CN104181283A

CN104181283A - 受载煤破裂过程中氡气析出测定方法及装置

Info

Publication number: CN104181283A
Application number: CN201410455912.8A
Authority: CN
Inventors: 魏建平; 姚邦华; 徐向宇; 温志辉; 王登科; 李波; 李恩福
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: CN104181283B

Abstract

本发明涉及受载煤破裂过程中氡气析出测定方法及装置，所述测定方法包括以下步骤：（1）取煤样制成试件安装在三轴压缩仪的上、下压头之间，并在试件外侧套上热缩管；（2）对由上、下压头和热缩管围成的样品室进行抽真空处理，然后向样品室持续通入载气；（3）待煤样试件对载气达到吸附平衡后，为试件施加围压和轴向压力，同时开始记录测定过程中的声发射信号；（4）开启样品室的出气孔道，收集从样品室释放出的气体，测定气体中的氡气含量；（5）闭合样品室的出气孔道，使煤样试件对载气重新达到吸附平衡；增加轴向压力；（6）重复步骤（4）和（5），直到试件破坏；停止记录声发射信号。

Description

受载煤破裂过程中氡气析出测定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种研究煤矿开采过程中煤体氡析出规律的试验方法及装置。

背景技术

我国煤层赋存地质条件复杂，煤与瓦斯突出、冲击矿压、冒顶等煤岩动力灾害严重，给国家和人民的生命财产安全造成了极大的危害。随着矿井向深部开采，地应力和瓦斯压力增大，煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害的威胁将更加严峻。这些灾害事故均与煤岩体失稳破坏密切相关。煤岩体破裂过程中伴随着能量的耗散还有放射性元素析出，氡（Rn）是一种重要表现形式。国内外相关研究表明，氡浓度的变化可以作为一种有前景的煤岩瓦斯动力灾害预测手段。

氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这些放射性元素在衰变过程中所形成的产物。氡检测技术是一种很有发展前途的地球物理勘探方法。氡在地壳中的分布较为广泛，几乎在各种岩石中都能找到它的踪迹。氡一般不与其它物质发生化学作用，但可被其它固体物质所吸附，氡在岩石中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在，在地下水中以溶解氡和逸出氡的形式存在。目前，氡检测技术广泛应用于地震预报以及地质构造、地热水、边坡稳定性探测等领域。

在煤岩层开采过程中，自由氡伴随煤岩析出，煤岩体破裂吸附氡和封闭氡也会大量析出。利用氡检测来预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩瓦斯动力灾害具有重要的研究价值。前人关于煤岩破裂过程氡浓度变化的研究为煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害提供了一种新的预测途径，但相关研究还仅处于初步试验阶段。煤与瓦斯突出等含瓦斯煤岩动力灾害是煤岩体结构、地应力和瓦斯压力综合作用的结果，因此，研究含瓦斯煤岩破裂过程中氡析出规律，有利于进一步揭示含瓦斯煤岩动力灾害的氡异常机理和氡放射前兆特征，有望为煤岩瓦斯动力灾害氡预测技术提供极有价值的理论支撑。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种受载煤破裂过程中氡气析出的测定方法，提供相应的配套装置则是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，包括以下步骤：

（1）取煤样制成试件安装在三轴压缩仪的上、下压头之间，并在试件外侧套上热缩管；

（2）对由上、下压头和热缩管围成的样品室进行抽真空处理，然后向样品室持续通入载气；

（3）待煤样试件对载气达到吸附平衡后，为试件施加围压和轴向压力，同时开始记录测定过程中的声发射信号；

（4）开启样品室的出气孔道，收集从样品室释放出的气体，测定气体中的氡气含量；

（5）闭合样品室的出气孔道，使煤样试件对载气重新达到吸附平衡；增加轴向压力；

（6）重复步骤（4）和（5），直到试件破坏；停止记录声发射信号。

所述载气为空气、CH₄、N₂或CO₂。煤是一种含有发育的孔、裂隙的固体介质，对甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)均具有较强的吸附能力，其中甲烷是煤层气的主要成分，而二氧化碳和氮气则是注气开采中常用的气体形式。因此，在测定过程中根据实际需要通入空气、CH₄、N₂或CO₂等不同形式的气体，可用于研究氡气析出对不同瓦斯气体的响应特征，有利于更加真实、客观地模拟煤层氡气释放的实地状态。另一方面，通入载气可提高煤样在三轴加载条件下排出气体的流量，加速氡的迁移，可实现煤样在不同受载阶段氡析出的快速准确测量。

测定前先将煤样试件于110±5℃下干燥预处理4h。

与所述受载煤破裂过程中氡气析出测定方法配套的装置，包括三轴压缩仪，所述三轴压缩仪包括压力室，压力室底部设有进油口和出油口，顶部设有排气口；压力室内设有上压头、下压头以及竖向设置在上、下压头之间的热缩管，上压头、下压头与热缩管共同围成样品室；上压头内设有进气孔道，下压头内设有出气孔道，所述进气孔道与载气输送管连通，所述出气孔道与集气罐相连，集气罐与测氡仪相连；所述压力室外壁上设有声发射传感器，声发射传感器与中央处理单元相连。

所述出气孔道外接有出气管，出气管通过三通阀与第一支管、第二支管相连，其中第一支管连接测氡仪，第二支管连接集气罐，集气罐与测氡仪之间设有连接管；出气管上设有阀门；第一支管、第二支管或连接管任一上设有次支管；所述次支管与真空泵相连，次支管上设有阀门。

所述第一支管、第二支管或连接管上设有排气管，排气管上设有阀门。

所述载气输送管通过三通阀分别连接两路支管，其中一路支管上设有空气压缩机，另一路支管与气瓶相连；两路支管上均设有阀门。

所述上压头下部、下压头上部分别设有多孔板。

本发明基于三轴压缩仪设计了一种新的氡气析出测定方法，该法与现有技术相比，具有如下技术优势：

1、利用三轴压缩仪为煤样施加围压和轴向压力，方便、精准且可控性强。

2、利用载气驱动氡的迁移，实现了氡气析出的快速准确测定。受围压影响，受载煤样在形成裂隙通道前其结构比较致密，渗透性差，此时从样品室排出的气体量极小，难以进行可靠测试。另一方面，在矿山现场，煤层瓦斯气体的存在又十分普遍；氡气的迁移速度除与裂隙有关外，与空气或瓦斯气体的驱动亦显著关联。因此，为煤样试件通入载气，一方面可加速氡的迁移，提高测试灵敏度，另一方面也有助于模拟现场情况。

3、载气种类可控，可用于研究氡析出对不同瓦斯气体的响应特征。

4、施加载荷过程中记录煤样试件的声发射信号，可用于研究氡析出与裂隙发育、裂纹扩展的关系。

本发明提供的测定装置集成了三轴压缩仪、测定仪以及声发射系统等，其载荷、载气可调可控，整套装置可操作性强、可靠性高，使用方便。

附图说明

图1是本发明实施例装置的结构示意图。

具体实施方式

受载煤破裂过程中氡气析出测定装置，如图1所示，包括三轴压缩仪，三轴压缩仪包括压力室1和设置在压力室1上方的液压缸17，压力室1由顶板2、底板3和围设在顶板2与底板3之间的侧板19组成。压力室1内设有上压头8、下压头9以及竖向设置在上压头8与下压头9之间的热缩管7，上压头8、下压头9与热缩管7共同围成样品室；上压头8下部设有多孔板4，下压头9上部设有多孔板5。上压头8向上伸出顶板2外，液压缸17的液压杆向下伸出并连接上压头8的顶端；液压杆与上压头8之间设有位移传感器15和应力传感器16。顶板2上设有排气口13，底板3上设有进油口10和出油口11，进油口10通过油管连接液压泵21。

侧板19上设有声发射传感器18，声发射传感器18与中央处理单元20相连。

上压头8内设有进气孔道14，进气孔道14与载气输送管45连通，载气输送管45通过三通阀42分别连接两路支管，其中一路支管上设有阀门43和空气压缩机44，另一路支管上依次设有阀门41、压力表40、调节阀39、减压阀38、阀门37以及连接在该支管末端的气瓶36。

下压头9内设有出气孔道12，出气孔道12外接有出气管22，出气管22通过三通阀26与第一支管24、第二支管23相连，其中第一支管24连接测氡仪25，第二支管23连接集气罐31，集气罐31与测氡仪25之间设有连接管35，集气罐31上设有压力表32；出气管22上设有阀门27，通过阀门27来控制出气孔道12的开启与闭合；第二支管23上设有次支管28，次支管28与真空泵30相连，次支管28上还设有阀门29。连接管35上设有排气管33，排气管33上设有阀门34。

三轴压缩仪采用全数字计算机控制，其最大轴向载荷为1000KN，可以实现位移控制、变形控制和载荷控制三种控制方式，变形速率在0.0001～1mm/s、载荷速率在0.01～100KN/s范围内可调。压力室1为圆柱形，直径20cm，高30cm；测氡仪25选用KJD-2000R型连续测氡仪，它利用静电收集氡衰变子体进行累积测量，灵敏度高，现场获取结果；体积小，操作方便。声发射传感器18与中央处理单元20共同构成煤岩声发射试验系统，用于收集并记录煤岩受载过程的声发射信号。声发射信号可反映煤岩试件受载过程中内部裂纹扩展及裂隙发育情况。本实施例所用煤岩声发射试验系统是全数字化系统，具有超快处理速度、超强处理能力及稳定性，能实现多通道并行声发射信号处理及同步声发射特征参数抽取与瞬态波形记录。

受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，包括以下步骤：

（1）取煤样制成试件6，小心清除表面的粘着物和易掉落的煤岩屑，然后置于烘箱中于110±5℃下干燥预处理4h，取出煤样，放置在干燥器中自然冷却至室温；打开压力室1的顶板2，将套有热缩管7的试件6安装在三轴压缩仪的上压头8与下压头9之间，上压头8与试件6之间设有多孔板4，下压头9与试件6之间设有多孔板5。关闭出油口11，打开排气口13和进油口10，开启液压泵21为压力室1充入油；待油充满时关闭排气口13，关闭液压泵21。

（2）关闭阀门34、41、43，开启阀门27、29，开启真空泵30对系统进行抽真空，观察一段时间，若试验系统负压没有变化，证明装置的气密性良好。检查完气密性后关闭阀门27、29，调节阀门43或41，开启空气压缩机44或气瓶36，往试验系统内持续通入载气（空气、CH₄、N₂或CO₂）。本实施例中关闭阀门43，开启阀门41和气瓶36，为试验系统通入CH4。

（3）待煤样试件6对载气达到吸附平衡后，开启液压缸17和液压泵21为试件6施加围压和轴向压力，同时启动声发射传感器18与中央处理单元20，开始记录测定过程中的声发射信号。

（4）关闭阀门29，打开阀门27，使样品室内的气体沿样品室出气孔12进入集气罐31中；待集气罐31充满气体后，关闭阀门27，开启测氡仪25进行氡气测定；测定完成后打开阀门29和真空泵30，排空集气罐31内的废气。

（5）使煤样试件对载气重新达到吸附平衡。

（7）数据分析：根据煤样试件6在不同受载条件下采集到的声发射信息和氡析出量，分析煤样试件6受载过程中内部裂纹扩展及损伤情况与氡析出量之间的关系，得出煤样受载条件下氡析出的阶段性规律；对比不同载气条件下煤样受载过程中的氡析出量的不同，研究分析煤样破裂过程氡析出对不同瓦斯气体响应特征。

（8）试验结束后，开启阀门34进行系统清理。

Claims

1.受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，其特征在于，所述载气为空气、CH₄、N₂或CO₂。

3.如权利要求1或2所述受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，其特征在于，测定前先将煤样试件于110±5℃下干燥预处理4h。

4.与权利要求1或2所述受载煤破裂过程中氡气析出测定方法配套的装置，包括三轴压缩仪，其特征在于，所述三轴压缩仪包括压力室，压力室底部设有进油口和出油口，顶部设有排气口；压力室内设有上压头、下压头以及竖向设置在上、下压头之间的热缩管，上压头、下压头与热缩管共同围成样品室；上压头内设有进气孔道，下压头内设有出气孔道，所述进气孔道与载气输送管连通，所述出气孔道与集气罐相连，集气罐与测氡仪相连；所述压力室外壁上设有声发射传感器，声发射传感器与中央处理单元相连。

5.如权利要求4所述的配套装置，其特征在于，所述出气孔道外接有出气管，出气管通过三通阀与第一支管、第二支管相连，其中第一支管连接测氡仪，第二支管连接集气罐，集气罐与测氡仪之间设有连接管；出气管上设有阀门；第一支管、第二支管或连接管任一上设有次支管；所述次支管与真空泵相连，次支管上设有阀门。

6.如权利要求5所述的配套装置，其特征在于，所述第一支管、第二支管或连接管上设有排气管，排气管上设有阀门。

7.如权利要求5或6所述的配套装置，其特征在于，所述载气输送管通过三通阀分别连接两路支管，其中一路支管上设有空气压缩机，另一路支管与气瓶相连；两路支管上均设有阀门。

8.如权利要求7所述的配套装置，其特征在于，所述上压头下部、下压头上部分别设有多孔板。