所述计算机根据所 述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气的扩散 系数。所述使密封扩散室内的温度保持为额定温度为用恒温水浴使密封扩散室内的温 度保持为额定温度；所述额定温度为20°C -60°C之间的温度；和/ 或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括选取最大裂隙不超过 3微米的煤基质作为检测用的煤基质；和/ 或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括将所述煤基质进行脱 气处理；禾口/ 或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括将所述煤基质进行干 燥处理；禾口/ 或，所述检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压为用计量泵检测密封扩散室内各时 刻的煤层气气压；判断所述煤层气气压是否为额定气压的方法为判断所述煤层气气压是 否为1大气压到10兆帕之间的气压；和/ 或，所述记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量为用数据采集卡记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量。由此可见，本发明中，由于可以将煤基质悬于密封扩散室的内部，密封扩散室内的 煤层气能与煤基质表面进行充分接触，进而进行充分的扩散和吸附，因此，本发明提供的技 术方案能够利用与地下煤层完全相同的块状的煤基质作为检测用的样品，保持了煤基质特 有的空间结构，相对于现有技术，本发明中扩散系数的检测结果与煤层气在地下煤层真实 块状煤基质中的扩散系数更加接近。


图1为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置图；图2为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置的具体实施例图；图3为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法图。
具体实施例方式本发明的核心思想是利用恒温装置使密封扩散室内的温度保持为额定温度，将 煤基质悬于密封扩散室内部，这样就可以使煤基质的所有表面与密封扩散室内的煤层气充 分接触；利用恒压装置检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，并判断其是否保持额定气 压，如果低于额定气压，则通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤 层气气压达到额定气压；同时，记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，然后根据额 定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中 的扩散系数。由此可见，本发明中，由于可以将煤基质悬于密封扩散室的内部，密封扩散室内的 煤层气能与煤基质表面进行充分接触，进而进行充分的扩散和吸附，因此，本发明提供的技 术方案能够利用与地下煤层完全相同的块状的煤基质作为检测用的样品，保持了煤基质特 有的空间结构，相对于现有技术，本发明中扩散系数的检测结果与煤层气在地下煤层真实 块状煤基质中的扩散系数更加接近。为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对 本发明进行详细描述。图1为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置图。如图1所示， 该装置包括恒温装置1、煤基质4、支架5、密封扩散室19、恒压装置15、煤层气源17和检测 计算装置14，其中恒温装置1与密封扩散室19相连，用于使密封扩散室19内的温度保持为额定温 度，这样，密封扩散室19内部就处于温度为额定温度的恒温状态；支架5用于支撑煤基质4，使煤基质4悬于密封扩散室19内部，这样，煤基质4的 所有表面都可以与注入密封扩散室19内的煤层气充分接触，从而使扩散和吸附过程分别 与地下煤层真实的煤基质中的扩散和吸附过程相同；恒压装置15通过密封导管18分别与密封扩散室19和煤层气源17相连，用于检 测密封扩散室19内各时刻的煤层气气压，恒压装置15还用于判断各时刻的煤层气气压是 否为额定气压，如果低于额定气压，则控制煤层气源17通过密封导管18向密封扩散室19 内注入煤层气，使密封扩散室19内的煤层气气压达到额定气压；这样，密封扩散室19中的煤层气气压保持为恒压，当煤层气因扩散与煤基质表面接触后，会被煤基质吸附而造成密 封扩散室19内气压降低，恒压装置15能迅速控制煤层气源17向密封扩散室19内注气， 从而使气压恢复为额定气压；随着时间的推移，吸附会达到饱和，这时，密封扩散室19中的 气压会长时间保持不变，这意味着检测结束，应关闭装置，停止检测，例如，当密封扩散室19 中的气压在一小时内不发生变化时，即认为吸附过程结束，停止检测，当然，也可以选取密 封扩散室19中的气压在半小时内不发生变化时停止检测，该时间的选取与检测条件有关， 无论选取多长时间作为停止检测的触发条件，都在本发明的保护范围之内。检测计算装置14与恒压装置15相连，用于记录各时刻注入到密封扩散室19中 的煤层气的量，并根据额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室19中的煤层气的 量，计算煤层气在煤基质4中的扩散系数。这里，检测计算装置14所记录的各时刻注入到 密封扩散室19中的煤层气的量可以为煤层气的体积，也可以为煤层气的其他物理参数，如 物质的量、质量等。检测计算装置14根据各时刻注入到密封扩散室19中的煤层气的量可 以制作出一条密封扩散室19中煤层气的量随时间变化的曲线，进而获得一条煤层气的吸 附量随时间变化的曲线，然后将各边界条件代入菲克第二定律公式进行求解，最终可以得 到煤层气在煤基质中的扩散系数。该装置进一步包括抽真空装置，该抽真空装置通过密封导管18与恒压装置15相 连，用于将密封扩散室19和密封导管18抽为真空。在密封扩散室19和密封导管18被抽为 真空之后，再向其中注入煤层气，密封扩散室19中就完全为纯净的煤层气，而没有空气及 其他杂气，这样，既不必担心煤层气会混杂空气或其他气体，在一定条件下可能发生爆炸， 也不必考虑煤层气注入时如何将密封扩散室19和密封导管18中的空气或其他气体排出的 问题，后续的煤层气扩散和吸附的过程也会很充分，与真实地下煤基质层中的扩散和吸附 过程相同。在密封扩散室19和恒压装置15之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从密封 扩散室19流向恒压装置15的气体中的粉尘；在恒压装置15和煤层气源17之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从煤层气 源17流出的煤层气中的粉尘。本发明中，由于在密封扩散室19和恒压装置15之间以及恒压装置15和煤层气源 17之间进一步包括了过滤器，分别用于滤除从密封扩散室19流向恒压装置15的气体中的 粉尘以及从煤层气源17流出的煤层气中的粉尘，因此，恒压装置15能够在不受粉尘影响的 环境中工作，从而延长了其使用寿命，也提高了其检测煤层气气压的准确度。图2为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置的具体实施例图。 如图2所示，检测计算装置包括煤层气数据记录装置7和计算机17，其中，煤层气数据记录装置7与恒压装置15相连，用于记录各时刻注入到密封扩散室19 中的煤层气的量，并将其发送到计算机17 ；计算机17用于根据额定温度、额定气压以及煤层气数据记录装置7发送的各时刻 注入到密封扩散室19中的煤层气的量，根据菲克第二定律，计算煤层气在煤基质中的扩散 系数。图2所示的具体实施例中，密封扩散室由扩散室6和密封法兰3两部分组成，二者 紧密固定在一起，共同保证了密封扩散室的密封性。恒压装置为计量泵9，其检测精度为2微升，额定气压为1大气压到10兆帕之间的气压。在计量泵9与密封扩散室之间，该具体 实施例设置了气体阀门11，用于控制气体是否能够注入，以及气体的流速。如图2所示，煤层气源包括煤层气钢瓶12和一个气体阀门11，该气体阀门11用于 控制煤层气钢瓶12能否流出煤层气，以及煤层气的流速。在计量泵9与煤层气源之间，该 具体实施例设置了气体阀门11，用于控制煤层气钢瓶12中的煤层气能否流入计量泵9以及 煤层气的流速。在计量泵9与密封扩散室之间，以及计量泵9与煤层气源之间，该具体实施例都设 置了过滤器10，用于滤除从密封扩散室流向计量泵9的气体中的粉尘以及从煤层气源流出 的煤层气中的粉尘。如图2所示，抽真空装置10与计量泵9相连，用于将密封扩散室和密封导管抽为 真空。在抽真空装置10与计量泵9之间，该具体实施例还设置了一个气体阀门11，用于控 制抽真空装置能否抽真空。该实施例中还增加了一个压力表2，用于进一步检测密封扩散室中各时刻的煤层 气气压，与计量泵9检测得到的相应时刻的气压进行对比，从而提高检测的精度。本发明中，恒温装置1为恒温水�。�所选取的额定温度为20°C -60°C之间的温度， 即地层温度。煤基质4为最大裂隙不超过3微米的煤基质，其形状可以为长方体，厚度可以为 5mm，横截面为250mm2，当然，煤基质的形状也可以为正方体，其各边长均为10mm，煤基质的 形状也可以为其他形状，尺寸也可以为其他尺寸，在此不再一一列举，不论煤基质采用何种 形状以及何种尺寸，都在本发明的保护范围之内。煤基质4可以为经过脱气处理的煤基质，这样，就可以剔除本已吸附在煤基质中 的煤层气及其他杂气对检测的影响，提高检测的准确度。煤基质4可以为经过干燥处理的煤基质，这样，就可以剔除煤基质中的水分对检 测精度的影响，进一步提高本发明的检测准确度。煤层气数据记录装置7可以选择数据采集卡。图3为本发明提供的检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法图。如图3所示， 该方法包括步骤301 使密封扩散室内的温度保持为额定温度；将煤基质悬于密封扩散室内 部。这里，煤基质悬于密封扩散室内部，可以通过将煤基质支撑在支架上的方法来实 现，这样就可以保证其各表面都能与注入密封扩散室的煤层气进行充分接触。步骤302 检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，判断煤层气气压是否为额定 气压，如果低于额定气压，则通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的 煤层气气压达到额定气压。这里，当煤层气吸附于煤基质时，会检测到密封扩散室内的气压降低，从而通过密 封导管向密封扩散室内注入煤层气气，使密封扩散室内的煤层气气压重新达到额定气压。随着时间的推移，吸附会达到饱和，这时，密封扩散室中的气压会长时间保持不 变，这意味着检测结束，应关闭装置，停止检测，从而计算煤层气在煤基质中的扩散系数。例 如，当密封扩散室中的气压在一小时内不发生变化时，即认为吸附过程结束，停止检测，当然，也可以选取密封扩散室中的气压在半小时内不发生变化时停止检测，该时间的选取与 检测条件有关，无论选取多长时间作为停止检测的触发条件，都在本发明的保护范围之内。步骤303 记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，并根据额定温度、额定 气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。这里，利用记录的各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，可以制作出注入到 密封扩散室中煤层气的量随时间变化的曲线，进而制作出煤层气吸附量随时间变化的曲 线，然后将各边界条件代入菲克第二定律的公式(1)中，从而计算得到煤层气在煤基质中 的扩散系数。注入到密封扩散室中的煤层气的量可以为注入到密封扩散室中的煤层气的体 积，也可以为注入到密封扩散室中的煤层气的物质的量或质量等。利用菲克第二定律计算煤层气在煤基质中的扩散系数的方法如下煤层气在煤基质中的扩散过程服从如式(1)所示的菲克第二定律，式(1)中，煤基 质的中心为坐标原点，空间坐标X轴穿过原点，且垂直于煤基质的横截面，煤基质的厚度为 21，密封扩散室中的煤层气浓度保持为常数C1，则菲克第二定律的边界条件为 将边界条件式(2)和式(3)代入式(1)，可得式(1)的解析解如下
IJ t时煤基质对煤层气的吸附量，M00为检测用的煤基质对煤层 式(4)中，Mt为时刻t
气的最大吸附量。
/ . \用
v^2 yi 2
表示当iiL = l时 M^ 2
/ . \
2
Vt 乂
的值，则当煤基质对煤层气的吸附量达到最大吸附
量的一半时，由式(4)可得
丄=-4丄
U2Jl Dn1 2
In
2 λ f 2 η ι π
16 9{l6y
5
/|\ 在误差不超过0.001%的情况下，式(5)可化简为
D =
0.19676
6
/V 这样，根据本发明提供的检测方法可以准确地制作出煤层气的吸附量随时间变化
(.\
的曲线，从而得到准确的下1值，进而利用式(6)准确计算得到煤层气在煤基质中的扩散
\1 Jt 2
系数D。在步骤302中检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压之前，该方法进一步包括 将密封扩散室和密封导管抽为真空。这样之后再向密封扩散室中注入煤层气，密封扩散室 中就充满为完全纯净的煤层气，而没有空气及其他气体。在步骤302中检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压时，该方法进一步包括将 密封扩散室流出的气体中的粉尘滤除。这里，可以用过滤器来实现滤除的工作。
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当向密封扩散室内注入煤层气时，该方法进一步包括滤除注入的煤层气中的粉 尘。这里，可以用过滤器来实现滤除的工作。通过滤除从密封扩散室流出的气体中的粉尘以及注入的的煤层气中的粉尘，就可 以在不受粉尘影响的环境中工作，这样就延长了其使用寿命，也提高了其检测煤层气气压 的准确度。步骤303的具体实现方法可以为记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的 量，并将其发送到计算机；该计算机根据额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室 中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。步骤301中使密封扩散室内的温度保持为额定温度的方法为用恒温水浴使密 封扩散室内的温度保持为额定温度，这里，额定温度为20°C -60°C之间的温度，即为地层温度。在步骤301中将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括选取最大 裂隙不超过3微米的煤基质作为检测用的煤基质。在步骤301中将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括对煤基质 进行脱气处理。在步骤301中将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括将煤基质 进行干燥处理。步骤302中检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压的方法为用计量泵检测密封 扩散室内各时刻的煤层气气压。步骤302中判断煤层气气压是否为额定气压的方法为判断煤层气气压是否为1 大气压到10兆帕之间的气压。步骤303中记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量的方法为用数据采集 卡记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量。由此可见，本发明具有以下优点(1)本发明中，由于可以将煤基质悬于密封扩散室的内部，密封扩散室内的煤层气 能与煤基质表面进行充分接触，进而进行充分的扩散和吸附，因此，本发明提供的技术方案 能够利用与地下煤层完全相同的块状的煤基质作为检测用的样品，保持了煤基质特有的空 间结构，相对于现有技术，本发明中扩散系数的检测结果与煤层气在地下煤层真实块状煤 基质中的扩散系数更加接近。(2)本发明中，由于在用抽真空装置将密封扩散室和密封导管抽为真空之后，再向 其中注入煤层气，密封扩散室中完全为纯净的煤层气，而没有空气及其他气体，因此，利用 本发明的技术方案，既不必担心煤层气会混杂空气或其他气体，在一定条件下可能发生爆 炸，也不必考虑煤层气注入时如何将密封扩散室19和密封导管18中的空气或其他气体排 出的问题，后续的煤层气扩散和吸附过程也会很充分，与真实地下煤基质层中的扩散和吸 附过程相同。(3)本发明中，由于在恒压装置和密封扩散室之间以及恒压装置和煤层气源之间 进一步包括了过滤器，分别用于滤除从密封扩散室流向恒压装置的气体中的粉尘以及从煤 层气源流出的煤层气中的粉尘，因此，恒压装置能够在不受粉尘影响的环境中工作，从而延 长了其使用寿命，也提高了其检测煤层气气压的准确度。
(4)本发明中，由于采用恒温水浴保持密封扩散室内的温度为地层温度，可以使检 测条件进一步与煤层气在真实的煤基质中的运移条件相同，因此，本发明提高了煤层气扩 散系数的准确度。(5)本发明中，由于煤基质经过脱气和干燥处理，因此，利用本发明的技术方案检 测煤层气的扩散系数，可以剔除本已吸附在煤基质中的煤层气和其他杂气以及煤基质中的 水分对检测的影响，从而提高了检测的准确度。(6)本发明中，由于检测条件是密封扩散室内的温度保持为地层温度、气压保持为 1大气压至10兆帕之间的额定气压，因此，本发明的检测条件与煤层气在真实的煤基质中 的运移条件相同，而且本发明对气压的要求也不高，不需要苛刻的密封条件即可实现准确 的检测。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置，其特征在于，该装置包括恒温装置、煤基质、支架、密封扩散室、恒压装置、煤层气源和检测计算装置，其中所述恒温装置与密封扩散室相连，用于使密封扩散室内的温度保持为额定温度；所述支架用于支撑煤基质，使煤基质悬于密封扩散室内部；所述恒压装置通过密封导管分别与密封扩散室和煤层气源相连，用于检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，判断所述煤层气气压是否为额定气压，如果低于额定气压，则控制煤层气源通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤层气气压达到额定气压；所述检测计算装置与恒压装置相连，用于记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括抽真空装置，所述抽真 空装置通过密封导管与所述恒压装置相连，用于将所述密封扩散室和所述密封导管抽为真空。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述密封扩散室和所述恒压装置之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从所述 密封扩散室流向所述恒压装置的气体中的粉尘；在所述恒压装置和所述煤层气源之间，该装置进一步包括过滤器，用于滤除从所述煤 层气源流出的煤层气中的粉尘。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述检测计算装置包括煤层气数 据记录装置和计算机，其中，所述煤层气数据记录装置与所述恒压装置相连，用于记录各时刻注入到密封扩散室中 的煤层气的量，并将其发送到所述计算机；所述计算机，用于根据所述额定温度、额定气压以及所述煤层气数据记录装置发送的 各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述恒温装置为恒温水浴；所述额定温度为20°C -60°C之间的温度； 和/或，所述煤基质为最大裂隙不超过3微米的煤基质； 和/或，所述煤基质为经过脱气处理的煤基质； 和/或，所述煤基质为经过干燥处理的煤基质； 和/或，所述恒压装置为计量泵；所述额定气压为1大气压到10兆帕之间的气压； 和/或，所述煤层气数据记录装置为数据采集卡。
6.一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的方法，其特征在于，该方法包括 使密封扩散室内的温度保持为额定温度；将煤基质悬于密封扩散室内部；检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，判断所述煤层气气压是否为额定气压，如果 低于额定气压，则通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤层气气 压达到额定气压；记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量；根据所述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤 层气在煤基质中的扩散系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在检测密封扩散室内各时刻的煤层气气 压之前，该方法进一步包括将所述密封扩散室和所述密封导管抽为真空。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压时，该方法进一步包括将所述密封扩散室 流出的气体中的粉尘滤除；当向密封扩散室内注入煤层气时，该方法进一步包括滤除所述注入的煤层气中的粉/K土。
9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其特征在于，所述记录各时刻注入到密封扩散室 中的煤层气的量；根据所述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气 的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数为记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的 量，并将其发送到计算机；所述计算机根据所述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封 扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述使密封扩散室内的温度保持为额定温度为用恒温水浴使密封扩散室内的温度保 持为额定温度；所述额定温度为20°C -60°C之间的温度； 和/或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括选取最大裂隙不超过3微 米的煤基质作为检测用的煤基质； 和/或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括将所述煤基质进行脱气处理；和/或，在将煤基质悬于密封扩散室内部之前，该方法进一步包括将所述煤基质进行干燥处理；和/或，所述检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压为用计量泵检测密封扩散室内各时刻的 煤层气气压；判断所述煤层气气压是否为额定气压的方法为判断所述煤层气气压是否为 1大气压到10兆帕之间的气压； 和/或，所述记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量为用数据采集卡记录各时刻注入 到密封扩散室中的煤层气的量。
全文摘要
本发明公开了一种检测煤层气在煤基质中的扩散系数的装置和方法。该方法包括使密封扩散室内的温度保持为额定温度；将煤基质悬于密封扩散室内部；检测密封扩散室内各时刻的煤层气气压，判断所述煤层气气压是否为额定气压，如果低于额定气压，则通过密封导管向密封扩散室内注入煤层气，使密封扩散室内的煤层气气压达到额定气压；记录各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量；根据所述额定温度、额定气压以及各时刻注入到密封扩散室中的煤层气的量，计算煤层气在煤基质中的扩散系数。利用本发明的技术方案检测得到的煤层气在煤基质中的扩散系数比现有技术更接近真实值。
文档编号G01N13/00GK101929939SQ20101024728
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者付绪, 方志明, 李小春, 梁为, 胡海翔, 胡爱梅, 郭广山, 黄红星 申请人:中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司;中国科学院武汉岩土力学研究所