CN103630540B - 煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，在实验缸内装有加热器和底座，底座的后端固定侧部支撑体，底座的前端设置加载板，该加载板与压力杆的后端固定，压力杆前端与实验缸外的杠杆装置连接，在实验缸壁上的抽气孔外连接抽气子系统，充气孔外连接充气子系统，所述实验缸上端的敞口由密封盖封口，该密封盖的中部嵌装透明视镜，透明视镜的正上方设置观测装置。本发明通过模拟实验体真实的多场（力场、围压场和温度场）环境，在工作过程中，利用配备的高倍数值显微镜系统，定量观测吸附和解吸瓦斯后的煤体后的膨胀收缩效应和瓦斯渗流特征，并计算在变形限制条件下的膨胀应力。

Description

煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪

技术领域

本发明属于瓦斯渗流技术领域，具体地说，特别涉及一种多场条件下用于煤岩瓦斯吸附-膨胀变形过程模拟的室内观察装置，以采用动态显微观测为试验测试方法，对考虑瓦斯作用下及不同温度和力条件下的煤岩变形全过程进行细观力学试验。

背景技术

我国92%的煤炭生产是井工开采，井下开采平均深度近500m，井下煤层赋存及开采条件愈趋复杂，煤层瓦斯含量普遍较高，其中50%以上的煤层为高瓦斯煤层，高突矿井占全国矿井总数的44%。随着煤矿开采深度的增加，大量浅部低瓦斯矿井将逐渐转变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井数量逐年增加。同时，瓦斯也是一种温室气体，甲烷对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍，引起的升温效应是同体积二氧化碳的25倍。另外，煤层气作为煤层伴生产物又是一种十分有用的清洁能源。在国际油价居高不下、减排压力空前增加的大环境下，瓦斯（煤层气）资源将扮演越来越重要的角色，在我国能源结构中的比例也将持续增加。除了作为一种重要的能源资源，由于经济或技术方面原因导致不可采煤层还可以作为在工业生产中大量排放的二氧化碳封存场所。通过封存，一方面可以大量地降低二氧化碳在大气中的含量，另一方面还可以增加这些煤层的瓦斯生产。因而，需要发明一种煤岩瓦斯吸附—膨胀变形实验装置来研究煤瓦斯相互的力 学作用机制及对煤层中瓦斯渗流的影响，以便使该项技术进一步推广应用。

鉴于我国深部煤炭资源开发的迫切需要和煤层气开发的必要性，更深入地了解煤瓦斯在多场耦合条件下的相互作用和瓦斯的运移规律是十分必要的。现有利用光学显微技术研究在多场条件下煤瓦斯相互作用和瓦斯流动还较少。如中科院武汉岩土力学研究所研制的岩石细观力学加载仪，该仪器配装在光学体视显微镜下，可以观察岩样在单轴加载过程中，四个平面变形破坏的全过程，同时，还研制了应力一水流一化学耦合的岩石单轴、三轴压缩细观力学试验装置，但该装置对密封及压力要求不高，不能进行固-气耦合状态的试验。另外，针对含瓦斯煤岩的细观装置非常少见。仅有中国矿业大学何学秋教授研制的含瓦斯煤变形及破裂动态显微观测系统，其加载装置为设置有观测窗口的圆柱形压力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧磨成平面宽度约为10mm～15mm的平面，作为观测平面。观测系统采用长距离高倍显微镜，可进行左右摆动。由于光学显微镜对观测面的要求较高，该装置采用圆柱形试件，观测面范围较小，且显微镜只能进行左右摆动观测，致使观测范围小，不能追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测；其次，该装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大；而且，从现有的研究成果看，其观测的可靠性还有待进一步提高。又如中国发明专利CN 101354355 B所公开的一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，采用动态显微观测和声发射监测两种手段获得试件表面裂纹的变化图像和反映试件内部结构的损伤演化过程的声发射特征，但系统复杂，实验及维护费用较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种应用于观测多场条件下煤瓦斯相 互作用及对瓦斯运移影响的煤岩瓦斯吸附—膨胀变形光学计量仪，从细观角度观测在多场物理条件下煤瓦斯相互作用的动态过程。

本发明的技术方案如下：一种煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，具有实验缸（1），所述实验缸（1）为上端敞口下端封闭的空心圆柱体，在实验缸（1）的内底壁上装有加热器（20），并在实验缸（1）内中部偏下的位置安装底座（6），所述底座（6）的后端固定侧部支撑体（7），底座（6）的前端设置加载板（5），该加载板（5）位于侧部支撑体（7）的正前方，并与压力杆（12）的后端固定，压力杆（12）前端伸出实验缸（1）外，并与杠杆装置（13）连接，在所述实验缸（1）左右两侧的中部对称设置有侧视窗（2），并在实验缸（1）的壁上开设抽气孔和充气孔，所述抽气孔外连接抽气子系统，充气孔外连接充气子系统，所述实验缸（1）上端的敞口由可拆卸安装的密封盖（10）封口，该密封盖（10）的中部开孔并嵌装透明视镜（3），在所述透明视镜（3）的正上方设置观测装置（11）。

采用以上技术方案，实验缸和密封盖组成封闭系统，为实验提供密闭的气压舱；实验体放置在底座上，并由侧部支撑体限位，底座和侧部支撑体组成实验体放置系统；杠杆装置推动压力杆，使压力杆带动加载板向实验体方向运动，向实验体施加压力，杠杆装置、压力杆和加载板组成应力加载系统，应力加载系统与实验体放置系统相结合，为实验体提供力场环境；抽气子系统用于将实验缸内的空气抽出，使实验缸内处于真空状态，然后通过充气子系统向实验缸内充入实验所需的高压瓦斯气体，抽气子系统和充气子系统组成围压系统，为实验体提供吸附气体及围压场环境；实验缸内底壁上的加热器及其控制电路组成温度场系统，用于对实验缸内的气体进行加热，为实验体提供温度场环境； 实验缸左右两侧的侧视窗略大于实验体，通过侧视窗，光源光路将穿过实验缸照射到实验体上，为实验提供可靠的可视环境，同时侧视窗可以方便实验人员直观的查看实验缸的内部情况；密封盖上的透明视镜为实验缸外设置的观测装置提供了有效的可视途径。

由此可见，本发明通过模拟实验体真实的多场（力场、围压场和温度场）环境，通过观测装置从细观角度观测多场条件下煤瓦斯相互作用及对瓦斯运移影响的煤岩瓦斯吸附—膨胀变形的动态过程。本发明不仅结构简单，组装容易，实验及维护费用低，而且操作便捷，实验结果准确可靠。由于实验所需加载的力较小，因此本发明采用杠杆装置来提供加载力，既能够满足较小力的需求，又能够很方便地调节力的大小。

所述杠杆装置（13）由第一推块（13a）、第二推块（13b）、杠杆（13c）、支点（13d）和配重块（13e）组成，第一推块（13a）和第二推块（13b）均为直角三角形，两者之间通过斜面相贴合，所述第一推块（13a）与压力杆（12）的前端连接，第二推块（13b）与杠杆（13c）的一端连接，杠杆（13c）的中部由支点（13d）支撑，杠杆（13c）的另一端悬吊安装配重块（13e）。以上结构在配重块重力的作用下使杠杆翻转，杠杆带动第二推块向后移动，使第二推块通过斜面推动第一推块，第一推块连同压力杆及加载板向后移动，对实验体施加压力。上述杠杆装置结构简单、成本低、操作方便，并且通过更换不同的配重块可以改变加载力的大小，力的调节非常便捷。

在所述实验缸（1）内装有温度传感器，该温度传感器和加热器（20）均通过导线与实验缸（1）外的微电脑温度控制器（21）连接，温度传感器将实验缸（1）内气体的温度信号传递给微电脑温度控制器（21），由微电脑温度控制器 （21）控制加热器（20）工作。以上结构使实验缸内的温度处于可控状态，能够起到防爆的作用，安全性好。

所述抽气子系统由抽气管道（9）、真空压力表（17）、真空控制阀（18）和真空泵（19）组成，抽气管道（9）的一端与实验缸（1）壁上的抽气孔连接，抽气管道（9）的另一端通过橡胶软管依次串联真空控制阀（18）、真空压力表（17）和真空泵（19）。以上结构管路布置容易，组装连接方便；真空控制阀用于调节抽真空的流量，真空压力表能够直观地显示实验缸内的真空度，以满足实验需要，进一步提高了实验结果的准确性。

所述充气子系统由进气管道（8）、气体控制阀（14）、气体减压阀（15）、气体压力表（16）和高压气体瓶（22）组成，进气管道（8）的一端与实验缸（1）壁上的充气孔连接，进气管道（8）的另一端通过橡胶软管依次串联气体控制阀（14）、气体压力表（16）、气体减压阀（15）和高压气体瓶（22）。以上结构一方面管路布置容易，组装连接方便；另一方面，向实验缸内充气过程可控，充气更安全、可靠。

所述密封盖（10）由两块大小厚度相同、中间开孔的圆形钢板叠合而成，这两块钢板之间通过多颗按圆周均匀分布的螺栓固定，在两块钢板接触部位所围成的孔中嵌装透明视镜（3），该透明视镜（3）上下端面的边缘由两块钢板压紧。以上结构能够便于透明视镜安装，并且透明视镜装配的牢靠性好，不会发生松动。

为了方便密封盖打开或关闭，下面一块钢板的底部一体形成有环形凸台，该环形凸台套装于实验缸（1）上，两者之间通过螺纹配合。

为了增强密封性，防止漏气，在所述实验缸（1）壁上供压力杆（12）穿过 的孔中嵌装有V型密封圈。

所述观测装置（11）由立体显微镜和显微镜摄像头组成，立体显微镜的物镜镜头与透明视镜（3）的圆心在同一轴线上。立体显微镜将实现对实验体的光学放大，安装在目镜处的显微镜摄像头能够提供全高清晰的实时图像，立体显微镜和显微镜摄像头共同为实验提供动态实时图像采集，并通过计算机应用程序实现图像处理及数据整合。

有益效果：本发明通过模拟实验体真实的多场（力场、围压场和温度场）环境，在工作过程中，利用配备的高倍数值显微镜系统，定量观测吸附和解吸瓦斯后的煤体后的膨胀收缩效应和瓦斯渗流特征，并计算在变形限制条件下的膨胀应力。本发明实现通过多场条件下煤与瓦斯相互作用的细观力学机制入手，进而研究这种相互作用对瓦斯在煤中渗流特性的影响，揭示煤瓦斯相互的力学作用机制及对煤层中瓦斯渗流的影响，为煤瓦斯突出预防、瓦斯抽采提供理论基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为实验缸及密封盖的俯视图。

图3为密封盖的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，实验缸1为上端敞口下端封闭的空心圆柱体，该实验缸1上端的敞口由可拆卸安装的密封盖10封口。密封盖10和实验缸1组成一个密闭的罐子，为实验提供气压舱。

如图1、图2和图3所示，密封盖10为直径略大于实验缸1直径的厚盖子，由两块大小厚度相同、中间开孔的圆形钢板叠合而成，这两块钢板之间通过多颗按圆周均匀分布的螺栓固定。下面一块钢板的底部一体形成有环形凸台，该环形凸台套装于实验缸1上，两者之间通过螺纹配合，通过拧动即可打开或关闭密封盖10。为了增强密封性，达到密闭效果，密封盖10内可设置橡胶垫。

如图1、图2和图3所示，在密封盖10两块钢板的中部均开有孔，两块钢板接触部位所围成的孔中嵌装透明视镜3，该透明视镜3上下端面的边缘由两块钢板压紧。两块钢板接触部位所围成的孔中使用弹性密封元件如垫圈或者硅胶合剂，来保证密封盖10与透明视镜3的接触部位不会漏气。透明视镜3可由钢化玻璃（无碱铝硅酸盐玻璃）、聚碳酸酯或者其他的耐高温高压透明光学介质组成。所述透明视镜3将为实验缸1外设置的光学显微观测装置提供有效的可视途径。

如图1所示，在实验缸1内中部偏下的位置安装底座6，实验体4放置在该底座6上。在所述实验缸1左右两侧的中部对称设置有方形窗口，该方形窗口的下端与底座6的顶部处于同一高度位置，且方形窗口略大于实验体。在每个方形窗口中安装有与之形状大小相适应的侧视窗2，侧视窗2由钢化玻璃（无碱铝硅酸盐玻璃）、聚碳酸酯或者其他的耐高温高压透明光学介质组成，且用硅胶合剂密封。通过侧视窗2，光源光路将穿过实验缸1照射到实验体4上，为实验提供可靠的可视环境，同时侧视窗2方便实验人员直观的查看实验缸1的内部情况。

如图1所示，在底座6后端的顶面上固定侧部支撑体7，该侧部支撑体7用于对实验体4限位。底座6前端的顶面上设置加载板5，该加载板5位于侧部支 撑体7的正前方，加载板5能在底座6上作前后移动。所述加载板5前板面的中部与压力杆12的后端固定，压力杆12垂直于加载板5，压力杆12前端伸出实验缸1外，在所述实验缸1壁上供压力杆12穿过的孔中嵌装有V型密封圈。 

如图1所示，在实验缸1的前方设置杠杆装置13，该杠杆装置13由第一推块13a、第二推块13b、杠杆13c、支点13d和配重块13e组成，第一推块13a和第二推块13b均为直角三角形，两者之间通过斜面相贴合。所述第一推块13a与压力杆12的前端连接，第二推块13b与杠杆13c的后端连接，杠杆13c的中部由支点13d支撑，杠杆13c的另一端悬吊安装配重块13e。配重块13e在重力作用下使杠杆13c的后端翘起，杠杆13c带动第二推块13b向后移动，使第二推块13b通过斜面推动第一推块13a，第一推块13a连同压力杆12及加载板5向后移动，对实验体4施加压力。通过换装不同大小的配重块13e可以调节对实验体4施加压力的大小。以上杠杆装置13可以通过重力得到为实验提供所需要的、可调节的特定轴向荷载，并通过压力杆12、加载板5传导，施加给实验体4，将为实验提供所需的力场环境。

如图1所示，在实验缸1的后端壁上开设抽气孔和充气孔，抽气孔位于充气孔的下方。所述抽气孔外连接抽气子系统，抽气子系统由抽气管道9、真空压力表17、真空控制阀18和真空泵19组成，抽气管道9优选为铜管，该抽气管道9的一端与实验缸1壁上的抽气孔连接，抽气管道9的另一端通过橡胶软管依次串联真空控制阀18、真空压力表17和真空泵19。真空泵19工作的时候，通过以上抽气管路将实验缸1内的空气抽出，使实验缸1处于真空状态。

如图1所示，在所述充气孔外连接充气子系统，充气子系统由进气管道8、气体控制阀14、气体减压阀15、气体压力表16和高压气体瓶22组成，进气管 道8优选为铜管，该进气管道8的一端与实验缸1壁上的充气孔连接，进气管道8的另一端通过橡胶软管依次串联气体控制阀14、气体压力表16、气体减压阀15和高压气体瓶22。根据实验设计，高压气体瓶22内装有包括CH4、CO2及AR的高压瓦斯气体，实验缸1抽真空后，将高压气体瓶22内的高压瓦斯气体通过以上充气管路充入实验缸1内。抽气子系统和充气子系统组成围压系统，为实验体提供吸附气体及围压场环境。

如图1所示，在实验缸1的内底壁上装有加热器20，该加热器20可以由电加热带构成，电加热带包含了至少一个电阻加热元件。在所述实验缸1内装有至少一个温度传感器，实验缸1外面设有一个采用PID（比例—积分—微分）算法且带有热电偶集成的微电脑温度控制器21，如CAL9900型。所述温度传感器和加热器20均通过导线与实验缸1外的微电脑温度控制器21连接。温度传感器将实验缸1内气体的温度信号传递给微电脑温度控制器21，由微电脑温度控制器21控制加热器20工作。加热器20、温度传感器及微电脑温度控制器21组成温度场系统，用于对实验缸1内的高压瓦斯气体进行加热，为实验体4提供温度场环境。

如图1所示，在所述透明视镜3的正上方设置观测装置11，该观测装置11由立体显微镜和显微镜摄像头组成，立体显微镜的物镜镜头与透明视镜3的圆心在同一轴线上。立体显微镜将实现对实验件4的光学放大，安装在目镜处的显微镜摄像头能够提供全高清晰的实时图像，立体显微镜和显微镜摄像头共同为实验提供动态实时图像采集，并通过计算机应用程序实现图像处理及数据整合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，具有实验缸(1)，其特征在于：所述实验缸(1)为上端敞口下端封闭的空心圆柱体，在实验缸(1)的内底壁上装有加热器(20)，并在实验缸(1)内中部偏下的位置安装底座(6)，所述底座(6)的后端固定侧部支撑体(7)，底座(6)的前端设置加载板(5)，该加载板(5)位于侧部支撑体(7)的正前方，并与压力杆(12)的后端固定，压力杆(12)前端伸出实验缸(1)外，并与杠杆装置(13)连接，在所述实验缸(1)左右两侧的中部对称设置有侧视窗(2)，并在实验缸(1)的壁上开设抽气孔和充气孔，所述抽气孔外连接抽气子系统，充气孔外连接充气子系统，所述实验缸(1)上端的敞口由可拆卸安装的密封盖(10)封口，该密封盖(10)的中部开孔并嵌装透明视镜(3)，在所述透明视镜(3)的正上方设置观测装置(11)；

所述杠杆装置(13)由第一推块(13a)、第二推块(13b)、杠杆(13c)、支点(13d)和配重块(13e)组成，第一推块(13a)和第二推块(13b)均为直角三角形，两者之间通过斜面相贴合，所述第一推块(13a)与压力杆(12)的前端连接，第二推块(13b)与杠杆(13c)的一端连接，杠杆(13c)的中部由支点(13d)支撑，杠杆(13c)的另一端悬吊安装配重块(13e)。

2.根据权利要求1所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：在所述实验缸(1)内装有温度传感器，该温度传感器和加热器(20)均通过导线与实验缸(1)外的微电脑温度控制器(21)连接，温度传感器将实验缸(1)内气体的温度信号传递给微电脑温度控制器(21)，由微电脑温度控制器(21)控制加热器(20)工作。

3.根据权利要求1所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：所述抽气子系统由抽气管道(9)、真空压力表(17)、真空控制阀(18)和真空泵(19)组成，抽气管道(9)的一端与实验缸(1)壁上的抽气孔连接，抽气管道(9)的另一端通过橡胶软管依次串联真空控制阀(18)、真空压力表(17)和真空泵(19)。

4.根据权利要求1或3所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：所述充气子系统由进气管道(8)、气体控制阀(14)、气体减压阀(15)、气体压力表(16)和高压气体瓶(22)组成，进气管道(8)的一端与实验缸(1)壁上的充气孔连接，进气管道(8)的另一端通过橡胶软管依次串联气体控制阀(14)、气体压力表(16)、气体减压阀(15)和高压气体瓶(22)。

5.根据权利要求1所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：所述密封盖(10)由两块大小厚度相同、中间开孔的圆形钢板叠合而成，这两块钢板之间通过多颗按圆周均匀分布的螺栓固定，在两块钢板接触部位所围成的孔中嵌装透明视镜(3)，该透明视镜(3)上下端面的边缘由两块钢板压紧。

6.根据权利要求5所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：下面一块钢板的底部一体形成有环形凸台，该环形凸台套装于实验缸(1)上，两者之间通过螺纹配合。

7.根据权利要求1所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：在所述实验缸(1)壁上供压力杆(12)穿过的孔中嵌装有V型密封圈。

8.根据权利要求1或5所述的煤岩瓦斯吸附-膨胀变形光学计量仪，其特征在于：所述观测装置(11)由立体显微镜和显微镜摄像头组成，立体显微镜的物镜镜头与透明视镜(3)的圆心在同一轴线上。