CN108387712B - 一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤炭开发技术领域，公开了一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法,针对煤炭地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热和双向受力边界条件，对煤岩样在不同温度水平下的单向加热进行分析；通过XY方向上的双向加压螺杆对煤岩样施加预紧力，模拟煤岩体所处的原岩应力状态；根据反应区煤岩体的位置不同所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对煤岩体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定。本发明实现对试件样品的单向加热，可以监测试件样品在单向传热过程中，XY双向的热膨胀应力变化；可以实时监测试件样品剥落指标。

Description

一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法

技术领域

本发明属于煤炭开发技术领域，尤其涉及一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

业内还未见对煤炭地下气化反应界面煤岩体进行单向受热和双向受力的实验装备和相关研究。煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)是采用化学开采方法将煤炭在地下原位直接进行燃烧气化产生可燃气体，是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术，也是资源与环境协调的煤炭绿色开采技术，其实质是将物理采煤转变为化学采煤，只提取煤中有用组分而不是采煤本身。煤炭地下气化将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，以其产气成本低、安全性高和环境效益好的优点，在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论分析和工业性试验，该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。此项技术的应用，对于保障我国能源供应的安全，保证国民经济和社会持续、稳定、健康、和谐地发展都有着十分重要的意义。气化通道稳定的形态结构是UCG稳定产气的物质基础。煤炭地下气化点火燃烧后，从起始气化阶段到形成稳态火焰工作面结构，原始通道煤壁随燃烧气化过程而动态移动，并不断扩展形成新的反应区(气化反应界面)，该反应界面形态、结构及其稳定性对UCG的高效稳态产气，具有十分重要的作用。煤炭地下气化煤层通道扩展是一个复杂的物理化学过程，包括气体的流动、传热和化学反应的耦合，以及煤体的高温热解和热破裂过程。首先，反应区界面是UCG进行的场所，由于涉及到一些列复杂的物理化学过程，因而界面处煤体所处的环境状态(温度、应力等)是分析问题的基础；其次，从气化过程来说，气固化学反应产生的高温使反应区煤体由于温度分布不均而发生热破裂或爆裂，尤其是对于变质程度较高、热稳定性较差的烟煤和无烟煤(如贫煤、瘦煤、无烟煤等)，煤体的热破裂反过来又直接导致反应区界面结构的破坏，其裂隙扩展还显著影响界面多孔介质的渗透率和气体扩散，对界面的化学反应具有重要的影响作用。因此，反应区界面扩展是煤体在温度场作用下的热破裂和气固化学反应共同作用的结果，而煤体热破裂则具有十分关键的作用。因此，在煤炭地下气化过程中，针对反应区煤体所处的温度和应力状态，深入分析煤体发生热膨胀破裂的演化过程、影响因素和作用机理，对以后从煤体热破裂的角度开展煤层通道扩展影响机理的理论和模拟实验分析，以及对气化炉通道稳定性控制及钻孔工程设计具有重要的理论和实际价值。

现有技术方案

在煤炭地下气化煤岩体热破裂分析中，现有的技术方案包括：

(1)采用马弗炉直接加热法。主要设备包括加热炉和温度控制器，加热炉一般为马弗炉，外观形状可分为箱式炉、管式炉、坩埚炉等，温度控制器采用PID程控方式。具体加热步骤为：

1)马弗炉烘炉干燥；2)调整温控器至所需工作温度，输入温度控制方式，若采用程序升温方式，则马弗炉内温度按某一升温速度进行程序升温；若恒温加热，则只将温控器调整为某一恒定温度。3)加热结束后，关闭电源，打开炉门，让试件在马弗炉内自然冷却至常温，至此结束。

(2)相关论文中出现的岩石热膨胀试验装置。赵洪宝、尹光志、谌伦建在论文“砂岩热膨胀力试验分析”论文中(赵洪宝,尹光志,谌伦建.砂岩热膨胀力试验分析[J].岩土力学,2008,29(12):3303-3306.)，自行研发设计了一种岩石热膨胀力测试装置，该装置加热温度范围为20～600℃，加热装置采用特制的防冲击管式加热炉及配套温度控制器。将岩石试件整体放置于管式加热炉，由温度控制器将整个岩石试件加热到指定温度。论文“高温下石灰岩和砂岩膨胀特性的试验分析”中亦见相关论述(秦本东,罗运军,门玉明,等.高温下石灰岩和砂岩膨胀特性的试验分析[J].岩土力学,2011,32(2):417-422+473.)。该文中岩石膨胀应力测试装置为一矩形框架，能够实现单向或双向2种约束条件，将岩石试件整体放入高温加热炉中，加热温度为100～900℃，主要测试单向或双向约束下岩石热膨胀应力。

综上所述，现有技术存在的问题是：

煤炭地下气化与常规地面气化不同，UCG所气化煤体为实体煤，通过在实体煤中构建气化反应通道，然后由通道逐渐扩展形成反应空间。因此，分析煤体在高温下力学特性及热破裂引起的结构变化对于气化通道的扩展具有十分关键的作用。虽然现阶段国内外学者对不同温度作用下煤体基本力学特性、宏细观热破裂特性和演化机理进行了相关的分析，但是应用到煤炭地下气化过程煤体高温热破裂方面的分析，仍存在一定不足和问题：一是对煤岩样的加热温度不够高，UCG反应区温度最高可达1000℃，而目前关于高温下(>800℃)的煤岩样热破裂特性分析较少；二是忽略了煤体受热状态及应力状态的影响。以往的分析多是对煤岩样试件分别加热到一定温度，然后监测该温度水平下煤岩样宏观热破裂和微细观裂隙分布，这种对于孤立的不同温度水平下裂隙演化规律的分析，忽略了煤岩样的受热状态及连续分布的温度变化对热破裂的影响。同样，燃空区煤体受热面为自由面，邻近燃空区煤体可认为是双向受力状态，而以往的模拟气化煤体热破裂的分析忽略了煤体应力状态的影响，因而不能很好的揭示煤层通道扩展热破裂发展过程和特性。

针对煤炭地下气化反应界面煤岩样单向受热和双向受力状态下热破裂剥落特性，本发明在单向受热和双向受力状态下的热破裂剥落实验装置，得到煤体热破裂剥落比随温度、应力和热作用时间的关系，为进一步揭示煤体的损伤破裂及剥落机理提供实验基础。

(2)现有技术及相关装置仅用于分析岩石在一定高温条件下的热膨胀力变化规律，没有对热破裂特性参数进行分析。

(3)现有的技术及相关装置对岩石的加热方式为整体置于加热炉中进行加热，不符合煤炭地下气化煤岩体单向受热的边界条件。

解决上述技术问题的难度和意义：

提供一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法，该技术操作方便，简便有效，可用于煤/岩样的热膨胀破裂特性、影响因素和作用机理分析。该装置用于煤炭地下气化领域，为进一步分析热破裂对煤层通道扩展的影响机理分析创造良好的条件。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法。

本发明是这样实现的，一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法，所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法为：

针对煤炭地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热边界条件，对煤岩样在不同温度水平下的单向加热进行分析；

模拟反应界面煤岩体双向受力的应力状态，通过XY方向上的双向加压螺杆对煤岩样施加预紧力，模拟煤岩体所处的原岩应力状态；

根据反应区煤岩体所处的位置不同其所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对煤岩体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定。

进一步，所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法具体包括：

步骤一，试样及制备：

试样可为原煤样或型煤。原煤样通过切割打磨成正四方形；将原煤粉碎后，筛取其中粒径为0.2～0.3mm的煤粉，加入少量水后搅拌均匀，然后在成型模具中压制成煤样，将煤样放在100℃烘干箱中连续烘48h；

步骤二，确定温度控制参数：

在接近煤岩样部位安装耐高温热电偶，监测煤岩样下表面附近的温度；加热过程为恒温加热方式；

步骤三，各部分安装；

步骤四，加热操作：

确定煤岩试件下端的加热温度分别为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃八个温度水平分别进行测试；

步骤五，双向加压与应力监测操作：

通过两端的双向加压螺杆对煤岩施加预紧力，模拟煤岩样所处的应力状态；在加热的过程中，高温气体与煤岩样下表面通过对流换热的方式进行换热，热量在煤岩样内通过热传导的方式在煤岩样内传递，煤岩样受热膨胀产生热应力，由XY两个方向上的应力计进行检测，由数据采集装置对热应力数据进行采集；

步骤六，热破裂剥落指标测量操作：

煤岩样在一定的温度和压力状态下，在受热自由面发生热破裂并出现热剥落，热破剥落煤岩样直接通到方形通道掉落在孔口底部的耐高温石英烧杯中，然后由电子天平直接称取剥落质量，得到不同温度水平下随加热时间变化的热破裂剥落速率参数；

步骤七，实验结束。

进一步，所述各部分安装包括：

试样与加热部分安装：将标准煤岩样下端嵌入在传压隔热石英垫块中间，传压隔热石英垫块下部安装加热装置，传热垫片与煤岩样直接接触，使煤岩样下端面受热；

单向恒温加热与温控部分安装：传压隔热石英垫块放置在单向恒温加热炉上的预制凹槽上，恒温加热炉外部和顶盖为方形Hastelloy188耐高温合金，内部有50mm×50mm×100mm方形通道，通道中段缠绕螺旋硅碳棒加热管；螺旋硅碳棒加热管与炉体之间填充耐高温隔热材料；加热炉方形通道上端搁置煤岩样；在接近煤岩样部位安装有耐高温热电偶，热电偶所测温度与温度控制器连接；通过调节电流大小控制螺旋硅碳棒加热管产生热量，急性恒温控制；

双向加压与应力监测部分安装：在方形槽钢框架的XY方向的双向加压固定端通过圆柱形传压隔热石英垫块与煤岩样相连，在XY方向分别增加一个应力计，然后用双向加压螺杆在两端对煤岩施加预紧力；

热破裂剥落指标测量部分安装：在单向恒温加热炉方形通道孔口底部放置耐高温石英烧杯，放置在电子天平上，并在烧杯底部连接氮气保护瓶，通过减压阀和管路后将氮气输送到耐高温石英烧杯内，为剥落的煤岩样提供氮气氛围；

外框架结构安装：在支撑托板上，用紧固螺栓、紧固托盘和双向约束钢框架固定，并用支腿螺母做支撑。

本发明的另一目的在于提供一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法的岩石单向受热和双向受力模拟实验方法，所述岩石单向受热和双向受力模拟实验方法为：

针对岩石地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热边界条件，对岩石样在不同温度水平下的单向加热进行分析；

模拟反应界面岩石体双向受力的应力状态，通过XY方向上的双向加压螺杆对岩石样施加预紧力，模拟岩石体所处的原岩应力状态；

根据反应区岩石体所处的位置不同其所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对岩石体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统及方法，可在实验室有效模拟反应区煤岩体单向受热过程，监测煤岩样热破裂剥落指标。针对反应区煤体所处的温度和应力状态，深入分析煤体发生热破裂的演化过程、影响因素和作用机理，对于以后从煤体热破裂的角度开展煤层通道扩展影响机理的理论和模拟实验分析，和对气化炉通道稳定性控制及钻孔工程设计具有重要的理论和实际价值。

本发明加热方式简单易控，易于操作。温度控制部分通过调节加热功率使煤岩样下部受到某一恒定的加热温度，因此只要设定某一温度值即可对煤岩样下表面进行加热操作。煤岩样所受到的XY方向应力可通过装置XY方向的预紧装置进行调节，通过应力计来显示所施加的应力大小，来模拟煤岩体所处的原岩应力大小。煤岩体在受热过程中产生的热应力大小，也可以直接由应力计进行记录。煤岩体热剥落量由下部的天平进行实时测量计数，因而加热温度、热应力大小、热剥落指标都易于计算。

本发明对煤岩样的单向加热实验，主要解决了在一定受热边界条件下加热处理方法，对其他材料，或者其他加热条件(中低温加热以及变温控制)等同样适用。

本发明主要用于试件样品在单向受热和双向受力状态下的热应力变化和热破裂剥落特性的研究，与现有试件样品的加热方式相比较，其优点如下：

现有加热设备及方式无法实现对试件样品的单向加热，而此装置可以解决此问题。可以监测试件样品在单向传热过程中，XY双向的热膨胀应力变化，而现有装置加热装置则不具备此项功能。

本发明可以实时监测试件样品在受热过程中的热应力和热破裂剥落指标，这是其他加热设备所不能满足的。

现有的加热设备和技术与本发明加热设备和技术的对比如下表所示

附图说明

图1是本发明实施例提供的煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统示意图；

图2是本发明实施例提供的煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统内部图；

图中：1、煤岩样；2、传压隔热石英垫块；3、单向恒温加热炉；4、应力计；5、双向加压固定端；6、双向加压螺杆；7、双向约束钢框架；8、紧固螺栓；9、紧固托盘；10、耐高温石英烧杯；11、电子天平；12、支腿螺母；13、支撑托板；14、耐高温隔热材料；15、硅碳棒加热元件；16、温控热电偶；17、加热及温控器；18、氮气保护钢瓶；19、减压阀。

图3是本发明实施例提供的煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术及相关装置仅用于分析岩石在一定高温条件下的热膨胀力变化规律，没有对热破裂特性参数进行分析。

现有的技术及相关装置对岩石的加热方式为整体置于加热炉中进行加热，不符合煤炭地下气化煤岩体单向受热的边界条件。

本发明针对煤炭地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热边界条件，自制可模拟煤岩体单向加热的实验装置，实现对煤岩样在不同温度水平下的单向加热试验。

本发明该装置可模拟反应界面煤岩体双向受力的应力状态，通过XY方向上的双向加压螺杆对煤岩样施加预紧力，模拟煤岩体所处的原岩应力状态。

本发明根据反应区煤岩体所处的位置不同其所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对煤岩体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统，包括：标准煤岩样1、罐体及支架部分、单向恒温加热与温控部分、双向加压与应力监测部分和热破裂剥落指标测量部分。

所述支架部分包括：双向加压固定端5、双向约束钢框架7、紧固螺栓8、紧固托盘9；

温控部分包括：单向恒温加热炉3、耐高温隔热材料14、硅碳棒加热元件15、温控热电偶16、加热及温控器17、氮气保护钢瓶18、减压阀19。

应力监测部分包括：传压隔热石英垫块2、应力计4、双向加压螺杆6。

热破裂剥落指标测量部分包括：耐高温石英烧杯10、电子天平11。

所述标准煤岩样1其尺寸为Φ50×50×50，单位mm。

所述罐体及支架部分包括双向加压固定端5、双向约束钢框架7、紧固螺栓8、紧固托盘9。

所述单向恒温加热与温控部分包括单向恒温加热炉3、耐高温隔热材料14、硅碳棒加热元件15、温控热电偶16、加热及温控器17、氮气保护钢瓶18、减压阀19。

所述双向加压与应力监测部分包括传压隔热石英垫块2、应力计4、双向加压螺杆6。

所述热破裂剥落指标测量部分包括耐高温石英烧杯10、电子天平11。

图3所示，本发明实施例提供的煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法，具体包括：

步骤1，试样及制备

该实验主要分析内容是热破裂对煤岩通道扩展的影响，所选取的煤种为不结焦、弱黏结的高变质程度煤(如瘦煤、贫煤或无烟煤)。热破裂实验所需煤样分为原煤和型煤两种，以便对其进行对比。原煤样通过切割打磨成正四方形，规格为50×50×50mm。将原煤粉碎后，筛取其中粒径为0.2～0.3mm的煤粉，加入少量水后搅拌均匀，然后在成型模具中用压力机压制成50×50×50mm规格煤样，将煤样放在100℃烘干箱中连续烘48h。

若试样为岩样，则为加工为50×50×50mm的岩石试样。

步骤2，确定温度控制参数

加热元件产生的热量通过高温氮气作用于煤岩样1的下表面，用于模拟反应界面煤岩体受地下气化工作面高温气流的热作用。在接近煤岩样部位安装有耐高温热电偶16，监测煤岩样下表面附近的温度，热电偶16所测温度与温度控制器17连接，通过调节电流大小控制加热元件产生热量，以达到对加热温控恒温控制的目的。加热过程为恒温加热方式，由温控控制器17对加热端温度进行恒温控制。

步骤3，各部分安装

(1)试样与加热部分安装：将标准煤岩样1下端嵌入在传压隔热石英垫块2中间，传压隔热石英垫块2下部安装加热装置，传热垫片2与煤岩样1直接接触，使煤岩样下端面受热均匀。

(2)单向恒温加热与温控部分安装：传压隔热石英垫块2放置在单向恒温加热炉3上的预制凹槽上，恒温加热炉3外部和顶盖为方形Hastelloy188耐高温合金，内部有50mm×50mm×100mm方形通道，通道中段缠绕螺旋硅碳棒加热管15，为加热炉的加热元件。加热元件与炉体之间为耐高温隔热材料14。加热炉方形通道上端直接对其煤岩样1，与煤岩样紧密结合。在接近煤岩样部位安装有耐高温热电偶16，热电偶16所测温度与温度控制器连接17，通过调节电流大小控制加热元件产生热量，以达到对加热温控恒温控制的目的。

(3)双向加压与应力监测部分安装：该装置整体结构为方形槽钢框架7，XY方向的双向加压固定端5通过圆柱形传压隔热石英垫块2与煤岩样1相连，在XY方向分别增加一个应力计4，然后用双向加压螺杆6在两端对煤岩施加预紧力。

(4)热破裂剥落指标测量部分安装：在单向恒温加热炉方形通道孔口底部放置耐高温石英烧杯10，使其放置在电子天平11上，并在烧杯底部连接氮气保护瓶18，通过减压阀19和管路后将氮气输送到耐高温石英烧杯10内，为剥落的煤岩样提供氮气氛围的保护。

(5)外框架结构安装：设备整体置于支撑托板13上，用紧固螺栓8、紧固托盘9和双向约束钢框架7固定，并用支腿螺母12做支撑。

步骤4，加热操作

煤炭地下气化火焰工作面附近不同位置反应界面温度范围为200～900℃。为了模拟以及对比反应界面不同位置不同温度条件下煤岩体热破裂特性参数，实验室确定煤岩试件下端的加热温度分别为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃八个温度水平分别进行测试。煤岩样下端面由加热炉3对煤岩样1进行加热，并通过加热控制系统17对加热方式进行控制。

在不同温度水平下，对煤岩样采用恒定边界温度的加热方式，加热炉内的氮气温度要达到设定的温度值并保持恒定。由于煤炭地下气化火焰工作面的移动，煤岩体所受高温热条件具有一定的时间量度，根据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值，确定不同加热温度的持续时间。

步骤5，双向加压与应力监测操作

通过两端的双向加压螺杆6对煤岩施加预紧力，模拟煤岩样所处的应力状态。在加热的过程中，高温气体与煤岩样下表面通过对流换热的方式进行换热，热量在煤岩样内通过热传导的方式在煤岩样内传递，煤岩样受热膨胀产生热应力，由XY两个方向上的应力计进行检测，由数据采集装置对热应力数据进行采集。

步骤6，热破裂剥落指标测量操作

煤岩样在一定的温度和压力状态下，在受热自由面发生热破裂并出现热剥落，热破剥落煤岩样直接通到方形通道掉落在孔口底部的耐高温石英烧杯中，然后由电子天平直接称取剥落质量，得到不同温度水平下随加热时间变化的热破裂剥落速率参数。

步骤7，实验结束

达到不同加热温度的持续时间后即可停止加热，考虑到传热以及热破裂的滞后性，上述热应力和热破裂剥落指标测量系统继续进行监测，带煤岩样降温至常温后停止监测，实验结束。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明公开的是一种煤岩样单向受热和双向受力热破裂剥落的实验系统及方法，所述的试件的类型和尺寸、温度监测部分数量和安装位置、加热操作以及整个外形结构和连接，其替代方案还有如下：

(1)试件的类型不仅限于煤炭，也可用于岩石；试件的尺寸不仅限于Φ50×50×50mm，通过调整实验筒体的直径和高度，本发明方案也能实现对其他尺寸的试件的单向加热操作。

(2)温度监测部分数量和安装位置不仅限于1个温度热电偶，其安装位置也不限制，本发明可调整温度传感器的数量以及安装位置。

(3)加热操作不仅限于恒温加热方式，本发明所提供的方案可以进行变温加热，例如下端可进行线性升温，或者周期性升温和降温加热。本发明的恒温加热方式也可以限定在某一温度进行恒温加热。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法，其特征在于，所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法为：

针对煤炭地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热边界条件，对煤岩样在不同温度水平下的单向加热进行分析；

模拟反应界面煤岩体双向受力的应力状态，通过XY方向上的双向加压螺杆对煤岩样施加预紧力，模拟煤岩体所处的原岩应力状态；

根据反应区煤岩体所处的位置不同其所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对煤岩体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定；

所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法具体包括：

步骤一，试样及制备：

试样可为原煤样或型煤， 原煤样通过切割打磨成正四方形；或者将原煤粉碎后，筛取其中粒径为0.2～0.3mm的煤粉，加入少量水后搅拌均匀，然后在成型模具中压制成煤样，将煤样放在100℃烘干箱中连续烘48h；

步骤二，确定温度控制参数：

在接近煤岩样部位安装耐高温热电偶，监测煤岩样下表面附近的温度；加热过程为恒温加热方式；

步骤三，各部分安装；

步骤四，加热操作：

确定煤岩试件下端的加热温度分别为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃八个温度水平分别进行测试；

步骤五，双向加压与应力监测操作：

通过两端的双向加压螺杆对煤岩施加预紧力，模拟煤岩样所处的应力状态；在加热的过程中，高温气体与煤岩样下表面通过对流换热的方式进行换热，热量在煤岩样内通过热传导的方式在煤岩样内传递，煤岩样受热膨胀产生热应力，由XY两个方向上的应力计进行检测，由数据采集装置对热应力数据进行采集；

步骤六，热破裂剥落指标测量操作：

煤岩样在一定的温度和压力状态下，在受热自由面发生热破裂并出现热剥落，热破剥落煤岩样直接通到方形通道掉落在孔口底部的耐高温石英烧杯中，然后由电子天平直接称取剥落质量，得到不同温度水平下随加热时间变化的热破裂剥落速率参数；

步骤七，实验结束；

所述各部分安装包括：

试样与加热部分安装：将标准煤岩样下端嵌入在传压隔热石英垫块中间，传压隔热石英垫块下部安装加热装置，传热垫片与煤岩样直接接触，使煤岩样下端面受热；

单向恒温加热与温控部分安装：传压隔热石英垫块放置在单向恒温加热炉上的预制凹槽上，恒温加热炉外部和顶盖为方形Hastelloy188耐高温合金，内部有50mm×50mm×100mm方形通道，通道中段缠绕螺旋硅碳棒加热管；螺旋硅碳棒加热管与炉体之间填充耐高温隔热材料；加热炉方形通道上端搁置煤岩样；在接近煤岩样部位安装有耐高温热电偶，热电偶所测温度与温度控制器连接；通过调节电流大小控制螺旋硅碳棒加热管产生热量，急性恒温控制；

双向加压与应力监测部分安装：在方形槽钢框架的XY方向的双向加压固定端通过圆柱形传压隔热石英垫块与煤岩样相连，在XY方向分别增加一个应力计，然后用双向加压螺杆在两端对煤岩施加预紧力；

热破裂剥落指标测量部分安装：在单向恒温加热炉方形通道孔口底部放置耐高温石英烧杯，放置在电子天平上，并在烧杯底部连接氮气保护瓶，通过减压阀和管路后将氮气输送到耐高温石英烧杯内，为剥落的煤岩样提供氮气氛围；

外框架结构安装：在支撑托板上，用紧固螺栓、紧固托盘和双向约束钢框架固定，并用支腿螺母做支撑。

2.一种如权利要求1所述的煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法的煤岩单向受热和双向受力模拟实验系统。

3.一种应用权利要求1所述煤岩单向受热和双向受力模拟实验方法的岩石单向受热和双向受力模拟实验方法，其特征在于，所述岩石单向受热和双向受力模拟实验方法为：

对于岩石地下工作面反应界面煤岩体所处的单向受热边界条件，对岩石样在不同温度水平下的单向加热进行分析；

模拟反应界面岩石体双向受力的应力状态，通过XY方向上的双向加压螺杆对岩石样施加预紧力，模拟岩石体所处的原岩应力状态；

根据反应区岩石体所处的位置不同所受的温度边界条件不同，采用不同温度水平对岩石体进行单向对流换热加热，加热时间依据火焰工作面的移动速度以及不同温度水平的分布范围值进行确定。

Images