CN104880270A - 一种煤体吸附变形附加应力测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤体吸附变形附加应力测定装置，包括吸附变形附加应力测试系统，吸附变形附加应力测试系统包括密封箱体，在密封箱体内设有刚性底座、刚性支撑架、可调节螺旋杆，刚性支撑架端部和可调节螺旋杆端部均设有刚性垫块，在可调节螺旋杆靠近刚性垫块的位置设有应力传感器，供气增压系统、真空泵与密封箱体内连接，应力传感器与数据采集器连接线连接应力传感器和数据采集器，数据采集线连接温度及压力传感器、温度表、压力表三和数据采集器，计算机连接数据采集器。本发明可以实现实时有效的观察与记录煤体吸附不同压力不同气体的吸附变形应力的大小，对吸附变形附加应力的准确测定对煤体渗透性模型的计算有着非常重大的意义。

Description

一种煤体吸附变形附加应力测定装置

技术领域

本发明涉及一种煤体吸附变形附加应力测定装置，尤其适用于测定煤体在不同吸附气体及不同吸附平衡压力下吸附变形的附加应力的大小。

背景技术

我国煤层埋深大，地应力高、煤层瓦斯含量、压力高，煤层松软且渗透性低，而煤层渗透性是控制煤层瓦斯抽采的主要因素，煤层瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量，消除突出危险性最主要的技术手段。而地应力是控制煤层渗透率的关键因素。因此，开展瓦斯抽采过程中应力特征研究对煤层瓦斯高效抽采开发具有重要意义。

煤体由裂隙-基质(孔隙)组成的双重孔隙介质，且煤体对于很多气体具有较强的吸附能力。由于煤体自身结构的特性导致在瓦斯与常规油气相比在开采时有着显著的不同，随着瓦斯从煤中抽采出来，与常规油气相同是裂隙内的孔隙压力会逐渐下降，而不同的是煤基质内吸附的大量瓦斯会扩散渗流出来，导致煤基质的体积收缩，如果向煤层中注入气体，作用相反，孔隙压力增大，气体向钻孔周围煤体扩散渗流，煤基质的膨胀，那么在地层内相对封闭(约束)的条件下，煤的基质局部不均匀变形会产生一种额外的附加应力。这种附加应力是由于煤层在与外界环境物质相互作用(吸附/解吸、升温/降温、矿物溶解/沉淀等)的过程中由于煤基质各部分之间的变形不均匀和煤层所处的应力边界限制了各处变形的自由发展，变形体内出现的互相制约、互相平衡而符号相反的内应力，这种不是由外载荷导致的应力称为附加应力，附加应力是一种体积应力。目前，国内外众多学者煤基质变形附加应力及其测试装置的研究十分有限。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种煤体吸附变形附加应力测定装置，能够有效的测量煤体吸附气体变形后产生的附加应力大小，以便以后在对煤层的渗透性以及煤与瓦斯突出研究提供有效的数据。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种煤体吸附变形附加应力测定装置，包括供气增压系统、真空泵、吸附变形附加应力测试系统、温度表、压力表三、数据采集器和计算机；所述吸附变形附加应力测试系统包括密封箱体、接口一、接口二、接口三、接口四、刚性底座、刚性支撑架、刚性垫块、应力传感器、可调节螺旋杆、应力传感器与数据采集器连接线、温度及压力传感器和数据采集线，在密封箱体内底部设有刚性底座，在密封箱体内相邻的两侧壁设有刚性支撑架，在密封箱体内另外两侧壁以及密封箱体内顶部设有可调节螺旋杆，刚性支撑架端部和可调节螺旋杆端部均设有刚性垫块，在可调节螺旋杆靠近刚性垫块的位置设有应力传感器，密封箱体上开设有接口一、接口二、接口三和接口四，供气增压系统通过接口一与密封箱体内连接，真空泵通过接口二与密封箱体内连接，应力传感器与数据采集器连接线一端连接应力传感器，应力传感器与数据采集器连接线另一端通过接口三连接数据采集器，数据采集线一端与设置在密封箱体内的温度及压力传感器连接，数据采集线另一端通过接口四连接温度表、压力表三和数据采集器，计算机连接数据采集器。

本发明中，优选的，所述供气增压系统包括CH4高压气瓶、CO2高压气瓶、He高压气瓶、闸阀一、压力表一、减压阀、压力表二和闸阀二；所述CH4高压气瓶、CO2高压气瓶和He高压气瓶通过闸阀一连接减压阀，减压阀通过闸阀二连接接口一，在闸阀一与减压阀的连接管路上设有压力表一，在减压阀与过闸阀二的连接管路上设有压力表二。

本发明中，优选的，所述刚性支撑架的刚性垫块表面开设有若干气体吸附孔。

本发明中，优选的，所述可调节螺旋杆、刚性垫块和应力传感器连接为一体，可调节螺旋杆包括螺旋帽和杆体，螺旋帽和杆体螺纹配合，通过拧动螺旋冒来调节杆体的长短。

本发明中，优选的，所述密封箱体由上箱体和下箱体两部分组成，所述上箱体和下箱体通过密封螺栓连接。

本发明中，优选的，所述密封螺栓、刚性底座、刚性支撑架、刚性垫块、可调节螺旋杆、应力传感器与数据采集器连接线、温度及压力传感器、和数据采集线的最大承受压力为10MPa。

有益效果：本发明可以实现实时有效的观察与记录煤体吸附不同压力不同气体的吸附变形应力的大小，与现有测定方法相比，该装置可以科学有效的直接测定，并不同于现有的只是基于煤体的基质变形规律，采用孔弹性理论和力学本构方程计算推算而来；该装置的产生于利用可以更加精确与科学来度量吸附变形的附加应力对煤体破坏引起煤体渗透性的效果；从理论研究的角度来看，本发明装置对吸附变形附加应力的准确测定对煤体渗透性模型的计算有着非常重大的意义。

附图说明

图1为本发明安装完成后的结构示意图。

图2为本发明吸附变形附加应力测试系统的结构示意图。

图中：1-1-CH4高压气瓶，1-2-CO2高压气瓶，1-3-He高压气瓶，1-4-闸阀一，1-5-压力表一，1-6-减压阀，1-7-压力表二，1-8-闸阀二，2-真空泵，3-闸阀三，4-1-密封箱体，4-2-接口一，4-3-接口二，4-4-接口三，4-5-接口四，4-6-密封螺栓，4-7-刚性底座，4-8-刚性支撑架，4-9-刚性垫块，4-10-应力传感器，4-11-可调节螺旋杆，4-12-应力传感器与数据采集器连接线，4-13-温度及压力传感器，4-14-数据采集线，5-温度表，6-压力表三，7-数据采集器，8-计算机，9-煤样。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和2所示，本发明的煤体吸附变形附加应力测定装置包括供气增压系统、真空泵2、吸附变形附加应力测试系统、数据采集器7和计算机8。其中供气增压系统是提供吸附气体的系统，而吸附变形附加应力测试系统是整个测定装置的核心，煤体吸附气体就在此处完成；真空泵2的使用是为了在进行煤体吸附气体前保证整个系统处于真空状态，避免空气对实验的影响；温度表5、压力表三6是为了实时的记录系统中的气体压力与温度变化；数据采集器7主要采集应力传感器4-10和温度及压力传感器4-14上的数据，并利用计算机8对这些数据进行处理，最终得到煤体吸附变形产生的附加应力。

吸附变形附加应力测试系统包括方形的密封箱体4-1、接口一4-2、接口二4-3、接口三4-4、接口四4-5、密封螺栓4-6、刚性底座4-7、刚性支撑架4-8、刚性垫块4-9、应力传感器4-10、可调节螺旋杆4-11、应力传感器与数据采集器连接线4-12、温度及压力传感器4-13、数据采集线4-14。密封箱体4-1由上箱体和下箱体两部分组成，上箱体和下箱体通过密封螺栓4-6连接。在密封箱体4-1内底部焊接固定刚性底座4-7，在密封箱体4-1内相邻的两侧壁固定有刚性支撑架4-8，在密封箱体4-1内另外两侧壁以及密封箱体4-1内顶部设有可调节螺旋杆4-11，刚性支撑架4-8端部和可调节螺旋杆4-11端部均设有刚性垫块4-9，在可调节螺旋杆4-11靠近刚性垫块4-9的位置设有应力传感器4-10，可调节螺旋杆4-11、刚性垫块4-9和应力传感器4-10连接为一体，可调节螺旋杆4-11包括螺旋帽和杆体，螺旋帽和杆体螺纹配合，通过拧动螺旋冒来调节杆体的长短。在刚性支撑架4-8的刚性垫块4-9表面开设有若干气体吸附孔,由于煤体需要在整个实验过程中不停的吸附气体，而实验过程中却需要保证煤体吸附气体膨胀时体积不变，基于这些要求则采用煤体周围利用刚性垫块4-9固定，留有少量气体吸附孔用于吸附气体进入煤体。

密封箱体4-1上开设有接口一4-2、接口二4-3、接口三4-4和接口四4-5。供气增压系统通过接口一4-2与密封箱体4-1内连接；真空泵2通过接口二4-3与密封箱体4-1内连接，在真空泵2至接口二4-3的管路上设有闸阀三3；应力传感器与数据采集器连接线4-12一端连接应力传感器4-10，应力传感器与数据采集器连接线4-12另一端通过接口三4-4连接数据采集器7；数据采集线4-14一端与设置在密封箱体4-1内的温度及压力传感器4-13连接，数据采集线4-14另一端通过接口四4-5连接温度表5、压力表三6和数据采集器7，计算机8连接数据采集器7。接口一4-2、接口二4-3、接口三4-4和接口四4-5需进行密封处理，若上述四个接口的密封性得不到保证，进入吸附变形附加应力测试系统4中的吸附气体可能会与外部的大气进行交换，从而影响实验结果的准确性。

由于整个吸附变形附加应力测试系统在实验过程中始终处于高压状态下，为了保证实验过程中仪器的完好性，系统的组件必须具有承受高压的属性。密封螺栓4-6、刚性底座4-7、刚性支撑架4-8、刚性垫块4-9、可调节螺旋杆4-11、应力传感器与数据采集器连接线4-12、温度及压力传感器4-13和数据采集线4-14的最大承受压力为10MPa。

供气增压系统包括CH4高压气瓶1-1、CO2高压气瓶1-2、He高压气瓶1-3、闸阀一1-4、压力表一1-5、减压阀1-6、压力表二1-7、闸阀二1-8。CH4高压气瓶1-1、CO2高压气瓶1-2和He高压气瓶1-3通过闸阀11-4连接减压阀1-6，减压阀1-6通过闸阀二1-8连接接口一4-2，在闸阀一1-4与减压阀1-6的连接管路上设有压力表一1-5，在减压阀1-6与过闸阀二1-8的连接管路上设有压力表二1-7。进行实验时可选择不同气体作为煤体的吸附气体，闸阀1-4用于控制三种吸附气体的串联通路，压力表一1-5用于显示吸附气体原有的压力值，吸附气体在钢瓶中的原有压力比较大不利于实验使用，减压阀的使用为了更加安全的使用三种吸附气体，通过压力表二1-7检测通入吸附变形附加应力测试系统的吸附气体压力值。

在实验室进行测定时，首先将煤体吸附变形附加应力测定装置组装，打开密封螺栓4-6，将做好的煤样9装入吸附变形附加应力测试系统，调节可调节螺旋杆4-11，保证刚性垫块4-9将煤样9包裹固定，拧紧密封螺栓4-6，关闭闸阀二1-8；打开闸阀三3和真空泵2对吸附变形附加应力测试系统进行抽真空处理，抽真空至少10小时以上；关闭闸阀三3和真空泵2，打开闸阀二1-8，向吸附变形附加应力测试系统充入预定的吸附气体，观察压力表三6达到预定的压力值时，停止充入吸附气体，关闭闸阀二1-8，打开数据采集器7和计算机8进行数据的采集与处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：包括供气增压系统、真空泵(2)、吸附变形附加应力测试系统、温度表(5)、压力表三(6)、数据采集器(7)和计算机(8)；所述吸附变形附加应力测试系统包括密封箱体(4-1)、接口一(4-2)、接口二(4-3)、接口三(4-4)、接口四(4-5)、刚性底座(4-7)、刚性支撑架(4-8)、刚性垫块(4-9)、应力传感器(4-10)、可调节螺旋杆(4-11)、应力传感器与数据采集器连接线(4-12)、温度及压力传感器(4-13)和数据采集线(4-14)，在密封箱体(4-1)内底部设有刚性底座(4-7)，在密封箱体(4-1)内相邻的两侧壁设有刚性支撑架(4-8)，在密封箱体(4-1)内另外两侧壁以及密封箱体(4-1)内顶部设有可调节螺旋杆(4-11)，刚性支撑架(4-8)端部和可调节螺旋杆(4-11)端部均设有刚性垫块(4-9)，在可调节螺旋杆(4-11)靠近刚性垫块(4-9)的位置设有应力传感器(4-10)，密封箱体(4-1)上开设有接口一(4-2)、接口二(4-3)、接口三(4-4)和接口四(4-5)，供气增压系统通过接口一(4-2)与密封箱体(4-1)内连接，真空泵(2)通过接口二(4-3)与密封箱体(4-1)内连接，应力传感器与数据采集器连接线(4-12)一端连接应力传感器(4-10)，应力传感器与数据采集器连接线(4-12)另一端通过接口三(4-4)连接数据采集器(7)，数据采集线(4-14)一端与设置在密封箱体(4-1)内的温度及压力传感器(4-13)连接，数据采集线(4-14)另一端通过接口四(4-5)连接温度表(5)、压力表三(6)和数据采集器(7)，计算机(8)连接数据采集器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：所述供气增压系统包括CH4高压气瓶(1-1)、CO2高压气瓶(1-2)、He高压气瓶(1-3)、闸阀一(1-4)、压力表一(1-5)、减压阀(1-6)、压力表二(1-7)和闸阀二(1-8)；所述CH4高压气瓶(1-1)、CO2高压气瓶(1-2)和He高压气瓶(1-3)通过闸阀一(1-4)连接减压阀(1-6)，减压阀(1-6)通过闸阀二(1-8)连接接口一(4-2)，在闸阀一(1-4)与减压阀(1-6)的连接管路上设有压力表一(1-5)，在减压阀(1-6)与过闸阀二(1-8)的连接管路上设有压力表二(1-7)。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：所述刚性支撑架(4-8)的刚性垫块(4-9)表面开设有若干气体吸附孔。

4.根据权利要求3所述的一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：所述可调节螺旋杆(4-11)、刚性垫块(4-9)和应力传感器(4-10)连接为一体，可调节螺旋杆(4-11)包括螺旋帽和杆体，螺旋帽和杆体螺纹配合，通过拧动螺旋冒来调节杆体的长短。

5.根据权利要求4所述的一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：所述密封箱体(4-1)由上箱体和下箱体两部分组成，所述上箱体和下箱体通过密封螺栓(4-6)连接。

6.根据权利要求5所述的一种煤体吸附变形附加应力测定装置，其特征在于：所述密封螺栓(4-6)、刚性底座(4-7)、刚性支撑架(4-8)、刚性垫块(4-9)、可调节螺旋杆(4-11)、应力传感器与数据采集器连接线(4-12)、温度及压力传感器(4-13)、和数据采集线(4-14)的最大承受压力为10MPa。