CN108519517B - 三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器及试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器及试验装置和方法，包括筒体，左、右螺帽，橡胶密封套，安装盖，左、右压头，左、右安装座，活塞缸，油缸盖，中空活塞，左、右堵头，左、右电极板，煤样筒组成的夹持器，和包括由甲烷罐、压力表、阀门、参考罐、真空泵、IM3533‑01LCR复电阻测量仪、计算机、夹持器、围压泵、轴压泵、气体收集装置、恒温水浴箱组成的试验装置，通过将不同变质程度的煤样加工成的煤柱放置在夹持器中，加载不同围压和轴压后，通入高浓度瓦斯，待吸附平衡后，测量煤柱的复电阻参数。本发明能够在模拟井下地应力和含瓦斯条件下测量复电阻参数，为复电阻测井技术的研究打下了基础。

Description

三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器及试验装置和方法

技术领域

本发明涉及复电阻测井技术领域，特别是涉及一种三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器及试验装置和方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是我国煤矿最严重的灾害之一，突出机理目前尚未形成统一的认识，但发生煤与瓦斯突出的区域大多构造煤较为发育，而构造煤的结构造成了构造煤吸附瓦斯能力强、低渗透性、低强度等特点，因此在采煤作业中如何避开构造煤发育区成为降低瓦斯突出事故的有效手段之一。

随着煤矿开采深度的增加，导致煤层地应力和瓦斯压力逐渐增大，再加上煤层渗透性低，瓦斯抽采困难，这使得煤与瓦斯突出灾害日益严重。以建井深度为例，50年代立井平均开凿深度不到200m，到90年代平均开凿深度已达600m，40年内约增加了400m。由于我国煤炭资源埋藏较深，煤矿未来的总发展趋势必然是浅矿井的数目将大为减少，中深矿井的数目明显增加，深矿井的数目将成倍增加，并将会出现更多的特深矿井，矿井的平均开采深度也进一步增大至630m左右。

目前还没有很好的方法可以预测煤与瓦斯突出，近些年来，复电阻率法在岩石领域围绕测量含水饱和度，预测渗透率，区分含油水层等技术有了很多的研究，预示着复电阻率法在煤层测井技术上有很好的应用前景。目前，关于复电阻率法测量受载情况下含瓦斯煤体的复电阻的研究缺少相应的装置和方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器及试验装置和方法，模拟地应力的条件下测量含瓦斯煤体的复电阻，为复电阻测井技术的发展和判识构造煤、预防瓦斯突出打下实验基础。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器，包括筒体，设置在筒体两端的左、右螺帽和设置在筒体内的橡胶密封套，所述左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座，所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座，所述橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板、煤样筒、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，左压头通孔处设置有气体入口，右压头通孔处设置有气体出口，所述左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，所述右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，所述左、右布线槽中分别设置有导线连接左电极板和右电极板，所述左螺帽上设置有围压接口，所述围压接口连通左螺帽、筒体、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体，所述活塞缸上设置有轴压接口，所述轴压接口连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体。

为了更好地实现本发明，所述左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈。

进一步的，所述左堵头、右堵头为绝缘材料，所述左电极板固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头上，所述筒体和煤样筒的材质为PPEK绝缘材料，所述煤样筒为内径5cm，长度10cm的筒体。

一种三轴加载煤样复电阻率测量试验装置，包括上述三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器，还包括瓦斯罐、压力表、瓦斯阀门、参考罐、真空泵及真空计、IM3533-01LCR复电阻测量仪、计算机、围压泵、轴压泵、气体收集装置和恒温水浴箱。

进一步的，所述瓦斯罐、压力表、瓦斯阀门通过管道依次连接，所述瓦斯阀门另一端通过管道连接到所述夹持器的气体入口，所述参考罐、真空泵及真空计分别通过三通管连接到瓦斯阀门和气体入口之间的管道上，所述气体收集装置通过管道连接到所述夹持器的气体出口，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪的两极分别通过导线与夹持器的左、右电极板连接，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪与所述计算机数据连接，所述围压泵通过耐压管I与夹持器的围压接口连通，所述轴压泵通过耐压管II与夹持器的轴压接口连通，所述夹持器设置在恒温水浴箱中。

一种三轴加载煤样复电阻率测量试验方法，利用利用上述试验装置按照如下步骤实施：

Step1、连接试验装置，检查装置气密性，确认装置气密性良好；

Step2、把采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱，放入夹持器中，进行真空脱气，直到真空计显示压力值为10Pa 时停止；

Step3、开启恒温水浴箱，恒温水浴箱温度设定为 30℃，一直保持到实验结束，保证在实验过程中整个装置的温度恒定，减少温度对实验结果的影响；

Step4、打开瓦斯罐向夹持器充入瓦斯气体，当压力表显示到预设瓦斯压力时（预设1Mpa），关闭充气装置，放置12-24h，使煤样充分吸附瓦斯达到稳定。

Step5、打开轴压泵和围压泵，进行轴压和围压设置：轴压和围压值在设置均是模拟地应力，变化范围6Mpa-10Mpa，变化梯度为2Mpa，轴压不变，变围压，实验过程中对同一种变质程度煤进行九种压力变化：轴压为6Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为8Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为10Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；

Step6、使用IM3533-01LCR复电阻测量仪测量不同轴压围压加载情况下的复电阻参数；

Step7、测量完成后，打开气体收集装置，收集夹持器中的瓦斯；

Step8、更换其他变质程度的原生结构煤和构造煤的煤样，重复step1-step7步骤进行试验，完成后，整理设备。

作为优选，所述Step4中所述的预设压力为1Mpa。

其中，煤是一种电介质，在加电的过程中会出现极化现象，一般来说煤体复电阻模型符合Cole-Cole模型，可根据模型中的参数来达到判识构造煤，下式为Cole-Cole模型；

式中：—频率为零时的电阻率；

—极化率，亦称充电率；

—极化时间常数；

—表征复电阻率随频率变化程度的参数，称为频率相关系数。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1.本发明采用轴压、围压加压结构设计，能很好的模拟地层实际压力；

2.本发明中通过布线槽中的导线连接设置在堵头上的电极铜板，可以方便的连接到复电阻测定仪，同时通过气体入口、气体出口的设计可以方便快捷的测定在不同的模拟压力条件下，含瓦斯煤体的复电阻率，为复电阻率法在煤层测井技术的应用建立基础。

附图说明

图1为本发明中夹持器的剖面结构示意图。

图2为本发明中试验装置的连接关系示意图，其中，A为煤柱，B为本发明的夹持器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种新型煤样夹持器，包括筒体10，设置在筒体10两端的左螺帽7、右螺帽17和设置在筒体10内的橡胶密封套11；所述左螺帽7外通过螺纹连接安装盖6、所述安装盖6中密封设置有左压头3，所述左压头3和左螺帽7之间设置有左安装座5；所述右螺帽17外通过螺纹连接活塞缸21，所述活塞缸21外通过螺丝固定油缸盖23，所述活塞缸21中设置中空活塞20，所述中空活塞20穿过油缸盖23并与油缸盖23滑动密封配合，所述中空活塞20与右螺帽17之间设置有右安装座18；所述橡胶密封套11左右两端分别套设在所述左安装座5和右安装座18上，所述橡胶密封套11内、位于左压头3和中空活塞20之间从左到右依次设置有左堵头9、左电极板12、煤样筒13、右电极板14、右堵头15和右压头16，所述左压头3、左堵头9、左电极板12、右电极板14、右堵头15和右压头16轴向中心设置有中央通气孔，其中，左压头3通孔处设置有气体入口1，右压头16通孔处设置有气体出口19，所述左压头3、左堵头9上对应设置有左布线槽，所述左布线槽中设置有导线2连接左电极板12，所述右堵头15、右压头16上对应设置有右布线槽，所述右布线槽中设置有导线24连接右电极板14；所述左螺帽7上设置有围压接口8，所述围压接口8连通左螺帽7、筒体10、右螺帽17、右安装座18、橡胶密封套11和左安装座5之间围成的围压腔体；所述活塞缸21上设置有轴压接口22，所述轴压接口22连通活塞缸21、油缸盖23和中空活塞20之间围成的轴压腔体。

为了更好地实现本发明，所述左安装座5、右安装座18为楔形结构，所述左安装座5与左螺帽7的接触面上和右安装座18与右螺帽17的接触面上分别设置有“○”型密封圈4。

进一步的，所述左堵头9、右堵头15为绝缘材料，所述左电极板12固定安装在左堵头9上，所述右电极板14固定安装在右堵头15上，所述筒体10和煤样筒13的材质为PPEK绝缘材料，所述左电极板12、右电极板14为铜金属板，所述煤样筒13为内径5cm，长度10cm的筒体。

如图2所示，一种三轴加载煤样复电阻率测量试验装置，包括上述三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器B，还包括瓦斯罐31、压力表32、阀门33、参考罐34、真空泵及真空计35、IM3533-01LCR复电阻测量仪36、计算机37、煤柱A、围压泵38、轴压泵39、气体收集装置40、恒温水浴箱41。

进一步的，所述瓦斯罐31、压力表32、瓦斯阀门33通过管道依次连接，所述瓦斯阀门33另一端通过管道连接到所述夹持器B的气体入口1，所述参考罐34、真空泵及真空计35分别通过三通管连接到瓦斯阀门33和气体入口1之间的管道上，所述气体收集装置40通过管道连接到所述夹持器B的气体出口19，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪36的一个测量电极通过导线2与左电极板12连接，另一个测量电极通过导线24与右电极板14连接，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪36与计算机37数据连接，所述围压泵38通过耐压管I与夹持器B的围压接口8连通，所述轴压泵39通过耐压管II与夹持器B的轴压接口22连通，所述夹持器B设置在恒温水浴箱41中。

一种三轴加载煤样复电阻率测量试验方法，利用利用上述试验装置按照如下步骤实施：

Step1、连接试验装置，检查装置气密性，确认装置气密性良好；

Step2、把采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱A，放入夹持器B中，进行真空脱气，直到真空计显示压力值为10Pa 时停止；

Step3、开启恒温水浴箱41，恒温水浴箱41温度设定为 30℃，一直保持到实验结束，保证在实验过程中整个装置的温度恒定，减少温度对实验结果的影响；

Step4、打开瓦斯罐31和瓦斯阀门33向夹持器B充入瓦斯气体，当压力表显示到1Mpa，关闭瓦斯阀门，放置12-24h，使煤样A充分吸附瓦斯达到稳定。

Step5、打开轴压泵39和围压泵38，进行轴压和围压设置：轴压和围压值在设置均是模拟地应力，变化范围6Mpa-10Mpa，变化梯度为2Mpa，轴压不变，变围压，实验过程中对同一种变质程度煤进行九种压力变化：轴压为6Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为8Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为10Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；

Step6、使用IM3533-01LCR复电阻测量仪36测量不同轴压围压加载情况下煤样A的复电阻参数；

Step7、测量完成后，打开气体收集装置40，收集夹持器B中的瓦斯；

Step8、更换其他变质程度的原生结构煤和构造煤的煤样，重复step1-step7步骤进行试验，完成后，整理设备。

综上所述，通过本实施例的描述，可以使本技术领域人员更好的实施本方案。

Claims (4)

1.一种三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器，包括筒体，设置在筒体两端的左、右螺帽和设置在筒体内的橡胶密封套，其特征在于：所述左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座，所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座，所述橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板、煤样筒、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，左压头通孔处设置有气体入口，右压头通孔处设置有气体出口，所述左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，所述右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，所述左、右布线槽中分别设置有导线连接左电极板和右电极板，所述左螺帽上设置有围压接口，所述围压接口连通左螺帽、筒体、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体，所述活塞缸上设置有轴压接口，所述轴压接口连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体；

所述左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈；

所述左堵头、右堵头为绝缘材料，所述左电极板固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头上，所述筒体和煤样筒的材质为PPEK绝缘材料，所述煤样筒为内径5cm，长度10cm的筒体。

2.一种三轴加载煤样复电阻率测量试验装置，包括权利要求1中所述的三轴加载煤样复电阻率测量用夹持器，其特征在于：还包括瓦斯罐、压力表、瓦斯阀门、参考罐、真空泵及真空计、IM3533-01LCR复电阻测量仪、计算机、围压泵、轴压泵、气体收集装置和恒温水浴箱；

所述瓦斯罐、压力表、瓦斯阀门通过管道依次连接，所述瓦斯阀门另一端通过管道连接到所述夹持器的气体入口，所述参考罐、真空泵及真空计分别通过三通管连接到瓦斯阀门和气体入口之间的管道上，所述气体收集装置通过管道连接到所述夹持器的气体出口，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪的两极分别通过导线与夹持器的左、右电极板连接，所述IM3533-01LCR复电阻测量仪与所述计算机数据连接，所述围压泵通过耐压管I与夹持器的围压接口连通，所述轴压泵通过耐压管II与夹持器的轴压接口连通，所述夹持器设置在恒温水浴箱中。

3.一种利用权利要求2所述试验装置的三轴加载煤样复电阻率测量试验方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

Step1、连接试验装置，检查装置气密性，确认装置气密性良好；

Step2、把采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱，放入夹持器中，进行真空脱气，直到真空计显示压力值为10Pa 时停止；

Step3、开启恒温水浴箱，恒温水浴箱温度设定为 30℃，一直保持到实验结束，保证在实验过程中整个装置的温度恒定，减少温度对实验结果的影响；

Step4、打开瓦斯罐向夹持器充入瓦斯气体，当压力表显示到预设瓦斯压力时，关闭充气装置，放置12-24h，使煤样充分吸附瓦斯达到稳定；

Step5、打开轴压泵和围压泵，进行轴压和围压设置：轴压和围压值在设置均是模拟地应力，变化范围6Mpa-10Mpa，变化梯度为2Mpa，轴压不变，变围压，实验过程中对同一种变质程度煤进行九种压力变化：轴压为6Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为8Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为10Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；

Step6、使用IM3533-01LCR复电阻测量仪测量不同轴压围压加载情况下的复电阻参数；

Step7、测量完成后，打开气体收集装置，收集夹持器中的瓦斯；

Step8、更换其他变质程度的原生结构煤和构造煤的煤样，重复step1-step7步骤进行试验，完成后，整理设备。

4.根据权利要求3所述的一种三轴加载煤样复电阻率测量试验方法，其特征在于：所述Step4中所述的预设瓦斯压力为1Mpa。