CN107167414B - 一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置及方法。该装置包括摄像装置、液压加压装置、试验装置；试验装置包括圆筒形玻璃罩，其固定在实验台上方，顶部通过顶盖密封；玻璃罩内部设有T型托架，煤样放置在该托架上方，玻璃罩上设有刻度线；液压加压装置包括液压加压泵、进油管和压力传感器，液压加压泵和压力表连接；摄像装置为高速摄像机，位于试验装置的刻度正对面。通过液压泵对实验装置加压，煤样受到油液从各个方向施加的压力，且压力处处相等；煤受压导致孔裂隙发生变化，从压力表测得压力值；通过体积变化得出孔隙率；从而得出加载应力对煤样孔隙率的影响。本发明装置结构简单，性能稳定、实验操作方便易行。

Description

一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置及方法，属于煤炭开采技术领域。

背景技术

目前我国煤炭开采已经进入深部开采阶段，随着开采深度的增加，地质环境愈加复杂，面临着愈加严重的安全问题，特别是地应力对煤炭的影响已经严重威胁到开采生产中的安全。因此，研究应力对煤孔裂隙的影响意义重大。

传统的关于应力对煤孔裂隙影响的研究均采用三轴加载实验装置。该装置所实验的煤样需要进行特制，因此所测得的数据与实际存在着较大的误差，且加载过程中，对煤样施加的应力存在着分布不均，大小方向不易控制的特点。

目前，尚没有一种切实可行的装置能准确的测出应力对煤孔裂隙的影响。因此，急需一种装置能够解决三轴加载中存在的问题，使加载过程中的应力大小、方向易于控制，且不存在不均匀的特点，所得的数据更加准确可靠。

发明内容

本发明旨在提供一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置及方法，该装置及方法能够简单易行地测出煤样的孔裂隙率，分析出应力变化对孔裂隙的影响，改进以往实验中的不足。

本发明提供了一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置，包括摄像装置、液压加压装置、试验装置；

试验装置包括钢化玻璃罩、托架、实验台、顶盖；玻璃罩为圆筒形，固定在实验台上方，玻璃罩底部与实验台密封连接，顶部通过顶盖密封；玻璃罩内部中心设有T型托架，煤样放置在该托架上方，玻璃罩上设有刻度线，用于测量试验过程中煤样尺寸的变化，顶盖为倒U型结构，其内凹处固定有密封圈，通过螺钉固定在玻璃罩顶部；

液压加压装置包括液压加压泵、进油管和压力表，液压加压泵和压力表连接，进油管另一端连接玻璃罩底部的进油口，进油口方向平行于托架的水平面，正对煤样底部；进油口处设有密封圈进行密封；液压装置通过进油口的管道给装置内加油加压，液压装置上配备有相应的压力表，压力表对容器内的压力进行读数；

摄像装置为高速摄像机，高速摄像机位于试验装置的刻度正对面，定时对煤样及装置进行拍照，对整个试验过程中煤样的变化进行记录。

所述玻璃罩底部为喇叭形开口，与实验台连接处通过螺钉、密封圈进行密封。玻璃罩通过螺钉固定在实验台上，且底部由密封圈密封，以防加压时容器内油液漏出。

所述刻度线位于T型托架的上方，刻度线包括水平刻度线和竖直刻度线，二者垂直相交于T型托架的中心。

所述煤样通过热缩管密封。

本发明提供的装置，在实验时，由于整个煤样通过热缩管密封，处在油液之中，其所有表面都通过热缩管与油液接触。液压泵对实验装置加压时，煤样受到油液从各个方向施加的压力，且压力处处相等。煤样受压导致孔裂隙发生变化，压力大小可以从压力表测得。

本发明提供了一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的方法，包括以下实验步骤：

（1）制备煤样：

①首先对采集来的原始煤块进行加工，切割成规则的尺寸为r=6cm、h=20cm的圆柱状煤样三块；

②用热缩管对煤样进行密封，然后用排水法测出煤样的体积V1；

③将煤样放在托架的正中间，在进油口处连接液压加压装置；

（2）连接试验装置：

①盖上顶盖，拧紧顶盖与玻璃罩之间的螺钉；

②通过油液加压泵，缓慢地向玻璃罩内注满油液；

（3）进行加压试验：

①加压过程：缓慢加压，观察压力表的读数，在10min中使压力表从1Mpa逐渐加到100Mpa，在加压过程中，高速摄像系统对该过程每间隔10s进行照相记录；

②取下试验后的煤样，同样用排水法测得试验后煤样的体积V2；得出孔隙率；

③安装好待试验的剩下的两组相同煤样，重复上述步骤；

（4）数据分析：

根据高速摄像机读取的数据，得出煤样孔隙率与应力变化的对应关系。

所述方法中，孔隙率通过以下公式计算得出：

Φ=(V1-V2)/V1；

式中，Φ为孔隙率，V1为初始煤样的体积，V2为试验后煤样的体积。

本发明具有装置结构简单、性能稳定、实验方法操作方便、易行的特点。

附图说明

图1为本发明测定煤样孔裂隙的装置的结构示意图。

图2为煤样一的半径r随时间t的变化曲线图。

图3为煤样一的高度h随时间t的变化曲线图。

图4为煤样一的体积V随时间t的变化曲线图。

图中1为玻璃罩，2为煤样，3为实验台，4为顶盖，5为托架，6为刻度线，7为加压泵，8为进油管，9为压力表，10为密封圈，11为高速摄像机，12为螺钉。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

图1示出了测定煤样孔裂隙的装置的结构示意图，包括摄像装置、液压加压装置、试验装置；

试验装置包括钢化玻璃罩1、托架5、实验台3、顶盖4；玻璃罩1为圆筒形，固定在实验台3上方，玻璃罩1底部与实验台3密封连接，顶部通过顶盖4密封；玻璃罩1内部中心设有T型托架5，煤样2放置在该托架5上方，玻璃罩1上设有刻度线6，用于测量试验过程中煤样尺寸的变化，顶盖4为倒U型结构，其内凹处固定有密封圈10，通过螺钉固定在玻璃罩顶部；

液压加压装置包括液压加压泵7、进油管8和压力表9，液压加压泵7和压力表9连接，进油管8另一端连接玻璃罩1底部的进油口，进油口方向平行于托架5的水平面，正对煤样底部；进油口处设有密封圈进行密封；液压装置通过进油口的管道给装置内加油加压，液压装置上配备有相应的压力表，压力表对容器内的压力进行读数；

摄像装置为高速摄像机11，高速摄像机11位于试验装置的刻度正对面，定时对煤样及装置进行拍照，对整个试验过程中煤样的变化进行记录。

所述玻璃罩1底部为喇叭形开口，与实验台3连接处通过螺钉12、密封圈10进行密封。玻璃罩1通过螺钉固定在实验台3上，且底部由密封圈密封，以防加压时容器内油液漏出。

所述刻度线6位于T型托架5的上方，刻度线包括水平刻度线和竖直刻度线，二者垂直相交于T型托架的中心。

所述煤样通过热缩管密封。

采用上述装置，通过液压加压测定煤样孔裂隙的方法，包括以下实验步骤：

准备

1， 首先对采集来的原始煤块进行加工，切割成规则的尺寸为r=6cm h=20cm的圆柱状煤样三块；

2， 用热缩管对煤样进行密封，然后用排水法测出煤样的体积V1；

3，将煤样放在托架的正中间，在进油口处连接上液压加压装置；

4，盖上顶盖，拧紧顶盖与玻璃罩之间的螺丝钉；

3， 通过油液加压泵，缓慢的向容器内注入油液，加满玻璃容器。

实验

1，加压过程。缓慢加压，观察压力表的读数，在10min中使压力表从1Mpa逐渐加到100Mpa，在加压过程中，高速摄像系统对该过程每间隔10s进行照相记录；

2，取下已试验后的煤样，同样用排水法测得试验后煤样的体积V2；

3，安装上待试验的剩下的两组相同煤样，重复上述步骤。

实验结果分析

1， 根据照片上的刻度对煤样的半径r、高度h、施加的压力p进行读数，并记录下相应的时刻。每次实验可得60组数据，共进行了三次实验；

2， 根据公式Φ=(V1-V2)/V1 计算出孔隙率；

3， 根据r、h计算出此刻煤样的体积v；

4， 根据所得的数据算出三组数据同一时刻的r、h、v的平均值做出r/t、h/t、v/t的函数关系图。煤样一的关系图如图2~图4所示。

结果分析；

在加载应力初始阶段，煤样的尺寸随应力的增大变化明显，说明此时煤样的孔裂隙受到应力发生了较明显的收缩形变，随着时间增加，应力逐渐增大，煤样孔裂隙逐渐变小。在加载应力的后阶段，煤样尺寸变化非常细微，最终孔裂隙破坏达到一定程度而不再发生变化。

Claims (4)

1.一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置，其特征在于：包括摄像装置、液压加压装置、试验装置；

试验装置包括钢化玻璃罩、托架、实验台、顶盖；玻璃罩为圆筒形，固定在实验台上方，玻璃罩底部与

实验台密封连接，顶部通过顶盖密封；玻璃罩内部中心设有T型托架，煤样放置在该托架上方，玻璃罩上设有刻度线，顶盖为倒U型结构，其内凹处固定有密封圈，通过螺钉固定在玻璃罩顶部；所述煤样通过热缩管密封；所述刻度线位于T型托架的上方，刻度线包括水平刻度线和竖直刻度线，二者垂直相交于T型托架的中心；

液压加压装置包括液压加压泵、进油管和压力表，液压加压泵和压力表连接，进油管另一端连接玻璃罩底部的进油口，进油口方向平行于托架的水平面，正对煤样底部；进油口处设有密封圈；

摄像装置为高速摄像机，高速摄像机位于试验装置的刻度正对面。

2.根据权利要求1所述的通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置，其特征在于：所述玻璃罩底部为喇叭形开口，与实验台连接处通过螺钉、密封圈进行密封。

3.一种通过液压加压测定煤样孔裂隙的方法，采用权利要求1~2任一项所述的通过液压加压测定煤样孔裂隙的装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备煤样：

①首先对采集来的原始煤块进行加工，切割成规则的尺寸为r=6cm、h=20cm的圆柱状煤样三块；

②用热缩管对煤样进行密封，然后用排水法测出煤样的体积V1；

③将煤样放在托架的正中间，在进油口处连接液压加压装置；

（2）连接试验装置：

①盖上顶盖，拧紧顶盖与玻璃罩之间的螺钉；

②通过液压加压泵，缓慢地向玻璃罩内注满油液；

（3）进行加压试验：

①加压过程：缓慢加压，观察压力表的读数，在10min中使压力表从1MPa 逐渐加到100MPa ，在加压过程中，高速摄像机对该过程每间隔10s进行照相记录；

②取下试验后的煤样，同样用排水法测得试验后煤样的体积V2；得出孔隙率；

③安装好待试验的剩下的两组相同煤样，重复上述步骤；

（4）数据分析：

根据高速摄像机读取的数据，得出煤样孔隙率与应力变化的对应关系。

4.根据权利要求3所述的通过液压加压测定煤样孔裂隙的方法，其特征在于：孔隙率通过以下公式计算得出：

Φ=(V1-V2)/V1；

式中，Φ为孔隙率，V1为初始煤样的体积，V2为试验后煤样的体积。