CN112326831B - 一种煤岩扭转摩擦综合实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，属于煤地质学领域。一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，包括压力控制单元、转速控制单元、扭转实验台、反应釜体、气体检测单元以及注气单元。所述压力控制单元、所述转速控制单元与所述反应釜体均设置在所述扭转实验台上；所述反应釜体外连接注气单元与气体检测单元。与现有技术相比，本申请的提出一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，该实验系统可实现扭转式的煤体摩擦实验，精确控制煤体摩擦速度，并可改变摩擦的气体环境氛围，实现流固耦合摩擦实验，且能够对煤体摩擦实验过程中产生的产物进行收集与实时在线检测，实验系统结构合理，便于拆卸，安全系数高。

Description

一种煤岩扭转摩擦综合实验系统
技术领域
本发明涉及煤地质学领域，具体涉及一种煤岩扭转摩擦综合实验系统。
背景技术
煤与瓦斯突出目前仍是煤矿安全开采的重大隐患之一，研究表明构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件之一，尤其是韧性变形构造煤。煤与瓦斯突出过程中瓦斯突出量往往比突出煤体的瓦斯实际含量高得多，多达几十倍，甚至上百倍，即便考虑在产气和瓦斯突出过程中围岩中赋存的气体，也远远不能弥补含气量与兰氏吸附量之间的差距。目前地质学家普遍认为构造煤动力变质作用可为煤与瓦斯突出过程中的超量瓦斯提供来源和赋存空间，但有关变质作用机制的探讨仍处于初期探索阶段，并未得到定论。
地质摩擦学认为摩擦现象普遍存在于不同地质体的运动过程中，同样应力作用下构造煤摩擦滑动也使得煤体内部广泛发育不同类型摩擦面。研究表明摩擦过程中机械能可转换为摩擦热能与分子动能，从而引起摩擦面附近介质物理、化学结构的变化。构造煤作为构造应力作用的产物，其广泛发育的滑动摩擦面也标志着煤体变形过程中发生了能量转换。因此，构造煤的摩擦作用很可能是动力变质作用最主要的机制来源，摩擦面附近则应是物理与化学结构变化最强烈的部位。此外，构造煤中发育的不同类型摩擦面是煤体变形过程中重要的记录载体，是揭示构造煤变形机制的关键所在。
由此可见，构造煤中摩擦面的研究对揭示煤体变形与变质机理起着至关重要的作用，然而目前针对构造煤的摩擦学研究仍较少涉及。因此，有必要设计一种煤岩扭转摩擦实验系统来系统开展煤体摩擦实验，并收集分析煤体摩擦过程中的产物，通过对构造煤中滑动摩擦面成因机制以及其对煤与瓦斯突出过程中超量瓦斯来源影响的研究，揭示不同类型构造煤的形成机制，进一步补充完善煤与瓦斯突出机理的理论基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种煤岩扭转摩擦综合实验系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，包括：压力控制单元、转速控制单元、扭转实验台、反应釜体、气体检测单元与注气单元；
所述扭转实验台包括承压转轴、传压转轴、止推转轴、滑轨、固定器、底座、两个支撑臂；两个所述支撑臂，对称布置在所述底座上；滑轨设置在所述底座上；所述固定器与所述滑轨、两个所述支撑臂配合。
所述转速控制单元包括伺服单元、变速箱、伺服电机与变速齿轮；一个所述支撑臂上固定安装所述变速箱，所述变速箱内设置所述伺服电机，所述伺服电机的输出端安装所述变速齿轮；所述伺服单元与所述伺服电机电性连接；
所述传压轴承穿过所述变速箱，所述传压转轴的一端固定安装在一个所述支撑臂上，所述传压转轴的另一端穿过所述变速箱，且所述传压转轴上安装所述止推轴承，所述承压转轴固定安装在所述传压转轴上，所述承压转轴与所述止推轴承位于所述变速箱内部，所述承压转轴与所述变速齿轮配合；
所述压力控制单元设置在两个所述支撑臂之间；
两个所述支撑臂之间设置所述反应釜体；
所述反应釜体外连接注气单元与气体检测单元。
进一步地，所述压力控制单元主要包括压力传感器、压头、油腔、进出油口、油阀、第一“O”型密封环与液压站，所述压力传感器上固定安装在所述传压转轴与一个所述支撑臂之间，另一个所述支撑臂上设有油腔，所述油腔内部安装所述压头，所述压头与所述油腔之间有所述第一“O”型密封环配合，所述油腔上开设进出油口，所述进出油口连接油阀，所述油阀与所述液压站连接。
进一步地，所述反应釜体包括第二“O”型密封环、样品夹持器、样品台、试样与密封罩，所述传压转轴的另一端与所述压头位于油腔外的部分分别固定安装样品台，所述样品台固定安装样品夹持器；两个所述样品夹持器配合夹持试样；所述密封罩安装在所述油腔与所述变速箱之间，所述第二“O”型密封环与所述密封罩配合。
进一步地，所述注气单元主要包括样品收集器、气瓶、通断阀、真空表、流量计以及真空泵，所述样品收集器置于所述样品台的下方，所述密封罩连接所述真空泵，所述真空泵连接所述流量计，所述流量计连接所述真空表，所述真空表连接所述通断阀，所述通断阀连接所述气瓶。
进一步地，所述气体检测单元主要包括单向阀、调压阀及气相色谱仪，所述密封罩连接所述单向阀，所述单向阀连接所述调压阀，所述调压阀连接所述气相色谱仪。
本发明的有益效果：
通过利用伺服电机可精准控制扭转摩擦实验的速率，能够较好地模拟地质历史时期构造煤多期次构造运动作用反复的摩擦过程；同时通过集成气相色谱仪能够实现对摩擦实验过程中的气体产物进行实时动态检测；此外，附加的注气系统可抽排其它气体的干扰，并能实现不同气体氛围的流固(煤体与气体)耦合摩擦过程。本发明对构造煤剪切摩擦过程及产物的研究，一方面能够研究不同类型构造煤的变形机制，另一方面能够阐释构造煤剪切摩擦面上发生的物理与化学变化，深刻揭示煤与瓦斯突出斯过程中超量瓦斯的来源，为煤矿安全开采工作提供坚实的理论基础。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的整体的立体结构示意图。
图中各标号对应的部件如下：
1、伺服单元，2、密封罩，3、变速箱，4、伺服电机，5、支撑臂，6、变速齿轮，7、承压转轴，8、压力传感器，9、传压转轴，10、止推轴承，11、滑轨，12、固定器，13、样品收集器，14、底座，15、单向阀，16、调压阀，17、气相色谱仪，18、气瓶，19、通断阀，20、真空表，21、流量计，22、真空泵，23、第二“O”型密封环，24、样品夹持器，25、样品台，26、压头，27、油腔，28、进出油口，29、油阀，30、第一“O”型密封环，31、试样，32、反应釜体，33、液压站。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，包括：压力控制单元、转速控制单元、扭转实验台、反应釜体32、气体检测单元与注气单元；
扭转实验台包括承压转轴7、传压转轴9、止推转轴、滑轨11、固定器12、底座14、两个支撑臂5；两个支撑臂5，对称布置在底座14上；滑轨11设置在底座14上；固定器12与滑轨11、两个支撑臂5配合；
转速控制单元包括伺服单元1、变速箱3、伺服电机4与变速齿轮6，主要用于控制实验过程中样品台25的转速。一个支撑臂5上固定安装变速箱3，变速箱3内设置伺服电机4，伺服电机4的输出端安装变速齿轮6；伺服单元1与伺服电机4电性连接；通过利用伺服电机4可精准控制扭转摩擦实验的速率，能够较好地模拟地质历史时期构造煤多期次构造运动作用反复的摩擦过程。
传压轴承穿过变速箱3，传压转轴9的一端固定安装在一个支撑臂5上，传压转轴9的另一端穿过变速箱3，且传压转轴9上安装止推轴承10，承压转轴7固定安装在传压转轴9上，承压转轴7与止推轴承10位于变速箱3内部，承压转轴7与变速齿轮6配合；支撑臂5及底座14主要在实验过程中提供支撑及固定等作用；滑轨11与固定器12主要用于控制支撑臂5的移动与固定，方便反应釜体32的开合以及试样31的安装；止推转轴主要用于承载轴向荷载，同时保证承压转轴7的转动；承压转轴7与变速箱3的连接处可自由转动；
压力控制单元设置在两个支撑臂5之间；两个支撑臂5之间设置反应釜体32；反应釜体32外连接注气单元与气体检测单元。
进一步地，压力控制单元主要包括压力传感器8、压头26、油腔27、进出油口28、油阀29、第一“O”型密封环30与液压站33，主要用于提供摩擦实验过程中的轴向荷载。压力传感器8上固定安装在传压转轴9与一个支撑臂5之间，另一个支撑臂5上设有油腔27，油腔27内部安装压头26，压头26与油腔27之间有第一“O”型密封环30配合，油腔27上开设进出油口28，进出油口28连接油阀29，油阀29与液压站33连接。其中，压力传感器8检测并反馈轴向荷载，以便控制实验过程中轴向荷载的树枝，同时也用于记录实验的轴向荷载变化；压头26与样品台25通过止推轴承10连接；油腔27用于储存液压油；油阀29控制液压油的进出；第一“O”型密封环30保证油腔27的封闭性。
进一步地，反应釜体32包括第二“O”型密封环23、样品夹持器24、样品台25、试样31与密封罩2，传压转轴9的另一端与压头26位于油腔27外的部分分别固定安装样品台25，样品台25固定安装样品夹持器24；两个样品夹持器24配合夹持试样31；密封罩2安装在油腔27与变速箱3之间，第二“O”型密封环23与密封罩2配合。密封罩2与第二“O”型密封环23型密封环主要用于保证反应釜体32的密封性，密封罩2的交接处设有圆角，防止反应釜体32组装过程中第二“O”型密封环23被切割破损；样品夹持器24与样品台25主要用于样品的固定与安装。
进一步地，注气单元主要包括样品收集器13、气瓶18、通断阀19、真空表20、流量计21以及真空泵22，主要为摩擦实验提供指定的气体氛围。样品收集器13置于样品台25的下方，密封罩2连接真空泵22，真空泵22连接流量计21，流量计21连接真空表20，真空表20连接通断阀19，通断阀19连接气瓶18。其中，样品收集器13主要用以收集摩擦实验过程中掉落的样品残渣；气瓶18提供不同类型气体；通断阀19控制不同气瓶18内气体的流通；真空泵22主要用于将反应釜体32内的气体，为注气做准备，同时可排除其它气体对实验产物的干扰；真空表20用于检测反应釜体32的真空度以及密封性；流量计21用以控制注气流速。
进一步地，气体检测单元主要包括单向阀15、调压阀16及气相色谱仪17，密封罩2连接单向阀15，单向阀15连接调压阀16，调压阀16连接气相色谱仪17。单向阀15保证实验过程的气体产物单向进入气相色谱仪17；调压阀16用于调节气体产物以合适的压力进入气相色谱仪17；气相色谱仪17用于实时监测实验过程中气体产物的成分。特别需要注意的是在检测单元与反应釜体32连接处需安装滤网，避免摩擦实验过程中产生的煤尘进入气相色谱仪17，引起管路堵塞或影响仪器测试等问题。
为了实现上述目的，本发明的一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，所述实验方法包括如下步骤：
S1样品预处理：利用线切割机将采集的原生结构煤切割成直径为20cm的柱状样品，将柱状样品两端打磨平整，为了模拟煤层的顺层滑动作用沿层理面在样品中间将柱状样品剖开，剖开面作为实验的摩擦面。
S2样品安装：拆开固定器12，推动支撑臂5打开反应釜体32，将准备好的样品安装在样品台25上，调整样品夹持器24固定试样31，保持剖开面相对放置；试样31安装完成后缓慢推动支撑臂5，闭合反应釜体32，支撑臂5运动至轴向荷载数值发生轻微波动(此时试样31剖开面发生接触)的位置，安装两侧支撑臂5的固定器12。
S3：实验系统气密性检测与注气：关闭调压阀16和通断阀19，其他阀门均保持打开状态，打开真空泵22，持续抽真空，直至真空表20显示负压状态；关闭真空泵22，持续观察真空表20，长时间内仍能保持真空负压状态，则表明实验系统气密性良好；在保证实验系统连通性的基础上，根据实验需求打开装有不同气体的气瓶18的通断阀19，让整个系统充盈气体。
S4：加压与实验：左侧支撑臂5上附设了一台压力机以提供轴向荷载，加压时先打开进油阀29门，通过液压站33让油进入油腔27内，并通过压力传感器8的反馈实现对轴向荷载的控制，通过推算地质历史时期煤体受到的压力来设定轴向荷载的数值；设定好样品的轴向荷载后，根据具体实验需求利用伺服单元1与伺服电机4来设定样品摩擦的转速；同步开启气相色谱仪17来实时检测实验过程中气态产物的成分与含量。
S5：取样：打开泄压阀，让反应釜体32内部气压恢复与外界相等的气压，拆开固定器12，打开支撑臂5，松开样品夹持器24，取下试样31。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，其特征在于，包括：压力控制单元、转速控制单元、扭转实验台、反应釜体、气体检测单元与注气单元；
所述扭转实验台包括承压转轴、传压转轴、止推转轴、滑轨、固定器、底座、第一支撑臂和第二支撑臂；
所述第一支撑臂和所述第二支撑臂对称布置在所述底座上；
滑轨设置在所述底座上；
所述固定器与所述滑轨、所述第一支撑臂和所述第二支撑臂配合；
所述转速控制单元包括伺服单元、变速箱、伺服电机与变速齿轮；所述第一支撑臂上固定安装所述变速箱，所述变速箱内设置所述伺服电机，所述伺服电机的输出端安装所述变速齿轮；所述伺服单元与所述伺服电机电性连接，利用伺服电机精准控制扭转摩擦实验的速率，模拟地质历史时期构造煤多期次构造运动作用反复的摩擦过程；
所述传压转轴穿过所述变速箱，所述传压转轴的一端固定安装在所述第一支撑臂上，所述传压转轴的另一端穿过所述变速箱，且所述传压转轴上安装所述止推转轴，所述承压转轴固定安装在所述传压转轴上，所述承压转轴与所述止推转轴位于所述变速箱内部，所述承压转轴与所述变速齿轮配合；
所述压力控制单元设置在所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间，用于提供摩擦实验过程中的轴向荷载；
所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间设置所述反应釜体；
所述反应釜体外连接注气单元与气体检测单元,所述气体检测单元包括气相色谱仪，所述气相色谱仪用于实时检测实验过程中气态产物的成分与含量。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，其特征在于，所述压力控制单元主要包括压力传感器、压头、油腔、进出油口、油阀、第一“O”型密封环与液压站，所述压力传感器上固定安装在所述传压转轴与所述第一支撑臂之间，所述第二支撑臂上设有油腔，所述油腔内部安装所述压头，所述压头与所述油腔之间有所述第一“O”型密封环配合，所述油腔上开设进出油口，所述进出油口连接油阀，所述油阀与所述液压站连接。
3.根据权利要求2所述的一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，其特征在于，所述反应釜体包括第二“O”型密封环、样品夹持器、样品台、试样与密封罩，所述传压转轴的另一端与所述压头位于油腔外的部分分别固定安装样品台，所述样品台固定安装样品夹持器；两个所述样品夹持器配合夹持试样；所述密封罩安装在所述油腔与所述变速箱之间，所述第二“O”型密封环与所述密封罩配合。
4.根据权利要求3所述的一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，其特征在于，所述注气单元主要包括样品收集器、气瓶、通断阀、真空表、流量计以及真空泵，所述样品收集器置于所述样品台的下方，所述密封罩连接所述真空泵，所述真空泵连接所述流量计，所述流量计连接所述真空表，所述真空表连接所述通断阀，所述通断阀连接所述气瓶。
5.根据权利要求3所述的一种煤岩扭转摩擦综合实验系统，其特征在于，所述气体检测单元主要包括单向阀、调压阀及气相色谱仪，所述密封罩连接所述单向阀，所述单向阀连接所述调压阀，所述调压阀连接所述气相色谱仪。
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