CN104266951A - 一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法，所述系统包括抽真空装置、氦气供给装置、孔隙率测量装置、孔隙率变化量测量装置以及用以施加载荷的三轴伺服压力机等部分。该系统能够精确测定受载条件下煤岩孔隙率的动态变化，可以用于：1）精确测量特定载荷下煤岩试样的孔隙率；2）精确测定煤岩试样受载过程中孔隙率的动态变化规律。

Description

一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法

技术领域

本发明属于受载煤岩孔隙率测定技术领域，具体涉及一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法，其适用于煤炭资源安全开采、煤层气开发、石油、天然气等领域实验室测定煤岩隙率，并研究煤岩孔隙率随载荷的变化规律。

背景技术

我国煤炭资源丰富，煤炭中含有大量的瓦斯，无论是把煤层瓦斯作为灾害因素加以防治，或者将瓦斯作为一种资源进行开发利用，都必须研究煤岩中瓦斯的运移规律。煤岩是一种典型的多孔物质，瓦斯沿着煤岩中的孔隙连通流动。在外部载荷作用下，煤岩体发生变形，使得瓦斯流经的通道也发生相应的变形，最终导致煤岩中瓦斯的渗透特性发生改变。研究煤岩孔隙率随外加载荷的变化规律对研究瓦斯的赋存和运移有着重要意义。

煤岩的孔隙率就是煤岩内部孔隙体积与煤岩总体积之比，目前的研究方法有：压汞法、三维成像法、真假密度法、液氮吸附法、排水法，等等，这些方法与其相应的系统一定程度上推进了煤岩孔隙的研究，但是还存在着一些不足：

（1）目前部分测定煤岩孔隙率方法采用水浸的方式，测量精度低，由于液态表面张力的作用，液体无法充分浸入小孔隙，增大了测量误差。

（2）采用三维成像等方法，设备昂贵，且维护与运行条件均较高，实际测量中很少采用。

（3）采用真假密度法测量，需要将煤岩研磨成粉末，被测试的煤岩试样不能再用于其他诸如力学性质的测定，也存在较大的局限性。

（4）以往的煤岩孔隙率测量系统无法实现外部载荷作用下孔隙率的动态测定功能，在生产实际中，煤岩处于重力场、构造应力场等各种应力场中，所以必须要考虑外加载荷的影响作用才能更加真实、可靠地研究煤岩孔隙率。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其通过密封系统中氦气体积的变化来精确测定煤岩孔隙率。

本发明还提供了一种利用上述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，包括三轴压力室和三轴伺服压力机，所述三轴伺服压力机的上、下压头位于三轴压力室内，其中，上、下压头之间设有用于装煤岩试样的热缩管；所述上压头的底端、下压头的顶端分别封堵于热缩管的顶端和底端，上压头的底面以及下压头的顶面各设一多孔板，上、下压头内分别设有上、下通气道，上通气道伸出三轴压力室与上压头多孔板的通气孔连通，下通气道与下压头多孔板的通气孔连通；所述下通气道连接孔隙率变化量测量装置，该孔隙率变化量测量装置主要由第三阀门和带刻度的玻璃管组成，玻璃管内设有与管体内壁配合滑动连接的游标；所述上通气道伸出三轴压力室连接第二三通阀，且通过第二三通阀分为两个支路，其中一个连接抽真空装置；另一个连接第一三通阀，第一三通阀的另两个接口分别连接孔隙率测量装置和氦气供给装置。

具体的，所述抽真空装置主要由顺次连接的真空计、第一阀门和真空泵组成。

所述孔隙率测量装置主要由带刻度的筒体和位于筒体内、并与筒体内壁配合滑动连接的活塞组成。

所述氦气供给装置主要由顺次连接的气压表、减压阀、第二阀门和氦气瓶组成。

一种利用上述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法，其包括如下步骤：

1）取一个标准煤岩试样，并测定出煤岩试样的初始孔隙率                                                ，其中，V_p为煤岩试样内部的孔隙体积，V₀为煤岩试样的总体积；

2）检查上述系统的气密性，确保系统气密性良好；将煤岩试样放入热缩管内；

3）向孔隙率变化量测量装置内充入一定量的氮气，利用具有密封功能的游标将玻璃管中的氦气与空气隔离，并通过第三阀门将之与系统的下通气道连接；

4）关闭系统管路上的所有阀门，通过第一三通阀、第二三通阀使抽真空装置与孔隙率测量装置连接，利用抽真空装置向孔隙率测量装置抽真空，当孔隙率测量装置达到相应的真空度要求后，关闭抽真空装置并打开氦气供给装置，向孔隙率测量装置内充入一定量的氦气，然后关闭氦气供给装置和孔隙率测量装置；

5）打开抽真空装置及煤岩试样所在相关管路，对受到良好密封的煤岩试样所在的三轴压力室进行抽真空，抽真空完成后关闭抽真空装置，打开孔隙率测量装置，此时孔隙率测量装置内的氦气被自动吸入煤岩试样及所在相关管路，待吸入稳定后，关闭孔隙率测量装置；

6）打开孔隙率变化量测量装置使其与煤岩试样连通，系统稳定后记录下游标所处位置的读数a；利用三轴伺服压力机和三轴压力室对煤岩试样施加一个初始静水压力σ ₁=σ ₃，其中σ ₁为轴压，σ ₃为围压，观察玻璃管中游标的位置变化情况，当游标的位置稳定后，记下游标所处位置的读数b；煤岩试样在施加初始载荷后的孔隙率通过下式计算得到：

  式中：r为玻璃管的内径；为煤岩试样在初始载荷条件下的孔隙率；

7）再次记录好施加载荷前后游标所处位置的读数a和b，根据上述公式就能得到不同载荷条件下煤岩试样的孔隙率大小。

本发明系统主要由抽真空装置、氦气供给装置、孔隙率测量装置、孔隙率变化量测量装置、三轴压力室以及用以施加载荷的三轴伺服压力机等构成。三轴压力室为密封设置。抽真空装置主要由真空泵、阀门、真空计和相应管路组成。氦气供给装置主要由氦气瓶、阀门、减压阀、气压表和相关管路组成。所述孔隙率测量装置由带刻度的筒体和位于筒体内、并与筒体内壁配合滑动连接的活塞组成。孔隙率变化量测量装置主要由带刻度玻璃管、及位于其内的游标和相关管路组成。带刻度玻璃管为一直径5mm的玻璃细管，其内截面积为0.19625cm²，那么1cm长的玻璃管的体积为0.19625cm³（0.19625ml，约0.2ml），以1mm为单位，那么内径为5mm玻璃管具有0.02ml的测量精度，从而实现高精度测量。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

通过在系统中增设由带刻度玻璃管及位于其内的游标组成的孔隙率变化量测量装置，利用三轴伺服压力机对煤岩试样施加不同的载荷，从而实现高精度测量不同受载条件下煤岩孔隙率的动态变化。该系统和方法可以用于：1）精确测量特定载荷下煤岩试样的孔隙率；2）精确测定煤岩试样受载过程中孔隙率的动态变化规律。

附图说明：

图1为本发明所述系统的结构示意图；图中，1为真空泵；2为真空计；3为气压表；4为减压阀；5为带刻度的筒体；6为活塞；7为氦气瓶；8为上压头；9为下压头；10为第一多孔板；11为第二多孔板；12为煤岩试样；13为热缩管；14为带刻度的玻璃管；15为游标； 16为第一阀门；17为第二阀门；18为第三阀门；19为第四阀门；20为第一三通阀；21为第二三通阀；22为三轴伺服压力机；23为三轴压力室；

图2为煤岩试样弹性阶段孔隙率随轴压的变化趋势。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

如图1所示，一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，包括三轴压力室23和三轴伺服压力机22，所述三轴伺服压力机22的上压头8、下压头9位于三轴压力室23内，其中，还包括位于上压头8、下压头9之间用于装煤岩试样12的热缩管13；所述上压头8的底端、下压头9的顶端分别封堵于热缩管13的顶端和底端，上压头8的底面设有第一多孔板10，下压头9的顶面设有第二多孔板11，上压头8内设有上通气道，下压头9内设有下通气道，上通气道与第一多孔板10的通气孔连通，下通气道与第二多孔板11的通气孔连通；所述下通气道伸出三轴压力室23连接孔隙率变化量测量装置，该孔隙率变化量测量装置主要由第三阀门18和带刻度的玻璃管14组成，玻璃管14内设有与管体内壁配合滑动连接的游标15；所述上通气道伸出三轴压力室23顺次连接第四阀门19和第二三通阀21，且通过第二三通阀21分为两个支路，其中一个连接抽真空装置；另一个连接第一三通阀20，第一三通阀20的另两个接口分别连接孔隙率测量装置和氦气供给装置。

所述抽真空装置主要由顺次连接的真空计2、第一阀门16和真空泵1组成。所述孔隙率测量装置主要由带刻度的筒体5和位于筒体5内、并与筒体5内壁配合滑动连接的活塞6组成。所述氦气供给装置主要由顺次连接的气压表3、减压阀4、第二阀门17和氦气瓶7组成。

本发明的抽真空装置由真空泵1、第一阀门16、真空计2和相应的管道连接组成。打开第一阀门16，将第二三通阀21连接到煤岩试样12所在回路，启动真空泵1对密封良好的煤岩试样12抽真空，通过真空计2观察抽真空情况；对煤岩试样抽真空的时间不少于12h，达到试验的真空度要求后，随即关闭第一阀门16。

本发明的氦气供给装置由氦气瓶7、第二阀门17、减压阀4、气压表3和相应管道等组成。本发明的孔隙率测量装置由带刻度的筒体5、活塞6和相应管路组成。首先向带刻度的筒体5中充入氦气，对煤岩试样12抽真空以后，通过第二三通阀21、第一三通阀20将筒体5与密封良好的煤岩试样12连通，利用负压，氦气自动充填煤岩内部孔隙及相关管路，根据气体充填体积差可以直接测量煤岩试样12孔隙率。

本发明的孔隙率变化量测量装置由带刻度玻璃管14（直径5mm，带刻度玻璃细管壁与游标15间涂抹凡士林润滑，并起到增加气密性的效果）、游标15、第三阀门18和相应管路组成。煤岩试样在受载条件下，内部孔隙会发生改变，可容纳气体的体积就会有所改变，导致游标15在玻璃管14内移动，通过带刻度玻璃管14的读数便可知煤岩试样孔隙率的变化情况。

本发明的载荷施加装置主要由煤岩三轴伺服压力机22及其上压头8、下压头9和相关管路组成，通过煤岩三轴伺服压力机22对煤岩试样12施加载荷，并监测所加载荷大小。

一种利用上述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法，其特征在于，括如下步骤：

1）取一个标准煤岩试样（具体尺寸约Φ50×100mm），利用游标卡尺量取煤岩试样的直径和高度，便可计算得出煤岩试样的总体积V ₀。在精确测定受载煤岩试样孔隙率动态变化之前，需要先准确测定出煤岩试样内部的孔隙体积V _p。测定V _p的大小可采用发明专利“采用等压变容法测量岩心孔隙度的方法及装置（CN200910229933.7）”中所提供的方法。因此，所取煤岩试样的初始孔隙率。

2）对上述试验系统进行气密性检查，确保试验系统不漏气。打开第二阀门17和第四阀门19，将第二三通阀21、第一三通阀20连接至煤岩试样12所在回路，通过氦气瓶7和减压阀4向系统中通入一定压力的氦气，查看气压表3的读数。如果注气后2小时内气压表3的读数没有变化，则说明试验系统气密性良好。将煤岩试样12放入下压头9之上，用热缩管13套住煤岩试样12，将上压头8压在煤岩试样12之上，此时热缩管13的顶端和底端相当于分别套在上压头8底端和下压头9顶端，利用热风枪使热缩管13收缩，起到密封作用。

3）先向孔隙率变化量测量装置中带刻度玻璃管14中充入一定量的氦气，利用具有密封功能的游标15将带刻度玻璃管14中的氦气与空气隔离，并通过第三阀门19将之与系统的下通气道连接。

4）关闭系统管路上的所有阀门，首先利用抽真空装置向孔隙率测量装置抽真空（即利用第二三通阀21、第一三通阀20将真空泵1和带刻度的筒体5连通，打开第一阀门16对筒体5及与其相连的管路抽真空）。达到真空度要求后关闭抽真空装置并打开氦气供给装置，向孔隙率测量装置内充入一定量的氦气，然后关闭氦气供给装置和孔隙率测量装置，具体为：依次关闭第一阀门16和真空泵1；然后利用第一三通阀20将氦气瓶7与筒体5相连，打开第二阀门17，利用减压阀4往筒体5中充入一定量的氦气，然后关闭第二阀门17并利用第一三通阀20断开与筒体5的连通。

5）打开抽真空装置及煤岩试样所在相关管路，对受到良好密封的煤岩试样所在的三轴压力室进行抽真空，抽真空完成后关闭抽真空装置，打开孔隙率测量装置，此时孔隙率测量装置内的氦气被自动吸入煤岩试样及所在相关管路，待吸入稳定后，关闭孔隙率测量装置；具体为：利用第二三通阀21连通煤岩试样12和真空泵1，打开第一阀门16和第四阀门19，利用真空泵1对煤岩试样12及相关管路抽真空，抽真空完成之后关闭第一阀门16；利用第二三通阀21、第一三通阀20将筒体5与煤岩试样12连通，在负压作用下，筒体5内的氦气自动被吸入煤岩试样及所在相关管路，待筒体5中的活塞6所对应的读数不再发生变化后，关闭第四阀门19。

6）打开第三阀门18，使孔隙率变化量测量装置中的带刻度玻璃管14与煤岩试样12连通，系统稳定后记录下游标15所处位置的读数a；利用三轴伺服压力机22和三轴压力室23对煤岩试样12施加一个初始静水压力σ ₁=σ ₃，其中σ ₁为轴压，σ ₃为围压，仔细观察玻璃管14中游标15的位置变化情况，当游标15的位置稳定后，记下游标15所处位置的读数b；煤岩试样12在施加初始载荷后的孔隙率通过下式计算得到：

                      （1） 

式中：r为玻璃管14的内径，取5mm；为煤岩试样在初始载荷条件下的孔隙率；

7）再次记录好施加载荷前后游标15所处位置的读数a和b，根据上述公式（1）依次类推，就能得到不同载荷条件下煤岩试样12的孔隙率大小。

8）此外，还可以在保持围压σ ₃不变的条件下，利用三轴伺服压力机22对煤岩试样12继续增加轴压σ ₁的大小，仔细观察玻璃管14中游标15的位置变化情况，并记录好相关读数，以便通过计算获取不同轴向载荷条件下的煤岩试样孔隙率的动态变化情况。

下面利用一组实测数据来说明受载煤岩试样的孔隙率动态变化情况，数据见表1。

表1受载煤岩试样孔隙率变化情况（围压σ ₃=1MPa，煤岩试样处于弹性变形阶段）

根据表1中的数据，可绘制出煤岩试样在弹性变形阶段的孔隙率变化情况，如图2所示，可见在弹性变形阶段，试样的孔隙率随轴压增加呈现出递减趋势。

Claims (5)

1.一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，包括三轴压力室和三轴伺服压力机，所述三轴伺服压力机的上、下压头位于三轴压力室内，其特征在于，上、下压头之间设有用于装煤岩试样的热缩管；所述上压头的底端、下压头的顶端分别封堵于热缩管的顶端和底端，上压头的底面以及下压头的顶面各设一多孔板，上、下压头内分别设有上、下通气道，上通气道与上压头多孔板的通气孔连通，下通气道与下压头多孔板的通气孔连通；所述下通气道伸出三轴压力室连接孔隙率变化量测量装置，该孔隙率变化量测量装置主要由第三阀门和带刻度的玻璃管组成，玻璃管内设有与管体内壁配合滑动连接的游标；所述上通气道伸出三轴压力室连接第二三通阀，且通过第二三通阀分为两个支路，其中一个连接抽真空装置；另一个连接第一三通阀，第一三通阀的另两个接口分别连接孔隙率测量装置和氦气供给装置。

2.如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于，所述抽真空装置主要由顺次连接的真空计、第一阀门和真空泵组成。

3.如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于，所述孔隙率测量装置主要由带刻度的筒体和位于筒体内、并与筒体内壁配合滑动连接的活塞组成。

4.如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于，所述氦气供给装置主要由顺次连接的气压表、减压阀、第二阀门和氦气瓶组成。

5.一种利用权利要求1所述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）取一个标准煤岩试样，并测定出煤岩试样的初始孔隙率                                               ，其中，V_p为煤岩试样内部的孔隙体积，V₀为煤岩试样的总体积；

2）检查权1所述系统的气密性，确保系统气密性良好；将煤岩试样放入热缩管内；

3）向孔隙率变化量测量装置内充入一定量的氮气，利用具有密封功能的游标将玻璃管中的氦气与空气隔离，并通过第三阀门将之与下通气道连接；

4）关闭系统管路上的所有阀门，通过第一三通阀、第二三通阀使抽真空装置与孔隙率测量装置连接，利用抽真空装置向孔隙率测量装置抽真空，当孔隙率测量装置达到相应的真空度要求后，关闭抽真空装置并打开氦气供给装置，向孔隙率测量装置内充入一定量的氦气，然后关闭氦气供给装置和孔隙率测量装置；

5）打开抽真空装置及煤岩试样所在相关管路，对受到良好密封的煤岩试样所在的三轴压力室进行抽真空，抽真空完成后关闭抽真空装置，打开孔隙率测量装置，此时孔隙率测量装置内的氦气被自动吸入煤岩试样及所在相关管路，待吸入稳定后，关闭孔隙率测量装置；

6）打开孔隙率变化量测量装置使其与煤岩试样连通，系统稳定后记录下游标所处位置的读数a；利用三轴伺服压力机和三轴压力室对煤岩试样施加一个初始静水压力σ ₁=σ ₃，其中σ ₁为轴压，σ ₃为围压，观察玻璃管中游标的位置变化情况，当游标的位置稳定后，记下游标所处位置的读数b；煤岩试样在施加初始载荷后的孔隙率通过下式计算得到：

  式中：r为玻璃管的内径；为煤岩试样在初始载荷条件下的孔隙率；

7）再次记录好施加载荷前后游标所处位置的读数a和b，根据上述公式就能得到不同载荷条件下煤岩试样的孔隙率大小。