CN110987604B - 用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统及方法，属于煤层试验技术领域，系统主要由气瓶、出口减压阀、自动调节电磁阀、传感器、信号处理器、气动阀、排气口、反应釜组成；该系统运用反馈调节的思想，通过传感器来传输反应釜内的气压信号，同时经过信号处理器将气压信号转换为控制指令来控制自动调节电磁阀的开关，同时自动调节电磁阀控制气动阀的开关，进而对反应釜内压力进行控制；本系统运行可靠，结构简单操作方便，可为煤岩体在水为介质作用下的蠕变实验提供稳定的围压。

Description

用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统及方法

技术领域

本发明属于煤层试验技术领域，具体为一种用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统及方法，适用于低围压作用下的蠕变实验，实现围压的自动补给与释放保证孔隙水压的稳定。

背景技术

蠕变是指在应力不增加的情况下，随着时间的增长变形继续缓慢增加的现象。自然界许多地质现象说明，即使温度和围压不高，应力差也不大，但由于应力作用时间十分长，也出现随时间增长而不断变形的现象。在构造地质学中，是指在长期的小而恒定的应力作用下，在固体岩石中产生的不断增大的、通常是缓慢的变形作用。在重力体应力作用下，由冰、土壤、近地表岩石物质所维持的缓慢、逐渐、连续而不恢复的(永久的)变形。根据物质特性、应力等级、变形阶段、变形速率、断裂基本机制、几何型式和原因等，可将蠕变划分为许多类型。蠕变现象是固体力学研究对象之一。

查阅相关文献发现含有围压控制系统的相关专利，如CN 110082277 A 公开了一种可周期扰动的煤岩三轴多相渗流实验装置及实验方法，该发明所公开的流体注入系统包括液体注入装置及气体注入装置，其通过ISCO泵对试件上表面注入稳定的流体压力，通过检测通过试件的液体流量和气体压力，判断其是否稳定，待液体流量和气体压力稳定后对试件施加扰动，来得到不同扰动频率和幅值载荷作用下的多相渗流规律 。CN1064442264 A公开了一种高温高压渗透率测试装置，其所公开的背压控制系统包括背压阀、缓冲容器，用气体外加控制压以保证控制精度，当气体压力不足时，可通过缓冲容器用实现增压。CN208902403 U公开了一种气动阀检测系统，利用电磁阀、压力传感器、信号处理装置等，解决了如何通过气缸压力来控制启闭和启闭速率以及合理掌握低温控制阀门的开度的问题，实现了气动阀的自动检测。

目前存在的试验装置只考虑了部分技术问题，高温高压试验装置、应力-渗流试验装置等没有对蠕变试验的时间因素进行总体考量。现有实验装置都只能在试验压力不足时进行压力补充，并不会在压力增大时对压力进行释放，并且在长时间的试验过程中需要实验员进行长时间看守，实时观察反应釜压力的变化，且反应釜还会存在着漏气、降压的现象，试件所处的环境不稳定，试验过程中操作复杂、装置密封性能差、试验过程数据不稳定的缺点。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，解决了煤岩体蠕变实验过程中不易对气压进行调控的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的。

用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，包括主干线路和控制线路，所述主干线路包括气瓶、第一出口减压阀、第二出口减压阀、第一气动阀、第二气动阀、排气口、反应釜；所述气瓶通过导气管分别与第一出口减压阀和第二出口减压阀相连接，所述第一出口减压阀通过导气管与第一气动阀相连接，第二出口减压阀通过导气管分别与第一气动阀和第二气动阀相连接；第一气动阀和第二气动阀分别与所述反应釜相连接；所述第二气动阀通过导气管与排气口相连接。

所述控制线路包括气压传感器、信号处理器、第一自动调节电磁阀、第二自动调节电磁阀；所述气压传感器通过数据传输线与信号处理器相连接，所述信号处理器分别与第一自动调节电磁阀和第二自动调节电磁阀的信号传输端通过数据传输线相连接；所述第一自动调节电磁阀与第一气动阀相连接，所述第二自动调节电磁阀与第二气动阀相连接，所述气压传感器与所述反应釜相连接。

进一步的，所述第一气动阀、第二气动阀、排气口、气压传感器、信号处理器、第一自动调节电磁阀和第二自动调节电磁阀设置在控制箱内，所述控制箱留设有接口。

进一步的，所述导气管为6mm不锈钢导气管。

用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定方法，包括以下步骤：

1）将待测试件放入反应釜，再在反应釜内加入水，使待测试件没入水中；在反应釜密闭的情况下加载轴压，待轴压加载至预期值，打开围压加载系统。

2）在围压稳定系统的信号处理器数显区域设置气压上下限，打开气瓶总开关，利用出口减压阀调节出口气压，使其大于所设定的气压上限，同时利用另一个出口减压阀调节出口气压使其大于设定的最大值，通过自动调节电磁阀提供气动来控制气动阀的开关。

3）通过气压传感器感应反应釜内气压，通过信号处理器传输指令控制自动调节电磁阀工作，使反应釜内气压上升，直到反应釜内压力达到所设定的最小值，通过气压传感器传输信号到信号处理器，信号处理器发出指令到自动调节电磁阀，自动控制电磁阀控制低压气动阀关闭，完成加压动作。

4）随着实验的进行，反应釜内试件发生变形，反应釜内压力增大，在反应釜内压力增大到超过设定的最大值时，气体传感器发出信号给信号处理器，信号处理器传达指令到自动调节电磁阀，自动调节电磁阀控制气动阀打开，来对反应釜内压力进行释放；在释放到所设定的最大值时，气动传感器传输信号到信号处理器，信号处理器发出指令到自动调节电磁阀，自动调节电磁阀控制气动阀关闭，完成压力释放。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

1、通过气压加载系统来控制孔隙水压实现了压力的自动加载与自动释放，保证了在煤岩体蠕变过程中孔隙水压稳定在设定值，且孔隙水压误差保证在0.002Mpa。

2、实现了整个系统的整体化操作过程方便快捷，在接口处连接出口调节阀、反应釜即可，对实验装置实现了简化。

3、惰性气体加压控制的围压稳定系统，在实验过程中难免会遇到难以监测的轻微漏气问题，该系统可以自动补压的特性合理解决了在实验过程中由于轻微漏气导致试验气压不足的问题。

4、试验过程中通过对反应釜水平面上加载气压来控制孔隙水压，在加载过程中通过该控制系统来实现孔隙水压的稳定。

5、本发明运用反馈调节的思想，通过气压传感器来实时监测反应釜内气压，同时信号处理器来控制两个自动调节电磁阀进而控制两个气动阀，通过控制两个气动阀的开关进而对反应釜内气压进行反馈调节。解决了其他相关实验实验设备无法实现的在反应釜内压力增大时对实验压力进行卸载，使试件处于稳定的稳压环境，并且解决了实验过程需要实时观察实验压力的问题，为实验员提供了良好的实验环境，提高实验效率。

附图说明

图1为本发明所述一种用于控制煤岩体蠕变试验孔隙水压的气压稳定系统示意图。

图2为本发明所述的第一气动阀和第二气动阀的结构示意图。

图3为本发明所述第一自动调节电磁阀和第二自动调节电磁阀通电状态的结构示意图。

图4为本发明所述第一自动调节电磁阀和第二自动调节电磁阀断电状态的结构示意图。

图5为本发明所述试验过程中待测试件在反应釜中状态的示意图。

其中，1为气瓶，2为第一出口减压阀，3为第一气动阀，4为第二气动阀，5为排气口，6为反应釜，7为气压传感器，8为信号处理器，9为第一自动调节电磁阀，10为第二自动调节电磁阀，11为第二出口减压阀，12为主气源进气口，13为主气源出气口，14为控制气源进气口，15为控制气源出气口，16为控制活塞，17为阀芯，18为第一弹簧，19为磁铁，20为线圈，21为通轴，22为第一电磁阀外接口，23为第二电磁阀外接口，24为第二弹簧，25为第三电磁阀外接口，26为第四电磁阀外接口，27为待测试件，28为水，29为进出气口，30为传感器接口，31为轴压加载轴。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图1所示，是一种用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，包括主干线路和控制线路，主干线路包括气瓶1、第一出口减压阀2、第二出口减压阀11、第一气动阀3、第二气动阀4、排气口5、反应釜6；所述气瓶1通过导气管分别与第一出口减压阀2和第二出口减压阀11相连接，所述第一出口减压阀2通过导气管与第一气动阀3相连接，第二出口减压阀11通过导气管分别与第一气动阀3和第二气动阀4相连接；第一气动阀3和第二气动阀4分别与所述反应釜6相连接；所述第二气动阀4通过导气管与排气口5相连接；

所述控制线路包括气压传感器7、信号处理器8、第一自动调节电磁阀9、第二自动调节电磁阀10；所述气压传感器7通过数据传输线与信号处理器8相连接，所述信号处理器8分别与第一自动调节电磁阀9和第二自动调节电磁阀10的信号传输端通过数据传输线相连接；所述第一自动调节电磁阀9与第一气动阀3相连接，所述第二自动调节电磁阀10与第二气动阀4相连接，所述气压传感器7与所述反应釜6相连接。

其中，所述第一气动阀3、第二气动阀4、排气口5、气压传感器7、信号处理器8、第一自动调节电磁阀9和第二自动调节电磁阀10设置在控制箱内，所述控制箱留设有4个外部接口。实现了系统的简单化，其中导气管为6mm不锈钢导气管。

基于该系统，实现了用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定方法，具体为：

1、将试件放入反应釜6内，反应釜6内加入矿井水直至水面超过试件上表面，加装反应釜6上盖进行密封并测试反应釜6的密封性，在反应釜6密闭的情况下加载轴压，待轴压加载至预期值，打开围压加载系统。

2、在围压稳定系统的信号处理器数显区域设置气压上下限，打开气瓶1总开关，利用第一出口减压阀2调节出口气压，使其大于所设定的气压上限，同时利用第二出口减压阀11调节出口气压使其大于设定的最大值，为第一自动调节电磁阀9和第二自动调节电磁阀10提供气动来控制第一气动阀3和第二气动阀4的开关。刚开始气压传感器7感应到反应釜6内气压未达到设定的气压下限，通过信号处理器8传输指令控制第一自动调节电磁阀9工作，此时第一气动阀3为开启状态，第二气动阀4为关闭状态，反应釜6内气压开始上升，反应釜6内压力值经过气压传感器7显示在信号处理器8数显区域，此时反应釜6内气压缓慢增大，直到反应釜内压力达到所设定的最小值，气压传感器7传输信号到信号处理器8，信号处理器8发出指令到第一自动调节电磁阀9，第一自动控制电磁阀9控制第一气动阀3关闭，此时完成加压动作。

3、随着实验的进行，反应釜6内试件发生变形，反应釜6内压力会有所增大，在反应釜6内压力增大到超过设定的最大值时，气压传感器7发出信号给信号处理器8，信号处理器8传达指令到第二自动调节电磁阀10，第二自动调节电磁阀10控制第二气动阀4打开，来对反应釜内6压力进行释放；在释放到所设定的最大值时，气压传感器7传输信号到信号处理器8，信号处理器8发出指令到第二自动调节电磁阀10，第二自动调节电磁阀10控制第二气动阀4关闭，完成压力释放。

4、如图2-5所示，第一自动调节电磁阀9对第一气动阀3的控制过程，其电磁阀外接口25与第二出口减压阀11连接作为控制气源，第一电磁阀外接口22与气动阀的控制气源进气口14连接，控制气源出气口15与第二电磁阀外接口23连接。在反应釜6内气压低于设定值时电磁阀线圈20通电，其工作状态如图3所示，第二出口减压阀11为实时开启状态，在电磁阀线圈20通电时，气体经过第一电磁阀外接口22进入气控阀的控制气源进气口14，对气动阀空腔施加气压，气压推动阀芯17进而打开控制活塞16，主气源接通对反应釜补压。在气压达到设定值电磁阀线圈20断电，其工作状态如图4所示，第三电磁阀外接口25关闭，对气动阀空腔进行排气，气压推动阀芯17恢复原来位置，控制活塞16关闭停止对反应釜6加压。第二自动调节电磁阀10对第二气动阀4的控制过程也如此，不过第二自动调节电磁阀10在反应釜6内压力超过设定值时线圈通电，此时电磁阀工作状态，如图3所示，此时第二气动阀4为开启状态，减小反应釜内气压。在反应釜内压力降至设定值电磁阀线圈断电，第二气动阀4关闭。当反应釜6内气压小于设定值时，第一自动调节电磁阀9的线圈为通电状态，第二自动调节电磁阀10的线圈为断电状态，对反应釜进行加压。当反应釜内压力大于设定值时，第二自动调节电磁阀10的线圈为通电状态，第一自动调节电磁阀9的线圈为断电状态，对反应釜6压力进行释放。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，其特征在于，包括主干线路和控制线路，所述主干线路包括气瓶（1）、第一出口减压阀（2）、第二出口减压阀（11）、第一气动阀（3）、第二气动阀（4）、排气口（5）、反应釜（6）；所述气瓶（1）通过导气管分别与第一出口减压阀（2）和第二出口减压阀（11）相连接，所述第一出口减压阀（2）通过导气管与第一气动阀（3）相连接，第二出口减压阀（11）通过导气管分别与第一气动阀（3）和第二气动阀（4）相连接；第一气动阀（3）和第二气动阀（4）分别与所述反应釜（6）相连接；所述第二气动阀（4）通过导气管与排气口（5）相连接；

所述控制线路包括气压传感器（7）、信号处理器（8）、第一自动调节电磁阀（9）、第二自动调节电磁阀（10）；所述气压传感器（7）通过数据传输线与信号处理器（8）相连接，所述信号处理器（8）分别与第一自动调节电磁阀（9）和第二自动调节电磁阀（10）的信号传输端通过数据传输线相连接；所述第一自动调节电磁阀（9）与第一气动阀（3）相连接，所述第二自动调节电磁阀（10）与第二气动阀（4）相连接，所述气压传感器（7）与所述反应釜（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，其特征在于，所述第一气动阀（3）、第二气动阀（4）、排气口（5）、气压传感器（7）、信号处理器（8）、第一自动调节电磁阀（9）和第二自动调节电磁阀（10）设置在控制箱内，所述控制箱留设有接口。

3.根据权利要求1所述的用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统，其特征在于，所述导气管为6mm不锈钢导气管。

4.如权利要求1所述的用于煤岩体蠕变试验控制孔隙水压的气压稳定系统的气压稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待测试件放入反应釜，再在反应釜内加入水，使待测试件没入水中；在反应釜密闭的情况下加载轴压，待轴压加载至预期值，打开围压加载系统；

2）在围压加载系统的信号处理器数显区域设置气压上下限，打开气瓶总开关，利用出口减压阀调节出口气压，使其大于所设定的气压上限，同时利用另一个出口减压阀调节出口气压使其大于设定的最大值，通过自动调节电磁阀提供气动来控制气动阀的开关；

3）通过气压传感器感应反应釜内气压，通过信号处理器传输指令控制自动调节电磁阀工作，使反应釜内气压上升，直到反应釜内压力达到所设定的最小值，通过气压传感器传输信号到信号处理器，信号处理器发出指令到自动调节电磁阀，自动控制电磁阀控制低压气动阀关闭，完成加压动作；

4）随着实验的进行，反应釜内试件发生变形，反应釜内压力增大，在反应釜内压力增大到超过设定的最大值时，气压传感器发出信号给信号处理器，信号处理器传达指令到自动调节电磁阀，自动调节电磁阀控制气动阀打开，来对反应釜内压力进行释放；在释放到所设定的最大值时，气压传感器传输信号到信号处理器，信号处理器发出指令到自动调节电磁阀，自动调节电磁阀控制气动阀关闭，完成压力释放。

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