CN105510143B - 用于煤体原位力学特性的实验装置及基于该装置的瓦斯水合物饱和度监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于煤体原位力学特性的实验装置及基于该装置的瓦斯水合物饱和度监测装置及方法，涉及煤炭领域。满足了用于实验室研究的针对煤中自身含有的瓦斯气体合成水合物对煤炭的力学性质影响及研究煤柱水合物饱和度的装置及方法的需求。先将煤柱放进热缩管内，并连接好实验装置。液压增压装置向轴压油腔内注入轴压，轴压油腔内的压力增大，推动活动栓塞向左运动，使二号电阻电极向煤柱施加压力；液压增压装置向围压油腔内注入围压，围压油腔内压力增大，向煤柱施加围压；应变片贴在煤柱上，将煤柱的应变实时反应出来，并输出，便于工作人员根据应变片的应变分析煤柱的力学特性。它还适用于瓦斯水合物的特性研究。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭领域。
背景技术
煤矿矿井中煤与瓦斯突出严重威胁煤矿安全生产。大部分煤与瓦斯突出事故是由于瓦斯赋存区扰动(揭煤或落煤)促使大量瓦斯瞬间涌出而造成的，因此，利用瓦斯水合物在煤体中的大量生成，减小煤体中瓦斯压力，改变煤体力学特性，而对含瓦斯水合物煤体的力学特性研究是必不可少的。为了对煤中自身含有的瓦斯气体合成水合物对煤炭的力学性质影响进行实验研究，在煤矿现场进行实验显然是不切合实际的，因此，亟需一种用于实验室研究的针对煤中自身含有的瓦斯气体合成水合物对煤炭的力学性质影响的装置及方法。
目前实验用煤体三轴实验装置绝大多数都是单纯研究煤体本身的力学性质，而关于水合物力学性质的实验装置主要集中在含水合物沉积物中或者实验装置主要特点是先在合成水合物然后在特定环境中将水合物和沉积物混合或者在一个实验装置中合成含水合物的试样，再将试样移至另一种实验装置中进行三轴力学实验，与此同时这些装置都无法实现同步检测水合物饱和度。
发明内容
针对上述装置的一些不足，本发明提供了用于煤体原位力学特性的实验装置及基于该装置的瓦斯水合物饱和度监测装置及方法。
本发明的目的是满足用于实验室研究的针对煤中含有的瓦斯气体合成水合物对煤体的力学性质影响及研究煤体水合物饱和度的装置及方法的需求，提出了用于煤体原位力学特性的实验装置及基于该装置的瓦斯水合物饱和度监测装置及方法。
用于煤体原位力学特性的实验装置，该装置包括釜体1、调节栓塞2、活动栓塞3、固定座4、密封端盖5、热缩管8、一号电阻电极6、二号电阻电极7、缓冲罐12、瓦斯气体增压装置14、液压增压装置15和应变片13；
一号电阻电极6和二号电阻电极7的结构相同；一号电阻电极6包括电极探头1-1、绝缘橡胶1-2、绝缘层1-3、金属管1-4、加固层1-5；
电极探头1-1包括顶头1-11和长尾1-12，顶头1-11和长尾1-12构成T字型，长尾1-12为中空结构；加固层1-5和金属管1-4构成T字型，且为一体件；电极探头1-1的长尾1-12插入金属管1-4内，且电极探头1-1的长尾1-12和金属管1-4之间设置有绝缘层1-3；电极探头1-1的顶头1-11和加固层1-5之间设置有绝缘橡胶1-2；
热缩管8内部的两端分别设置有一号电阻电极6和二号电阻电极7，一号电阻电极6的顶头和二号电阻电极7的顶头相对放置；
煤体11放置在热缩管8内，且位于一号电阻电极6的顶头和二号电阻电极7的顶头之间；调节栓塞2包裹在一号电阻电极6的金属管1-4外侧，调节栓塞2的外侧并排设置有固定座4和密封端盖5，且与固定座4为螺纹连接；
活动栓塞3包裹在二号电阻电极7的金属管1-4外侧，活动栓塞3的外侧设置有密封端盖5；
设置在调节栓塞2外侧的密封端盖5和设置在活动栓塞3外侧的密封端盖5均套接在釜体1内部，且分别位于釜体1的两端；
热缩管8、釜体1及密封端盖5合围形成一个围压油腔9；通过向围压油腔9内注入围压，向煤体11施加围压；
活动栓塞3、釜体1及密封端盖5合围形成一个轴压油腔10；通过向轴压油腔10内注入轴压，带动活动栓塞3向左运动；
液压增压装置15用于为围压油腔9提供围压，为轴压油腔10提供轴压；
瓦斯气体增压装置14用于向二号电阻电极7的长尾内通入瓦斯；一号电阻电极6的长尾通过管路与缓冲罐12的一端联通，缓冲罐12的另一端与二号电阻电极7的长尾联通；
应变片13贴在煤体11上，用于采集煤柱的应变信号。
用于煤体原位力学特性的实验装置，瓦斯气体增压装置14包括气源14-1、空气压缩机14-2、防爆增压泵14-3、空气压缩机阀14-4和气源阀14-5；
气源14-1的输出端连通防爆增压泵14-3的一个输入端；空气压缩机14-2的输出端连通防爆增压泵14-3的另一个输入端；防爆增压泵14-3的输出端连通二号电阻电极6的长尾；
空气压缩机阀14-4设置在空气压缩机14-2和防爆增压泵14-3之间；气源阀14-5设置在气源14-1和防爆增压泵14-3之间。
用于煤体原位力学特性的实验装置，液压增压装置15包括围压液压增压泵15-1、轴压液压增压泵15-2、围压阀15-3和轴压阀15-4；
釜体1上开有围压孔15-5和轴压孔15-6；
围压液压增压泵15-1通过围压孔15-5向围压油腔9内注入围压；轴压液压增压泵15-2通过轴压孔15-6向轴压油腔10内注入轴压；围压阀15-3设置在围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间；轴压阀15-4设置在轴压液压增压泵15-2和轴压油腔10之间。
基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置，该装置还包括恒温控制箱16、支撑台17、恒定电位仪18、电阻应变仪19、数据采集器20、工控机21、显示器22、轴压压力传感器23、温度传感器24、围压压力传感器25、位移传感器26、孔隙压力传感器27和气体阀门28；
支撑台17位于恒温控制箱16内，用于放置用于研究煤柱力学特性的实验装置；
恒定电位仪18的电位信号输入端同时连接一号电阻电极6的电位信号输出端和二号电阻电极7的电位信号输出端；恒定电位仪18的电位信号输出端连接数据采集器20的电位信号输入端；
电阻应变仪19的应变信号输入端连接应变片13的应变信号输出端；电阻应变仪19的应变信号输出端连接数据采集器20的应变信号输入端；
数据采集器20的数据输出端连接工控机21的数据输入端；工控机21的数据输出端连接显示器22的数据显示端；
轴压压力传感器23位于轴压液压增压泵15-2和轴压油腔10之间，用于监测轴压液压增压泵15-2向轴压油腔10输出的轴压，并将该轴压发送至数据采集器20；
温度传感器24位于围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间，用于监测围压油腔9内的温度，并将该温度发送至数据采集器20；
围压压力传感器25位于围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间，用于监测围压液压增压泵15-1向围压油腔9输出的围压，并将该围压发送至数据采集器20；
位移传感器26位于活动栓塞3的上表面，用于监测活动栓塞3移动的位移，并将该位移发送至数据采集器20；
孔隙压力传感器27位于二号电阻电极7的长尾和防爆增压泵14-3之间，用于监测煤体11内的孔隙压力，并将该孔隙压力发送至数据采集器20；
气体阀门28位于二号电阻电极7的长尾和防爆增压泵14-3之间，用于使瓦斯气体增压装置14开始和停止向二号电阻电极7的长尾内注入瓦斯。
恒温控制箱16的可设定温度范围在-20℃～50℃，控温精度±0.5℃。
密封端盖5与釜体1之间采用O型密封圈密封。
基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测方法，该方法采用基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置实现的，该方法包括下述步骤：
步骤一、连接基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置，检查系统气密性；
步骤二、对电阻应变仪19、恒定电位仪20进行调试，调试正常后进行下一步；
步骤三、打开围压阀15-3和围压液压增压泵15-1，使围压液压增压泵15-1向围压油腔10内注入0.5MPa围压，带动活动栓塞3向左移动，向煤体11施加压力；
步骤四、开启瓦斯气体增压装置14，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体11内通入0.3MPa的孔隙压力，5min后排出，反复三次；
步骤五、再次开启瓦斯气体增压装置14，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体11内通入0.3MPa的瓦斯；
步骤六、开启围压阀15-3和围压液压增压泵15-1，向围压油腔9内增压，直至围压油腔9内的围压为1MPa，关闭围压阀15-3和围压液压增压泵15-1；再次开启瓦斯气体增压装置14，使用于煤体原位力学特性的实验装置中的煤体11内的孔隙压力增至0.7MPa，依次增加围压和孔隙压力，直至围压和孔隙压力均达到目标值后停止，维持该状态8小时；
步骤七、8小时后，调节恒温控制箱16的温度，使温度保持在0.5℃±0.1℃，使煤体11与瓦斯充分进行水合固化反应；此时，恒定电位仪18、电阻应变仪19、轴压压力传感器23、温度传感器24、围压压力传感器25、位移传感器26、孔隙压力传感器27将各自采集的数据发送至数据采集器20；
步骤八、待瓦斯水合物在煤体11中完全生成以后，即数据采集器20采集到煤体11中的瓦斯孔隙压力不再下降为止，开展力学试验；
步骤九、打开围压阀15-3，转动围压液压增压泵15-1使得煤体11周围的围压增加到力学试验所需的目标值，关闭围压阀15-3；
打开轴压阀15-4，转动轴压液压增压泵15-2，使得二号电极7在活动柱塞3的推动下压缩煤体11，电阻应变仪19通过应变片13采集煤体11在压缩过程中的轴向和径向变形比，通过位移传感器26采集煤体11的轴向变形，通过围压、轴压传感器采集煤柱压缩过程的压力变化；
步骤十、数据采集器20将采集的数据发送至工控机21，工控机21通过克拉佩龙公式及水合物生成量计算公式，利用温度、围压、轴压、孔隙压力、应变信号、电位信号计算煤柱中水合物饱和度的变化；并将电位信号和计算得到的水合物饱和度在全过程对应时刻进行拟合，得到煤柱中水合物饱和度与电位之间的关系，并显示在显示器22上。
本发明的目的一是提供一种能研究瓦斯水合物生成、含瓦斯水合物煤体力学性质、瓦斯水合物饱和度监测的装置，二是提供一种在上述装置的基础上进行水合物饱和度监测方法。以此建立在煤矿领域内用水合物改善煤岩性质装置的基础。
有益效果：本装置充分考虑煤炭在矿井中的受力状态，再结合瓦斯水合物的合成条件设计出了用于煤体原位力学特性的实验装置及基于该装置的瓦斯水合物饱和度监测装置及方法。本装置及方法，直接在煤体中合成水合物，并且直接在反应釜中进行力学加载实验，术语原位力学特性实验装置。其优点在于：与单纯的岩石类三轴实验装置或者三轴煤岩力学装置相比，本装置可以进行瓦斯水合物合成，并进行原位三轴压缩，即径向和轴向的压缩；其次与含水合物沉积物实验装置相比，本装置结构相对简单，体积小，操作方便；最后尤为突出的是本装置可以对煤体中瓦斯水合物的饱和度进行原位监测，得出水合物生长过程中饱和度的变化与电阻电位之间的关系。
本发明适用于瓦斯水合物的特性研究。
附图说明
图1为基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置的结构示意图；
图2为用于煤体原位力学特性的实验装置的结构示意图；
图3为电阻电极的结构示意图；
图4为电阻电极中的电极探头的结构示意图；
图5为加固层和金属管的连接关系图；
附图标记：釜体1、调节栓塞2、活动栓塞3、固定座4、密封端盖5、一号电阻电极6、二号电阻电极7、热缩管8、围压油腔9、轴压油腔10、煤体11、缓冲罐12、应变片13、瓦斯气体增压装置14、液压增压装置15、恒温控制箱16、支撑台17、恒定电位仪18、电阻应变仪19、数据采集器20、工控机21、显示器22、轴压压力传感器23、温度传感器24、围压压力传感器25、位移传感器26、孔隙压力传感器27、气体阀门28；
电极探头1-1、绝缘橡胶1-2、绝缘层1-3、金属管1-4、加固层1-5、顶头1-11和长尾1-12；
气源14-1、空气压缩机14-2、防爆增压泵14-3、空气压缩机阀14-4、气源阀14-5、围压液压增压泵15-1、轴压液压增压泵15-2、围压阀15-3、轴压阀15-4。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1、图2图3、图4和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，该装置用于研究煤体11的力学特性，
该装置包括釜体1、调节栓塞2、活动栓塞3、固定座4、密封端盖5、热缩管8、一号电阻电极6、二号电阻电极7、缓冲罐12、瓦斯气体增压装置14、液压增压装置15和应变片13；
一号电阻电极6和二号电阻电极7的结构相同；一号电阻电极6包括电极探头1-1、绝缘橡胶1-2、绝缘层1-3、金属管1-4、加固层1-5；
电极探头1-1包括顶头1-11和长尾1-12，顶头1-11和长尾1-12构成T字型，长尾1-12为中空结构；加固层1-5和金属管1-4构成T字型，且为一体件；电极探头1-1的长尾1-12插入金属管1-4内，且电极探头1-1的长尾1-12和金属管1-4之间设置有绝缘层1-3；电极探头1-1的顶头1-11和加固层1-5之间设置有绝缘橡胶1-2；
热缩管8内部的两端分别设置有一号电阻电极6和二号电阻电极7，一号电阻电极6的顶头和二号电阻电极7的顶头相对放置；
煤体11放置在热缩管8内，且位于一号电阻电极6的顶头和二号电阻电极7的顶头之间；调节栓塞2包裹在一号电阻电极6的金属管1-4外侧，调节栓塞2的外侧并排设置有固定座4和密封端盖5，且与固定座4为螺纹连接；
活动栓塞3包裹在二号电阻电极7的金属管1-4外侧，活动栓塞3的外侧设置有密封端盖5；
设置在调节栓塞2外侧的密封端盖5和设置在活动栓塞3外侧的密封端盖5均套接在釜体1内部，且分别位于釜体1的两端；
热缩管8、釜体1及密封端盖5合围形成一个围压油腔9；通过向围压油腔9内注入围压，向煤体11施加围压；
活动栓塞3、釜体1及密封端盖5合围形成一个轴压油腔10；通过向轴压油腔10内注入轴压，带动活动栓塞3向左运动；
液压增压装置15用于为围压油腔9提供围压，为轴压油腔10提供轴压；
瓦斯气体增压装置14用于向二号电阻电极7的长尾内通入瓦斯；一号电阻电极6的长尾通过管路与缓冲罐12的一端联通，缓冲罐12的另一端与二号电阻电极7的长尾联通；
应变片13贴在煤体11上，用于采集煤柱的应变信号。
本实施方式中所述为一种用于煤体原位力学特性的实验装置，煤体11放置在热缩管8内，瓦斯气体增压装置14向二号电阻电极3的长尾内注入瓦斯气体，瓦斯气体经二号电阻电极7的长尾注入热缩管8内的煤体11中，并从一号电阻电极6的长尾输出，经由缓冲罐12再回到瓦斯气体增压装置14，构成一个瓦斯气体回路，使瓦斯气体与煤体11充分进行水合固化反应。电极探头可导电。
在安装煤体11时，将固定座4拆下，拉出调节栓塞2，将煤体放置在热缩管8内；然后再推入调节栓塞2，并用密封端盖5密封好。
在做煤体力学特性的实验时，先将煤体11放进热缩管内，并连接好实验装置。液压增压装置15向轴压油腔10内注入轴压油，轴压油腔10内的压力增大，推动活动栓塞3向左运动，使二号电阻电极向煤体施加压力；液压增压装置15向围压油腔9内注入围压，围压油腔9内压力增大，向煤体11施加围压；应变片13贴在煤体11上，将煤体11的应变实时反应出来，并输出，便于工作人员根据应变片13的应变分析煤体11的力学特性。本实施方式所述的实验装置，满足了实验室针对煤中自身含有的瓦斯气体合成水合物对煤炭的力学性质影响装置的需求。
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的用于煤体原位力学特性的实验装置的进一步说明，瓦斯气体增压装置14包括气源14-1、空气压缩机14-2、防爆增压泵14-3、空气压缩机阀14-4和气源阀14-5；
气源14-1的输出端连通防爆增压泵14-3的一个输入端；空气压缩机14-2的输出端连通防爆增压泵14-3的另一个输入端；防爆增压泵14-3的输出端连通二号电阻电极6的长尾；
空气压缩机阀14-4设置在空气压缩机14-2和防爆增压泵14-3之间；气源阀14-5设置在气源14-1和防爆增压泵14-3之间。
具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的用于煤体原位力学特性的实验装置的进一步说明，液压增压装置15包括围压液压增压泵15-1、轴压液压增压泵15-2、围压阀15-3和轴压阀15-4；
釜体1上开有围压孔15-5和轴压孔15-6；
围压液压增压泵15-1通过围压孔15-5向围压油腔9内注入围压；轴压液压增压泵15-2通过轴压孔15-6向轴压油腔10内注入轴压；围压阀15-3设置在围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间；轴压阀15-4设置在轴压液压增压泵15-2和轴压油腔10之间。
具体实施方式四、基于实施方式三所述的用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置，该装置还包括恒温控制箱16、支撑台17、恒定电位仪18、电阻应变仪19、数据采集器20、工控机21、显示器22、轴压压力传感器23、温度传感器24、围压压力传感器25、位移传感器26、孔隙压力传感器27和气体阀门28；
支撑台17位于恒温控制箱16内，用于放置用于研究煤柱力学特性的实验装置；
恒定电位仪18的电位信号输入端同时连接一号电阻电极6的电位信号输出端和二号电阻电极7的电位信号输出端；恒定电位仪18的电位信号输出端连接数据采集器20的电位信号输入端；
电阻应变仪19的应变信号输入端连接应变片13的应变信号输出端；电阻应变仪19的应变信号输出端连接数据采集器20的应变信号输入端；
数据采集器20的数据输出端连接工控机21的数据输入端；工控机21的数据输出端连接显示器22的数据显示端；
轴压压力传感器23位于轴压液压增压泵15-2和轴压油腔10之间，用于监测轴压液压增压泵15-2向轴压油腔10输出的轴压，并将该轴压发送至数据采集器20；
温度传感器24位于围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间，用于监测围压油腔9内的温度，并将该温度发送至数据采集器20；
围压压力传感器25位于围压液压增压泵15-1和围压油腔9之间，用于监测围压液压增压泵15-1向围压油腔9输出的围压，并将该围压发送至数据采集器20；
位移传感器26位于活动栓塞3的上表面，用于监测活动栓塞3移动的位移，并将该位移发送至数据采集器20；
孔隙压力传感器27位于二号电阻电极7的长尾和防爆增压泵14-3之间，用于监测煤体11内的孔隙压力，并将该孔隙压力发送至数据采集器20；
气体阀门28位于二号电阻电极7的长尾和防爆增压泵14-3之间，用于使瓦斯气体增压装置14开始和停止向二号电阻电极7的长尾内注入瓦斯。
本实施方式中，恒温控制箱16调节用于研究煤体力学特性的实验装置内部的温度。
水合物饱和度监测方法为：
将含去离子水的煤体11放置在一号电阻电极6和二号电阻电极之间，并用热缩管8将电阻电极和含去离子水的煤体11放置在一号电阻电极6和二号电阻电极之间，并热缩密封，连接好该瓦斯水合物饱和度监测装置中的各个元件。
瓦斯气体增压装置将瓦斯气体注入二号电阻电极的长尾内，使用于研究煤体力学特性的实验装置内的压力达到目标压力，调节恒温控制箱16至目标温度，此时煤体11与瓦斯气体进行水合固化反应，记录数据。
在煤体11两端的一号电阻电极6和二号电阻电极7均与恒定电位仪18相连，由于瓦斯与煤体在进行水合固化过程中，水合物的生成导致煤体内的导电能力发生变化，从而引起电阻的变化，该电位信号由恒定电位仪18记录，并发送给数据采集器20；
轴压压力传感器23监测轴压液压增压泵向轴压油腔10输出的轴压，并将该轴压发送至数据采集器20；温度传感器24监测围压油腔9内的温度，并将该温度发送至数据采集器20；围压压力传感器25监测围压油腔9的围压，并将该围压发送至数据采集器20；位移传感器26监测活动栓塞3移动的位移，并将该位移发送至数据采集器20；孔隙压力传感器27监测煤体11内的孔隙压力，并将该孔隙压力发送至数据采集器20；应变片13将采集的煤体的应变信号发送至数据采集器20；
数据采集器20将采集的温度、围压、轴压、孔隙压力、应变信号、电位信号进行存储并将前述数据发送至工控机21，工控机21通过克拉佩龙公式及水合物生成量计算公式，利用温度、围压、轴压、孔隙压力、应变信号、电位信号计算煤体中水合物饱和度的变化；并将电位信号和计算得到的水合物饱和度在全过程同一时刻进行拟合，得到煤体中水合物饱和度与电位之间的关系。
针对I型水合物展开计算：
水合物饱和度SH定义：水合物体积与试样孔隙总体积的比值，即：
式中，VH和Vp分别为水合物体积和试样孔隙体积。
对于水合物实验体系高压釜内中状态点1，有：
P1V1＝n1Z1RT1 (2)
对于状态2点，有：
P2V2＝n2Z2RT2 (3)
其中，P1表示状态1时的压强，V1表示状态1时的体积，n1表示状态1时的气体量，Z1表示状态1时气体压缩因子，R表示电阻信号，T1表示状态1时的温度；
P2表示状态2时的压强，V2表示状态2时的体积，n2表示状态2时的气体量，Z2表示状态2时气体压缩因子，R表示电阻信号，T2表示状态2时的温度；
则体系中气体由状态点1到2气体的变化量Δng(mol)为：
状态点2的气体体积为：
V2＝V1+VW-VH (5)
式中：
VW：水合反应物生成或分解过程中水的变化量，单位为cm3；
VH：水合反应过程中水合物生成量，单位为cm3，且VH的计算公式如下：
式中：
ΔV：反应过程中1mol水转化成水合物空腔后的体积增量，单位为cm3；
mW：反应过程中消耗的水的质量，单位为g；
MW：水的摩尔质量，单位为g/mol.
根据公式(5)、(6)，获得状态点2的气体体积为：
对于I型水合物，其空腔密度为ρH＝0.796g/cm3，则有：
式中：
ρW为水的密度，ΔVH表示反应过程中1mol水转化成I型水合物空腔后的体积增加量，cm3。
已知I型水合物的水合物数为5.75，考虑到一般情况下水合物空腔的气体填充率达不到100％的理论值，故取系数1.2(相当于空腔填充率83.3％)来修正水合物数，则：
对于I型水合物水的变化摩尔量：
对于I型水合物，联立方程(7)、(8)、(9)，可得状态点2的最终气体体积表达式为：
V2＝V1-4.613×1.2×5.75×Δng (10)
联立(4)、(10)，得到体系中两状态点间的气体变化量：
根据(6)式，假设水合物体积在气体填充空晶体空穴前后不变，两状态点间水合物的生成量为：
由于水的摩尔体积为18cm3/mol，故有：
即
两状态点间水合物的变化量可通过联立方程(9)、(13)得出：
VH＝155.812×Δng (14)
联立方程(1)、(14)便可计算出饱和度。
具体实施方式五、本实施方式是对实施方式四所述的基于用于研究煤体力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置的进一步说明，恒温控制箱16的可设定温度范围在-20℃～50℃，控温精度±0.5℃。
具体实施方式六、本实施方式是对实施方式四所述的基于用于研究煤体力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置的进一步说明，密封端盖5与釜体1之间采用O型密封圈密封。
采用O型密封圈密封密封端盖5与釜体1之间，防止了外界干扰，提高实验精度。
具体实施方式七、本实施方式所述的基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测方法，该方法采用实施方式六所述的基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置实现的，该方法包括下述步骤：
步骤一、连接基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测装置，检查系统气密性；
步骤二、对电阻应变仪19、恒定电位仪20进行调试，调试正常后进行下一步；
步骤三、打开围压阀15-3和围压液压增压泵15-1，使围压液压增压泵15-1向围压油腔10内注入0.5MPa围压，带动活动栓塞3向左移动，向煤体11施加压力；
步骤四、开启瓦斯气体增压装置14，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体11内通入0.3MPa的孔隙压力，5min后排出，反复三次；
步骤五、再次开启瓦斯气体增压装置14，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体11内通入0.3MPa的瓦斯；
步骤六、开启围压阀15-3和围压液压增压泵15-1，向围压油腔9内增压，直至围压油腔9内的围压为1MPa，关闭围压阀15-3和围压液压增压泵15-1；再次开启瓦斯气体增压装置14，使用于煤体原位力学特性的实验装置中的煤体11内的孔隙压力增至0.7MPa，依次增加围压和孔隙压力，直至围压和孔隙压力均达到目标值后停止，维持该状态8小时；
步骤七、8小时后，调节恒温控制箱16的温度，使温度保持在0.5℃±0.1℃，使煤体11与瓦斯充分进行水合固化反应；此时，恒定电位仪18、电阻应变仪19、轴压压力传感器23、温度传感器24、围压压力传感器25、位移传感器26、孔隙压力传感器27将各自采集的数据发送至数据采集器20；
步骤八、待瓦斯水合物在煤体11中完全生成以后，即数据采集器20采集到煤体11中的瓦斯孔隙压力不再下降为止，开展力学试验；
步骤九、打开围压阀15-3，转动围压液压增压泵15-1使得煤体11周围的围压增加到力学试验所需的目标值，关闭围压阀15-3；
打开轴压阀15-4，转动轴压液压增压泵15-2，使得二号电极7在活动柱塞3的推动下压缩煤体11，电阻应变仪19通过应变片13采集煤体11在压缩过程中的轴向和径向变形比，通过位移传感器26采集煤体11的轴向变形，通过围压、轴压传感器采集煤柱压缩过程的压力变化；
步骤十、数据采集器20将采集的数据发送至工控机21，工控机21通过克拉佩龙公式及水合物生成量计算公式，利用温度、围压、轴压、孔隙压力、应变信号、电位信号计算煤柱中水合物饱和度的变化；并将电位信号和计算得到的水合物饱和度在全过程对应时刻进行拟合，得到煤柱中水合物饱和度与电位之间的关系，并显示在显示器22上。
本实施方式中，当显示器22上显示孔隙压力连续4小时保持某个值恒定不变时，视为水合固化反应结束。该方法能够直接根据电阻信号判断水合物饱和度，省去繁琐的计算过程。
具体实施方式八、本实施方式是对实施方式七所述的基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测方法的进一步说明，步骤三到步骤六中始终保持围压大于孔隙压力0.5MPa。
Claims (8)
1.用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，该装置包括釜体(1)、调节栓塞(2)、活动栓塞(3)、固定座(4)、密封端盖(5)、热缩管(8)、一号电阻电极(6)、二号电阻电极(7)、缓冲罐(12)、瓦斯气体增压装置(14)、液压增压装置(15)和应变片(13)；
一号电阻电极(6)和二号电阻电极(7)的结构相同；一号电阻电极(6)包括电极探头(1-1)、绝缘橡胶(1-2)、绝缘层(1-3)、金属管(1-4)、加固层(1-5)；
电极探头(1-1)包括顶头(1-11)和长尾(1-12)，顶头(1-11)和长尾(1-12)构成T字型，长尾(1-12)为中空结构；加固层(1-5)和金属管(1-4)构成T字型，且为一体件；电极探头(1-1)的长尾(1-12)插入金属管(1-4)内，且电极探头(1-1)的长尾(1-12)和金属管(1-4)之间设置有绝缘层(1-3)；电极探头(1-1)的顶头(1-11)和加固层(1-5)之间设置有绝缘橡胶(1-2)；
热缩管(8)内部的两端分别设置有一号电阻电极(6)和二号电阻电极(7)，一号电阻电极(6)的顶头和二号电阻电极(7)的顶头相对放置；
煤体(11)放置在热缩管(8)内，且位于一号电阻电极(6)的顶头和二号电阻电极(7)的顶头之间；调节栓塞(2)包裹在一号电阻电极(6)的金属管(1-4)外侧，调节栓塞(2)的外侧并排设置有固定座(4)和密封端盖(5)，且与固定座(4)为螺纹连接；
活动栓塞(3)包裹在二号电阻电极(7)的金属管(1-4)外侧，活动栓塞(3)的外侧设置有密封端盖(5)；
设置在调节栓塞(2)外侧的密封端盖(5)和设置在活动栓塞(3)外侧的密封端盖(5)均套接在釜体(1)内部，且分别位于釜体(1)的两端；
热缩管(8)、釜体(1)及密封端盖(5)合围形成一个围压油腔(9)；通过向围压油腔(9)内注入围压，向煤体(11)施加围压；
活动栓塞(3)、釜体(1)及密封端盖(5)合围形成一个轴压油腔(10)；通过向轴压油腔(10)内注入轴压，带动活动栓塞(3)向左运动；
液压增压装置(15)用于为围压油腔(9)提供围压，为轴压油腔(10)提供轴压；
瓦斯气体增压装置(14)用于向二号电阻电极(7)的长尾内通入瓦斯；一号电阻电极(6)的长尾通过管路与缓冲罐(12)的一端联通，缓冲罐(12)的另一端与二号电阻电极(7)的长尾联通；
应变片(13)贴在煤体(11)上，用于采集煤柱的应变信号。
2.根据权利要求1所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，瓦斯气体增压装置(14)包括气源(14-1)、空气压缩机(14-2)、防爆增压泵(14-3)、空气压缩机阀(14-4)和气源阀(14-5)；
气源(14-1)的输出端连通防爆增压泵(14-3)的一个输入端；空气压缩机(14-2)的输出端连通防爆增压泵(14-3)的另一个输入端；防爆增压泵(14-3)的输出端连通二号电阻电极(6)的长尾；
空气压缩机阀(14-4)设置在空气压缩机(14-2)和防爆增压泵(14-3)之间；气源阀(14-5)设置在气源(14-1)和防爆增压泵(14-3)之间。
3.根据权利要求1所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，液压增压装置(15)包括围压液压增压泵(15-1)、轴压液压增压泵(15-2)、围压阀(15-3)和轴压阀(15-4)；
釜体(1)上开有围压孔(15-5)和轴压孔(15-6)；
围压液压增压泵(15-1)通过围压孔(15-5)向围压油腔(9)内注入围压；轴压液压增压泵(15-2)通过轴压孔(15-6)向轴压油腔(10)内注入轴压；围压阀(15-3)设置在围压液压增压泵(15-1)和围压油腔(9)之间；轴压阀(15-4)设置在轴压液压增压泵(15-2)和轴压油腔(10)之间。
4.根据权利要求3所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，还包括瓦斯水合物饱和度监测装置，该瓦斯水合物饱和度监测装置包括恒温控制箱(16)、支撑台(17)、恒定电位仪(18)、电阻应变仪(19)、数据采集器(20)、工控机(21)、显示器(22)、轴压压力传感器(23)、温度传感器(24)、围压压力传感器(25)、位移传感器(26)、孔隙压力传感器(27)和气体阀门(28)；
支撑台(17)位于恒温控制箱(16)内，用于放置用于研究煤柱力学特性的实验装置；
恒定电位仪(18)的电位信号输入端同时连接一号电阻电极(6)的电位信号输出端和二号电阻电极(7)的电位信号输出端；恒定电位仪(18)的电位信号输出端连接数据采集器(20)的电位信号输入端；
电阻应变仪(19)的应变信号输入端连接应变片(13)的应变信号输出端；电阻应变仪(19)的应变信号输出端连接数据采集器(20)的应变信号输入端；
数据采集器(20)的数据输出端连接工控机(21)的数据输入端；工控机(21)的数据输出端连接显示器(22)的数据显示端；
轴压压力传感器(23)位于轴压液压增压泵(15-2)和轴压油腔(10)之间，用于监测轴压液压增压泵(15-2)向轴压油腔(10)输出的轴压，并将该轴压发送至数据采集器(20)；
温度传感器(24)位于围压液压增压泵(15-1)和围压油腔(9)之间，用于监测围压油腔(9)内的温度，并将该温度发送至数据采集器(20)；
围压压力传感器(25)位于围压液压增压泵(15-1)和围压油腔(9)之间，用于监测围压液压增压泵(15-1)向围压油腔(9)输出的围压，并将该围压发送至数据采集器(20)；
位移传感器(26)位于活动栓塞(3)的上表面，用于监测活动栓塞(3)移动的位移，并将该位移发送至数据采集器(20)；
孔隙压力传感器(27)位于二号电阻电极(7)的长尾和防爆增压泵(14-3)之间，用于监测煤体(11)内的孔隙压力，并将该孔隙压力发送至数据采集器(20)；
气体阀门(28)位于二号电阻电极(7)的长尾和防爆增压泵(14-3)之间，用于使瓦斯气体增压装置(14)开始和停止向二号电阻电极(7)的长尾内注入瓦斯。
5.根据权利要求4所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，恒温控制箱(16)的可设定温度范围在-20℃～50℃，控温精度±0.5℃。
6.根据权利要求4所述的用于煤体原位力学特性的实验装置，其特征在于，密封端盖(5)与釜体(1)之间采用O型密封圈密封。
7.基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测方法，其特征在于，该方法是采用权利要求4所述的用于煤体原位力学特性的实验装置实现的，该方法包括下述步骤：
步骤一、检查系统气密性；
步骤二、对电阻应变仪(19)、恒定电位仪(20)进行调试，调试正常后进行下一步；
步骤三、打开围压阀(15-3)和围压液压增压泵(15-1)，使围压液压增压泵(15-1)向围压油腔(10)内注入0.5MPa围压，带动活动栓塞(3)向左移动，向煤体(11)施加压力；
步骤四、开启瓦斯气体增压装置(14)，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体(11)内通入0.3MPa的孔隙压力，5min后排出，反复三次；
步骤五、再次开启瓦斯气体增压装置(14)，向用于研究煤柱力学特性的实验装置中的煤体(11)内通入0.3MPa的瓦斯；
步骤六、开启围压阀(15-3)和围压液压增压泵(15-1)，向围压油腔(9)内增压，直至围压油腔(9)内的围压为1MPa，关闭围压阀(15-3)和围压液压增压泵(15-1)；再次开启瓦斯气体增压装置(14)，使用于煤体原位力学特性的实验装置中的煤体(11)内的孔隙压力增至0.7MPa，依次增加围压和孔隙压力，直至围压和孔隙压力均达到目标值后停止，维持该状态8小时；
步骤七、8小时后，调节恒温控制箱(16)的温度，使温度保持在0.5℃±0.1℃，使煤体(11)与瓦斯充分进行水合固化反应；此时，恒定电位仪(18)、电阻应变仪(19)、轴压压力传感器(23)、温度传感器(24)、围压压力传感器(25)、位移传感器(26)、孔隙压力传感器(27)将各自采集的数据发送至数据采集器(20)；
步骤八、待瓦斯水合物在煤体(11)中完全生成以后，即数据采集器(20)采集到煤体(11)中的瓦斯孔隙压力不再下降为止，开展力学试验；
步骤九、打开围压阀(15-3)，转动围压液压增压泵(15-1)使得煤体(11)周围的围压增加到力学试验所需的目标值，关闭围压阀(15-3)；
打开轴压阀(15-4)，转动轴压液压增压泵(15-2)，使得二号电极(7)在活动柱塞(3)的推动下压缩煤体(11)，电阻应变仪(19)通过应变片(13)采集煤体(11)在压缩过程中的轴向和径向变形比，通过位移传感器(26)采集煤体(11)的轴向变形，通过围压、轴压传感器采集煤柱压缩过程的压力变化；步骤十、数据采集器(20)将采集的数据发送至工控机(21)，工控机(21)通过克拉佩龙公式及水合物生成量计算公式，利用温度、围压、轴压、孔隙压力、应变信号、电位信号计算煤柱中水合物饱和度的变化；并将电位信号和计算得到的水合物饱和度在全过程对应时刻进行拟合，得到煤柱中水合物饱和度与电位之间的关系，并显示在显示器(22)上。
8.根据权利要求7所述的基于用于煤体原位力学特性的实验装置的瓦斯水合物饱和度监测方法，其特征在于，步骤三到步骤六中始终保持围压大于孔隙压力0.5MPa。
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