CN101629891B - 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，在上座内设有开口向下的试验腔，该试验腔上方的上座上轴向开有通孔，所述下座轴向开有台阶通孔，所述上座安装在下座上，在所述的下座和上座上分别设有与所述试验腔相通的进排油口和排空孔，在所述上座的轴向通孔中活套有加压活塞杆，在所述加压活塞杆轴心线上设有下端部为进气蜂孔的进气通孔；在所述下座轴向通孔中装有与所述加压活塞杆正对的支撑轴，在所述支撑轴轴心线上设有端部为排气蜂孔的排气通孔；在所述试验腔内设有能够对压活塞杆轴和上座进行导向的导向装置，在所述试验腔内的下座上设有与外界相连的传感器接线头。本发明结构简单，在试验过程中计量精度高。

Description

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室

技术领域：

本发明属于试验装置领域，尤其是涉及一种用于不同地应力、不同瓦斯压力、不同温度等状态下的含瓦斯煤渗流试验研究以及含瓦斯煤在渗流过程中的变形破坏特征研究的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室。

技术背景：

在矿井生产过程中，采掘工程破坏了原岩应力场的平衡和原始瓦斯压力的平衡，形成了采掘周围岩体的应力重新分布和瓦斯流动。煤层瓦斯(煤层气)渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数，也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数，其与煤层裂隙发育特征、地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及地电场等密切相关，而煤层渗透率的大小对瓦斯的储存与排放、瓦斯压力的分布起着重要的作用，煤与瓦斯突出又与瓦斯的排放和压力的分布有着重要的联系。因此，煤层瓦斯渗透率或煤层透气系数的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展之关键技术，也是煤矿安全工作者研究煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列矿山安全问题的关键入手点；研究煤层瓦斯运移的基本规律，对于完善瓦斯流动理论和防治瓦斯灾害有着重要的意义。

煤储层是一套由天然裂隙和基质孔隙组成的双重结构模型，裂隙系统为煤层气渗流运移的通道，储层渗透率除受自身裂隙发育特征控制外，地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及电场等都不同程度地影响着煤层渗透率，渗透率的演化是上述诸多因素综合作用的结果。

在国外，早在20世纪70、80年代就有学者借助相关渗流实验设备取得了一些研究成果：W.J.Sommerton等研究了应力对煤体渗透性的影响；C.R.McKee等开展了应力与煤体孔隙度和渗透率之间关系的研究；Harpalani研究得到了应力对煤解吸渗流的影响规律；J.R.E.Enever和A.Henning研究得到了煤体有效应力对渗透率的影响规律。此外，大冢一雄、樋口澄志、P.G.塞文斯特、霍多特等也在这方面做了不同程度的工作。

在国内，早期是在常温常压下测定松散煤粒的扩散系数和小型块煤样(2cm左右)的渗透率，随后发展为在假三轴或真三轴围限压力作用下测定煤样渗透率随应力的变化，得到加载和卸载的渗透率拟合方程。20世纪80年代，中国矿业大学的周世宁和林柏泉较早地利用自制的煤样瓦斯渗透实验装置研究了含瓦斯煤体在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及孔隙压力和煤样变形间的关系，同时还研究了在孔隙压力一定的条件下，渗透率和围压力以及煤样变形间的关系，得出了在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及煤样变形值间的关系基本上服从指数方程；在孔隙压力不变条件下，加载时，煤体的渗透率与载荷间的关系可用负指数方程表示，而卸载时，可用幂函数方程表示，进入90年代，彭担任等又研制了STCY-80型煤与岩石渗透率测定仪，对煤系地层各种岩性试样的渗透率进行了研究。

20世纪90年代以来，重庆大学鲜学福教授领导的学术团队利用自制的渗流装置，先后对煤样在不同应力状态下、不同电场下、不同温度下及变形过程中的渗透率进行了研究，得出了煤样渗透率与有效应力、温度和电场强度等之间的关系。1996年，山西矿业学院(现太原理工大学)赵阳升等研制了“煤岩渗透试验机”与“三轴应力渗透仪”，进行了三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验研究，得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力增加而衰减，随孔隙压呈抛物线型变化的结论。2001年，中国科学院渗流流体力学研究所刘建军等利用自制实验设备以低渗透多孔介质为研究对象，通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线，其研究表明，流体在低渗透多孔介质中渗流时，流固耦合效应十分显著，这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小，而孔隙度的微小变化，都会对渗透率产生大的影响，因此低渗透介质的渗透率随有效应力的变化十分明显。2006年，辽宁工程技术大学潘一山等自制了三轴瓦斯渗透仪，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟了煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到了有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系。2008年，煤炭科学研究总院重庆研究院隆清明等自行研制“瓦斯渗透仪”，进行了孔隙气压对煤体渗透性影响的实验研究，阐述了可控孔隙气压下煤渗透性实验的方法与过程，研究表明，煤的渗透率随孔隙气压增大而减小的特性是由孔隙气压变化引起滑脱效应和孔隙结构本身变化所致。同年，煤炭科学研究总院齐庆新等又利用一种夹持装置，通过试验研究了不同尺度煤样在围压加、卸载条件下的渗透率变化，对试验结果进行非线性拟合分析，得出煤样的渗透率与围压之间存在负指数关系，煤样渗透率对围压敏感性存在着尺度效应。

以上各单位所设计开发的渗流实验装置，虽在一定程度上推进了渗流力学的研究及加深了煤层瓦斯运移机理的认识，但或多或少还存在一些不足：1、以上几个实验装置所考虑的渗透率影响因素相对比较单一，没有一个装置将应力、瓦斯压力、温度影响及变形监测等综合考虑，因此，所进行的试验不能完全模拟现场实际煤层瓦斯渗流所处的环境；2、充气系统多为点充气，即在压头与试件接触的地方充气不均匀，由此带来瓦斯气体不能均匀地从试件中流过，因此，气体流量的测定必然有一定的误差，导致渗透率计算不精确；3、煤岩变形监测大都采用应变片，煤岩变形数据不够精确，特别是径向变形；4、气体流量的测定多为排水法，难免有气体泄漏和读数不准的情况，且测量过程繁琐。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，在试验过程中计量精度高的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：设计一种含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，包括上座和下座，所述上座内设有开口向下的试验腔，该试验腔上方的上座上轴向开有通孔，所述下座轴向开有台阶通孔，所述上座安装在下座上，在所述的上座和下座上分别设有与所述试验腔相通的排空孔和进排油口，其关键在于：

在所述上座的轴向通孔中活套有加压活塞杆，该加压活塞杆下部伸入所述试验腔内，上端位于所述上座外；在所述加压活塞杆轴心线上设有进气通孔，在该加压活塞杆下端部设有进气腔，该进气腔通过进气蜂孔与所述试验腔相通；在所述下座轴向通孔中装有与所述加压活塞杆正对的支撑轴，在所述支撑轴轴心线上设有排气通孔，在该支撑轴上端部设有排气腔，该排气腔通过排气蜂孔与试验腔相通。

本发明将加压活塞杆下端设计成进气蜂孔，将支撑轴上端设计成排气蜂孔，如此当将试件放置在支撑轴与加压活塞杆之间时，通气后由于进气蜂孔的存在，使得气体进入试件为面进入，如此透气效果更好，试件渗透率测量更加精确。

在所述试验腔内设有导向装置，该导向装置由安装在下座上的下定心盘以及经导向螺杆安装在该下定心盘上方的上定心盘组成，所述上定心盘和下定心盘的中心开有圆孔，所述支撑轴经下定心盘的中心圆孔伸出，所述加压活塞杆下部经上定心盘中心的圆孔伸入所述试验腔的中上部。本发明在试验腔内设置导向装置，如此至少存在2个优点：其一是可对上座进行导向，能够让上座与下座进行很好的对位；其二是上定心盘和下定心盘的中心开口可很好的对加压活塞杆和支撑轴进行导向，实现加压活塞杆和支撑轴的对位，使得压力更加均匀。

在所述试验腔内的上座或下座上设有传感器接线头，该传感器接线头穿过所述上座或下座经数据线与外界相连，因此可对试验腔内的环向压力及试件的环向变形进行有效的测量。

所述上座下端向外翻折形成上座连接盘，所述下座上端向外翻折形成下座连接盘，所述上座连接盘与下座连接盘经螺栓进行连接，在所述上座与下座连接处设有“O”型密封圈，设置“O”型密封圈可有效的防止漏油。

在所述上座轴向通孔中装有导向套，所述加压活塞杆通过该导向套套装在所述上座上，如此加压活塞杆可在导向套中无阻力地滑动。

所述进排油口位于所述位于所述下座轴向，该进排油口的进排油端口与进排油管相连。

所述支撑轴为轴径上大下小的台阶轴，该支撑轴台阶限位在所述下座轴向通孔上端，所述支撑轴下端经螺母与所述下座固定连接。

所述下座上端设有凹座，所述下定心盘位于该凹座内，如此能够对下定心盘进行限位，避免下定心盘的晃动而造成测量的不精确。

在所述上定心盘与下定心盘中心圆孔环向均匀分布4个安装孔，所述上定心盘与下定心盘对应的安装孔分别用4根导向螺杆连接。

所述进气通孔进气端通过接头与进气管道连接，所述排气通孔排气端通过接头与出气管道连接，通过进气管道和高压瓦斯瓶相连接，实现供气，通过出气管道与流量计相接，实现气体流量的测量。

所述排空孔位于所述位于所述上座上部侧壁，该所述排空孔的排气端口通过三通阀与排气管及压力表相连，如此可将试验腔内的空气排净及测量围压。

本发明的工作过程是这样的：(1)试件制备。原煤：将从现场取来的原始煤块用塑料薄膜密封好置于大小适当的木箱内，然后用细骨科骨料混凝土进行浇灌，以填满煤块与木箱之间的间隙，待混凝土硬化完全后再用取芯机进行取芯。最后利用磨床将取出的煤芯小心仔细地打磨成Φ50×100mm的原煤煤样，并将之置于烘箱内烘干，再用干燥箱存放，以备实验之用；型煤：将所取原始煤块用粉碎机粉碎，通过振动筛筛选煤粒粒径为40～80目之间的煤粉颗粒，然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在200t刚性实验机上以100MPa的压力压制成Φ50×100mm的煤样。最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内以备实验时用。

(2)试件安装。为保证气密性，先用704硅橡胶将煤样试件侧面抹一层1mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将煤样小心放置于三轴压力室中支撑轴上，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用电吹风将圆筒热缩管均匀吹紧，以保证圆筒热缩管与煤样侧面接触紧密，然后用金属箍紧紧箍住试件上下两端的圆筒热缩管与支撑轴的重合部分和圆筒热缩管与加压活塞杆的重合部分，最后将链式径向位移传感器接线头安装于煤试件的中部位置，连接好数据传输接线，并装配好导向装置。

(3)装机。将三轴压力室上座与底座对位好，紧好螺钉；将瓦斯进气管与加压活塞杆上端连接好，将瓦斯出气管与流量计连接好；向三轴压力室排空充油；检查各系统是否正常工作。

(4)真空脱气。检查实验容器气密性，打开出气阀门，用真空泵进行脱气，脱气时间一般1h，以保证良好的脱气效果。

(5)充气吸附平衡。脱气后，关闭出气阀门，将三轴压力室降入恒温水浴，设定一定的温度，并施压一定的轴压和围压，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力一定，向试件内充气，充气时间一般为24h，使煤样瓦斯充分吸附平衡。

(6)进行试验。按照制定的试验方案进行不同条件下的试验。

(7)测定参数。所要测定的参数有：轴向压力、围压、瓦斯压力、轴向位移、径向位移、温度、瓦斯流量等。

(8)进入下一轮试验。一个试件做完后，拆卸试件，并重复(2)～(7)步骤进行下一轮试验。

本发明的效果：

1、本发明综合反映了应力、瓦斯压力、温度及变形等对渗透率的影响，既能进行单因素影响下的试验，又能进行多因素耦合作用下的试验，所进行的试验能较好地模拟现场实际煤层瓦斯渗流所处的环境。

2、本发明加压活塞杆和支撑轴的充气口与出气口没有直接与煤样接触，而是分别通过设计一个小腔室及环状面孔，实现了“面充气”，而不再是以往的“点充气”，更加逼真地实现了实际煤层瓦斯源。

3、本发明设计了一个导向装置，使煤样试件装配后不会晃动，避免损坏煤样试件，使煤样试件成活率及数据采集稳定性大大提高，保证了实验数据的可靠性，同时，也方便了三轴压力室装机时的定位。

4、本发明在数据采集时使用了灵敏度及精确度更高的传感器，保证了数据采集的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A部分放大示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图1中B部分放大示意图；

图5为图4的仰视图。

上述附图中各编号的意义是：1.进排油口，2.下定心盘，3.导向螺杆，4.上座，5.上定心盘，6.导向套，7.加压活塞杆，8.进气通孔，9.排空孔，10.支撑轴，11.排气通孔，12.传感器接线头，13.下座，14.试验腔，15.进气腔，16.进气蜂孔，17.排气腔，18.排气蜂孔，19.上座连接盘，20.下座连接盘，21.金属箍，22.圆筒热缩管，23.试件。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

请参见图1～图5：所示的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，由上座4、下座13、试验腔14、加压活塞杆7、支撑轴10、导向装置和传感器接线头12组成，所述上座4内设有开口向下的试验腔14，该试验腔14上方的上座4上轴向开有通孔，所述下座13轴向开有台阶通孔，所述上座4安装在下座13上，在所述的下座13和上座4上分别设有与所述试验腔14相通的排空孔9和进排油口1，以便使油进入试验腔14，当试验完成时便于将油排出和围压加载前以便将试验腔14的空气排净。

在所述上座4的轴向通孔中活套有加压活塞杆7，该加压活塞杆7下部伸入所述试验腔14内，上端位于所述上座4外，在所述加压活塞杆7轴心线上设有进气通孔8，在该加压活塞杆7下端部设有进气腔15，该进气腔15通过进气蜂孔16与所述试验腔14相通；在所述下座13轴向通孔中装有与所述加压活塞杆7正对的支撑轴10，在所述支撑轴10轴心线上设有排气通孔11，在该支撑轴10上端部设有排气腔17，该排气腔17通过排气蜂孔18与试验腔14相通；当需进行试验时，先用704硅橡胶将试件23侧面抹一层1mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，用一段比试件23长出40mm左右的圆筒热缩管22套在试件23上，将试件23放置于试验腔14内的支撑轴10上，所述圆筒热缩管22下端部套在支撑轴10上端部，同时所述加压活塞杆7向下移动放置于试件23上，所述圆筒热缩管22上端部套在加压活塞杆7下端部，用电吹风将圆筒热缩管22均匀吹紧，以保证圆筒热缩管22与煤样侧面接触紧密，最后用所述金属箍21紧紧箍住试件23上下两端的圆筒热缩管22与支撑轴10的重合部分和圆筒热缩管22与加压活塞杆7的重合部分。

在所述试验腔14内设有导向装置，该导向装置由安装在下座13上的下定心盘2以及经导向螺杆3安装在该下定心盘2上方的上定心盘5组成，所述上定心盘5和下定心盘2的中心开有圆孔，所述支撑轴10经下定心盘2的中心圆孔伸出，所述加压活塞杆7下部经上定心盘5中心的圆孔伸入所述试验腔14的中上部；

在所述试验腔14内的上座4或下座13上设有传感器接线头12，该传感器接线头12穿过所述上座4或下座13经数据线与外界相连，在所述传感器接头上连接有链式传感器，该传感器围绕在上述的圆筒热缩管22上，便于测量试件的径向位移。

请参见图1：所述上座4下端向外翻折形成上座连接盘19，所述下座13上端向外翻折形成下座连接盘20，所述上座连接盘19与下座连接盘20经螺栓进行连接，在所述上座4与下座13连接处设有“O”型密封圈；在所述上座4轴向通孔中装有导向套6，所述加压活塞杆7通过该导向套6套装在所述上座4上，所述加压活塞杆7与导向套6之间设有密封装置，该密封装置由套装在所述加压活塞杆7上的导向套6及该导向套6上端的翻边压盖和密封圈组成，翻边压盖经螺钉安装在上座4的顶端，该翻边压盖的内圈安装有防尘圈。

所述进排油口1位于所述位于所述下座13轴向，该进排油口1的进排油端口与进排油管相连；所述排空孔9位于所述位于所述上座4上部侧壁，该所述排空孔9的排气端口通过三通阀与排气管及压力表相连。

在图1中还可以看出：所述支撑轴10为轴径上大下小的台阶轴，该支撑轴10台阶限位在所述下座13轴向通孔上端，所述支撑轴10下端经螺母与所述下座13固定连接；所述下座13上端设有凹座，所述下定心盘2位于该凹座内，在所述上定心盘5与下定心盘2中心圆孔环向均匀分布4个安装孔，所述上定心盘5与下定心盘2对应的安装孔分别用4根导向螺杆3连接。

Claims (6)

1.一种含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，包括上座(4)和下座(13)，所述上座(4)内设有开口向下的试验腔(14)，该试验腔(14)上方的上座(4)上轴向开有通孔，所述下座(13)轴向开有台阶通孔，所述上座(4)安装在下座(13)上，在所述的上座(4)和下座(13)上分别设有与所述试验腔(14)相通的排空孔(9)和进排油口(1)，其特征在于：

在所述上座(4)的轴向通孔中活套有加压活塞杆(7)，该加压活塞杆(7)下部伸入所述试验腔(14)内，上端位于所述上座(4)外；在所述加压活塞杆(7)轴心线上设有进气通孔(8)，在该加压活塞杆(7)下端部设有进气腔(15)，该进气腔(15)通过进气蜂孔(16)与所述试验腔(14)相通；在所述下座(13)轴向通孔中装有与所述加压活塞杆(7)正对的支撑轴(10)，在所述支撑轴(10)轴心线上设有排气通孔(11)，在该支撑轴(10)上端部设有排气腔(17)，该排气腔(17)通过排气蜂孔(18)与试验腔(14)相通；

在所述试验腔(14)内设有导向装置，该导向装置由安装在下座(13)上的下定心盘(2)以及经导向螺杆(3)安装在该下定心盘(2)上方的上定心盘(5)组成，所述上定心盘(5)和下定心盘(2)的中心开有圆孔，所述支撑轴(10)经下定心盘(2)的中心圆孔伸出，所述加压活塞杆(7)下部经上定心盘(5)中心的圆孔伸入所述试验腔(14)的中上部；

在所述试验腔(14)内的上座(4)或下座(13)上设有传感器接线头(12)，该传感器接线头(12)穿过所述上座(4)或下座(13)经数据线与外界相连；所述支撑轴(10)为轴径上大下小的台阶轴，该支撑轴(10)台阶限位在所述下座(13)轴向通孔上端，所述支撑轴(10)下端经螺母与所述下座(13)固定连接；在所述上定心盘(5)与下定心盘(2)中心圆孔环向均匀分布4个安装孔，所述上定心盘(5)与下定心盘(2)对应的安装孔分别用4根导向螺杆(3)连接；所述排空孔(9)位于所述上座(4)上部侧壁，该所述排空孔(9)的排气端口通过三通阀与排气管及压力表相连。

2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，其特征在于：所述上座(4)下端向外翻折形成上座连接盘(19)，所述下座(13)上端向外翻折形成下座连接盘(20)，所述上座连接盘(19)与下座连接盘(20)经螺栓进行连接，在所述上座(4)与下座(13)连接处设有“O”型密封圈。

3.根据权利要求1所述的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，其特征在于：在所述上座(4)轴向通孔中装有导向套(6)，所述加压活塞杆(7)通过该导向套(6)套装在所述上座(4)上。

4.根据权利要求1所述的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，其特征在于：所述进排油口(1)位于所述下座(13)轴向，该进排油口(1)的进排油端口与进排油管相连。

5.根据权利要求1所述的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，其特征在于：所述下座(13)上端设有凹座，所述下定心盘(2)位于该凹座内。

6.根据权利要求1所述的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流压力室，其特征在于：所述进气通孔(8)进气端通过接头与进气管道连接，所述排气通孔(11)排气端通过接头与出气管道连接。

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