CN110186776A - 一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩体加载试验技术领域，具体是一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置及试验方法，解决了实验室利用传统测试装置对松软破碎的构造煤煤样加压试验时，无法准确地模拟在不同轴向压力及孔隙压力下测试煤层热流固全程耦合参数的问题，包括轴向加压卸载装置、蠕变测试装置、渗透率测试检测装置和高低温试验环境控制装置，通过轴向加压卸载装置和高低温试验环境控制装置模拟不同的地层环境，利用蠕变测试装置和渗透率测试检测装置获得岩样加载试验数据。本发明结构简单，操作方便，测量重复性好，测量范围大，在本技术领域内具有广泛的实用性及创造性。
Description
技术领域
本发明属于岩体加载试验技术领域，具体是一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置及试验方法。
背景技术
随着矿井开采规模及开采深度的增加，深部脆裂煤体片帮及破碎顶板冒落事故频发，严重影响了煤矿的高效安全生产，已成为制约现代化矿井深部开采的主要瓶颈。煤壁片帮是煤体在矿山压力作用下破碎坍塌的一种矿压显现现象，导致冒顶和片帮事故。
同时采矿引起的岩层塌陷严重地改变了覆岩的工程地质性质，形成了采矿塌陷破裂岩体条件；即使在开采结束后经过长时间自然压实，地表沉陷过程基本停止后，采矿引起的地下残留空洞、离层、裂缝和采空区破碎岩体的欠压密、空隙中饱水等现象依然存在，在各种内外因素，如地应力、地下水、地面建筑荷载等作用下，其相对平衡状态将再次被打破，并引发安全事故。可见，在完整岩体加载下的破碎岩体的特征具有极为重要的意义。
煤样热流固耦合是煤层气开发的重要技术问题，传统的测试装置大都要求将煤样制成规则柱状或块状试样，在模拟围压条件下测试时，对煤体的力学强度有较高的要求。而将松软破碎的构造煤煤样制成柱状或块状试样难度较大且构造煤的力学强度低，在实验室很难利用传统测试装置模拟地层条件的不同轴向压力及孔隙压力下测试煤层热流固全程耦合参数。
发明内容
本发明为了解决实验室利用传统测试装置对松软破碎的构造煤煤样加压试验时，无法准确地模拟在不同轴向压力及孔隙压力下测试煤层热流固全程耦合参数的问题，提供了一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置及试验方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置，包括轴向加压卸载装置、蠕变测试装置、渗透率测试检测装置和高低温试验环境控制装置，通过轴向加压卸载装置和高低温试验环境控制装置模拟不同的地层环境，利用蠕变测试装置和渗透率测试检测装置获得岩样加载试验数据；轴向加压卸载装置包括轴向液压缸和轴向液压缸控制器，轴向液压缸设置有能够垂直向下伸长的液压缸活塞杆，蠕变测试装置包括设置在轴向液压缸活塞杆下端的位移计，带有位移计的液压缸活塞杆滑动连接有空心圆管；渗透率测试检测装置包括煤样渗透缸筒、渗透加压垫槽、高低温储气仓和盛水容器，渗透加压垫槽设置在煤样渗透缸筒上部，煤样渗透缸筒底部开有进气孔，进气孔通过导气管连接有带有减压阀的气瓶，盛水容器内设置有充满水且倒扣设置的量筒，量筒通过集气管与渗透加压垫槽连接；高低温试验环境控制装置包括试验控制箱，试验控制箱内设置有热交换器，试验控制箱通过导气管分别连接有高低温储气仓和冷热压缩式气体交换器。
轴向液压缸固定设置在试验台的顶板下，轴向液压缸控制器设置在试验台的中间板上，空心圆管设置在渗透加压垫槽上并与其连通，渗透加压垫槽为倒扣设置的圆筒结构，煤样渗透缸筒为空心圆柱组合结构并设置在试验台的底板上，高低温储气仓是设置在试验台底板上的密闭腔体并将煤样渗透缸筒和部分渗透加压垫槽包围在内，高低温储气仓内设置有压力传感器和电动导风板，电动导风板通过导气管连接有试验控制箱。
渗透加压垫槽的直径小于煤样渗透缸筒的直径，煤样渗透缸筒为上部小直径下部大直径的一体式空心圆柱结构，煤样渗透缸筒的顶部和底部分别设置有阻隔煤样掉落的透气孔板，渗透加压垫槽设置在顶部的透气孔板上。
一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验方法，包括如下步骤：
步骤一：将煤样置于煤样渗透缸筒中，检查渗透率测试检测装置的气密性，并检查轴向加卸载装置是否可以正常运行，检查完毕后打开气瓶使气体充满整个高低温储气仓；
步骤二：通过控制试验控制箱，通过冷热压缩式气体交换器对高低温储气仓内的气体温度进行调节并使其处于恒温状态；
步骤三：调节液压缸控制器使得轴向液压缸活塞杆在空心圆管内向下加压，空心圆管中的气体压缩对设置在煤样渗透缸筒中的煤样提供不同的轴压，煤样渗透缸筒中的气体通过渗透加压垫槽和集气管作用到达量筒内，使得量筒内的水被部分压出，通过量筒中液面的读数以及空心圆管中位移计的读数得到破碎岩体渗透率的两个参数值；
步骤四：重复步骤三，通过调节液压缸控制器21获得不同的轴压，进一步测量出不同轴压下的多种渗透率参数值；
步骤五：保持同一轴压不变，调节气瓶的减压阀，逐级降低气体压力测定每一级气体压力所对应的煤样渗透率参数值，可以得到不同孔隙压力条件下煤样的气体渗透率特征值；
步骤六：收集实验数据，记录不同轴压下的渗透率参数值以及不同孔隙条件下的气体渗透率参数值。本发明相对于现有技术而言具有的如下有益效果：
本发明采用了液压活塞加压的方式，由于缸筒侧壁对试样具有限制作用，故对煤试样的力学强度要求不高，可适用于各种煤体结构、特别是构造煤试样在恒温水浴加卸载条件下的渗透率及蠕变测试。可模拟在原始地层在不同深度及温度条件下及采动卸压过程中测定煤层渗透率及蠕变速率的变化规律。模拟不同静岩压力地层条件下或保护层开采卸压条件下，以及在不同深度温度影响条件下对构造煤等煤层渗透率及蠕变进行测试。本发明结构简单，操作方便，测量重复性好，测量范围大，在本技术领域内具有广泛的实用性及创造性。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构示意图。
图中：1-试验台，1.1-顶板，1.2-中间板，1.3-底板，2-轴向液压缸控制器，3-煤样渗透缸筒，4-高低温储气仓，5-空心圆管，6-位移计，7-轴向液压缸，8-压力传感器，9-电动导风板，10-试验控制箱，11-热交换器，12-冷热压缩式气体交换器，13-导气管，14-盛水容器，15-量筒，16-渗透加压垫槽，17-进气孔，18-减压阀，19-气瓶，20-液压缸活塞杆，21-集气管。
具体实施方式
参照图1对本发明进行进一步阐述，一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置，包括轴向加压卸载装置、蠕变测试装置、渗透率测试检测装置和高低温试验环境控制装置，通过轴向加压卸载装置和高低温试验环境控制装置模拟不同的地层环境，利用蠕变测试装置和渗透率测试检测装置获得岩样加载试验数据；轴向加压卸载装置包括轴向液压缸7和轴向液压缸控制器2，轴向液压缸7设置有能够垂直向下伸长的液压缸活塞杆20，蠕变测试装置包括设置在液压缸活塞杆20下端的位移计6，带有位移计6的液压缸活塞杆20滑动连接有空心圆管5；渗透率测试检测装置包括煤样渗透缸筒3、渗透加压垫槽16、高低温储气仓4和盛水容器14，渗透加压垫槽16设置在煤样渗透缸筒3上部，煤样渗透缸筒3底部开有进气孔17，进气孔17通过导气管13连接有带有减压阀18的气瓶19，盛水容器14内设置有充满水且倒扣设置的量筒15，量筒15通过集气管21与渗透加压垫槽16连接；高低温试验环境控制装置包括试验控制箱10，试验控制箱10内设置有热交换器11，试验控制箱10通过导气管13分别连接有高低温储气仓4和冷热压缩式气体交换器12。
轴向液压缸7固定设置在试验台1的顶板1.1下，轴向液压缸控制器2设置在试验台1的中间板1.2上，空心圆管5设置在渗透加压垫槽16上并与其连通，渗透加压垫槽16为倒扣设置的圆筒结构，煤样渗透缸筒3为空心圆柱组合结构并设置在试验台1的底板1.3上，高低温储气仓4是设置在试验台1底板1.3上的密闭腔体并将煤样渗透缸筒3和部分渗透加压垫槽16包围在内，高低温储气仓4内设置有压力传感器8和电动导风板9，电动导风板9通过导气管13连接有试验控制箱10。
其中试验台1是通过立柱连接顶板1.1，中间板1.2和底板1.3组合而成，中间板1.2为两端对称设置，共计2块，一块上部设置有轴向液压缸控制器2，另一块上设置有盛水容器14，试验台1的尺寸为长500mmm宽500mm高度1500mm，轴向液压缸7为直径150mm，高度为250mm，轴向液压缸控制器2可控制轴向液压缸7的伸缩。
煤样渗透缸筒3的顶部直径为300mm，高为300mm，底部直径320mm，高200mm的圆柱体组合整体，其顶端和底端均设有用于阻隔煤样通过的透气孔板，顶端透气孔板上设置有渗透加压垫槽16，其尺寸为直径160mm，高80mm的桶状整体，同时它的下部设有进气孔17，进气孔17通过导气管13与气瓶19相连，气瓶19上设置有减压阀18，减压阀18用以控制气体的流量。
本发明所述的试验装置组装完毕后，可将煤样放置到煤样渗透缸筒3中进行加载试验。其中，发明装置的煤样渗透缸筒3、渗透加压垫槽16和高低温储气仓4是可分离装配结构，三者可通过带有密封圈的螺钉进行固定连接。当需要放置进行加载试验时，可通过螺丝刀将三者分离后，在煤样渗透缸筒3内放置煤样，进一步的将渗透加压垫槽16和高低温储气仓4固定即可。由于三者为可拆分结构，故在试验前需对其气密性进行严格的检测，防止因漏气影响试验数据的准确性。
一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验方法，包括如下步骤：
步骤一：将煤样置于煤样渗透缸筒3中，检查渗透率测试检测装置的气密性，并检查轴向加卸载装置是否可以正常运行，检查完毕后打开气瓶19使气体充满整个高低温储气仓4；
步骤二：通过控制试验控制箱10，通过冷热压缩式气体交换器12对高低温储气仓4内的气体温度进行调节并使其处于恒温状态；
步骤三：调节液压缸控制器2使得液压缸活塞杆20在空心圆管5内向下加压，空心圆管5中的气体压缩对设置在煤样渗透缸筒3中的煤样提供不同的轴压，煤样渗透缸筒3中的气体通过渗透加压垫槽16和集气管21作用到达量筒15内，使得量筒15内的水被部分压出，通过量筒15中液面的读数以及空心圆管5中位移计6的读数得到破碎岩体渗透率的两个参数值；
步骤四：重复步骤三，通过调节液压缸控制器2获得不同的轴压，进一步测量出不同轴压下的多种渗透率参数值；
步骤五：保持同一轴压不变，调节气瓶19的减压阀18，逐级降低气体压力测定每一级气体压力所对应的煤样渗透率参数值，得到不同孔隙压力条件下煤样的气体渗透率参数值；
步骤六：收集实验数据，记录不同轴压下的渗透率参数值以及不同孔隙条件下的气体渗透率参数值。
Claims (4)
1.一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置，其特征在于：包括轴向加压卸载装置、蠕变测试装置、渗透率测试检测装置和高低温试验环境控制装置，通过轴向加压卸载装置和高低温试验环境控制装置模拟不同的地层环境，利用蠕变测试装置和渗透率测试检测装置获得岩样加载试验数据；轴向加压卸载装置包括轴向液压缸（7）和轴向液压缸控制器（2），轴向液压缸（7）设置有能够垂直向下伸长的液压缸活塞杆（20），蠕变测试装置包括设置在液压缸活塞杆（20）下端的位移计（6），带有位移计（6）的液压缸活塞杆（20）滑动连接有空心圆管（5）；渗透率测试检测装置包括煤样渗透缸筒（3）、渗透加压垫槽（16）、高低温储气仓（4）和盛水容器（14），渗透加压垫槽（16）设置在煤样渗透缸筒（3）上部，煤样渗透缸筒（3）底部开有进气孔（17），进气孔（17）通过导气管（13）连接有带有减压阀（18）的气瓶（19），盛水容器（14）内设置有充满水且倒扣设置的量筒（15），量筒（15）通过集气管（21）与渗透加压垫槽（16）连接；高低温试验环境控制装置包括试验控制箱（10），试验控制箱（10）内设置有热交换器（11），试验控制箱（10）通过导气管（13）分别连接有高低温储气仓（4）和冷热压缩式气体交换器（12）。
2.根据权利要求1所述的一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置，其特征在于：轴向液压缸（7）固定设置在试验台（1）的顶板（1.1）下，轴向液压缸控制器（2）设置在试验台（1）的中间板（1.2）上，空心圆管（5）设置在渗透加压垫槽（16）上并与其连通，渗透加压垫槽（16）为倒扣设置的圆筒结构，煤样渗透缸筒（3）为空心圆柱组合结构并设置在试验台（1）的底板（1.3）上，高低温储气仓（4）是设置在试验台（1）底板（1.3）上的密闭腔体并将煤样渗透缸筒（3）和部分渗透加压垫槽（16）包围在内，高低温储气仓（4）内设置有压力传感器（8）和电动导风板（9），电动导风板（9）通过导气管（13）连接有试验控制箱（10）。
3.根据权利要求1或2所述的一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验装置，其特征在于：渗透加压垫槽（16）的直径小于煤样渗透缸筒（3）的直径，煤样渗透缸筒（3）为上部小直径下部大直径的一体式空心圆柱结构，煤样渗透缸筒（3）的顶部和底部分别设置有阻隔煤样掉落的透气孔板，渗透加压垫槽（16）设置在顶部的透气孔板上。
4.一种破碎岩体多相耦合蠕变加载试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将煤样置于煤样渗透缸筒（3）中，检查渗透率测试检测装置的气密性，并检查轴向加卸载装置是否可以正常运行，检查完毕后打开气瓶（19）使气体充满整个高低温储气仓（4）；
步骤二：通过控制试验控制箱（10），通过冷热压缩式气体交换器（12）对高低温储气仓（4）内的气体温度进行调节并使其处于恒温状态；
步骤三：调节液压缸控制器（2）使得液压缸活塞杆（20）在空心圆管（5）内向下加压，空心圆管（5）中的气体压缩对设置在煤样渗透缸筒（3）中的煤样提供不同的轴压，煤样渗透缸筒（3）中的气体通过渗透加压垫槽（16）和集气管（21）作用到达量筒（15）内，使得量筒（15）内的水被部分压出，通过量筒（15）中液面的读数以及空心圆管（5）中位移计（6）的读数得到破碎岩体渗透率的两个参数值；
步骤四：重复步骤三，通过调节液压缸控制器（2）获得不同的轴压，进一步测量出不同轴压下的多种渗透率参数值；
步骤五：保持同一轴压不变，调节气瓶（19）的减压阀（18），逐级降低气体压力测定每一级气体压力所对应的煤样渗透率参数值，得到不同孔隙压力条件下煤样的气体渗透率参数值；
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