CN110806353A - 深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，样品室内装填有煤岩样品，每个加压筒的中部均开设有第一进光孔，每个压头的中部均开设有第二进光孔，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器通过导线与应力测试仪连接，光谱测试仪的目镜分别与相应第一进光孔对接。本发明设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。
Description
技术领域
本发明涉及深部煤岩物质成分、微观结构变化测试实验技术领域，具体的说，涉及一种深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法。
背景技术
煤层注入CO2可以提高煤层气的采收率，煤对CO2的吸收能力大于CH4，可产生CO2驱替CH4的效果。19世纪，在最初的CO2注入煤层的实验中得出，CO2注入可驱替煤层中的CH4，煤层气采收率可提高9%～57%。注入CO2后，煤基质发生结构性膨胀，且不同气体膨胀程度不同，对孔隙结构影响程度不同。随着人们对煤岩气体吸附和驱替的深入研究，在提高和改变温度和压力等条件时，煤气体吸附量、气体吸附解析速率、孔隙度、渗透率变化及矿物成分变化的研究得到了更多关注。在地球科学领域，高温高压实验在一定程度上可为深部地层中煤岩物质组成、结构状态以及成岩成矿作用研究提供可靠的实验数据，在高压、超高压条件下，物质原子之间的距离以及电子层之间的相互作用会发生变化。CO2的注入伴随着压强的增大，当围压稳定时，CO2与水反应生成弱酸性溶液，与煤岩中不稳定矿物反应产生化学溶蚀和化学沉淀，改变煤中矿物成分与含量。因此深部煤层中CO2等气体注入会引起煤岩一系列物理化学变化，还原在深部地层高三轴应力、高流体压力条件下，尤其是注入CO2、N2等气体的饱气条件下，利用拉曼、红外光谱等手段研究煤岩物质成分、微观结构变化具有重要意义。
目前，高温高压装置的研发技术以及激光拉曼反应的在线表征技术应用较多，但能够还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的实时监测、在线表征的装置和测试方法还有所欠缺。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法，本发明设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室和支撑钢体均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压孔的内端均与加压腔连通，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头分别对应顶压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室内装填有煤岩样品，样品室的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口，每个加压筒的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔，每个压头的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔、各个第二进光孔和各个进光口分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片，样品室的顶部前侧两边角处分别设有与样品室内腔连通的通气口和接线口，支撑钢体的顶部开设有与加压腔连通的通气孔和接线孔，通气孔与通气口上下对应，接线孔与接线口上下对应，通气口上连接有通气软管，通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，通气软管上设有截止阀，通气软管的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器连接有导线，导线由内到外依次穿过接线口和接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔的外端对接。
样品室包括右侧敞口的箱体和密封盖，密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，密封盖的左侧外部套设有位于箱体的右侧内壁和密封盖的左侧外部之间的硅胶密封圈，密封盖的四周通过螺钉固定连接在箱体的右侧，箱体和密封盖均由铜或铝制成，三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面均粘贴有压座，三个压座分别对应顶压密封盖的右侧面、箱体的前侧面和上侧面，压座和压头均为由碳化钨制成的四棱台结构，四棱台结构的内端面小于四棱台结构的外端面；支撑钢体和三个加压筒均由361号钢制成。
支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面的四周均开设有外大内小的两级阶梯盲孔，两级阶梯盲孔的外部孔为光孔，两级阶梯盲孔的内部孔为螺纹孔，每个加压筒的外端均一体成型有正方形的端盖，端盖的大小与支撑钢体的侧面大小相同，端盖的四周均开设有外大内小的台阶孔，各个台阶孔与相应的两级阶梯盲孔内外对应，台阶孔中安装有加压螺丝，加压螺丝的外端螺帽卡设在台阶孔中的台阶处，加压螺丝上套设有若干个碟型垫片，各个碟型垫片的外圆与两级阶梯盲孔的外部孔内圆滑动接触，加压螺丝的内端螺纹连接在两级阶梯盲孔的内部孔中。
深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，包括以下步骤：
（1）、在样品室中装填煤岩样品；
（2）、将样品室、支撑钢体和三个加压筒装配好；
（3）、对样品室抽真空，再通入测试气体直至达到目标气压；
（4）、调节各根加压螺丝使煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
步骤（1）具体为：先将三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，并将三片薄膜应力传感器所连接的导线一同从接线口穿出，将通气软管的一端插接到通气口中，在通气软管的外壁和通气口的内圆之间接触处注入高温胶起到密封效果，防止漏气，再将煤岩样品放入箱体中，将密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，拧紧螺钉将密封盖固定连接在箱体的右侧，组装好样品室，煤岩样品为块状或粉末状煤岩，其中粉末状煤岩样品需经压实后再放入箱体中。
步骤（2）具体为：先将三个压座粘贴到加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面，将样品室通过其中一个加压孔放置到加压腔中，使通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，再将导线穿过接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，再分别把三个加压筒插入到对应的三个加压孔中， 调节各根加压螺丝使各个加压筒的内端向支撑钢体内部推进对样品室进行预压，三个压头分别与样品室的左侧面、后侧面和下侧面紧压接触，使样品室外壁轻微变形并达到密封状态。
步骤（3）具体为：先将通气软管与真空泵通过快速接头连接，打开截止阀，启动真空泵，将样品室内部抽真空，直至达到目标气压，通过真空泵上的真空表确定，真空泵停止工作，关闭截止阀，将通气软管和真空泵拆卸分离，使样品室保持一段时间的真空状态，然后将通气软管与注气系统通过快速接头连接，打开截止阀，启动注气系统，注气系统缓慢向样品室中注入CO2气体，直至达到饱和气压，通过注气系统上的压力表确定。
步骤（4）具体为：拧动各根加压螺丝，使三个加压筒的内端在三个相互垂直的方向向内缓慢推进，则三个压头向内挤压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室在三个压头的作用下发生变形，直至三片薄膜应力传感器测试到目标应力，停止拧动各根加压螺丝，将支撑钢体放置拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的下方，先将X轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体的方向，将Y轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Y轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体的方向，将Z轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Z轴方向上的微观结构变化；通过各根加压螺丝调节X、Y、Z轴方向上三个加压筒对样品室的压力，进而使样品室中煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪得到煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的支撑钢体为正方体结构，在支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体内部中心设有加压腔，三个加压孔的内端均与加压腔连通，样品室放置在加压腔内，使用三个加压筒插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头顶压接触样品室的左侧面、后侧面和下侧面，从而对样品室施加X、Y、Z轴三个方向的压力，通过调节各根加压螺丝使样品室中的煤岩样品能够受到不同的三轴应力，真空泵与通气软管连接可以对样品室抽真空，注气系统与通气软管连接可以向样品室中缓慢注入CO2直至饱和气压，再分别将X、Y、Z轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X、Y、Z轴方向上的微观结构变化，得到煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果，本发明设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。
附图说明
图1是本发明的支撑钢体的结构示意图。
图2是本发明的三个加压筒和样品室的结构示意图。
图3是本发明的左视图。
图4是本发明的正视图。
图5是图3中A-A向剖视图。
图6是图3中B-B向剖视图。
图7是图4中C-C向剖视图。
图8是本发明的样品室的横向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
实施例1
如图1-图8所示，深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，包括样品室1、支撑钢体2、三个加压筒3、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室1和支撑钢体2均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体2的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔4，支撑钢体2的中心处设有加压腔5，样品室1放置在加压腔5内，三个加压孔4的内端均与加压腔5连通，三个加压筒3分别对应插入到三个加压孔4中，三个加压筒3的内端均粘贴有压头6，三个压头6分别对应顶压样品室1的左侧面、后侧面和下侧面，样品室1内装填有煤岩样品，样品室1的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口7，每个加压筒3的中部均沿加压孔4的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔8，每个压头6的中部均沿加压孔4的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔8、各个第二进光孔和各个进光口7分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片9，样品室1的顶部前侧两边角处分别设有与样品室1内腔连通的通气口10和接线口11，支撑钢体2的顶部开设有与加压腔5连通的通气孔12和接线孔13，通气孔12与通气口10上下对应，接线孔13与接线口11上下对应，通气口10上连接有通气软管14，通气软管14穿过通气孔12伸出支撑钢体2的顶部，通气软管14上设有截止阀，通气软管14的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室1的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器15，薄膜应力传感器15连接有导线16，导线16由内到外依次穿过接线口11和接线孔13伸出支撑钢体2的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体2放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔8的外端对接。截止阀和快速接头均为常规设计，图未示。
样品室1包括右侧敞口的箱体17和密封盖18，密封盖18的左侧外部插入到箱体17的右侧内部，密封盖18的左侧外部套设有位于箱体17的右侧内壁和密封盖18的左侧外部之间的硅胶密封圈，密封盖18的四周通过螺钉19固定连接在箱体17的右侧，箱体17和密封盖18均由铜或铝制成，三片薄膜应力传感器15分别粘贴在箱体17的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖18的左侧面上，加压腔5内部的右侧面、前侧面和上侧面均粘贴有压座20，三个压座20分别对应顶压密封盖18的右侧面、箱体17的前侧面和上侧面，压座20和压头6均为由碳化钨制成的四棱台结构，四棱台结构的内端面小于四棱台结构的外端面；支撑钢体2和三个加压筒3均由361号钢制成。硅胶密封圈能够起到密封作用，是常规设计，图未示。
支撑钢体2的左侧面、后侧面和下侧面的四周均开设有外大内小的两级阶梯盲孔21，两级阶梯盲孔21的外部孔为光孔，两级阶梯盲孔21的内部孔为螺纹孔，每个加压筒3的外端均一体成型有正方形的端盖22，端盖22的大小与支撑钢体2的侧面大小相同，端盖22的四周均开设有外大内小的台阶孔23，各个台阶孔23与相应的两级阶梯盲孔21内外对应，台阶孔23中安装有加压螺丝24，加压螺丝24的外端螺帽卡设在台阶孔23中的台阶处，加压螺丝24上套设有若干个碟型垫片25，各个碟型垫片25的外圆与两级阶梯盲孔21的外部孔内圆滑动接触，加压螺丝24的内端螺纹连接在两级阶梯盲孔21的内部孔中，参见图4中的局部剖视图。
深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，包括以下步骤：
（1）、在样品室1中装填煤岩样品；
（2）、将样品室1、支撑钢体2和三个加压筒3装配好；
（3）、对样品室1抽真空，再通入测试气体直至达到目标气压；
（4）、调节各根加压螺丝24使煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
步骤（1）具体为：先将三片薄膜应力传感器15分别粘贴在箱体17的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖18的左侧面上，并将三片薄膜应力传感器15所连接的导线16一同从接线口11穿出，将通气软管14的一端插接到通气口10中，在通气软管14的外壁和通气口10的内圆之间接触处注入高温胶起到密封效果，防止漏气，再将煤岩样品放入箱体17中，将密封盖18的左侧外部插入到箱体17的右侧内部，拧紧螺钉19将密封盖18固定连接在箱体17的右侧，组装好样品室1，煤岩样品为块状或粉末状煤岩，其中粉末状煤岩样品需经压实后再放入箱体17中。
步骤（2）具体为：先将三个压座20粘贴到加压腔5内部的右侧面、前侧面和上侧面，将样品室1通过其中一个加压孔4放置到加压腔5中，使通气软管14穿过通气孔12伸出支撑钢体2的顶部，再将导线16穿过接线孔13伸出支撑钢体2的顶部并与应力测试仪连接，再分别把三个加压筒3插入到对应的三个加压孔4中， 调节各根加压螺丝24使各个加压筒3的内端向支撑钢体2内部推进对样品室1进行预压，三个压头6分别与样品室1的左侧面、后侧面和下侧面紧压接触，使样品室1外壁轻微变形并达到密封状态。
步骤（3）具体为：先将通气软管14与真空泵通过快速接头连接，打开截止阀，启动真空泵，将样品室1内部抽真空，直至达到目标气压，通过真空泵上的真空表确定，真空泵停止工作，关闭截止阀，将通气软管14和真空泵拆卸分离，使样品室1保持一段时间的真空状态，然后将通气软管14与注气系统通过快速接头连接，打开截止阀，启动注气系统，注气系统缓慢向样品室1中注入CO2气体，直至达到饱和气压，通过注气系统上的压力表确定。
步骤（4）具体为：拧动各根加压螺丝24，使三个加压筒3的内端在三个相互垂直的方向向内缓慢推进，则三个压头6向内挤压样品室1的左侧面、后侧面和下侧面，样品室1在三个压头6的作用下发生变形，直至三片薄膜应力传感器15测试到目标应力，停止拧动各根加压螺丝24，将支撑钢体2放置拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的下方，先将X轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体2的方向，将Y轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Y轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体2的方向，将Z轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Z轴方向上的微观结构变化；通过各根加压螺丝24调节X、Y、Z轴方向上三个加压筒3对样品室1的压力，进而使样品室1中煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪得到煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
应力测试仪、真空泵、注气系统、拉曼光谱测试仪和红外光谱测试仪均是现有成熟技术，具体构造和工作原理不再赘述。
本发明的支撑钢体2为正方体结构，在支撑钢体2的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔4，支撑钢体2内部中心设有加压腔5，三个加压孔4的内端均与加压腔5连通，样品室1放置在加压腔5内，使用三个加压筒3插入到三个加压孔4中，三个加压筒3的内端均粘贴有压头6，三个压头6顶压接触样品室1的左侧面、后侧面和下侧面，从而对样品室1施加X、Y、Z轴三个方向的压力，通过调节各根加压螺丝24使样品室1中的煤岩样品能够受到不同的三轴应力，真空泵与通气软管14连接可以对样品室1抽真空，注气系统与通气软管14连接可以向样品室1中缓慢注入CO2直至饱和气压，再分别将X、Y、Z轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X、Y、Z轴方向上的微观结构变化，得到煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果，本发明设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。
实施例2
与实施例1不同的是，步骤（4）具体为：拧动各根加压螺丝24，使三个加压筒3的内端在三个相互垂直的方向向内缓慢推进，则三个压头6向内挤压样品室1的左侧面、后侧面和下侧面，样品室1在三个压头6的作用下发生变形，直至三片薄膜应力传感器15测试到目标应力，停止拧动各根加压螺丝24，使用密封塞将Y轴、Z轴方向加压筒3上的第一进光孔8封堵，再将支撑钢体2放置在位于拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪下方的加热器皿中进行水浴加热，X轴方向加压筒3外端位于加热器皿的水面上方，将X轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X轴方向上的微观结构变化；将支撑钢体2从器皿中取出，转换支撑钢体2的方向，将Y轴方向加压筒3上的密封塞拔掉，再使用该密封塞封堵X轴方向加压筒3上的第一进光孔8，然后，再将支撑钢体2放置在加热器皿中进行水浴加热，Y轴方向加压筒3外端位于加热器皿的水面上方，将Y轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Y轴方向上的微观结构变化；再将支撑钢体2从器皿中取出，转换支撑钢体2的方向，将Z轴方向加压筒3上的密封塞拔掉，再使用该密封塞封堵Y轴方向加压筒3上的第一进光孔8，然后，再将支撑钢体2放置在加热器皿中进行水浴加热，Z轴方向加压筒3外端位于加热器皿的水面上方，将Z轴方向加压筒3上的第一进光孔8与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Z轴方向上的微观结构变化；通过各根加压螺丝24调节X、Y、Z轴方向上三个加压筒3对样品室1的压力，进而使样品室1中煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪得到煤岩样品在不同的三轴应力、CO2饱和气压以及一定温度条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室和支撑钢体均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压孔的内端均与加压腔连通，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头分别对应顶压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室内装填有煤岩样品，样品室的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口，每个加压筒的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔，每个压头的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔、各个第二进光孔和各个进光口分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片，样品室的顶部前侧两边角处分别设有与样品室内腔连通的通气口和接线口，支撑钢体的顶部开设有与加压腔连通的通气孔和接线孔，通气孔与通气口上下对应，接线孔与接线口上下对应，通气口上连接有通气软管，通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，通气软管上设有截止阀，通气软管的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器连接有导线，导线由内到外依次穿过接线口和接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔的外端对接。
2.根据权利要求1所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：样品室包括右侧敞口的箱体和密封盖，密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，密封盖的左侧外部套设有位于箱体的右侧内壁和密封盖的左侧外部之间的硅胶密封圈，密封盖的四周通过螺钉固定连接在箱体的右侧，箱体和密封盖均由铜或铝制成，三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面均粘贴有压座，三个压座分别对应顶压密封盖的右侧面、箱体的前侧面和上侧面，压座和压头均为由碳化钨制成的四棱台结构，四棱台结构的内端面小于四棱台结构的外端面；支撑钢体和三个加压筒均由361号钢制成。
3.根据权利要求2所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面的四周均开设有外大内小的两级阶梯盲孔，两级阶梯盲孔的外部孔为光孔，两级阶梯盲孔的内部孔为螺纹孔，每个加压筒的外端均一体成型有正方形的端盖，端盖的大小与支撑钢体的侧面大小相同，端盖的四周均开设有外大内小的台阶孔，各个台阶孔与相应的两级阶梯盲孔内外对应，台阶孔中安装有加压螺丝，加压螺丝的外端螺帽卡设在台阶孔中的台阶处，加压螺丝上套设有若干个碟型垫片，各个碟型垫片的外圆与两级阶梯盲孔的外部孔内圆滑动接触，加压螺丝的内端螺纹连接在两级阶梯盲孔的内部孔中。
4.如权利要求3中所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、在样品室中装填煤岩样品；
（2）、将样品室、支撑钢体和三个加压筒装配好；
（3）、对样品室抽真空，再通入测试气体直至达到目标气压；
（4）、调节各根加压螺丝使煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
5.根据权利要求4所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：步骤（1）具体为：先将三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，并将三片薄膜应力传感器所连接的导线一同从接线口穿出，将通气软管的一端插接到通气口中，在通气软管的外壁和通气口的内圆之间接触处注入高温胶起到密封效果，防止漏气，再将煤岩样品放入箱体中，将密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，拧紧螺钉将密封盖固定连接在箱体的右侧，组装好样品室，煤岩样品为块状或粉末状煤岩，其中粉末状煤岩样品需经压实后再放入箱体中。
6.根据权利要求4所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：步骤（2）具体为：先将三个压座粘贴到加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面，将样品室通过其中一个加压孔放置到加压腔中，使通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，再将导线穿过接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，再分别把三个加压筒插入到对应的三个加压孔中， 调节各根加压螺丝使各个加压筒的内端向支撑钢体内部推进对样品室进行预压，三个压头分别与样品室的左侧面、后侧面和下侧面紧压接触，使样品室外壁轻微变形并达到密封状态。
7.根据权利要求4所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：步骤（3）具体为：先将通气软管与真空泵通过快速接头连接，打开截止阀，启动真空泵，将样品室内部抽真空，直至达到目标气压，通过真空泵上的真空表确定，真空泵停止工作，关闭截止阀，将通气软管和真空泵拆卸分离，使样品室保持一段时间的真空状态，然后将通气软管与注气系统通过快速接头连接，打开截止阀，启动注气系统，注气系统缓慢向样品室中注入CO2气体，直至达到饱和气压，通过注气系统上的压力表确定。
8.根据权利要求4所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：步骤（4）具体为：拧动各根加压螺丝，使三个加压筒的内端在三个相互垂直的方向向内缓慢推进，则三个压头向内挤压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室在三个压头的作用下发生变形，直至三片薄膜应力传感器测试到目标应力，停止拧动各根加压螺丝，将支撑钢体放置拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的下方，先将X轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在X轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体的方向，将Y轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Y轴方向上的微观结构变化；转换支撑钢体的方向，将Z轴方向加压筒上的第一进光孔与拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪的目镜对接，从而通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在Z轴方向上的微观结构变化；通过各根加压螺丝调节X、Y、Z轴方向上三个加压筒对样品室的压力，进而使样品室中煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪得到煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114575816A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-03 | 河南理工大学 | 一种适用于ct扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006105599A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 温度測定方法、温度応力測定方法、高温時応力測定方法、温度測定装置、温度応力測定装置、及び高温時応力測定装置 |
| CN108507879A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-09-07 | 山东科技大学 | 微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法 |
| US20180313727A1 (en) * | 2016-12-20 | 2018-11-01 | Northeastern University | Test apparatus and method for determining time-dependence failure under constant temperature through high pressure true triaxial loading for hard rock |
| CN110132789A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-08-16 | 重庆大学 | 一种三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统及方法 |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006105599A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 温度測定方法、温度応力測定方法、高温時応力測定方法、温度測定装置、温度応力測定装置、及び高温時応力測定装置 |
| US20180313727A1 (en) * | 2016-12-20 | 2018-11-01 | Northeastern University | Test apparatus and method for determining time-dependence failure under constant temperature through high pressure true triaxial loading for hard rock |
| CN108507879A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-09-07 | 山东科技大学 | 微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法 |
| CN110132789A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-08-16 | 重庆大学 | 一种三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 何俊: "三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征", 《煤炭学报》, 31 December 2014 (2014-12-31) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114575816A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-03 | 河南理工大学 | 一种适用于ct扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法 |
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