CN106198539A - 一种煤体解、吸附变形测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石工程技术领域，公开了一种煤体解、吸附变形测量系统，包括：气体控制结构、密闭观测箱、高速相机以及数字图像分析平台；气体控制结构与密闭观测箱相连；高速相机与数字图像分析平台相连，拍摄密闭观测箱内的煤体试样在不同气压条件下的图像，并通过数字图像分析平台分析，得到煤体试样的形变应变；其中，在执行煤体吸附变形测量时，密闭观测箱内填充气体，调节箱内气压，通过高速相机连续拍摄煤体试样形变应变并通过数字图像分析平台分析形变应变；当煤体吸附变形测量完成后执行煤体解吸变形测量，开始释放所述密闭观测箱内的气体并同时开始连续拍摄煤体试样的形变应变。本发明提供了一种可靠的煤体解吸附变形测量方案。

Description

一种煤体解、吸附变形测量系统及方法

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，特别涉及一种煤体解、吸附变形测量系统及方法。

背景技术

煤岩的应力应变状态的研究对于巷道围岩支护、煤层气开采、煤与瓦斯突出等问题都有重要的意义，尤其在煤层气开发领域，煤岩在吸附瓦斯等吸附性气体时的应力应变状态对于指导煤层气生产有着重要的理论和现实意义。

目前对于煤岩应力应变状态的获取多采用室内试验的手段，常见的应变测量工具有位移传感器或者应变传感器等。采用传统应变传感器在测量吸附状态下的煤岩应变状态时采集的数据是煤岩的平均应变，而煤岩是一种典型的非均质材料，因此这种测量手段无法反应煤岩内部的应力应变状态，同时这些传感器安装复杂，精度较低，极易发生密封不紧、测量失败等情况，因此急需一种简单可行能够获得较高精度的解、吸附状态下的煤岩应变测量手段。

有学者提出采用CT扫描等方法研究煤岩内部的应力应变状态，通过CT数或灰度值反映煤岩内部结构在不同状态下的变化规律，虽然取得了一定的效果，但是仍然具有较大的局限性，这是因为这种方法受限于扫描频次，无法全程跟踪煤岩全时段的应力应变演化过程。

发明内容

本发明提供一种煤体解、吸附变形测量系统及方法，解决现有技术中试样应力应变测量只能关注测量始终状态，而无法测量应力应变全过程的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种煤体解、吸附变形测量系统，包括：气体控制结构、密闭观测箱、高速相机以及数字图像分析平台；

所述气体控制结构与所述密闭观测箱相连，控制所述密闭观测箱内的气体出入以及箱内气压；

所述高速相机与所述数字图像分析平台相连，拍摄所述密闭观测箱内的煤体试样在不同气压条件下的图像，并通过所述数字图像分析平台分析，得到煤体试样的形变应变；

其中，在执行煤体吸附变形测量时，所述密闭观测箱内填充气体，调节箱内气压，通过所述高速相机连续拍摄煤体试样形变应变并通过所述数字图像分析平台分析形变应变；

当上述煤体吸附变形测量完成后执行煤体解吸变形测量，开始释放所述密闭观测箱内的气体并同时开始连续拍摄所述煤体试样的形变应变。

进一步地，在执行不同压强环境的连续压强测量时，完成某一压强条件下的煤体解、吸附测量后执行下一压强条件的测量操作。

进一步地，在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速相机拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。

进一步地，所述气体控制结构包括：气源、进气管路、出气管路、减压阀以及气压传感器；

所述气源通过所述进气管路与所述密闭观测箱相连，执行气体输入；

所述密闭观测箱与所述出气管路相连，执行气体输出；

所述减压阀设置在所述进气管路上，实现所述密闭观测箱内的气压调整；

所述气压传感器设置在所述密闭观测箱上，实时监测所述密闭观测箱内的气压，并回传给所述数字图像分析平台。

进一步地，当且仅当所述减压阀的压强读数与所述气压传感器检测的压强读数相等，且持续时间大于48小时，才认为所述煤体试样处于解吸平衡或者吸附平衡状态。

进一步地，所述密闭观测箱为透明箱体。

进一步地，所述高速相机为两台；

两台所述高速相机对称设置在所述煤体试样中心轴线两侧，对准所述煤体试样。

一种煤体解、吸附变形测量方法，包括：

将煤体试样置于一定的气体压强测量气体环境中；

通过高速拍摄设备连续拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的吸附形变应变；

释放所述测量气体环境中的气体；

通过高速连续拍摄设备拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的解吸形变应变；

重复上述过程，测量不同压强条件下的煤体试样的解、吸附形变应变。

进一步地，在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速拍摄设备拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的煤体解、吸附变形测量系统及方法，通过全过程的拍摄和图像分析，实现了煤岩内部和整体(基质和煤体)的应变测量；实现了煤岩表面解、吸附变形测试的全天候观测，自动化程度高。

进一步地，通过气体控制结构实现了同一试样，不同气体压力的解、吸附变形的精确测量；系统通用性好、可靠性高、操作简单，可以实现不同煤岩的解、吸附变形测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的煤体解、吸附变形测量系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种煤体解、吸附变形测量系统及方法，解决现有技术中试样应力应变测量只能关注测量始终状态，而无法测量应力应变全过程的技术问题；达到了实现了煤岩内部和整体(基质和煤体)的应变测量；同时，不同气体压力的解、吸附变形的煤岩表面解、吸附变形测试的全天候精确测量的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本发明实施例提供的一种煤体解、吸附变形测量系统，包括：气体控制结构、密闭观测箱、高速相机以及数字图像分析平台；

所述气体控制结构与所述密闭观测箱相连，控制所述密闭观测箱内的气体出入以及箱内气压；

所述高速相机与所述数字图像分析平台相连，拍摄所述密闭观测箱内的煤体试样在不同气压条件下的图像，并通过所述数字图像分析平台分析，得到煤体试样的形变应变；

其中，在执行煤体吸附变形测量时，所述密闭观测箱内填充气体，调节箱内气压，通过所述高速相机连续拍摄煤体试样形变应变并通过所述数字图像分析平台分析形变应变；

当上述煤体吸附变形测量完成后执行煤体解吸变形测量，开始释放所述密闭观测箱内的气体并同时开始连续拍摄所述煤体试样的形变应变。

在执行不同压强环境的连续压强测量时，完成某一压强条件下的煤体解、吸附测量后执行下一压强条件的测量操作。

具体来说，针对待测的煤体试样，将其置于一个气压可调的密闭气体环境中，即所述密闭观测箱中，在其发生解吸和吸附过程中，通过高速拍摄设备，即高速相机实现，连续的拍摄试样的图像，而后通过成熟的数字图像分析平台获得试样表面的形变应变，实现技术目的。

具体的，在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速相机拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。实现全天候的观测，使得测量在可靠性大大提升，同时由于能够全面反映整个解吸和吸附过程，使得实验的数据完整性大幅提升，同时完整可靠的记录了整个解吸附过程。

本实施例提供了一种具体的准告知组合，所述气体控制结构包括：气源、进气管路、出气管路、减压阀以及气压传感器。

所述气源通过所述进气管路与所述密闭观测箱相连，执行气体输入；

所述密闭观测箱与所述出气管路相连，执行气体输出；

所述减压阀设置在所述进气管路上，实现所述密闭观测箱内的气压调整；

所述气压传感器设置在所述密闭观测箱上，实时监测所述密闭观测箱内的气压，并回传给所述数字图像分析平台。

为了准确的得到完整的数据，确定的判断反应过程的起始和重点，优选的，当且仅当所述减压阀的压强读数与所述气压传感器检测的压强读数相等，且持续时间大于48小时，才认为所述煤体试样处于解吸平衡或者吸附平衡状态。

为了便于观测，所述密闭观测箱为透明箱体。

为了提升图像获取的完整性和靠性，所述高速相机为两台；两台所述高速相机对称设置在所述煤体试样中心轴线两侧，对准所述煤体试样。

本实施例还提供一种测量方法。

一种煤体解、吸附变形测量方法，包括：

将煤体试样置于一定的气体压强测量气体环境中；

通过高速拍摄设备连续拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的吸附形变应变；

释放所述测量气体环境中的气体；

通过高速连续拍摄设备拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的解吸形变应变；

重复上述过程，测量不同压强条件下的煤体试样的解、吸附形变应变。

进一步地，在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速拍摄设备拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。

下面将通过一个具体的系统实施例说明本方案。

参见图1，一种煤体解、吸附变形光学测量系统，包括气瓶1、减压阀3、进气端气体阀门4、气体管路5、出气端气体阀门8、特制有机玻璃观测箱7、气压传感器12、三脚架13、高速相机14、数字图像分析平台17，其连接关系是：气瓶1、减压阀3、进气端气体阀门4通过气体管路5连接特制有机玻璃观测箱7的一侧开孔处，通过密封螺丝10将气体管路5与特制有机玻璃观测箱7连接；气体管路5、出气端气体阀门4与有机玻璃观测箱7的另一侧开孔处连接；特制有机玻璃观测箱，由箱体7、顶盖9、密封螺丝10、垫片11组成，顶盖9与箱体7之间通过密封螺丝10和垫片11连接，实现密封效果，顶盖中心处有开孔，设置特制连接螺丝6，连接气压传感器12，箱体7与顶盖9材料均为透明有机玻璃，透光率高；两台高速相机14分别固定在三脚架13上，放置在特制有机玻璃箱体7的未开孔侧，与箱体7中心线成一定角度放置，气压传感器12和相机14通过通讯线15连接数字图像分析平台17。

特制有机玻璃观测箱7由箱体7、顶盖9、密封螺丝10、垫片11组成，顶盖9与箱体7之间通过密封螺丝10和垫片11连接，实现密封效果，箱体尺寸为60×40×50cm的长方体，箱体材料与顶盖材料均为有机玻璃。箱体左壁和右壁中心处设有开孔，开孔处安装特制密封连接螺丝6，用于连接气体管路，气体管路直径1/8inch，箱体的顶盖中心处设有开孔，同样通过特制密封连接螺丝6与气体传感器12连接。

数字图像分析平台17可以综合分析高速相机12拍摄的煤岩图像，并可以实时采集气体传感器12的气体压力数据。平台采用的高速相机12是GT3400相机(分辨率为3384×2074，镜头焦距为80mm)，气体传感器为KELLER传感器，压力值范围0～20MPa。

试验前，需预先准备煤岩试样16，试样尺寸10×2×10cm，将试样16喷涂标记点，用于下一步的应变测量。将试样16放入特制有机玻璃箱体7中，竖立放置在特制有机玻璃箱体7中心位置，后将顶盖9安置于特制有机玻璃箱体7上，通过密封螺丝10和垫片11连接箱体和顶盖9，气体管路5通过特制连接螺丝6连接箱体7。将两台高速相机14放置在三脚架13上，三脚架置于箱体5m远处，相机14分布于箱体前壁中心线两侧，相机14镜头呈一定角度对准试样16。

连接系统各线路后，进行具体的实验操作。

(1)检查系统气密性。打开气瓶1的开关阀2，打开减压阀3和进气端气体阀门4，关闭出气端气体阀门8。通过数字图像分析平台17观测气体压力传感12的读数，当气体压力读数24小时内不再变化时可认为气密性良好，进行下一步操作。

(2)1MPa气体压力下煤岩吸附-解吸变形测量试验。打开气瓶1的开关阀2，打开减压阀3和进气端气体阀门4，关闭出气端气体阀门8。通过调节减压阀3读数设定气体压力值，同时打开高速相机14开始拍摄煤岩试样16的图像，当气体压力传感器12读数与减压阀3压力读数一致并保持48小时不变时，认为此读数压力下煤岩达到吸附平衡，保存相机图像，并在数字图像分析平台上分析应变数据，并保存记录。关闭气瓶1的开关阀2，打开出气端气体阀门8，同时打开高速相机14开始拍摄煤岩试样16的图像，当气体压力传感器12读数变为大气压力保持48小时不变时认为此读数压力下煤岩达到解吸平衡，保存相机图像，并在数字图像分析平台上分析应变数据，并保存记录。

(3)2、3、4、5、6MPa气体压力下煤岩吸附-解吸变形测量试验。通过调节减压阀4的读数设定2、3、4、5、6MPa气体压力，重复上述步骤(2)，进行2、3、4、5、6MPa气体压力下煤岩吸附-解吸变形测量试验。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的煤体解、吸附变形测量系统及方法，通过全过程的拍摄和图像分析，实现了煤岩内部和整体(基质和煤体)的应变测量；实现了煤岩表面解、吸附变形测试的全天候观测，自动化程度高。

进一步地，通过气体控制结构实现了同一试样，不同气体压力的解、吸附变形的精确测量；系统通用性好、可靠性高、操作简单，可以实现不同煤岩的解、吸附变形测试。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于，包括：气体控制结构、密闭观测箱、高速相机以及数字图像分析平台；

所述气体控制结构与所述密闭观测箱相连，控制所述密闭观测箱内的气体出入以及箱内气压；

所述高速相机与所述数字图像分析平台相连，拍摄所述密闭观测箱内的煤体试样在不同气压条件下的图像，并通过所述数字图像分析平台分析，得到煤体试样的形变应变；

其中，在执行煤体吸附变形测量时，所述密闭观测箱内填充气体，调节箱内气压，通过所述高速相机连续拍摄煤体试样形变应变并通过所述数字图像分析平台分析形变应变；

当上述煤体吸附变形测量完成后执行煤体解吸变形测量，开始释放所述密闭观测箱内的气体并同时开始连续拍摄所述煤体试样的形变应变。

2.如权利要求1所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于：在执行不同压强环境的连续压强测量时，完成某一压强条件下的煤体解、吸附测量后执行下一压强条件的测量操作。

3.如权利要求2所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于：在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速相机拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。

4.如权利要求3所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于，所述气体控制结构包括：气源、进气管路、出气管路、减压阀以及气压传感器；

所述气源通过所述进气管路与所述密闭观测箱相连，执行气体输入；

所述密闭观测箱与所述出气管路相连，执行气体输出；

所述减压阀设置在所述进气管路上，实现所述密闭观测箱内的气压调整；

所述气压传感器设置在所述密闭观测箱上，实时监测所述密闭观测箱内的气压，并回传给所述数字图像分析平台。

5.如权利要求4所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于：当且仅当所述减压阀的压强读数与所述气压传感器检测的压强读数相等，且持续时间大于48小时，才认为所述煤体试样处于解吸平衡或者吸附平衡状态。

6.如权利要求5所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于：所述密闭观测箱为透明箱体。

7.如权利要求1～6任一项所述的煤体解、吸附变形测量系统，其特征在于：所述高速相机为两台；

两台所述高速相机对称设置在所述煤体试样中心轴线两侧，对准所述煤体试样。

8.一种煤体解、吸附变形测量方法，其特征在于，包括：

将煤体试样置于一定的气体压强测量气体环境中；

通过高速拍摄设备连续拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的吸附形变应变；

释放所述测量气体环境中的气体；

通过高速连续拍摄设备拍摄所述煤体试样的图像；

通过数字图像分析平台分析所述煤体试样的图像，得到所述煤体试样的解吸形变应变；

重复上述过程，测量不同压强条件下的煤体试样的解、吸附形变应变。

9.如权利要求8所述的煤体解、吸附变形测量方法，其特征在于：在煤体解、吸附变形测量过程中，所述高速拍摄设备拍摄从开始气压调节一直持续到解吸平衡或者吸附平衡。