[0001]技术领域
[0002]本发明涉及煤矿安全技术领域，具体地说，涉及一种受载含瓦斯煤接触角测试方法。
[0003]背景技术
[0004]随着我国煤矿开采深度和开采强度的增加，瓦斯隐患、粉尘隐患也逐渐加剧。瓦斯隐患导致煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯超限等。粉尘隐患导致粉尘爆炸、尘肺病等，严重影响着工人的职业卫生健康。煤层注水是一项综合灾害治理措施，煤层注水润湿煤体效果与治理瓦斯、防尘、防突的效果紧密相关。接触角是衡量液体对煤体的润湿效果的一个重要参数，当接触角小于90°时，固体表面是亲水的；当接触角大于90°时，固体表面是疏水。
[0005]测量接触角最常用的方法是固定液滴法，而后通过外形图像分析的方法获得接触角。目前，关于煤体与液体接触角的测试，大多是在煤-空气-液体三相体系或煤-瓦斯-液体三相体系中进行。实际上，原位条件煤体润湿过程中，煤体的承载应力及煤体内的瓦斯均影响着煤与液体之间接触角的大小。因此，测试原位条件煤体与液体的接触角应在液体-瓦斯-受载煤体三相体系中进行。因为煤体吸附瓦斯后孔隙的表面能会降低，煤体处于受载状态时孔裂隙结构也不一样，这些差异均会造成煤-空气-液体三相体系中煤与液体之间的接触角与受载煤-瓦斯-液体三相体系中受载煤与液体所形成的接触角不同，进而导致对煤层注水润湿效果的评价不准确。
[0006]因此，为了准确评价液体对受载含瓦斯煤的润湿效果，有必要设计一种受载含瓦斯煤接触角测试方法，为深入研究煤层注水治理瓦斯、防尘、防突奠定提供参数支撑。
[0007]发明内容
[0008]本发明的目的是提供一种受载含瓦斯煤接触角测试方法，本发明能够相似模拟不同煤层实际赋存条件，精确测试受载煤-瓦斯-液体三相体系中煤与液体之间的接触角。
[0009]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010]一种受载含瓦斯煤接触角测试方法，具体包括以下步骤：
[0011]（一）、设计一种基于高压承载条件下煤体接触角测试装置，基于高压承载条件下煤体接触角测试装置包括充甲烷系统、充氦气标定系统、抽真空系统、注液系统、可视化加载釜体系统、成像测试系统和恒温系统，充甲烷系统的甲烷出口和充氦气标定系统的氦气出口与可视化加载釜体系统的气体进口并联连接，可视化加载釜体系统的气体出口与抽真空系统的气体进口连接，注液系统的液体出口与可视化加载釜体系统的液体进口连接，成像测试系统设置在可视化加载釜体系统的一侧并朝向可视化加载釜体系统拍摄，充甲烷系统、充氦气标定系统、可视化加载釜体系统和成像测试系统的部分构件均设在恒温系统的内部；
[0012]（二）、制备煤样，并将制备好的煤样放置到可视化加载釜体系统内；
[0013]（三）、对基于高压承载条件下煤体接触角测试装置进行气密性测试；
[0014]（四）、通过可视化加载釜体系统对煤样进行挤压加载至设定的加载应力，相似模拟煤层承载应力；
[0015]（五）、通过充氦气标定系统标定充氦气标定系统、充甲烷系统、注液系统和可视化加载釜体系统之间的死体积；
[0016]（六）、充甲烷系统向可视化加载釜体系统内充入甲烷，使煤样吸附甲烷，直至达到吸附平衡，完成相似模拟煤层实际赋存条件，计算达到吸附平衡时煤样的吸附瓦斯量；
[0017]（七）、注液系统向可视化加载釜体系统内滴入蒸馏水或改性水至煤样上，通过成像测试系统测得含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角；
[0018]（八）、测试结束后，对煤样进行卸载，并将煤样从可视化加载釜体系统内取出；
[0019]（九）、重复步骤（二）～（八），改变实验条件即可测得不同吸附平衡压力、不同吸附瓦斯量及不同受载应力条件下含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角。
[0020]充甲烷系统包括甲烷储瓶和甲烷参考罐，甲烷储瓶的甲烷出口与甲烷参考罐的甲烷进口通过第一气体管路连接，甲烷参考罐的甲烷出口连接有第二气体管路，第二气体管路的另一端与外界大气连通，第一气体管路上沿气体流动方向依次设置有甲烷调压阀和第一气体阀门，第二气体管路上沿气体流动方向依次设置有第一精密压力表、第二气体阀门、第二精密压力表、注气管路和第三气体阀门，注气管路的另一端与可视化加载釜体系统的气体进口连接；
[0021]充氦气标定系统包括氦气储瓶和氦气参考罐，氦气储瓶的氦气出口与氦气参考罐的氦气进口通过第三气体管路连接，氦气参考罐的氦气出口连接有第四气体管路，第四气体管路的另一端连接在位于第二气体阀门和第二精密压力表之间的第二气体管路上，第三气体管路上沿气体流动方向依次设置有氦气调压阀和第四气体阀门，第四气体管路上沿气体流动方向依次设置有第三精密压力表和第五气体阀门；
[0022]抽真空系统包括真空泵，真空泵的气体进口与可视化加载釜体系统的气体出口通过抽真空管路连接，抽真空管路上沿气体流动方向依次设置有第六气体阀门和真空计，真空泵的气体出口与外界大气连通；
[0023]注液系统包括第一水杯、高压微流量注液泵和毛细滴液管，第一水杯的底部与高压微流量注液泵的液体进口通过第一液体管路连接，毛细滴液管竖向固定安装在可视化加载釜体系统的液体进口中，毛细滴液管的上端与高压微流量注液泵的液体出口通过第二液体管路连接，毛细滴液管的下端伸入到可视化加载釜体系统内，第一液体管路上设置有第一液体阀门，第二液体管路上沿液体流动方向依次设置有第二液体阀门、第四精密压力表和单向阀，单向阀内的液体流动方向为液体自高压微流量注液泵向毛细滴液管流动的方向。
[0024]可视化加载釜体系统包括可视化釜体和两套加载装置，可视化釜体为顶部敞口的立方体箱体结构，可视化釜体的顶部通过螺栓可拆卸固定连接有釜盖，可视化釜体的前侧板和后侧板均开设有前后对应且通透的窗口，可视化釜体的前侧板和后侧板上均通过螺栓可拆卸固定连接有嵌设在相应窗口内的蓝宝石玻璃窗，釜盖的四侧边与可视化釜体的上端口之间以及蓝宝石玻璃窗的内侧面四侧边与窗口之间均压设有第一O形圈，可视化釜体的内底面中部固定设置有支撑台，两套加载装置结构相同且左右对称安装在可视化釜体的左右两侧，釜盖的左侧部开设有进气口，釜盖的中部开设有进液口，釜盖的右侧部开设有抽气口，注气管路的另一端连接在进气口中，毛细滴液管竖向贯穿连接在进液口中，毛细滴液管的下端伸入到可视化釜体内并位于支撑台的正上方，毛细滴液管通过套在其上侧部和下侧部外圆周的压帽与釜盖固定连接，上侧的压帽固定在釜盖的外表面，下侧的压帽固定在釜盖的内表面，抽真空管路的进气端连接在抽气口中。
[0025]左侧的加载装置包括加载板、加载缸体、加载活塞、第二水杯和高压注液泵，加载板沿前后方向竖向设置在可视化釜体内左侧部且位于支撑台的左侧，加载板的下侧边与支撑台的上表面齐平，加载缸体沿左右方向水平设置，加载缸体的右端外圆周一体成型有法兰板，法兰板通过若干根螺栓固定连接在可视化釜体的左侧板左侧面中部，加载活塞密封滑动连接在加载缸体内，加载缸体内同中心设有活塞杆，活塞杆的左端与加载活塞的右侧面中部一体成型固定连接，活塞杆向右伸出加载缸体的右端并贯穿可视化釜体的左侧板中部，活塞杆的右端伸入可视化釜体内部并与加载板的左侧面中部螺纹固定连接，活塞杆分别与加载缸体的右侧板和可视化釜体的左侧板密封滑动连接，加载活塞的外圆周上固定嵌设有两个左右间隔设置且与加载缸体内壁滑动接触的第二O形圈，加载缸体的右侧板和可视化釜体的左侧板内部均同中心固定嵌设有套在活塞杆外圆周上的第三O形圈，加载缸体的左侧板中部开设有位于加载活塞左侧的加压注液口，加载缸体的右端部上侧壁开设有位于加载活塞右侧的卸压注液口，第二水杯的底部与高压注液泵的液体进口通过第三液体管路连接，高压注液泵的液体出口与加压注液口通过第四液体管路连接，第三液体管路上设置有第三液体阀门，第四液体管路上沿液体流动方向依次设置有第五液体管路、第四液体阀门、第五精密压力表和第一排液管路，第五液体管路的另一端连接在卸压注液口中，第五液体管路上沿液体流动方向依次设置有第五液体阀门、第六精密压力表和第二排液管路，第一排液管路上设置有第六液体阀门，第二排液管路上设置有第七液体阀门；
[0026]成像测试系统包括高速摄像仪、电脑和冷光源，高速摄像仪与电脑通过信号导线信号连接，高速摄像仪设置在可视化釜体的正前方并朝向前侧的蓝宝石玻璃窗拍摄，冷光源设置在可视化釜体的正后方并朝向后侧的蓝宝石玻璃窗照射；
[0027]恒温系统包括恒温箱，甲烷参考罐、氦气参考罐、可视化釜体、高速摄像仪和冷光源均设置在恒温箱内。
[0028]步骤（二）具体为：将从采煤工作面取回的煤样进行切割、打磨成六面体形状的煤样，然后将煤样放置在干燥箱中干燥，直至煤样的质量不发生变化，视为干燥结束，称量煤样的质量并记为m，然后将煤样从可视化釜体的上端口放置到可视化釜体内的支撑台上，再将釜盖通过螺栓固定连接在可视化釜体的顶部，从而将可视化釜体的上端口封闭；
[0029]步骤（三）具体为：关闭所有的阀门，即第一气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、第四气体阀门、第五气体阀门、第六气体阀门、第一液体阀门、第二液体阀门以及两套加载装置中的第三液体阀门、第四液体阀门、第五液体阀门、第六液体阀门和第七液体阀门均关闭，然后打开恒温箱电源，设置恒温箱内的温度满足试验所需的温度，然后打开氦气储瓶的阀门，同时将氦气调压阀的出口压力调为 p ，打开第四气体阀门，则氦气储瓶通过第三气体管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气储瓶的阀门和第四气体阀门，待第三精密压力表的示数稳定后，记录第三精密压力表的示数 p ，然后打开第五气体阀门，观察第二精密压力表的示数，如果第二精密压力表和第三精密压力表的示数在一定时间能保持稳定不变，说明整体装置不漏气，气密性良好，反之则漏气，当测得整体装置不漏气后，打开第三气体阀门，将第二气体管路、氦气参考罐、第四气体管路、注气管路和可视化釜体内的氦气通过第二气体管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门和第五气体阀门。
[0030]步骤（四）具体为：同时操作两套加载装置实现对煤样进行挤压加载，两套加载装置的操作过程相同，这里以左侧的加载装置为例进行说明：打开高压注液泵和第三液体阀门，高压注液泵抽吸第二水杯内的水完毕后，关闭第三液体阀门，设定加载应力 σ ，打开第四液体阀门和第七液体阀门，则高压注液泵内的水通过第四液体管路和加压注液口注入到加载缸体内腔左侧部并推动加载活塞向右移动，加载活塞右侧的加载缸体内腔中的空气或水便通过第二排液管路排出，进而使活塞杆向右推动左侧的加载板，左侧的加载板的右侧面挤压煤样的左侧面，对煤样进行挤压加载，直至第五精密压力表达到设定的加载应力 σ ，然后控制高压注液泵停止注液，并关闭第四液体阀门和第七液体阀门，如此，便可实现对煤样进行挤压加载至设定的加载应力 σ ，相似模拟煤层的承载应力。
[0031]步骤（五）具体为：打开氦气储瓶的阀门，同时将氦气调压阀的出口压力调为 p 1 ，打开第四气体阀门，则氦气储瓶通过第三气体管路向氦气参考罐内充入一定压力的氦气，关闭氦气储瓶的阀门和第四气体阀门，待第三精密压力表的示数稳定后，记录第三精密压力表的示数 p 1 ，然后打开第五气体阀门，待第二精密压力表的示数稳定后，记录第二精密压力表的示数 p 2 ，其中，第四气体阀门和第五气体阀门之间的体积 V 1 实验开始前已预先标定好，按照公式 p 1 V 1 / Z 1 = p 2 V 2 / Z 2 可计算出 V 2 ， Z 1 、 Z 2 分别为 p 1 、 p 2 压力下的压缩因子， V 2 - V 1 即为第五气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、单向阀和可视化釜体之间的死体积，标定完毕后，打开第三气体阀门，将第二气体管路、氦气参考罐、第四气体管路、注气管路和可视化釜体内的氦气通过第二气体管路向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门和第五气体阀门。
[0032]步骤（六）具体为：打开真空泵和第六气体阀门，真空泵对可视化釜体内部抽真空，直至真空计的示数小于20Pa，视为抽真空结束，关闭真空泵和第六气体阀门，然后打开甲烷储瓶的阀门，同时将甲烷调压阀的出口压力调为 p 3 ，打开第一气体阀门，则甲烷储瓶通过第一气体管路向甲烷参考罐内充入一定压力的甲烷，关闭第一气体阀门，待第一精密压力表的示数稳定后，记录第一精密压力表的示数 p 3 ，然后打开第二气体阀门，则甲烷参考罐内的甲烷通过第二气体管路和注气管路向可视化釜体内充入甲烷气体，然后关闭第二气体阀门，并记录第一精密压力表的示数 p 4 ，待煤样吸附甲烷一段时间后，观察第二精密压力表的示数是否达到实验所需的吸附平衡压力 P ，如果未达到，则打开第二气体阀门继续向可视化釜体内充入甲烷气体，并记录第一精密压力表的示数 p n ，直至第二精密压力表的示数达到实验所需的吸附平衡压力 P ，如此，可完成相似模拟煤层实际赋存条件，则实验煤样的吸附瓦斯量为 ，其中 Z 3 、 Z n 、Z分别为 p 3 、 p n 、 p 压力下的压缩因子， V 1 是已知的， V 2 - V 1 为第五气体阀门、第二气体阀门、第三气体阀门、单向阀和可视化釜体之间的死体积。
[0033]步骤（七）具体为：打开电脑、高速摄像仪和冷光源，然后将蒸馏水或一定浓度的改性水加入第一水杯中，打开高压微流量注液泵和第一液体阀门，高压微流量注液泵开始抽吸第一水杯内的水，吸水完毕后，关闭第一液体阀门，打开第二液体阀门，当单向阀两端形成一个极小的压力差时，压力差与单向阀的精度有关，单向阀打开，液体便通过第二液体管路进入毛细滴液管中，液体通过毛细滴液管向下滴至煤样的上表面，冷光源照射后侧的蓝宝石玻璃窗将可视化釜体内部照亮，同时高速摄像仪透过前侧的蓝宝石玻璃窗捕捉拍摄液滴的形状，高速摄像仪将捕捉的图像通过信号导线传至电脑，通过电脑的图像分析软件测量捕捉图像中的液体与固体的接触角，即可得到吸附平衡压力为 P 、吸附瓦斯量为 Q x 、受载应力为 σ 条件下的含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角。
[0034]步骤（八）具体为：测试结束后，关闭第二液体阀门，打开第三气体阀门，将第二气体管路、甲烷参考罐、注气管路和可视化釜体内的甲烷通过第二气体管路向外界大气释放，然后关闭第二气体阀门和第三气体阀门，然后同时操作两套加载装置实现对煤样进行卸压松开，两套加载装置的操作过程相同，这里以左侧的加载装置为例进行说明：打开高压注液泵和第三液体阀门，高压注液泵抽吸第二水杯内的水完毕后，关闭第三液体阀门，打开第五液体阀门和第六液体阀门，则高压注液泵内的水通过第五液体管路和斜压注液口注入到加载缸体内腔右侧部并推动加载活塞向左移动，加载活塞左侧的加载缸体内腔中的水便通过第一排液管路排出，进而使活塞杆向左拉动左侧的加载板，使左侧的加载板的右侧面与煤样的左侧面分离，对煤样进行卸压松开，直至加载活塞退回到初始位置时，然后控制高压注液泵停止注液，并关闭第五液体阀门和第六液体阀门，如此，便可实现对煤样进行卸压松开，然后将连接釜盖和和可视化釜体的螺栓拧掉，将釜盖从可视化釜体的顶部拆掉，即可将煤样从可视化釜体内取出。
[0035]本发明能够充分考虑煤层的实际赋存条件，相似模拟不同煤层实际赋存条件，即可相似模拟煤样在不同吸附平衡压力、不同吸附瓦斯量及不同受载应力条件，精确测试受载煤-瓦斯-液体三相体系中煤与液体之间的接触角，有效地解决了在煤-瓦斯-液体或煤-空气-液体三相体系中所测试的接触角不准确的问题。
[0036]附图说明
[0037]图1是本发明的基于高压承载条件下煤体接触角测试装置的整体结构示意图。
[0038]图2是本发明的可视化加载釜体系统的结构示意图。
[0039]图3是本发明的可视化釜体、高速摄像仪和冷光源的布置右侧视图。
[0040]具体实施方式
[0041]以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
[0042]如图1-3所示，一种受载含瓦斯煤接触角测试方法，具体包括以下步骤：
[0043]（一）、设计一种基于高压承载条件下煤体接触角测试装置，基于高压承载条件下煤体接触角测试装置包括充甲烷系统、充氦气标定系统、抽真空系统、注液系统、可视化加载釜体系统、成像测试系统和恒温系统，充甲烷系统的甲烷出口和充氦气标定系统的氦气出口与可视化加载釜体系统的气体进口并联连接，可视化加载釜体系统的气体出口与抽真空系统的气体进口连接，注液系统的液体出口与可视化加载釜体系统的液体进口连接，成像测试系统设置在可视化加载釜体系统的一侧并朝向可视化加载釜体系统拍摄，充甲烷系统、充氦气标定系统、可视化加载釜体系统和成像测试系统的部分构件均设在恒温系统的内部；
[0044]（二）、制备煤样67，并将制备好的煤样67放置到可视化加载釜体系统内；
[0045]（三）、对基于高压承载条件下煤体接触角测试装置进行气密性测试；
[0046]（四）、通过可视化加载釜体系统对煤样67进行挤压加载至设定的加载应力，相似模拟煤层的承载应力；
[0047]（五）、通过充氦气标定系统标定充氦气标定系统、充甲烷系统、注液系统和可视化加载釜体系统之间的死体积；
[0048]（六）、充甲烷系统向可视化加载釜体系统内充入甲烷，使煤样67吸附甲烷，直至达到吸附平衡，完成相似模拟煤层实际赋存条件，计算达到吸附平衡时煤样67的吸附瓦斯量；
[0049]（七）、注液系统向可视化加载釜体系统内滴入蒸馏水或改性水至煤样67上，通过成像测试系统测得含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角；
[0050]（八）、测试结束后，对煤样67进行卸载，并将煤样67从可视化加载釜体系统内取出；
[0051]（九）、重复步骤（二）～（八），改变实验条件即可测得不同吸附平衡压力、不同吸附瓦斯量及不同受载应力条件下含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角。
[0052]充甲烷系统包括甲烷储瓶1和甲烷参考罐2，甲烷储瓶1的甲烷出口与甲烷参考罐2的甲烷进口通过第一气体管路3连接，甲烷参考罐2的甲烷出口连接有第二气体管路4，第二气体管路4的另一端与外界大气连通，第一气体管路3上沿气体流动方向依次设置有甲烷调压阀5和第一气体阀门6，第二气体管路4上沿气体流动方向依次设置有第一精密压力表7、第二气体阀门8、第二精密压力表9、注气管路10和第三气体阀门11，注气管路10的另一端与可视化加载釜体系统的气体进口连接；
[0053]充氦气标定系统包括氦气储瓶12和氦气参考罐13，氦气储瓶12的氦气出口与氦气参考罐13的氦气进口通过第三气体管路14连接，氦气参考罐13的氦气出口连接有第四气体管路15，第四气体管路15的另一端连接在位于第二气体阀门8和第二精密压力表9之间的第二气体管路4上，第三气体管路14上沿气体流动方向依次设置有氦气调压阀16和第四气体阀门17，第四气体管路15上沿气体流动方向依次设置有第三精密压力表18和第五气体阀门19；
[0054]抽真空系统包括真空泵20，真空泵20的气体进口与可视化加载釜体系统的气体出口通过抽真空管路21连接，抽真空管路21上沿气体流动方向依次设置有第六气体阀门22和真空计23，真空泵20的气体出口与外界大气连通；
[0055]注液系统包括第一水杯24、高压微流量注液泵25和毛细滴液管26，第一水杯24的底部与高压微流量注液泵25的液体进口通过第一液体管路27连接，毛细滴液管26竖向固定安装在可视化加载釜体系统的液体进口中，毛细滴液管26的上端与高压微流量注液泵25的液体出口通过第二液体管路28连接，毛细滴液管26的下端伸入到可视化加载釜体系统内，第一液体管路27上设置有第一液体阀门29，第二液体管路28上沿液体流动方向依次设置有第二液体阀门30、第四精密压力表31和单向阀32，单向阀32内的液体流动方向为液体自高压微流量注液泵25向毛细滴液管26流动的方向。
[0056]可视化加载釜体系统包括可视化釜体33和两套加载装置，可视化釜体33为顶部敞口的立方体箱体结构，可视化釜体33的顶部通过螺栓可拆卸固定连接有釜盖34，可视化釜体33的前侧板和后侧板均开设有前后对应且通透的窗口，可视化釜体33的前侧板和后侧板上均通过螺栓可拆卸固定连接有嵌设在相应窗口内的蓝宝石玻璃窗35，釜盖34的四侧边与可视化釜体33的上端口之间以及蓝宝石玻璃窗35的内侧面四侧边与窗口之间均压设有第一O形圈36，可视化釜体33的内底面中部固定设置有支撑台37，两套加载装置结构相同且左右对称安装在可视化釜体33的左右两侧，釜盖34的左侧部开设有进气口38，釜盖34的中部开设有进液口39，釜盖34的右侧部开设有抽气口40，注气管路10的另一端连接在进气口38中，毛细滴液管26竖向贯穿连接在进液口39中，毛细滴液管26的下端伸入到可视化釜体33内并位于支撑台37的正上方，毛细滴液管26通过套在其上侧部和下侧部外圆周的压帽41与釜盖34固定连接，上侧的压帽41固定在釜盖34的外表面，下侧的压帽41固定在釜盖34的内表面，抽真空管路21的进气端连接在抽气口40中。
[0057]左侧的加载装置包括加载板42、加载缸体43、加载活塞44、第二水杯45和高压注液泵46，加载板42沿前后方向竖向设置在可视化釜体33内左侧部且位于支撑台37的左侧，加载板42的下侧边与支撑台37的上表面齐平，加载缸体43沿左右方向水平设置，加载缸体43的右端外圆周一体成型有法兰板47，法兰板47通过若干根螺栓固定连接在可视化釜体33的左侧板左侧面中部，加载活塞44密封滑动连接在加载缸体43内，加载缸体43内同中心设有活塞杆48，活塞杆48的左端与加载活塞44的右侧面中部一体成型固定连接，活塞杆48向右伸出加载缸体43的右端并贯穿可视化釜体33的左侧板中部，活塞杆48的右端伸入可视化釜体33内部并与加载板42的左侧面中部螺纹固定连接，活塞杆48分别与加载缸体43的右侧板和可视化釜体33的左侧板密封滑动连接，加载活塞44的外圆周上固定嵌设有两个左右间隔设置且与加载缸体43内壁滑动接触的第二O形圈49，加载缸体43的右侧板和可视化釜体33的左侧板内部均同中心固定嵌设有套在活塞杆48外圆周上的第三O形圈50，加载缸体43的左侧板中部开设有位于加载活塞44左侧的加压注液口51，加载缸体43的右端部上侧壁开设有位于加载活塞44右侧的卸压注液口52，第二水杯45的底部与高压注液泵46的液体进口通过第三液体管路53连接，高压注液泵46的液体出口与加压注液口51通过第四液体管路54连接，第三液体管路53上设置有第三液体阀门55，第四液体管路54上沿液体流动方向依次设置有第五液体管路56、第四液体阀门57、第五精密压力表58和第一排液管路59，第五液体管路56的另一端连接在卸压注液口52中，第五液体管路56上沿液体流动方向依次设置有第五液体阀门60、第六精密压力表61和第二排液管路62，第一排液管路59上设置有第六液体阀门63，第二排液管路62上设置有第七液体阀门68；
[0058]成像测试系统包括高速摄像仪64、电脑65和冷光源66，高速摄像仪64与电脑65通过信号导线信号连接，高速摄像仪64设置在可视化釜体33的正前方并朝向前侧的蓝宝石玻璃窗35拍摄，冷光源66设置在可视化釜体33的正后方并朝向后侧的蓝宝石玻璃窗35照射；
[0059]恒温系统包括恒温箱69，甲烷参考罐2、氦气参考罐13、可视化釜体33、高速摄像仪64和冷光源66均设置在恒温箱69内。
[0060]步骤（二）具体为：将从采煤工作面取回的煤样67进行切割、打磨成六面体形状的煤样67，然后将煤样67放置在干燥箱中干燥，直至煤样67的质量不发生变化，视为干燥结束，称量煤样67的质量并记为m，然后将煤样67从可视化釜体33的上端口放置到可视化釜体33内的支撑台37上，再将釜盖34通过螺栓固定连接在可视化釜体33的顶部，从而将可视化釜体33的上端口封闭；
[0061]步骤（三）具体为：关闭所有的阀门，即第一气体阀门6、第二气体阀门8、第三气体阀门11、第四气体阀门17、第五气体阀门19、第六气体阀门22、第一液体阀门29、第二液体阀门30以及两套加载装置中的第三液体阀门55、第四液体阀门57、第五液体阀门60、第六液体阀门63和有第七液体阀门68均关闭，然后打开恒温箱69电源，设置恒温箱69内的温度满足试验所需的温度，然后打开氦气储瓶12的阀门，同时将氦气调压阀16的出口压力调为 p ，打开第四气体阀门17，则氦气储瓶12通过第三气体管路14向氦气参考罐13内充入一定压力的氦气，关闭氦气储瓶12的阀门和第四气体阀门17，待第三精密压力表18的示数稳定后，记录第三精密压力表18的示数 p ，然后打开第五气体阀门19，观察第二精密压力表9的示数，如果第二精密压力表9和第三精密压力表18的示数在一定时间能保持稳定不变，说明整体装置不漏气，气密性良好，反之则漏气，当测得整体装置不漏气后，打开第三气体阀门11，将第二气体管路4、氦气参考罐13、第四气体管路15、注气管路10和可视化釜体33内的氦气通过第二气体管路4向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门11和第五气体阀门19。
[0062]步骤（四）具体为：同时操作两套加载装置实现对煤样67进行挤压加载，两套加载装置的操作过程相同，这里以左侧的加载装置为例进行说明：打开高压注液泵46和第三液体阀门55，高压注液泵46抽吸第二水杯45内的水完毕后，关闭第三液体阀门55，设定加载应力 σ ，打开第四液体阀门57和有第七液体阀门68，则高压注液泵46内的水通过第四液体管路54和加压注液口51注入到加载缸体43内腔左侧部并推动加载活塞44向右移动，加载活塞44右侧的加载缸体43内腔中的空气或水便通过第二排液管路62排出，进而使活塞杆48向右推动左侧的加载板42，左侧的加载板42的右侧面挤压煤样67的左侧面，对煤样67进行挤压加载，直至第五精密压力表58达到设定的加载应力 σ ，然后控制高压注液泵46停止注液，并关闭第四液体阀门57和有第七液体阀门68，如此，便可实现对煤样67进行挤压加载至设定的加载应力 σ ，相似模拟煤层的承载应力。
[0063]步骤（五）具体为：打开氦气储瓶12的阀门，同时将氦气调压阀16的出口压力调为 p 1 ，打开第四气体阀门17，则氦气储瓶12通过第三气体管路14向氦气参考罐13内充入一定压力的氦气，关闭氦气储瓶12的阀门和第四气体阀门17，待第三精密压力表18的示数稳定后，记录第三精密压力表18的示数 p 1 ，然后打开第五气体阀门19，待第二精密压力表9的示数稳定后，记录第二精密压力表9的示数 p 2 ，其中，第四气体阀门17和第五气体阀门19之间的体积 V 1 实验开始前已预先标定好，按照公式 p 1 V 1 / Z 1 = p 2 V 2 / Z 2 可计算出 V 2 ， Z 1 、 Z 2 分别为 p 1 、 p 2 压力下的压缩因子， V 2 - V 1 即为第五气体阀门19、第二气体阀门8、第三气体阀门11、单向阀32和可视化釜体33之间的死体积，标定完毕后，打开第三气体阀门11，将第二气体管路4、氦气参考罐13、第四气体管路15、注气管路10和可视化釜体33内的氦气通过第二气体管路4向外界大气释放，然后关闭第三气体阀门11和第五气体阀门19。
[0064]步骤（六）具体为：打开真空泵20和第六气体阀门22，真空泵20对可视化釜体33内部抽真空，直至真空计23的示数小于20Pa，视为抽真空结束，关闭真空泵20和第六气体阀门22，然后打开甲烷储瓶1的阀门，同时将甲烷调压阀5的出口压力调为 p 3 ，打开第一气体阀门6，则甲烷储瓶1通过第一气体管路3向甲烷参考罐2内充入一定压力的甲烷，关闭第一气体阀门6，待第一精密压力表7的示数稳定后，记录第一精密压力表7的示数 p 3 ，然后打开第二气体阀门8，则甲烷参考罐2内的甲烷通过第二气体管路4和注气管路10向可视化釜体33内充入甲烷气体，然后关闭第二气体阀门8，并记录第一精密压力表7的示数 p 4 ，待煤样67吸附甲烷一段时间后，观察第二精密压力表9的示数是否达到实验所需的吸附平衡压力 P ，如果未达到，则打开第二气体阀门8继续向可视化釜体33内充入甲烷气体，并记录第一精密压力表7的示数 p n ，直至第二精密压力表9的示数达到实验所需的吸附平衡压力 P ，如此，可完成相似模拟煤层实际赋存条件，则实验煤样67的吸附瓦斯量为 ，其中 Z 3 、 Z n 、Z分别为 p 3 、 p n 、 p 压力下的压缩因子， V 1 是已知的， V 2 - V 1 为第五气体阀门19、第二气体阀门8、第三气体阀门11、单向阀32和可视化釜体33之间的死体积。
[0065]步骤（七）具体为：打开电脑65、高速摄像仪64和冷光源66，然后将蒸馏水或一定浓度的改性水加入第一水杯24中，打开高压微流量注液泵25和第一液体阀门29，高压微流量注液泵25开始抽吸第一水杯24内的水，吸水完毕后，关闭第一液体阀门29，打开第二液体阀门30，当单向阀32两端形成一个极小的压力差时，压力差与单向阀32的精度有关，单向阀32打开，液体便通过第二液体管路28进入毛细滴液管26中，液体通过毛细滴液管26向下滴至煤样67的上表面，冷光源66照射后侧的蓝宝石玻璃窗35将可视化釜体33内部照亮，同时高速摄像仪64透过前侧的蓝宝石玻璃窗35捕捉拍摄液滴的形状，高速摄像仪64将捕捉的图像通过信号导线传至电脑65，通过电脑65的图像分析软件测量捕捉图像中的液体与固体的接触角，即可得到吸附平衡压力为 P 、吸附瓦斯量为 Q x 、受载应力为 σ 条件下的含瓦斯煤与蒸馏水或改性水的接触角。
[0066]步骤（八）具体为：测试结束后，关闭第二液体阀门30，打开第三气体阀门11，将第二气体管路4、甲烷参考罐2、注气管路10和可视化釜体33内的甲烷通过第二气体管路4向外界大气释放，然后关闭第二气体阀门8和第三气体阀门11，然后同时操作两套加载装置实现对煤样67进行卸压松开，两套加载装置的操作过程相同，这里以左侧的加载装置为例进行说明：打开高压注液泵46和第三液体阀门55，高压注液泵46抽吸第二水杯45内的水完毕后，关闭第三液体阀门55，打开第五液体阀门60和第六液体阀门63，则高压注液泵46内的水通过第五液体管路56和斜压注液口注入到加载缸体43内腔右侧部并推动加载活塞44向左移动，加载活塞44左侧的加载缸体43内腔中的水便通过第一排液管路59排出，进而使活塞杆48向左拉动左侧的加载板42，使左侧的加载板42的右侧面与煤样67的左侧面分离，对煤样67进行卸压松开，直至加载活塞44退回到初始位置时，然后控制高压注液泵46停止注液，并关闭第五液体阀门60和第六液体阀门63，如此，便可实现对煤样67进行卸压松开，然后将连接釜盖34和和可视化釜体33的螺栓拧掉，将釜盖34从可视化釜体33的顶部拆掉，即可将煤样67从可视化釜体33内取出。
[0067]甲烷调压阀5、氦气调压阀16、真空泵20、真空计23、高压微流量注液泵25、单向阀32、高压注液泵46、高速摄像仪64、电脑65、冷光源66和恒温箱69均为现有常规装置，在市场上可以购置，具体构造和工作原理不再赘述。
[0068]本发明能够充分考虑煤层的实际赋存条件，相似模拟不同煤层实际赋存条件，即可相似模拟煤样67在不同吸附平衡压力、不同吸附瓦斯量及不同受载应力条件，精确测试受载煤-瓦斯-液体三相体系中煤与液体之间的接触角，有效地解决了在煤-瓦斯-液体或煤-空气-液体三相体系中所测试的接触角不准确的问题。
[0069]以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
