CN109253962B - 岩石三轴力学渗透特性测试仪及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石三轴力学渗透特性测试装置及测试方法，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；气体充填与采集模块完成对三轴压力系统提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和高精高频采集。煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，测量三轴应力加载条件下的煤岩试件渗透率，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集，并进行煤岩在受力变形过程中渗透率的测试；液压加载模块对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。
Description
技术领域
本发明属于土木工程、岩土工程科研技术领域，特别涉及一种煤层气勘探开发技术领域的岩石三轴力学渗透特性测试装置。
背景技术
我国是煤炭资源的生产大国，煤炭一直以来都作为重要的基础能源在国民经济中占有重要的战略地位，然而大量存在的瓦斯气体对煤炭安全开采具有很大的威胁。随着煤层气的开采利用，不但降低了煤炭开采的危险性，而且缓解了煤炭生产力，优化了能源结构。我国大多数矿区煤层气储层具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性，很不利于直接抽釆。在煤层气抽采过程中，提高煤层气抽采率成为我国要解决的首要问题，而煤岩渗透率是表征气体通过煤岩的能力，因此研究瓦斯气体在煤岩中的渗透规律对于煤炭安全开采及煤层气抽采具有重要意义。
目前，针对岩石渗透特性的研究，已开展了大量的研究工作，研制了一系列岩石渗透特性的测试仪器，研究现状如下：
申请号为201610946045.7的中国发明专利，公开了《三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置》，(胡大伟；王冲；魏天宇；周辉；张传庆；杨凡杰；卢景景；朱勇)该装置包括数据采集及处理系统，三轴压力系统。三轴压力系统可以真实模拟深部岩体受围压和轴压等三轴应力作用下的受力特点，解决了无法模拟岩石三轴受力的问题。该装置的测量方法为压力震荡法，测量超低岩石的渗透率，但是该装置无法测量岩石的轴向位移和环向位移。
申请号为201510437467.7的中国发明专利，公开了《真三轴环境下煤岩渗透率的检测方法及装置》，(张振宇；梁运培；姜德义；胡千庭；陈结；刘晓茜)该装置可测量不同环境条件的煤岩渗透率。该装置结构紧凑，体积小巧，利用三个方向的油缸可实现对试件三轴加载。该装置难以实现对圆柱形试件围压的加载，且该装置只考虑了渗流问题，没有测量试件的变形。
申请号为201610944483.X中国发明专利，公开了《可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置》，(胡大伟；王冲；魏天宇；周辉；张传庆；杨凡杰；卢景景；朱勇；张帆)该装置可以用底面边长50mm、高100mm的长方体完成真三轴试验，也可以用底边直径50mm、高100mm的圆柱形试件完成假三轴试验。该试验装置侧重于可做真/假三轴试验，无法测量岩石的轴向位移和环向位移。
申请号为CN201310745508.X的中国发明专利，公开了《一种高温超低渗透率测量仪》，(杨典森,陈卫忠,杨建平)该装置可实现不同温度、应力条件下低渗透率测量，适合非常规油气田、能源储存以及核废料地下储存工程涉及的低渗透岩土介质渗透率测量，但是该装置只能测量试件的轴向位移，忽略了环向位移的测试。
申请号为CN201410259243.7的中国发明专利，公开了《一种可快速测量孔隙率的多相渗流介质三轴应力渗流耦合试验装置》，(徐卫亚,俞隽,王如宾,贾朝军,张久长,张强,闫龙)该装置，能运用水、气等多种渗流介质的稳态法和脉冲法测量岩石的渗透率，但是该装置轴压和围压的加载均使用增压泵，压力加载控制精度低，无法进行加卸载状态下试件的渗透率测试，且无法实时批量采集压力数据。该装置操作复杂，试件更换困难。
申请号为CN201611217456.9的中国发明专利，公开了《一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置及方法》，(闫传梁,王怀栋,程远方,韩忠英,丁吉平,滕飞,李庆超)该装置可以测量不同三轴应力和温度条件下各向异性岩石的渗透率和弹性模量。但是该装置无法测量圆柱形标准试件的渗透率，并且该装置压力加载无法实现伺服控制，加载精度低，试件更换困难。
《岩石力学与工程学报》2010年5月份第29卷第5期由许江、尹光志等发表的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用”一文中公开了含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，装置由伺服加载系统、水域恒温系统、三轴压力室、孔压控制系统、数据测试和辅助系统等6部分组成。该装置将传统的‘点充气’改为了‘面充气’，更加逼真的模拟瓦斯源；安装有轴向位移传感器，但忽略了环向位移的测试。
综合分析目前现有渗透率测试装置，还存在以下不足之处：(1)对于加载过程中的煤岩渗透率特性测试，大部分试验仪器需要借助外置压力机来完成加载，需要多人才能完成操作；(2)测试装置无法同时测量试件的轴向和环向变形；(3)测试装置无法实现动态加载过程中的渗透率与变形测试；(4)试验所需试件更换困难；(5)测试装置围压密封困难。考虑到传统渗透率测试装置的弊端，迫切需要研制出一套功能更趋完备的煤岩渗透特性试验装置，以便更深层次地探索各因素对瓦斯渗流的作用机制，为煤层气抽采等提供技术参考。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种既操作简单，又能完成动态加载过程中煤岩的渗透率测试，还能实时同步测量试验过程中煤岩的轴向和环向位移的可三轴加载的煤岩渗透率测试装置及方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；各模块分工明确，相互配合；
所述的气体充填与采集模块用于对煤岩三轴力学渗透测试模块提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；
所述的煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集；
所述的液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；
所述的气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。
进一步的，所述气体充填与采集模块包括高压气源、真空泵、调压阀、耐高压连接管、进气口高精度传感器、多通道采集装置、出气口高精度传感器；
所述高压气源和调压阀通过所述耐高压连接管连接到所述渗透特性测试仪的进气和出气通道，所述进气口高精度传感器、出气口高精度传感器与所述多通道采集装置连接，进气口高精度传感器、出气口高精度传感器用于采集进气口和出气口的气压，完成气体的充填与采集；
所述真空泵通过所述耐高压连接管连接到所述渗透仪的进气通道，完成试验仪器内气体的抽真空操作；
进一步的，所述煤岩三轴力学渗透测试模块是本发明的核心模块，包括轴压室、围压室、测试室、环向位移测量装置和轴向位移测量装置；所述围压室位于所述轴压室下部，两者用连接件连接；所述的测试室位于围压室内部，所述的测试室内部用于放置试件，测试室将试件与围压室隔离；所述的环向位移测量装置用于采集试件的环向应变，所述的轴向位移测量装置用于采集试件的轴向应变。
进一步的，所述轴压室包括油缸套筒、轴压活塞杆和油缸后盖；所述油缸套筒上开有引线密封通道，环向位移的采集线通过所述油缸套筒上的所述引线密封通道引出，且所述引线密封通道与油缸套筒之间密封；所述轴压活塞杆位于所述油缸套筒的中心，所述油缸活塞杆活塞外部与所述油缸套筒之间密封，具体的，所述油缸活塞杆活塞外部开有密封槽，通过所述密封圈完成与所述油缸套筒的动态密封；所述油缸后盖位于油缸套筒后部，所述油缸后盖与油缸套筒之间密封；具体的，所述油缸后盖内壁开有密封槽，通过密封圈完成两者之间的静态密封；所述轴压活塞杆中间开有出气口。
进一步的，所述围压室包括围压套筒、底部活塞、活塞套、围压套筒后盖、密封圈；所述活塞套位于围压套筒内部，与所述围压套筒同心紧密接触，两者之间密封；所述底部活塞位于所述活塞套内部，在底部活塞上开设有进气口；所述底部活塞与活塞套之间同心且密封；所述底部活塞拆卸方便，可通过拆卸所述底部活塞完成试验试件的清理与更换，具体方法为通过将长螺杆拧入所述底部活塞预留的通透的螺栓孔中，随着所述长螺杆的拧入，将所述底部活塞慢慢顶出；所述围压套筒后盖位于围压套筒底部，与所述围压套筒、底部活塞、活塞套通过连接件连接在一起，配合完成围压室底部的密封。
进一步的，所述测试室位于所述围压室的内部，所述测试室包含橡胶密封套、两个卡箍、密封圈；所述橡胶密封套位于围压室内，用于将煤岩试样包裹住，从而将试件与所述围压室隔离，所述卡箍可将所述橡胶密封套两边箍住，所述卡箍的两道钢圈之间又设置有一道密封圈，从而防止所述围压室内液体流入所述测试室。
进一步的，所述环向位移测量装置由底座、竖向测量杆、测量杆顶针、应变片和动静态应变仪组成，所述底座固定在所述油缸套筒上，所述竖向测量杆共四根呈圆形均匀分布并固定在所述环向位移测量装置底座上，所述测量杆顶针位于竖向测量杆的顶部，所述应变片安装在所述竖向测量杆的底部，并通过所述动静态应变仪采集试件的环向应变；所述竖向测量杆选用弹簧钢，其具有弹性变形易恢复的优点，有利于测试试件变形后的弹性恢复。
进一步的，所述轴向位移测试装置为WFCW传感器，固定在所述轴压活塞杆上，所述轴向位移装置的顶端与所述油缸套筒接触。
进一步的，所述煤岩三轴力学渗透测试模块安装在所述渗透试验仪支架上，所述渗透试验仪支架包括支架底座和旋转轴，所述煤岩三轴力学渗透测试模块可通过所述旋转轴进行旋转，从而方便试件的安装与拆卸，提高试验的便捷性；
进一步的，所述液压加载模块通过所述两路伺服液压站与所述轴压进油通道和所述围压进油通道连接完成试验中轴压和围压的加卸载；所述液压加载模块可同时完成加压和采集工作。
进一步的，所述气体流量采集模块包括质量流量计、控制阀门、耐高压连接管以及流量采集软件；所述质量流量计通过高压软管与所述煤岩三轴力学渗透测试模块的出气口连接，所述控制阀门可控制气体流出停滞；所述流量采集软件可实时采集煤岩试样受力变形过程中的流量。
在上述技术方案中，由于围压是采用液压油加载，需要充分考虑试件的密封问题，橡胶密封套必须和试件紧密贴合，上端和下端用卡箍箍住；进气口为所述底部活塞的通道，出气口为轴压活塞杆中间的通道，通过减压阀和传感器控制进气口压力；
在上述技术方案中，在进气口通道设置有传感器，出气口通道设置有传感器，然后再连接质量流量计，所述质量流量计量程为0-50ml/s。所有采集的数据传送至所述数据采集及处理系统中。
所述岩石三轴力学渗透特性试验仪既能完成动态加载过程中煤岩的渗透率测试，还能实时同步测量试验过程中煤岩的轴向和环向位移，其主要测试方法和测试步骤如下：
步骤1将岩石三轴力学渗透特性试验仪组装完成，并在试验支架上将油缸端朝上垂直放置，完成三轴力学渗透特性测试模块与其他三大模块的连接；
步骤2检查仪器气密性，将制备好的试件装入三轴渗流实验装置，首先缓慢匀速加载轴压到一定压力，再缓慢匀速加载围压到一定压力，然后再通入一定的甲烷；待各路压力稳定后，关闭进气口阀门和出气口阀门；若传感器数值长时间保持不变，则证明仪器气密性良好；
步骤3将试验仪器在试验支架上水平放置，将底部活塞取出；
步骤4将试验测试完毕的试件取出，并将制备好的测试试件从底部活塞口装入；
步骤5将底部活塞安装完毕，然后调节试验仪器于竖直方向；
步骤6将试验仪器连接真空泵，抽真空；
步骤7先将轴压加到预定的压力，再把围压加到预定的压力，最后从底部活塞的进气口通入气体，保压一段时间；要保证轴压大于围压大于气体压力；
步骤8)确保测试系统完好，然后打开出气口处阀门，等流量稳定后采集气体压力和测量气体流量；
步骤9流量计算采用稳态法计算；
步骤10更改试验条件重复步骤3-步骤9。
本发明具有以下优点：
(1)可测量三轴应力加载条件下的煤岩试件渗透率；
(2)可同时测量试验中试件的轴向和环向位移，并可以研究渗透率与体应变的关系；
(3)实现了试件受力变形过程中渗透率的瞬态法测试；
(4)本装置采用伺服压力加载方式，操作简单、方便；
(5)本装置核心模块可旋转，装卸试件方便简易，极大的提高了试验效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为煤岩三轴力学渗透测试模块原理图；
图3为底部活塞装卸示意图；
图中：1-1高压气源，1-2真空泵，1-3调压阀、1-4耐高压连接管，1-5进气口高精度传感器，1-6多通道采集装置，1-7出气口高精度传感器；
2轴压室，2-1油缸套筒，2-2轴压活塞杆，2-3油缸后盖，2-4引线密封通道，2-5密封圈，2-6密封圈，
3围压室，3-1围压套筒，3-2底部活塞，3-3活塞套，3-4围压套筒后盖，3-5密封圈，3-6密封圈，3-7长螺栓，3-8预留通孔
4测试室，4-1橡胶密封套，4-2卡箍，4-3密封圈
5环向位移测量装置，5-1环向位移测量装置底座，5-2竖向测量杆，5-3测量杆顶针，5-4应变片，5-5动静态应变仪；
6轴向位移测量装置
7渗透试验仪支架，7-1支架底座，7-2支架旋转轴
8液压加载模块，8-1两路伺服液压站，8-2轴压进油通道，8-3围压进油通道
9-1质量流量计，9-2控制阀门，9-3耐高压连接管；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在以下不足，(1)对于加载过程中的煤岩渗透率特性测试，大部分试验仪器需要借助外置压力机来完成加载，需要多人才能完成操作；(2)测试装置无法同时测量试件的轴向和环向变形；(3)测试装置无法实现动态加载过程中的渗透率与变形测试；(4)试验所需试件更换困难；(5)测试装置围压密封困难。考虑到传统渗透率测试装置的弊端，迫切需要研制出一套功能更趋完备的煤岩渗透特性试验装置，以便更深层次地探索各因素对瓦斯渗流的作用机制，为煤层气抽采等提供技术参考。
为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种既操作简单，又能完成动态加载过程中煤岩的渗透率测试，还能实时同步测量试验过程中煤岩的轴向和环向位移的可三轴加载的煤岩渗透率测试装置及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，岩石三轴力学渗透特性测试仪，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；各模块分工明确，相互配合。气体充填与采集模块主要完成对三轴压力系统提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集，并且只需通过装卸底部活塞即可完成试件的装卸；液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。
所述气体充填与采集模块采用高精度调压阀，可精确调节到试验所需的压力范围；并且采用的传感器频率高、精度高，可精确采集试验数据；所述采集箱设有多个通道，可同时同步采集多个通道的压力数据。
具体的，气体充填与采集模块包括高压气源1-1、真空泵1-2、调压阀1-3、耐高压连接管1-4、进气口高精度传感器1-5、多通道采集装置1-6、出气口高精度传感器1-7。所述高压气源1-1和调压阀1-2通过所述耐高压连接管1-3连接到所述渗透特性测试仪的进气和出气通道，并通过所述高精度传感器1-4和1-6与所述多通道采集装置1-5连接，完成气体的充填与采集；所述真空泵1-2通过所述耐高压连接管1-3连接到所述渗透仪的进气通道，完成试验仪器内气体的抽真空操作。
所述煤岩三轴力学渗透测试模块是本发明的核心模块，包括轴压室2、围压室3、测试室4、环向位移测量装置5和轴向位移测量装置6；所述围压室3位于所述轴压室2下部，两者用高强螺栓连接；
所述轴压室2包括油缸套筒2-1、轴压活塞杆2-2、油缸后盖2-3、引线密封通道2-4、密封圈2-5与2-6。所述油缸套筒2-1上开有引线密封通道2-4，环向位移的采集线通过所述油缸套筒2-1上的所述引线密封通道2-4引出，然后用特制密封胶将所述引线密封通道密封住。所述轴压活塞杆2-2位于所述油缸套筒2-1的中心，所述油缸活塞杆2-2活塞外部开有密封槽，通过所述密封圈2-6完成与所述油缸套筒的动态密封。所述油缸后盖2-8位于油缸套筒2-6后部，所述油缸后盖2-3内壁开有密封槽，通过密封圈2-6完成两者之间的静态密封。
所述围压室3包括围压套筒3-1、底部活塞3-2、活塞套3-3、围压套筒后盖3-4、密封圈3-5和3-6；所述活塞套3-3位于围压套筒3-1内部，与所述围压套筒3-1同心紧密接触，两者之间设置有三道密封圈3-6；所述底部活塞3-2位于所述活塞套筒3-1内部，所述底部活塞3-2周围设置有两道密封圈3-5，并与所述活塞套3-3同心紧密接触完成密封；所述底部活塞3-2拆卸方便，可通过拆卸所述底部活塞2-11完成试验试件的清理与更换，具体方法为通过将长螺杆3-7拧入所述底部活塞3-2预留的通透的螺栓孔3-8中，随着所述长螺杆3-7的拧入，将所述底部活塞3-2慢慢顶出；所述围压套筒后盖3-4位于围压套筒3-1底部，与所述围压套筒3-1、底部活塞3-2、活塞套3-3通过高强螺栓连接在一起，配合完成围压室底部的密封；
所述测试室4位于所述围压室3的内部，所述测试室4包含橡胶密封套4-1、两个卡箍4-2、密封圈4-3；所述橡胶密封套4-1将煤岩试样包裹住，从而将试件与所述围压室3隔离，所述卡箍4-2可将所述橡胶密封套4-1两边箍住，所述卡箍2-15的两道钢圈之间又设置有一道密封圈4-3，从而防止所述围压室3内液体流入所述测试室4；
所述环向位移测量装置5由环向位移测量装置底座5-1、竖向测量杆5-2、测量杆顶针5-3、应变片5-4和动静态应变仪5-5组成，所述环向位移测量装置底座5-1固定在所述油缸套筒2-1上，所述竖向测量杆5-2共四根呈圆形均匀分布并固定在所述环向位移测量装置底座5-1上，所述测量杆顶针5-3位于竖向测量杆5-2的顶部，所述应变片5-4安装在所述竖向测量杆5-2的底部，并通过所述动静态应变仪5-5采集试件的环向应变；所述竖向测量杆5-2选用弹簧钢，其具有弹性变形易恢复的优点，有利于测试试件变形后的弹性恢复；所述轴向位移测试装置6为WFCW传感器，固定在所述轴压活塞杆2-2上，所述轴向位移装置的顶端与所述油缸套筒2-1接触。
上述的轴压室可以实现0-20MPa的试验压力，并且采用伺服压力加载方式，操作简单，加卸载方便；所述围压室实现了围压的完全密封，且围压加载范围可达0-20MPa；所述测试室通过所述橡胶密封套和所述上下卡箍，完成了与围压室的完全隔离；所述环向位移测量装置可以测量加载过程中试件的环向位移，并且所述竖向测量杆选用弹簧钢，其具有弹性变形易恢复的优点，有利于测试试件变形后的弹性恢复，测量精度更高；所述轴向位移测量装置为WFCW型光纤传感器，是以高精度光栅作为检测元件的精密测量装置，量程为100mm，最小的位移分辨率为1μm。其具有信号稳定、抗干扰、测量精准、耐水耐腐蚀等特点。所述煤岩三轴力学渗透测试模块可通过所述旋转轴进行旋转，并可通过底部活塞的装卸从而方便试件的安装与拆卸，提高试验的便捷性。
所述煤岩三轴力学渗透测试模块安装在所述渗透试验仪支架7上。所述渗透试验仪支架包括支架底座7-2和旋转轴7-3，所述煤岩三轴力学渗透测试模块可通过所述旋转轴7-4进行旋转，从而方便试件的安装与拆卸，提高试验的便捷性；
所述液压加载模块8，通过所述两路伺服液压站8-1与所述轴压进油通道8-2和所述围压进油通道8-3连接完成试验中轴压和围压的加卸载；所述液压加载模块8可同时完成加压和采集工作。
所述气体流量采集模块包括特制质量流量计9-1、控制阀门9-2、耐高压连接管9-3(耐压20MPa)以及流量采集软件；所述特制质量流量计9-1通过高压软管9-3与所述煤岩三轴力学渗透测试模块的出气口连接，所述控制阀门9-2可控制气体流出停滞；所述流量采集软件可实时采集煤岩试样受力变形过程中的流量。质量流量计有其特制的软件相互配合完成气体流量的采集，采集页面设置简单，方便操作。该质量流量计响应时间短(40ms)、精度高(1％)、采集数据可实时显示。
在上述技术方案中，由于围压是采用液压油加载，需要充分考虑试件的密封问题，橡胶密封套4-1必须和试件紧密贴合，上端和下端用卡箍4-2箍住；进气口为所述底部活塞3-2中间的通道，出气口为轴压活塞杆2-2中间的通道，通过减压阀和传感器控制进、气口压力；
在上述技术方案中，在进气口通道设置有传感器1-5，出气口通道设置有传感器1-7，然后再连接质量流量计8-1，所述质量流量计量程为0-50ml/s。所有采集的数据传送至所述数据采集及处理系统中。
所述岩石三轴力学渗透特性试验仪既能完成动态加载过程中煤岩的渗透率测试，还能实时同步测量试验过程中煤岩的轴向和环向位移，其主要测试方法和测试步骤如下：
步骤1)将岩石三轴力学渗透特性试验仪组装完成，并在试验支架上将油缸端朝上垂直放置，完成三轴力学渗透特性测试模块与其他三大模块的连接；
步骤2)检查仪器气密性。将制备好的试件装入三轴渗流实验装置，首先缓慢匀速加载轴压到0.5MPa，再缓慢匀速加载围压到0.3MPa，然后再通入0.2MPa的甲烷。待各路压力稳定后，关闭进气口阀门和出气口阀门。若传感器数值长时间保持不变，则证明仪器气密性良好；
步骤3)将试验仪器在试验支架上水平放置，将底部活塞取出；
步骤4)将试验测试完毕的试件取出，并将制备好的测试试件从底部活塞口装入；
步骤5)将底部活塞安装完毕，然后调节试验仪器于竖直方向；
步骤6)将试验仪器连接真空泵，抽真空24h；
步骤7)打开液压加载模块，先将轴压加到预定的压力，再把围压加到预定的压力，最后打开高压气源从底部活塞的进气口通入气体，保压12h；要保证轴压大于围压大于气体压力；
步骤8)确保测试系统完好，然后打开出气口处的阀门，等流量稳定后采集气体压力和测量气体流量；
步骤9)流量计算采用稳态法计算公式：
步骤10)更改试验条件重复步骤3-步骤9。
Claims (8)
1.可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；
所述的气体充填与采集模块用于对煤岩三轴力学渗透测试模块提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；
所述的煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集；
所述煤岩三轴力学渗透测试模块包括轴压室、围压室、测试室、环向位移测量装置和轴向位移测量装置，所述围压室位于所述轴压室的下部，所述测试室位于所述围压室的内部，所述测试室将所述煤岩试件与所述围压室隔离；所述轴压室包括油缸套筒，所述环向位移测量装置的底座固定在所述油缸套筒上，所述底座上固定有竖向测量杆，所述竖向测量杆的顶部设测量杆顶针，所述竖向测量杆的底部安装应变片；所述围压室的底部设有可拆卸活塞；
所述的液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；
所述的气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集；
所述轴压室包括油缸套筒、轴压活塞杆，所述轴压活塞杆中间开有出气口；所述围压室包括围压套筒、底部活塞、活塞套，所述底部活塞位于所述活塞套内部，且在底部活塞上开设有进气口；
所述测试室包含橡胶密封套、两个卡箍和密封圈；所述橡胶密封套位于围压室内，用于将煤岩试样包裹住，从而将试件与所述围压室隔离，所述卡箍可将所述橡胶密封套两边箍住，所述卡箍的两道钢圈之间又设置有一道密封圈，从而防止所述围压室内液体流入所述测试室；
所述环向位移测量装置由底座、竖向测量杆、测量杆顶针、应变片和动静态应变仪组成，所述竖向测量杆共四根呈圆形均匀分布并固定在所述环向位移测量装置底座上，所述测量杆顶针位于竖向测量杆的顶部，所述应变片安装在所述竖向测量杆的底部，并通过所述动静态应变仪采集试件的环向应变；所述竖向测量杆选用弹簧钢，其具有弹性变形易恢复的优点，有利于测试试件变形后的弹性恢复；
所述围压室包括围压套筒和活塞套，所述底部活塞周围设置有两道密封圈，并与所述活塞套同心紧密接触完成密封；所述底部活塞拆卸方便，可通过拆卸所述底部活塞完成试验试件的清理与更换，具体方法为通过将长螺杆拧入所述底部活塞预留的通透的螺栓孔中，随着所述长螺杆的拧入，将所述底部活塞顶出。
2.如权利要求1所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述气体充填与采集模块包括高压气源、真空泵、调压阀、耐高压连接管、进气口高精度传感器、多通道采集装置、出气口高精度传感器；
所述高压气源和调压阀通过所述耐高压连接管连接到所述渗透特性测试仪的进气和出气通道，所述进气口高精度传感器、出气口高精度传感器与所述多通道采集装置连接，进气口高精度传感器、出气口高精度传感器用于采集进气口和出气口的气压，完成气体的充填与采集；所述真空泵通过所述耐高压连接管连接到所述渗透仪的进气通道，完成试验仪器内气体的抽真空操作。
3.如权利要求1所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述围压室位于所述轴压室下部，两者用连接件连接；所述的测试室位于围压室内部，所述的测试室内部用于放置试件，测试室将试件与围压室隔离；所述的环向位移测量装置用于采集试件的环向应变，所述的轴向位移测量装置用于采集试件的轴向应变。
4.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述轴压室还包括油缸套筒、油缸后盖；所述油缸套筒上开有引线密封通道，环向位移的采集线通过所述油缸套筒上的所述引线密封通道引出，且所述引线密封通道与油缸套筒之间密封；所述轴压活塞杆位于所述油缸套筒的中心，所述油缸活塞杆活塞外部与所述油缸套筒之间密封；所述油缸后盖位于油缸套筒后部，所述油缸后盖与油缸套筒之间密封。
5.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述围压室还包括围压套筒和围压套筒后盖；所述活塞套位于围压套筒内部，与所述围压套筒同心紧密接触，两者之间密封；所述底部活塞与活塞套之间同心设置且密封；所述围压套筒后盖位于围压套筒底部，与所述围压套筒、底部活塞、活塞套通过连接件连接在一起，配合完成围压室底部的密封。
6.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述轴向位移测试装置为WFCW传感器，固定在所述轴压活塞杆上，所述轴向位移装置的顶端与所述油缸套筒接触。
7.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述液压加载模块通过两路伺服液压站与轴压进油通道和围压进油通道连接完成试验中轴压和围压的加卸载；所述液压加载模块可同时完成加压和采集工作；
所述气体流量采集模块包括质量流量计、控制阀门、耐高压连接管以及流量采集软件；所述质量流量计通过高压软管与所述煤岩三轴力学渗透测试模块的出气口连接，所述控制阀门可控制气体流出停滞；所述流量采集软件可实时采集煤岩试样受力变形过程中的流量。
8.如权利要求1-7任一所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪的测试方法，其特征在于，
步骤1：将岩石三轴力学渗透特性试验仪组装完成，并在试验支架上将油缸端朝上垂直放置，完成三轴力学渗透特性测试模块与其他三大模块的连接；
步骤2：检查仪器气密性，将制备好的试件装入三轴渗流实验装置，首先缓慢匀速加载轴压到一定压力，再缓慢匀速加载围压到一定压力，然后再通入一定的甲烷；待各路压力稳定后，关闭进气口阀门和出气口阀门；若传感器数值长时间保持不变，则证明仪器气密性良好；
步骤3：将试验仪器在试验支架上水平放置，将底部活塞取出；
步骤4：将试验测试完毕的试件取出，并将制备好的测试试件从底部活塞口装入；
步骤5：将底部活塞安装完毕，然后调节试验仪器于竖直方向；
步骤6：将试验仪器连接真空泵，抽真空；
步骤7：先将轴压加到预定的压力，再把围压加到预定的压力，最后从底部活塞通入气体，保压一段时间；要保证轴压大于围压大于气体压力；
步骤8：确保测试系统完好，然后打开出口处阀门，等流量稳定后采集气体压力和测量气体流量；
步骤9：流量计算采用稳态法计算；
步骤10：更改试验条件重复步骤3-步骤9。
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