CN111579343A - 煤岩成型实验装置和测试三向视电阻率变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤岩成型实验装置和测试三向视电阻率变化的方法，该煤岩成型实验装置的成型模具外围竖直固定有至少两根对称立柱，立柱上方固定有加压机构，水泵通过上部输水管经下部输水管连通成型模具的内部，成型模具侧壁上开有进气管；成型模具的盖板顶面上有三对电极连接对应的视电阻率测试仪，各对电极所连接的电极板以煤岩试样尺寸按横向、纵向、竖向三个方向布设。该测试方法在制样过程中，三台视电阻率测试仪依次开启测试，间隔小于1秒，在开启下一台视电阻率测试仪的同时本台视电阻率测试仪关闭，循环测试并记录数据。本发明的技术效果是：实现了受压状态下含气或含水松散煤岩的单向或三向视电阻率测试。

Description

煤岩成型实验装置和测试三向视电阻率变化的方法

技术领域

本发明属于煤岩实验技术领域，具体涉及一种实验室破碎的多尺寸煤岩试样成型试验装置和使用该装置测试三向视电阻率变化的方法。所述三向视电阻率是指成型过程中测试立方体煤样三个方向（横向x、纵向y、竖向z）的视电阻率。

背景技术

煤矿安全生产关系到国家能源供应，煤矿各种地质构造需要通过物探手段得出，物探结果分析需要使用煤岩的物理性质，煤的视电阻率是煤矿电法物探关注的重要参数，因此视电阻率测试是煤岩物理力学性质的一项基础试验。

目前，煤岩视电阻率测试实验主要分为原煤测试和破碎煤样测试两种。其中原煤测试主要是针对矿井取出的原煤进行加工制作成标准样，随后改变试样的外部状态，采用施加荷载或气体吸附解吸过程等设计测试装置进行单一方向的视电阻率测试；原煤测试存在以下问题：1、原煤的测试可能会受到其内部已经存在的裂隙节理等的影响以及煤岩煤质的各向异性导致测试的电阻率规律较为复杂，测试结果不能反映煤的真实性质；2、原煤已经成型，成型作用过程中的电性参数变化不易用原煤测试；3、不能检测煤含气状态下的动态成型过程中的视电阻率参数。

破碎煤样测试是针对破碎煤岩样品压制成型过程进行单向视电阻率测试。由于煤岩视电阻率测试方式为单方向（即把电极板贴在底面直径为5cm高为10cm标准煤样的圆柱体上下面这个方向）上的测试，忽视了破碎煤岩在受压过程中视电阻率变化的各向异性，破碎煤岩受压过程中视电阻率变化并非均匀，各个方向上的变化也各不相同，对煤矿井下电法物探资料解释造成困扰。因为多种电法物探方法所获得的资料均与电阻率相关，煤岩电阻率的各向异性，增加了通过电阻率辨识地质构造或者能源资源分布的难度。因此，需要用三个方向的视电阻率变化共同反映煤岩试样成型过程中物理性质（视密度、孔隙度、含水率等）的综合变化，一个方向的视电阻率变化对应反映该方向上的煤样压实和空隙发育以及含水的不同。

另一方面，立方体煤样成型过程自前至后、自上至下、自左至右三个方向上的电阻不同，压实时几个方向的视电阻率变化不同。不同尺寸的煤样成型过程中应力分布均衡程度不同，压实程度也不同，视电阻率能够在一定程度上反映煤样的密度和压实过程中的该方向空隙和含水程度。煤岩成型实验装置在立方体煤样成型过程中需要监测三向视电阻率的变化。

现有的单轴试验装置或三轴试验装置在加压成型过程中，煤岩样视电阻率测试均为单方向的测试，不能测试三个方向的视电阻率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种煤岩成型实验装置，它能适应破碎煤样的多尺寸变化成型，且能测试成型过程中的三向视电阻率。本发明还提供一种使用该装置测试三向视电阻率变化的方法，它能够方便快捷测试多尺寸煤样成型过程的三向视电阻率变化。

为了解决上述技术问题，

本发明提供的一种煤岩成型实验装置，包括成型模具、加压机构、水泵、吸附和视电阻率测试线路，成型模具外围竖直固定有至少两根对称立柱，立柱上方固定有加压机构，水泵通过上部输水管连通加压机构的压杆中心孔，压杆中心孔由下部输水管连通成型模具的内部，成型模具侧壁上开有进气管连通吸附气源，视电阻率测试线路包括装在成型模具的盖板顶面上的三对电极，每对电极的引出端连接对应的视电阻率测试仪，各对电极所连接的电极板以煤岩试样尺寸按横向、纵向、竖向三个方向布设。

优选地，所述成型模具包括壳体以及盖板，盖板边缘的凸耳滑动贯套在立柱中段，盖板封盖壳体上，壳体内部嵌有第一模具，第一模具内部嵌有第二模具，第二模具内部嵌有第三模具。

本发明还提供一种使用该装置测试三向视电阻率变化方法，包括以下步骤：

步骤1、向多尺寸煤岩试样成型模具中加入配置好的煤岩样；

步骤2、设置制样测试环境，关闭盖板，利用水泵控制注水的通断并读取流量计数值，利用吸附气源充入吸附气体不大于0.5MPa维持至少30min；

步骤3、启动液压油缸开始制样，使用计算机控制三台视电阻率测试仪对试样进行循环测试：三台视电阻率测试仪依次开启测试，间隔小于1秒，在开启下一台视电阻率测试仪的同时本台视电阻率测试仪关闭，循环测试并记录数据至试样制备结束；

步骤4、解除测试环境，逐步释放装置内气体压力，打开盖板，取出模具，取出试样。

本发明的技术效果是：

本发明能够简单便捷地测试多种尺寸的松散煤岩试样含气压制成型过程中横向、纵向、竖向的视电阻率变化。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的立体图；

图3为成型模具的结构示意图；

图4为压板组件的结构示意图；

图5为本方法发明的流程图。

图中，1、液压油缸；2、顶杆；3、立柱；4、螺母；5、连接块；6、圆柱压头； a、b、c、d、e、f为电极； 7、上部输水管；8、下部输水管，9、盖板；10、壳体；11、第一模具；12、第二模具；13、第三模具；14、进气管；15、塑胶密封圈；16、模具； 17、第三压板；18、第二压板；19、第一压板；171、61、181、191为电极板；20、计算机；201、第一视电阻率测试仪；202、第二视电阻率测试仪；203、第三视电阻率测试仪；21、水泵；211、流量计；22、吸附气源；221、压力表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“上”、“下”进行区别，所述“上”、“下”是依据以上附图的布设方位来确定的，在本发明的实际使用方向发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明包括成型模具、加压机构、水泵、吸附气源和视电阻率测试线路，成型模具16外围竖直固定有至少两根对称立柱3，立柱3上方固定有加压机构，水泵21通过上部输水管7连通加压机构的压杆中心孔，压杆中心孔由下部输水管8连通成型模具的内部，成型模具16侧壁上开有进气管14连通吸附气源22；视电阻率测试线路包括装在成型模具的盖板9顶面上的三对电极a、b、c、d、e、f，每对电极的引出端连接对应的视电阻率测试仪201、202、203，各对电极所连接的电极板以煤岩试样尺寸按横向、纵向、竖向三个方向布设。

水泵可通过上部输水管、压杆中心孔和下部输水管向成型模具中注水，管道中安装流量计211；吸附气源可通过进气管向成型模具中充气，管道中连接压力表221。计算机20控制第一视电阻率测试仪201、第一视电阻率测试仪202和第一视电阻率测试仪203测试、采集和处理三个方向的视电阻率。

如图1所示，所述成型模具16包括壳体10以及盖板9，盖板边缘的凸耳滑动贯套在立柱中段，盖板9封盖壳体10上，壳体内部嵌有第一模具11；如图3所示，第一模具11内部嵌有第二模具12，第二模具12内部嵌有第三模具13。

所述壳体10为直径50cm、高30cm的筒体；如图3所示，所述第一模具11的直径为40cm、高为25cm的槽口柱体；第二成型模12为长20cm×宽20cm×高25cm的槽口立方体；第三模具13两块芯板合模，每块芯板长10cm×宽5cm×高25cm，每块芯板顶面开有半径为2.5cm、深10cm的半圆柱槽，两块芯板下底面开有长5cm×宽2.5cm×高10cm的方槽。两块芯板合模后，上顶面合成底面直径为5cm、高为10cm的圆柱槽；两块芯板翻转组合成底面为5×5cm正方形、高为10cm的方槽，适配第三压板。

第三模具13的两块芯板翻转过来，使用两块芯板组合形成的方槽模腔，能压制5×5×10cm的长方体试样。

图3所示，第一模具11内侧四个面和壳体内底面均使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板，第一模具11顶面向外侧攻斜孔a1、b1、c1、d1分别用导线连接四个侧面电极板，如图2所示，壳体底面攻通孔71用导线连接底面电极板，顶面电极板为压杆头电极板。

第二模具12内侧四个面和壳体内底面均使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板，第二模具12顶面向外侧攻斜孔a2、b2、c2、d2分别用导线连接四个侧面电极板，壳体底面攻通孔71用导线连接底面电极板，顶面电极板为压杆头电极板。

第三模具13上层圆柱槽的顶面电极板为压杆头电极板，底面电极板是在底面粘接铜制板，向下攻直径为2mm的半圆形通孔132连接壳体内底面的电极板，圆柱槽能测试单向视电阻率。下层方槽经翻转后再使用（翻转后，下层方槽位置与图3相反，正好位于上层圆柱槽的位置），下层方槽四方侧面用绝缘胶水粘接大小相同铜制板的电极板，并沿相应壁框顶面延伸接至第二模具12四个侧面电极板上；下层方槽的底面电极板是在顶面粘接铜制板，向上方攻直径为2mm的半圆形通孔131连接壳体内底面的电极板，顶面电极板为压杆头电极板。

如图1所示，所述加压机构包括液压油缸1、顶杆2、连接块3和圆柱压头6，液压油缸用螺母4固定装在立柱顶端，液压油缸1内伸出的顶杆2向下正对成型模具，顶杆2通过连接块5与圆柱压头连接，圆柱压头6穿过盖板，圆柱压头与盖板配合的穿孔中设置塑胶密封圈15。如图4所示，圆柱压头6底面中心孔接有下部输水管8，下部输水管8上穿套有与成型模具配合的压板组件。

如图4所示，压板组件包括第一压板19、第二压板18和第三压板17，第一压板19内框嵌套第二压板18，第二压板18内框嵌套第三压板17，第三压板17顶面凹槽契合圆柱压头6。压板组件既叠合在一起，又可拆卸分离，使用时选择对应尺寸的压板与成型模具16的模腔适配。三个压板与成型模具16的三个方形模腔配合，圆柱压头与第三模具13合模后的圆柱槽配合。液压油缸通过圆柱压头向下提供作用力，圆柱压头贴合压板，作用力传递到下方所选相应尺寸的压板，压板直接接触煤岩散碎物料，加压成型。

圆柱压头6底面直径为5cm，第一压板19为长20cm×宽20cm×高3cm的方块，第一压板上方开边长10cm深2mm的正方形槽契合第二压板；第二压板18为长10cm×宽10cm×高3cm的方块，第二压板上方开边长5cm深2mm的正方形槽契合第三压板；第三压板17为长5cm×宽5cm×高3cm的方块，第三压板上方开直径为5cm深2mm的正圆槽契合圆柱压头；所有的压板中心开孔能够使下部输水管8通过。

所述第一压板19、第二压板18、第三压板17和圆柱压头6底面分别使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板191、181、171、61；三个压板均攻中心通孔，用导线穿过中心通孔连接各压板下方的电极板和圆柱压头电极板，串接到盖板顶面的电极上。

如图5所示，使用本发明装置测试三向视电阻率变化方法，包括以下步骤：

步骤1、向多尺寸煤岩试样成型模具中加入配置好的煤岩样；

步骤2、设置制样测试环境，关闭盖板，利用水泵控制注水的通断并读取流量计数值，利用吸附气源充入吸附气体至0.5MPa维持30min；

步骤3、启动液压油缸开始制样，使用计算机控制三台视电阻率测试仪对试样进行循环测试：三台视电阻率测试仪依次开启测试，间隔小于1秒，在开启下一台视电阻率测试仪的同时本台视电阻率测试仪关闭，循环测试并记录数据至试样制备结束；

步骤4、解除测试环境，逐步释放装置内气体压力，打开盖板，取出模具，取出试样。

本方法发明测试三向视电阻率，为了避免测试时电极之间的干扰，采用三个方向以一定频率循环测试，在成型模具内壁面设置与模具绝缘的电极板，并且考虑气体在成型过程中对煤岩试样物理特性的影响，保证测试结果准确可靠。

本发明的装置能够简便地实现受压状态下含气或含水松散煤岩的单向或三向视电阻率测试。

Claims (9)

1.煤岩成型实验装置，包括成型模具、加压机构、水泵、吸附气源和视电阻率测试线路，其特征是：成型模具（16）外围竖直固定有至少两根对称立柱（3），立柱（3）上方固定有加压机构，水泵（21）通过上部输水管（7）连通加压机构的压杆中心孔，压杆中心孔由下部输水管（8）连通成型模具的内部，成型模具(16)侧壁上开有进气管(14)连通吸附气源(22)；视电阻率测试线路包括装在成型模具的盖板(9)顶面上的三对电极(a、b、c、d、e、f)，每对电极的引出端连接对应的视电阻率测试仪(201、202、203)，各对电极所连接的电极板以煤岩试样尺寸按横向、纵向、竖向三个方向布设。

2.根据权利要求1所述的煤岩成型实验装置，其特征是：所述成型模具（16）包括壳体（10）以及盖板（9），盖板边缘的凸耳滑动贯套在立柱中段，盖板（9）封盖壳体（10）上，壳体内部嵌有第一模具（11）；第一模具（11）内部嵌有第二模具（12），第二模具（12）内部嵌有第三模具（13）。

3.根据权利要求2所述的煤岩成型实验装置，其特征是：所述壳体（10）为直径50cm、高30cm的筒体；所述第一模具（11）为直径40cm、高25cm的槽口柱体；第二模具（12）为长20cm×宽20cm×高25cm的槽口立方体；第三模具（13）两块芯板合模，每块芯板长10cm×宽5cm×高25cm，每块芯板顶面开有半径为2.5cm、深10cm的半圆柱槽，两块芯板下底面开有长5cm×宽2.5cm×高10cm的方槽；两块芯板合模后，上顶面合成底面直径为5cm、高为10cm的圆柱槽；两块芯板翻转组合成底面为5×5cm正方形、高为10cm的方槽。

4.根据权利要求3所述的煤岩成型实验装置，其特征是：

所述第一模具（11）内侧四个面和壳体内底面均使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板，第一模具（11）顶面向外侧攻斜孔（a1、b1、c1、d1）分别用导线连接四个侧面电极板，壳体底面攻通孔（71）用导线连接底面电极板，顶面电极板为压杆头电极板；

所述第二模具（12）内侧四个面和壳体内底面均使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板，第二模具（12）顶面向外侧攻斜孔（a2、b2、c2、d2）分别用导线连接四个侧面电极板，壳体底面攻通孔（71）用导线连接底面电极板，顶面电极板为压杆头电极板；

所述第三模具（13）上层圆柱槽的顶面电极板为压杆头电极板，底面电极板是在底面粘接铜制板，向下攻直径为2mm的半圆形通孔（132）连接壳体内底面的电极板；下层方槽四方侧面用绝缘胶水粘接大小相同铜制板的电极板，并沿相应壁框顶面延伸接至第二模具（12）四个侧面电极板上；下层方槽的底面电极板是在顶面粘接铜制板，向上方攻直径为2mm的半圆形通孔（131）连接壳体内底面的电极板，顶面电极板为压杆头电极板。

5.根据权利要求1-4任一所述的煤岩成型实验装置，其特征是：所述加压机构包括液压油缸（1）、顶杆（2）、连接块（3）和圆柱压头（6），液压油缸用螺母（4）固定装在立柱顶端，液压油缸（1）内伸出的顶杆（2）向下正对成型模具，顶杆（2）通过连接块（5）与圆柱压头（6）连接，圆柱压头（6）穿过盖板，圆柱压头与盖板配合的穿孔中设置塑胶密封圈（15）；圆柱压头（6）底面中心孔接有下部输水管（8），下部输水管（8）上穿套有与成型模具配合的压板组件。

6.根据权利要求5所述的煤岩成型实验装置，其特征是：所述压板组件包括第一压板（19）、第二压板（18）和第三压板（17），第一压板（19）内框嵌套第二压板（18），第二压板（17）内框嵌套第三压板，第三压板（17）顶面凹槽契合圆柱压头（6）；三个压板与成型模具（16）的三个方形模腔配合，圆柱压头与第三模具（13）合模后的圆柱槽配合。

7.根据权利要求6所述的煤岩成型实验装置，其特征是：第一压板（19）为长20cm×宽20cm×高3cm的方块，第一压板上方开边长10cm深2mm的正方形槽契合第二压板；第二压板（18）为长10cm×宽10cm×高3cm的方块，第二压板上方开边长5cm深2mm的正方形槽契合第三压板；第三压板（17）为长5cm×宽5cm×高3cm的方块，第三压板上方开直径为5cm深2mm的正圆槽契合圆柱压头；三个压板开有下部输水管（8）通过的中心开孔。

8.根据权利要求7所述的煤岩成型实验装置，其特征是：所述第一压板（19）、第二压板（18）、第三压板（17）和圆柱压头（6）底面分别使用绝缘胶水粘接长宽均小于3mm且厚2mm铜制板的电极板（191、181、171、61）；三个压板均攻中心通孔，用导线穿过中心通孔连接各压板下方的电极板和圆柱压头电极板，串接到盖板顶面的电极上。

9.一种使用权利要求1至8任一煤岩成型实验装置测试三向视电阻率变化方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、向多尺寸煤岩试样成型模具中加入配置好的煤岩样；

步骤2、设置制样测试环境，关闭盖板，利用水泵控制注水的通断并读取流量计数值，利用吸附气源充入吸附气体不大于0.5MPa维持至少30min；

步骤3、启动液压油缸开始制样，使用计算机控制三台视电阻率测试仪对试样进行循环测试：三台视电阻率测试仪依次开启测试，间隔小于1秒，在开启下一台视电阻率测试仪的同时本台视电阻率测试仪关闭，循环测试并记录数据至试样制备结束；

步骤4、解除测试环境，逐步释放装置内气体压力，打开盖板，取出模具，取出试样。

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