CN106442255B - 一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统及方法，测试系统的真三轴加载机构包括大、中、小主应力加载组件及煤岩试样加载箱体，大主应力加载组件包括液压缸及动、静压头，中、小主应力加载组件包括液压缸及动压头，中、小主应力动压头分为刚性压板及刚柔组合压块，中、小主应力刚柔组合压块上分别设有导向滑槽和导向滑轨，大主应力与中、小主应力加载组件之间装有辅助压紧组件，煤岩试样加载箱体上装有发热电阻片和温度传感器，各个压头上装有压力传感器。测试方法为：依次控制小、中、大主应力液压缸对封装的煤岩试样进行微力夹持，利用辅助压紧组件对中、小主应力动压头进行压紧，设定箱内温度，向煤岩试样中通入氮气完成渗流，记录流量数据。

Description

一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统及方法

技术领域

本发明属于煤岩渗流测试技术领域，特别是涉及一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统及方法。

背景技术

随着工业化建设的加快，煤矿生产逐渐由浅层开采转为深层开采，导致瓦斯突出灾害问题愈发突出，而渗透率作为评判煤岩体渗流能力的重要指标，也是煤层气开发以及瓦斯抽采时的关键参数之一，因此进行煤岩体渗流特性研究，对于煤层气开发及瓦斯抽采中的瓦斯灾害防治具有重要意义。

目前，用于煤岩渗流测试的装置多数仅满足准三轴应力加载，其难以反映煤层所处的真实应力环境。再有，现有的煤岩渗流测试装置在试验过程中往往忽略了温度因素，但是深部煤层与浅部煤层的环境温度会有较大差异，当忽悠温度因素后，试验后测得的渗透率数据往往误差较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统及方法，通过特殊设计的压头结构实现真三轴应力加载，通过发热电阻片模拟煤层真实环境温度，并在设定温度条件下，通过真三轴应力加载实现煤岩渗流测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，包括真三轴加载机构、氮气瓶、气体流量计、液压泵组及液压油箱；所述真三轴加载机构包括大主应力加载组件、中主应力加载组件、小主应力加载组件及煤岩试样加载箱体，所述大主应力加载组件包括大主应力液压缸、大主应力动压头及大主应力静压头，所述中主应力加载组件包括第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一中主应力动压头及第二中主应力动压头，所述小主应力加载组件包括第一小主应力液压缸、第二小主应力液压缸、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头；所述大主应力液压缸、第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一小主应力液压缸及第二小主应力液压缸通过液压泵组与液压油箱相连通；

所述大主应力液压缸固定安装在煤岩试样加载箱体顶部箱壁上，且大主应力液压缸的活塞杆朝下设置，所述大主应力动压头固定连接在大主应力液压缸的活塞杆端部；所述大主应力静压头固定安装在煤岩试样加载箱体底部箱壁上，且大主应力静压头位于大主应力动压头正下方；在所述大主应力液压缸的活塞杆中心以及大主应力动压头中心开设有进气通孔，进气通孔通过进气导管与氮气瓶相连通；在所述大主应力静压头中心开设有排气通孔，排气通孔通过排气导管与气体流量计相连通；

所述第一中主应力液压缸固定安装在煤岩试样加载箱体侧面箱壁上，且第一中主应力液压缸的活塞杆朝内设置，所述第一中主应力动压头固定连接在第一中主应力液压缸的活塞杆端部；所述第二中主应力液压缸与第一中主应力液压缸对称设置，所述第二中主应力动压头固定连接在第二中主应力液压缸的活塞杆端部；所述第一小主应力液压缸与第一中主应力液压缸相邻设置，第一小主应力液压缸的活塞杆朝内设置，所述第一小主应力动压头固定连接在第一小主应力液压缸的活塞杆端部；所述第二小主应力液压缸与第一小主应力液压缸对称设置，所述第二小主应力动压头固定连接在第二小主应力液压缸的活塞杆端部。

所述第一中主应力动压头与第二中主应力动压头结构相同，两者均包括中主应力刚性压板及中主应力刚柔组合压块，中主应力刚性压板呈L型结构，中主应力刚柔组合压块设置在中主应力刚性压板上；所述中主应力刚柔组合压块由若干刚性层和柔性层水平交替叠加构成。

所述第一小主应力动压头与第二小主应力动压头结构相同，两者均包括小主应力刚性压板及小主应力刚柔组合压块，小主应力刚性压板呈L型结构，小主应力刚柔组合压块设置在小主应力刚性压板上；所述小主应力刚柔组合压块由若干柔性层和复合层竖直交替叠加构成，且复合层由若干刚性层和柔性层水平交替叠加构成。

在所述中主应力刚柔组合压块上开设有导向滑槽，导向滑槽与中主应力加载方向相同；在所述小主应力刚柔组合压块开设有导向滑轨，导向滑轨与小主应力加载方向相同；所述导向滑轨与导向滑槽滑动配合。

在所述大主应力加载组件与中主应力加载组件及小主应力加载组件之间加装有辅助压紧组件，辅助压紧组件包括挡环、传力盘及传力杆；所述挡环固定于大主应力液压缸的活塞杆上，传力盘水平设置在固定挡环下方，在传力盘下表面固定连接有四根传力杆，传力杆底端安装有传力滚轮；四个所述传力滚轮分别与其相对应的中主应力刚柔组合压块及小主应力刚柔组合压块上表面滚动接触配合；在所述中主应力刚柔组合压块及小主应力刚柔组合压块上表面均开设有滚轮导向沟槽；在所述传力盘下方设置有限位挡板，限位挡板与煤岩试样加载箱体固定连接。

在所述煤岩试样加载箱体侧面箱壁的内表面加装有发热电阻片，通过发热电阻片对煤岩试样加载箱体内的温度进行调节。

在所述煤岩试样加载箱体的箱壁上安装有温度传感器，通过温度传感器对煤岩试样加载箱体内的温度进行实时测量。

在所述大主应力动压头、大主应力静压头、第一中主应力动压头、第二中主应力动压头、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头上均安装有压力传感器，通过压力传感器对大主应力、中主应力及小主应力进行实时测量。

一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试方法，采用了所述的真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，包括如下步骤：

步骤一：制备煤岩试样，并对煤岩试样进行封装，煤岩试样周向通过密封套管进行密封，在煤岩试样的上、下表面安装垫片，在垫片上设置有导流槽；

步骤二：将封装好的煤岩试样竖直放置在大主应力静压头上表面中心；

步骤三：控制第一小主应力液压缸和第二小主应力液压缸的活塞杆伸出，利用第一小主应力动压头和第二小主应力动压头对煤岩试样进行微力夹持；

步骤四：控制第一中主应力液压缸和第二中主应力液压缸的活塞杆伸出，利用第一中主应力动压头和第二中主应力动压头对煤岩试样进行微力夹持；

步骤五：控制大主应力液压缸的活塞杆伸出，利用大主应力动压头和大主应力静压头对煤岩试样进行微力夹持；同时利用辅助压紧组件将第一中主应力动压头、第二中主应力动压头、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头进行竖直向压紧；

步骤六：利用发热电阻片对煤岩试样加载箱体内的温度进行设定；

步骤七：在设定温度下，通过大主应力液压缸、第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一小主应力液压缸及第二小主应力液压缸对煤岩试样进行真三轴应力加载；

步骤八：开启氮气瓶，使设定压力下的氮气依次通过进气导管及进气通孔渗流穿过煤岩试样，再依次通过排气通孔及排气导管进入气体流量计中；

步骤九：记录下气体流量计中的流量数据，同时记录下此时的大主应力、中主应力及小主应力的压力值和煤岩试样加载箱体内的温度值，进而完成真三轴多物理场耦合条件下的煤岩渗流测试。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，通过特殊设计的压头结构实现真三轴应力加载，通过发热电阻片模拟煤层真实环境温度，并在设定温度条件下，通过真三轴应力加载实现煤岩渗流测试。

附图说明

图1为本发明的一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统的结构原理图；

图2为本发明的真三轴加载机构的结构示意图；

图3为煤岩试样处于真三轴应力加载的状态图；

图4为图3中A-A剖视图；

图5为图4中B-B剖视图；

图中，1—真三轴加载机构，2—氮气瓶，3—气体流量计，4—液压泵组，5—液压油箱，6—煤岩试样加载箱体，7—大主应力液压缸，8—大主应力动压头，9—大主应力静压头，10—第一中主应力液压缸，11—第二中主应力液压缸，12—第一中主应力动压头，13—第二中主应力动压头，14—第一小主应力液压缸，15—第一小主应力动压头，16—进气通孔，17—进气导管，18—中主应力刚性压板，19—中主应力刚柔组合压块，20—刚性层，21—柔性层，22—小主应力刚性压板，23—小主应力刚柔组合压块，24—导向滑槽，25—导向滑轨，26—挡环，27—传力盘，28—传力杆，29—传力滚轮，30—滚轮导向沟槽，31—限位挡板，32—发热电阻片，33—温度传感器，34—煤岩试样，35—密封套管，36—垫片，37—导流槽，38—排气通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～5所示，一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，包括真三轴加载机构1、氮气瓶2、气体流量计3、液压泵组4及液压油箱5；所述真三轴加载机构1包括大主应力加载组件、中主应力加载组件、小主应力加载组件及煤岩试样加载箱体6，所述大主应力加载组件包括大主应力液压缸7、大主应力动压头8及大主应力静压头9，所述中主应力加载组件包括第一中主应力液压缸10、第二中主应力液压缸11、第一中主应力动压头12及第二中主应力动压头13，所述小主应力加载组件包括第一小主应力液压缸14、第二小主应力液压缸、第一小主应力动压头15及第二小主应力动压头；所述大主应力液压缸7、第一中主应力液压缸10、第二中主应力液压缸11、第一小主应力液压缸14及第二小主应力液压缸通过液压泵组4与液压油箱5相连通；

所述大主应力液压缸7固定安装在煤岩试样加载箱体6顶部箱壁上，且大主应力液压缸7的活塞杆朝下设置，所述大主应力动压头8固定连接在大主应力液压缸7的活塞杆端部；所述大主应力静压头9固定安装在煤岩试样加载箱体6底部箱壁上，且大主应力静压头9位于大主应力动压头8正下方；在所述大主应力液压缸7的活塞杆中心以及大主应力动压头8中心开设有进气通孔16，进气通孔16通过进气导管17与氮气瓶2相连通；在所述大主应力静压头9中心开设有排气通孔38，排气通孔38通过排气导管与气体流量计3相连通；

所述第一中主应力液压缸10固定安装在煤岩试样加载箱体6侧面箱壁上，且第一中主应力液压缸10的活塞杆朝内设置，所述第一中主应力动压头12固定连接在第一中主应力液压缸10的活塞杆端部；所述第二中主应力液压缸11与第一中主应力液压缸10对称设置，所述第二中主应力动压头13固定连接在第二中主应力液压缸11的活塞杆端部；所述第一小主应力液压缸14与第一中主应力液压缸10相邻设置，第一小主应力液压缸14的活塞杆朝内设置，所述第一小主应力动压头15固定连接在第一小主应力液压缸14的活塞杆端部；所述第二小主应力液压缸与第一小主应力液压缸14对称设置，所述第二小主应力动压头固定连接在第二小主应力液压缸的活塞杆端部。

所述第一中主应力动压头12与第二中主应力动压头13结构相同，两者均包括中主应力刚性压板18及中主应力刚柔组合压块19，中主应力刚性压板18呈L型结构，中主应力刚柔组合压块19设置在中主应力刚性压板18上；所述中主应力刚柔组合压块19由若干刚性层20和柔性层21水平交替叠加构成。

所述第一小主应力动压头15与第二小主应力动压头结构相同，两者均包括小主应力刚性压板22及小主应力刚柔组合压块23，小主应力刚性压板22呈L型结构，小主应力刚柔组合压块23设置在小主应力刚性压板22上；所述小主应力刚柔组合压块23由若干柔性层21和复合层竖直交替叠加构成，且复合层由若干刚性层20和柔性层21水平交替叠加构成。

本实施例中，刚性层20为钢质材料，柔性层21为丁腈橡胶。

在所述中主应力刚柔组合压块19上开设有导向滑槽24，导向滑槽24与中主应力加载方向相同；在所述小主应力刚柔组合压块23开设有导向滑轨25，导向滑轨25与小主应力加载方向相同；所述导向滑轨25与导向滑槽24滑动配合。

在所述大主应力加载组件与中主应力加载组件及小主应力加载组件之间加装有辅助压紧组件，辅助压紧组件包括挡环26、传力盘27及传力杆28；所述挡环26固定于大主应力液压缸7的活塞杆上，传力盘27水平设置在固定挡环26下方，在传力盘27下表面固定连接有四根传力杆28，传力杆28底端安装有传力滚轮29；四个所述传力滚轮29分别与其相对应的中主应力刚柔组合压块19及小主应力刚柔组合压块23上表面滚动接触配合；在所述中主应力刚柔组合压块19及小主应力刚柔组合压块23上表面均开设有滚轮导向沟槽30；在所述传力盘27下方设置有限位挡板31，限位挡板31与煤岩试样加载箱体6固定连接。

由于辅助压紧组件的存在，有效保证了中主应力刚柔组合压块19及小主应力刚柔组合压块23的加载精度。

在所述煤岩试样加载箱体6侧面箱壁的内表面加装有发热电阻片32，通过发热电阻片32对煤岩试样加载箱体6内的温度进行调节。

在所述煤岩试样加载箱体6的箱壁上安装有温度传感器33，通过温度传感器33对煤岩试样加载箱体6内的温度进行实时测量。

在所述大主应力动压头8、大主应力静压头9、第一中主应力动压头12、第二中主应力动压头13、第一小主应力动压头15及第二小主应力动压头上均安装有压力传感器，通过压力传感器对大主应力、中主应力及小主应力进行实时测量。

一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试方法，采用了所述的真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，包括如下步骤：

步骤一：制备煤岩试样34，并对煤岩试样34进行封装，煤岩试样34周向通过密封套管35进行密封，在煤岩试样34的上、下表面安装垫片36，在垫片36上设置有导流槽37；

步骤二：将封装好的煤岩试样34竖直放置在大主应力静压头9上表面中心；

步骤三：控制第一小主应力液压缸14和第二小主应力液压缸的活塞杆伸出，利用第一小主应力动压头15和第二小主应力动压头对煤岩试样34进行微力夹持；

步骤四：控制第一中主应力液压缸10和第二中主应力液压缸11的活塞杆伸出，利用第一中主应力动压头12和第二中主应力动压头13对煤岩试样34进行微力夹持；

步骤五：控制大主应力液压缸7的活塞杆伸出，利用大主应力动压头8和大主应力静压头9对煤岩试样34进行微力夹持；同时利用辅助压紧组件将第一中主应力动压头12、第二中主应力动压头13、第一小主应力动压头15及第二小主应力动压头进行竖直向压紧；

步骤六：利用发热电阻片32对煤岩试样加载箱体6内的温度进行设定；

步骤七：在设定温度下，通过大主应力液压缸7、第一中主应力液压缸10、第二中主应力液压缸11、第一小主应力液压缸14及第二小主应力液压缸对煤岩试样34进行真三轴应力加载；

步骤八：开启氮气瓶2，使设定压力下的氮气依次通过进气导管17及进气通孔16渗流穿过煤岩试样34，再依次通过排气通孔18及排气导管进入气体流量计3中；

步骤九：记录下气体流量计3中的流量数据，同时记录下此时的大主应力、中主应力及小主应力的压力值和煤岩试样加载箱体6内的温度值，进而完成真三轴多物理场耦合条件下的煤岩渗流测试。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，其特征在于：包括真三轴加载机构、氮气瓶、气体流量计、液压泵组及液压油箱；所述真三轴加载机构包括大主应力加载组件、中主应力加载组件、小主应力加载组件及煤岩试样加载箱体，所述大主应力加载组件包括大主应力液压缸、大主应力动压头及大主应力静压头，所述中主应力加载组件包括第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一中主应力动压头及第二中主应力动压头，所述小主应力加载组件包括第一小主应力液压缸、第二小主应力液压缸、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头；所述大主应力液压缸、第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一小主应力液压缸及第二小主应力液压缸通过液压泵组与液压油箱相连通；

所述大主应力液压缸固定安装在煤岩试样加载箱体顶部箱壁上，且大主应力液压缸的活塞杆朝下设置，所述大主应力动压头固定连接在大主应力液压缸的活塞杆端部；所述大主应力静压头固定安装在煤岩试样加载箱体底部箱壁上，且大主应力静压头位于大主应力动压头正下方；在所述大主应力液压缸的活塞杆中心以及大主应力动压头中心开设有进气通孔，进气通孔通过进气导管与氮气瓶相连通；在所述大主应力静压头中心开设有排气通孔，排气通孔通过排气导管与气体流量计相连通；

所述第一中主应力液压缸固定安装在煤岩试样加载箱体侧面箱壁上，且第一中主应力液压缸的活塞杆朝内设置，所述第一中主应力动压头固定连接在第一中主应力液压缸的活塞杆端部；所述第二中主应力液压缸与第一中主应力液压缸对称设置，所述第二中主应力动压头固定连接在第二中主应力液压缸的活塞杆端部；所述第一小主应力液压缸与第一中主应力液压缸相邻设置，第一小主应力液压缸的活塞杆朝内设置，所述第一小主应力动压头固定连接在第一小主应力液压缸的活塞杆端部；所述第二小主应力液压缸与第一小主应力液压缸对称设置，所述第二小主应力动压头固定连接在第二小主应力液压缸的活塞杆端部；

所述第一中主应力动压头与第二中主应力动压头结构相同，两者均包括中主应力刚性压板及中主应力刚柔组合压块，中主应力刚性压板呈L型结构，中主应力刚柔组合压块设置在中主应力刚性压板上；所述中主应力刚柔组合压块由若干刚性层和柔性层水平交替叠加构成；

所述第一小主应力动压头与第二小主应力动压头结构相同，两者均包括小主应力刚性压板及小主应力刚柔组合压块，小主应力刚性压板呈L型结构，小主应力刚柔组合压块设置在小主应力刚性压板上；所述小主应力刚柔组合压块由若干柔性层和复合层竖直交替叠加构成，且复合层由若干刚性层和柔性层水平交替叠加构成；

在所述中主应力刚柔组合压块上开设有导向滑槽，导向滑槽与中主应力加载方向相同；在所述小主应力刚柔组合压块开设有导向滑轨，导向滑轨与小主应力加载方向相同；所述导向滑轨与导向滑槽滑动配合；

在所述大主应力加载组件与中主应力加载组件及小主应力加载组件之间加装有辅助压紧组件，辅助压紧组件包括挡环、传力盘及传力杆；所述挡环固定于大主应力液压缸的活塞杆上，传力盘水平设置在固定挡环下方，在传力盘下表面固定连接有四根传力杆，传力杆底端安装有传力滚轮；四个所述传力滚轮分别与其相对应的中主应力刚柔组合压块及小主应力刚柔组合压块上表面滚动接触配合；在所述中主应力刚柔组合压块及小主应力刚柔组合压块上表面均开设有滚轮导向沟槽；在所述传力盘下方设置有限位挡板，限位挡板与煤岩试样加载箱体固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，其特征在于：在所述煤岩试样加载箱体侧面箱壁的内表面加装有发热电阻片，通过发热电阻片对煤岩试样加载箱体内的温度进行调节。

3.根据权利要求2所述的一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，其特征在于：在所述煤岩试样加载箱体的箱壁上安装有温度传感器，通过温度传感器对煤岩试样加载箱体内的温度进行实时测量。

4.根据权利要求3所述的一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，其特征在于：在所述大主应力动压头、大主应力静压头、第一中主应力动压头、第二中主应力动压头、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头上均安装有压力传感器，通过压力传感器对大主应力、中主应力及小主应力进行实时测量。

5.一种真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试方法，采用了权利要求1所述的真三轴多物理场耦合的煤岩渗流测试系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：制备煤岩试样，并对煤岩试样进行封装，煤岩试样周向通过密封套管进行密封，在煤岩试样的上、下表面安装垫片，在垫片上设置有导流槽；

步骤二：将封装好的煤岩试样竖直放置在大主应力静压头上表面中心；

步骤三：控制第一小主应力液压缸和第二小主应力液压缸的活塞杆伸出，利用第一小主应力动压头和第二小主应力动压头对煤岩试样进行微力夹持；

步骤四：控制第一中主应力液压缸和第二中主应力液压缸的活塞杆伸出，利用第一中主应力动压头和第二中主应力动压头对煤岩试样进行微力夹持；

步骤五：控制大主应力液压缸的活塞杆伸出，利用大主应力动压头和大主应力静压头对煤岩试样进行微力夹持；同时利用辅助压紧组件将第一中主应力动压头、第二中主应力动压头、第一小主应力动压头及第二小主应力动压头进行竖直向压紧；

步骤六：利用发热电阻片对煤岩试样加载箱体内的温度进行设定；

步骤七：在设定温度下，通过大主应力液压缸、第一中主应力液压缸、第二中主应力液压缸、第一小主应力液压缸及第二小主应力液压缸对煤岩试样进行真三轴应力加载；

步骤八：开启氮气瓶，使设定压力下的氮气依次通过进气导管及进气通孔渗流穿过煤岩试样，再依次通过排气通孔及排气导管进入气体流量计中；

步骤九：记录下气体流量计中的流量数据，同时记录下此时的大主应力、中主应力及小主应力的压力值和煤岩试样加载箱体内的温度值，进而完成真三轴多物理场耦合条件下的煤岩渗流测试。