CN107870144A - 一种煤岩体应变‑裂隙‑渗透率的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤岩体应变‑裂隙‑渗透率的测试装置及方法，采用了应变片来测量煤体应变，通过声发射检测仪，可以测试不同情况下，轴向应力作用下的气体渗流特性。本发明通过应变片来测量煤体应变，更加实用，效果也更好。可以建立完善的应变‑裂隙‑渗透率煤岩体模型，以独特的方法更加全面的展示了采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采的瓦斯渗流特性。同时本发明考虑了裂隙、应力、渗流在瓦斯抽采活动中的影响，特别是采用声发射检测煤体在应力作用下，裂隙发育对于瓦斯渗流特性的影响，更加贴近实际，仅能够实现易燃易爆气体全过程密封，还能够精确，全自动的测出数据。对于采动裂隙煤层瓦斯抽采具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩体多种特性实时监测领域，特别是涉及一种煤岩体应变-裂隙-渗透率的测试装置及方法。
背景技术
煤体轴、径向瓦斯渗流、煤体形变规律以及径向渗流过程中裂隙发育规律是研究采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采的基础。煤体内部本身就存在裂隙，这是其在成煤过程中就形成的，被称作原生裂隙。在实验过程中受到剪切应力的影响会继续产生新的裂隙。应力对煤体产生应变，造成渗透率降低，应力继续增加会产生裂隙，造成渗透率增加，这两个作用是同时产生效果的。然而至今尚未完善以煤体轴、径向瓦斯渗流、煤体形变规律以及径向渗流过程中裂隙发育这三者为基础的理论模型。
传统上，由于检测方法及装备的限制，无法实现煤岩体应变-裂隙-渗透率三者同时检测，因而三者之间相互影响、相互作用的关系无法深入研究。在实际生产活动中，煤层群卸压开采会出现不同损伤裂隙结构的煤体，会导致实际情况下的瓦斯渗流与实验有较大出入。
现有技术中，有采用视频引伸计测量应变的应用，视频引伸计能够在不接触试件的情况下实现可视化、高精度测量应变。看似优点很多，但实际上并不适用于本实验及类似的研究。因为煤样处于封闭的高压釜内(铁罐子)，外部有水浴，视频引伸计从侧面开口深入罐体，不能保证密封性，录像效果也不好(根本就看不见)。
关于裂隙的监测现在主要是外部直接观测或者CT扫描。前者不够精确，后者精度高，效果好，但仪器笨重，并不适合充满瓦斯的狭小空间的煤样裂隙监测。如果实验结束后检测，就无法达到实验要求的记录整个裂隙发育过程，如果实验过程中取出来检测，又会影响煤体力学性质。声发射仪在物体无损探伤领域应用较广，且体积小，精度高，又能满足实验要求。
本发明开创性的研究了煤体在轴向应力条件下，应力应变的增加对于裂隙产生和发育的影响规律，以及二者共同作用下对于渗透率的影响规律。为采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采提供了理论依据。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种煤岩体应变-裂隙-渗透率的测试装置及方法，从而研究煤体在轴向应力条件下，应变和裂隙之间的关系以及二者共同作用下对渗透率的影响规律，为掌握卸压开采煤体渗透率的演化规律和瓦斯渗流路径提供数据，为采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采提供了理论依据。
技术方案：
一种煤岩体应变-裂隙-渗透率的测试装置，包括气体罐、高压釜体、测试煤样、应变片、声发射探头、全自动轴压加压泵、数据采集器、计算机及气体回收器；
所述气体罐通过流量阀接入所述高压釜体；在所述高压釜体内设有实时监控高压釜体内部的气压的压力传感器；所述测试煤样放置在所述高压釜体内；在所述测试煤样中心开设有中心孔；在所述测试煤样侧面设有实时记录所述测试煤样在轴向力作用下的应变的所述应变片及均匀放置的用于监测所述测试煤样的裂隙发育情况的所述声发射探头；在所述高压釜体底部设有用于控制测试环境温度的温控水域；
所述全自动轴压加压泵通过压力杆与所述高压釜体连接，所述压力杆内部为空芯，连接所述测试煤样的中心孔；在所述压力杆上设有排气孔，所述排气孔通过管道与所述气体回收器连接；在所述管道上设有记录流经所述管道的流量值的流量计；
所述应变片、所述声发射探头、所述压力传感器以及所述流量计均与所述数据采集器连接；所述数据采集器与所述计算机连接。
所述流量计为全自动切换流量计。
在所述高压釜体上设有数据接口，所述应变片与所述声发射探头通过导线与所述数据接口连接，所述数据接口与所述数据采集器连接。
所述应变片为横向及纵向应变片；所述声发射探头的分布情况为：在测试煤样侧面的上部等间距放置三个声发射探头，下部等间距放置三个声发射探头，中间等间距放置两个声发射探头。
所述声发射探头与所述测试煤样之间涂抹凡士林。
在所述高压釜体内部设有监测所述高压釜体内部实际温度的温度传感器。
一种煤岩体应变-裂隙-渗透率的测试方法，包括步骤：
步骤1：打开流量阀，通过气体罐想高压釜体注气；等到压力传感器显示高压釜体内气压稳定时，开始记录数据；
步骤2：记录高压釜体的气压P1及测试煤样中心孔气压P2；其中，所述测试煤样中心孔气压P2为测试煤样中心孔气体进入气体回收器的气压，故视为大气压；流量计记录气体罐向高压釜体注气的流量值Q；
步骤3：通过全自动轴压加压泵给测试煤样施加的载荷由0MPa逐步增至16MPa，记录期间各稳定压力点对应的应变以及声发射事件数；
步骤4：分别计算不同轴向载荷的渗透率，结合声发射源三维定位技术对声发射源的定位结果，绘图并建立应力裂隙渗流三维立体模型。
所述渗透率计算方法是由达西定律推导求得，为
式中K为渗透率；μ为气体粘度；Q为气体流量；r0为圆柱形煤样的半径；r1为中心孔半径；h为煤样高度；P1为封闭高压釜体的气体压力；P2为煤样中心孔的压力；根据以上公式分别计算不同轴向载荷与气体压力的渗透率。
有益效果：由于采用了本发明的技术方案，实验测试结果对于采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采更加贴近实际生产，更具指导意义。本发明采用了应变片来测量煤体应变，更加实用，效果也更好。
传统实验测试方法并未考虑应力作用条件下，煤体出现裂隙大量发育的情况，测试结果与实际有较大出入；本发明的测试方法通过声发射检测仪，可以测试不同情况下，轴向应力作用下的气体渗流特性。
可以建立完善的应变-裂隙-渗透率煤岩体模型，以独特的方法更加全面的展示了采动卸压裂隙煤层瓦斯抽采的瓦斯渗流特性。同时本发明考虑了裂隙、应力、渗流在瓦斯抽采活动中的影响，特别是采用声发射检测煤体在应力作用下，裂隙发育对于瓦斯渗流特性的影响，更加贴近实际，仅能够实现易燃易爆气体全过程密封，还能够精确，全自动的测出数据，满足实验要求。对于采动裂隙煤层瓦斯抽采具有指导意义。
附图说明
图1是本发明的应变-裂隙-渗透率测试装置的结构示意图。
图2是本发明煤样的结构示意图。
图3煤体瓦斯渗透率的测试结果。
图中，1为气体罐，2为流量阀，3为手动开关阀，4为应变片，5为声发射探头，6为压力传感器，7为全自动轴压加压泵，8为全自动切换流量计，9为气体回收器，10为温度传感器，11为数据采集器，12为计算机，13为温控水域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明以径向渗流实验为基础，气体由侧面向中心渗流，在测试煤样侧面贴横向及纵向应变片，观测煤样在加压过程中的应变情况；煤样外表面有声发射探头，以观测煤样在轴向应力作用下的裂隙发育情况。
本发明在测试煤样中心打一圆孔，侧面贴横向及纵向应变片，贴三组声发射探头，基于径向渗流实验，建立三维立体模型，全面分析应力、裂隙、渗流之间的相互作用关系。
方法的具体步骤：
1、测试煤样中心打一圆孔，便于气体渗出，上下端用薄膜密封。
2、在测试煤样侧面贴横向与纵向应变片，通过应变测试接口接入应力应变检测仪，数据进入数据采集分析系统，实时记录测试煤样在轴向应力作用下的应变；
3、在测试煤样侧面均匀放置三排声发射探头，通过声发射测试接口接入声发射检测仪，数据进入数据采集分析系统，监测测试煤样的裂隙发育情况；
4、测试煤样放入高压釜体内；高压釜体整体由水浴循环系统调节温度，上端设有温度传感器，保证温度衡定并可调节；
5、高压釜体内装有压力传感器，实时监控内部气压，数据进入数据采集分析系统；
6、气体罐通过流量阀与封闭高压釜体连接，并向高压釜体内注入气体。气体渗流进入煤体通过中空部分进入空芯压力杆，通过出气孔接入全自动切换流量计，数据进入数据采集分析系统。监测实验过程中由于轴向应力作用下煤体出现裂隙，气体在煤体中的渗流情况。
本发明的测试装置包括：高压釜体、气体罐1、流量阀2、压力传感器6、全自动轴压加压泵7、全自动切换流量计8、温度传感器10、应变片4、声发射探头5、数据采集器11、计算机12、手动开关阀3及气体回收器9。
气体罐1通过流量阀2接入封闭的高压釜体内；在所述高压釜体底部设置温控水域13，用于控制测试环境温度，保证温度恒定。所述气体罐1先通过流量阀2，再经过手动开关阀3后接入高压釜体的进气孔。高压釜体内部设有温度传感器10，温度传感器10监测高压釜体内部实际温度，把数据传到计算机，从而保证其内部温度恒定。所述应变片4贴在所述测试煤样的侧面，包括横向应变片和纵向应变片；所述声发射探头5均匀放置在所述测试煤样的侧面；测试煤样放入高压釜体内；所述应变片4和所述声发射探头5分别通过高压釜体内的应变测试接口和声发射测试接口接入数据采集器11。全自动轴压加压泵7通过压力杆与高压釜体连接，用于为高压釜体施加载荷；所述压力杆内部为空芯，连接测试煤样的中心孔，封闭高压釜体内的气体在煤样中径向渗流至中心孔，然后通过中心孔将气体外排。同时，所述压力杆上设有排气孔，排气孔通过管道连接所述全自动切换流量计8，用于记录流经所述全自动切换流量计8的流量值；气体渗流进入所述测试煤样后通过排气孔进入管道，全自动切换流量计8连接气体回收器9；所述全自动切换流量计8接入数据采集器11。在高压釜体内设有压力传感器6，所述压力传感器6实时监控高压釜体内部的气压，并将数据传至数据采集器11。数据采集器11分别采集应变片4、声发射探头5、全自动切换流量计8以及压力传感器的数据信息。数据采集器11与计算机12连接，并将采集的数据发送至计算机12。
所述气体最终排入气体回收器9，防止意外发生。
实施例1：以测试煤样对甲烷的渗透率为例，测试步骤如下：
1)制备圆柱形测试煤样，中心打孔，煤样高h为60mm，直径r0为50mm，中心小孔的直径r1为2mm，测试煤样上下端贴密封膜，保证测试煤样的径向渗流。测试煤样侧面上贴横向及纵向应变片；在测试煤样侧面的上部放置三个声发射探头4’、5’、6’，下部放置三个声发射探头1’、2’、3’，中间放置两个探头7’、8’，等间距环绕测试煤样，声发射探头与测试煤样之间涂抹凡士林，增加耦合性。
2)将测试煤样放入高压釜体，应变片和声发射探头连接导线至高压釜体内的测试接口。安装测试装置。
3)打开流量阀和手动开关阀，气体罐向高压釜体注气，等到压力传感器显示高压釜体内气压稳定时，开始测试记录数据。记录高压釜体的气压P1及测试煤样中心孔气压P2(测试煤样中心孔气体进入气体回收器，故视为大气压)，全自动切换流量计自动记录气体罐向高压釜体注气的流量值Q。
4)通过全自动轴压加压泵7给测试煤样施加的载荷由0MPa逐步增至16MPa，记录期间各稳定压力点对应的应变以及AE事件数(声发射事件数)。
5)分别计算不同轴向载荷的渗透率，结合声发射源三维定位技术对声发射源的定位结果，绘图并建立应力裂隙渗流三维立体模型。
测试原理及计算：
(1)声发射源三维定位技术的基本原理，建立一个三维坐标系，以四个传感器T0～T3中的T2为基准，测量其他三个传感器与基准信号的时间差。
四个传感器位于同一平面内(z轴坐标均为0)，设T2坐标为(0,0,0)，T0为(x0，y0，z0)，T1为(x1，y1，z1)，T2为(x2，y2，z2)，T3为(x3，y3，z3)，声发射源位置S为(x，y，z)，则距离差
|ST0|-|ST2|＝d02
|ST1|-|ST2|＝d12 (1)
|ST3|-|ST2|＝d32
化简后将
代入后
将初始条件z0＝z1＝z3＝0代入，可得到
共有两个解可根据实际情况取得正确解，实际运用中可通过增加方程数来求得，即传感器实际个数应为八个。
(2)渗透率计算方法是由达西定律推导求得，为
式中K为渗透率；μ为气体粘度；Q为气体流量；r0为圆柱形煤样的半径；r1为中心孔半径；h为煤样高度；P1为封闭高压釜体的气体压力；P2为煤样中心孔的压力。根据以上公式分别计算不同轴向载荷与气体压力的渗透率。
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 (8)
1.一种煤岩体应变-裂隙-渗透率的测试装置，其特征在于：包括气体罐(1)、高压釜体、测试煤样、应变片(4)、声发射探头(5)、全自动轴压加压泵(7)、数据采集器(11)、计算机(12)及气体回收器(9)；
所述气体罐(1)通过流量阀(2)接入所述高压釜体；在所述高压釜体内设有实时监控高压釜体内部的气压的压力传感器(6)；所述测试煤样放置在所述高压釜体内；在所述测试煤样中心开设有中心孔；在所述测试煤样侧面设有实时记录所述测试煤样在轴向力作用下的应变的所述应变片(4)及均匀放置的用于监测所述测试煤样的裂隙发育情况的所述声发射探头(5)；在所述高压釜体底部设有用于控制测试环境温度的温控水域(13)；
所述全自动轴压加压泵(7)通过压力杆与所述高压釜体连接，所述压力杆内部为空芯，连接所述测试煤样的中心孔；在所述压力杆上设有排气孔，所述排气孔通过管道与所述气体回收器(9)连接；在所述管道上设有记录流经所述管道的流量值的流量计(8)；
所述应变片(4)、所述声发射探头(5)、所述压力传感器(6)以及所述流量计(8)均与所述数据采集器(11)连接；所述数据采集器(11)与所述计算机(12)连接。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述流量计(8)为全自动切换流量计。
3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：在所述高压釜体上设有数据接口，所述应变片(4)与所述声发射探头(5)通过导线与所述数据接口连接，所述数据接口与所述数据采集器(11)连接。
4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述应变片(4)为横向及纵向应变片；所述声发射探头(5)的分布情况为：在测试煤样侧面的上部等间距放置三个声发射探头(5)，下部等间距放置三个声发射探头(5)，中间等间距放置两个声发射探头(5)。
5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述声发射探头(5)与所述测试煤样之间涂抹凡士林。
6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：在所述高压釜体内部设有监测所述高压釜体内部实际温度的温度传感器(10)。
7.一种应用权利要求1所述的测试装置的测试方法，其特征在于：包括步骤：
步骤1：打开流量阀，通过气体罐想高压釜体注气；等到压力传感器显示高压釜体内气压稳定时，开始记录数据；
步骤2：记录高压釜体的气压P1及测试煤样中心孔气压P2；其中，所述测试煤样中心孔气压P2为测试煤样中心孔气体进入气体回收器的气压，故视为大气压；流量计记录气体罐向高压釜体注气的流量值Q；
步骤3：通过全自动轴压加压泵给测试煤样施加的载荷由0MPa逐步增至16MPa，记录期间各稳定压力点对应的应变以及声发射事件数；
步骤4：分别计算不同轴向载荷的渗透率，结合声发射源三维定位技术对声发射源的定位结果，绘图并建立应力裂隙渗流三维立体模型。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述渗透率计算方法是由达西定律推导求得，为
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>Q</mi>
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<mi>r</mi>
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</mrow>
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<mi>h</mi>
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<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>P</mi>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
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<msubsup>
<mi>P</mi>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中K为渗透率；μ为气体粘度；Q为气体流量；r0为圆柱形煤样的半径；r1为中心孔半径；h为煤样高度；P1封闭高压釜体的气体压力；P2为煤样中心孔的压力；根据以上公式分别计算不同轴向载荷与气体压力的渗透率。
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