CN113109380A - 一种ct实时扫描的高温热解煤岩试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统及试验方法。目的是解决现有的煤岩CT扫描加热系统无密封装置以及实验前后同一位置对比困难的技术问题。技术方案为：它包括基座、试验台、CT扫描机、探测板、温控装置、质量流量控制器、气瓶、试件、支撑柱、三通阀、气相色谱仪和控制系统，在基座一旁还设有三轴移动架，在三轴移动架上的固定架上设有气氛炉，气氛炉底面上设有密封装置，本发明设置的密封装置，使得CT扫描试验中产生的气体能保持在气氛炉中，并通过三通阀流向气象色谱仪中进行气体成分的检测，保证了试验数据的准确性、及时性，三轴移动台对气氛炉进行定量移动，可以实现试件同一孔隙裂隙的变化实时研究。

Description

一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统及试验方法
技术领域
本发明属于岩石工程技术领域，具体涉及一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统及试验方法。
背景技术
随着我国煤炭资源的不断开发，地下矿井开采中伴随着大量煤尘、瓦斯的产生，为提高矿井发的安全生产与矿区环境的协同发展，就需要探究煤岩在高温高压下的损伤破坏特性，随着CT技术的高速发展，煤岩的CT扫描已成为研究煤岩损伤的一大方向；目前，涉及配套煤岩CT扫描的加热装置较为简易，无密封装置，试验前后同一位置对比困难。
发明内容
本发明的目的是解决现有的煤岩CT扫描加热系统无密封装置以及试验前后同一位置对比困难的技术问题，提供一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统及试验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，包括基座、试验台、CT扫描机、探测板、温控装置、质量流量控制器、气瓶、支撑柱、三通阀、气相色谱仪和控制系统，所述CT扫描机、试验台和探测板分别设置在基座顶面前中后侧，所述温控装置、质量流量控制器、气瓶和气相色谱仪均设置在基座的一旁，其特征在于：它还包括三轴移动架和气氛炉，所述三轴移动架设置在基座的一旁，所述气氛炉设置在三轴移动架的固定支架上，所述气氛炉的加热炉丝和温度传感器外接温控装置，所述气瓶的出气口连接质量流量控制器的进气口，所述质量流量控制器出气口连接气氛炉的进气管，所述气氛炉的排气管连接三通阀，所述三通阀的一个出口连接气相色谱仪，另一个出口通向大气，所述支撑柱设置在气氛炉的腔体中，所述控制系统与CT扫描机、探测板、温控装置、质量流量控制器、三通阀和气相色谱仪电性连接。
进一步的，所述气氛炉包括气氛炉炉体、加热炉丝、保温体、温度传感器和密封装置，所述气氛炉炉体为圆筒状结构，包括外筒和内筒且内筒的高度大于外筒的高度，所述保温体设置在气氛炉炉体的外筒和内筒之间，所述气氛炉炉体的内筒中部设有若干圈螺旋凹槽，所述加热炉丝设置在内筒的螺旋凹槽中，所述温度传感器穿过内筒上端的顶盖伸入到气氛炉炉体的空腔中且超出内筒侧壁上设置的进气管，所述密封装置设置在气氛炉炉体的底面上，所述密封装置的底面上设有排气管。
进一步的，所述密封装置包括两个半圆形密封外壳、两个第一滑块、两个第二滑块、两个耐高温电动推杆和第一耐高温密封条，所述半圆形密封外壳的圆弧边缘设有凸台，直线边中间设有半圆形支撑柱孔，所述两个第二滑块通过螺栓对称设置在气氛炉炉体底面的中间，所述第二滑块的底面设有滑槽，所述两个第一滑块通过螺栓对称设置在两个半圆形密封外壳顶面的中间，所述第一滑块的顶面设有滑轨，所述两个第一滑块和两个第二滑块通过滑轨与滑槽活动连接，所述第一耐高温密封条设置在两个半圆形密封外壳的边缘凸台顶部且所述第一耐高温密封条与气氛炉炉体的底面相接触，所述两个耐高温电动推杆分别设置在两个第二滑块两边的气氛炉炉体底面且耐高温电动推杆的伸缩杆与第一滑块连接，所述两个密封外壳的直线边缘和支撑柱孔边缘均设有第二耐高温密封条。
进一步的，所述试验台的顶面上设有三角爪，所述三角爪将支撑柱的下端固定在试验台上。
进一步的，所述三轴移动架朝向气氛炉的侧面上设有激光位移传感器。
进一步的，所述加热炉丝采用碳纤维、铁铬铝电热丝或者镍铬电热丝中的任意一种。
一种使用CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统的试验方法，包括如下步骤：
1)将制备好的试件放置在支撑柱的上端并用耐高温胶连接，将支撑柱下端固定在试验台的三角爪中；
2)开启三轴移动架，首先通过激光位移传感器测得试件的空间位置，然后将气氛炉固定在三轴移动架的支架上，通过激光位移传感器测得气氛炉的空间位置，然后驱动三轴移动架移动气氛炉的位置，使试件处于气氛炉的空腔中间并保持相对静止；
3)开启密封装置的耐高温电动推杆，耐高温电动推杆的伸缩杆移动带动两个密封外壳相向移动，将支撑柱夹在支撑柱孔中，使得气氛炉炉体的空腔内形成密闭空间；
4)开启CT扫描机，对试验前的试件进行CT扫描成像；
5)打开质量流量控制器和气瓶，同时打开三通阀通向空气的一侧，向气氛炉空腔中充入氦气，将空腔中的空气通过三通阀排至大气中，通入足量的氦气后，关闭三通阀、质量流量控制器和气瓶；
6)开启温控装置，设置试验温度，进行加热，达到设定温度后，保温；
7)开启气相色谱仪，打开三通阀通向气相色谱仪的一侧，同时打开质量流量控制器和气瓶，通入氦气，将气氛炉空腔中试件热解产生的气体压入气相色谱仪中，气体收集完成后，关闭质量流量控制器和气瓶，之后进行气体成分分析；
8)开启CT扫描机，对试验后试件的同一部位进行CT扫描成像，与试验前的CT切片图像进行对比分析；
9)设置不同的试验温度，重复步骤6)～8)的试验过程，得到不同试验温度下的试验结果，进行对比分析。
进一步的，所述步骤6)中的试验温度范围为25～700℃，升温速率为10～20℃/min，保温时间为30min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在气氛炉底面设置了密封装置，使得CT扫描试验中产生的气体能保持在气氛炉腔体中，并通过三通阀流向气象色谱仪中进行气体成分的检测，保证了试验数据的准确性、及时性；
2、本发明装置使用三轴移动台对气氛炉进行定量移动，气氛炉与试件的相对位置始终保持不变，使得试验前后CT扫描对准试件的同一位置，可以实现对试件同一孔隙裂隙的变化进行实时研究，便于直观分析同一孔隙裂隙试验前后的变化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中气氛炉的密封装置打开时的结构示意图；
图3为本发明中气氛炉的密封装置关闭时的结构示意图；
图4为本发明中密封装置的结构示意图；
图5为本发明中密封装置的俯视结构示意图；
图中：1-基座、2-试验台、3-三轴移动台、4-气氛炉、5-CT扫描机、6-探测板、7-温控装置、8-质量流量控制器、9-气瓶、10-试件、11-支撑柱、12-三通阀、13-气相色谱仪；
其中：2.1-三角爪、4.1-气氛炉炉体、4.2-加热炉丝、4.3-保温体、4.4-温度传感器、4.5-进气管、4.6-密封装置、4.7-排气管；
4.6.1-密封外壳、4.6.2-第一滑块、4.6.3-第二滑块、4.6.4-耐高温电动推杆、4.6.5-第一耐高温密封条、4.6.6-第二耐高温密封条、4.6.7-支撑柱孔。
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。
如图1所示，一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，包括基座1、试验台2、CT扫描机5、探测板6、温控装置7、质量流量控制器8、气瓶9、支撑柱11、三通阀12、气相色谱仪13和控制系统，所述CT扫描机5、试验台2和探测板6分别设置在基座1顶面前中后侧，所述试验台2的顶面上设有三角爪2.1，所述三角爪2.1将支撑柱11的下端固定在试验台2上，所述温控装置7、质量流量控制器8、气瓶9和气相色谱仪13均设置在基座1的一旁，它还包括三轴移动架3和气氛炉4，所述三轴移动架3朝向气氛炉4的侧面上设有激光位移传感器，所述三轴移动架3设置在基座1的一旁，所述气氛炉4设置在三轴移动架3的固定支架上，所述气氛炉4的加热炉丝4.2和温度传感器4.4外接温控装置7，所述气瓶9的出气口连接质量流量控制器8的进气口，所述质量流量控制器8出气口连接气氛炉4的进气管4.5，所述气氛炉4的排气管4.7连接三通阀12，所述三通阀12的一个出口连接气相色谱仪13，另一个出口通向大气，所述支撑柱11设置在气氛炉4的腔体中，所述控制系统与CT扫描机5、探测板6、温控装置7、质量流量控制器8、三通阀12和气相色谱仪13电性连接。
如图2-3所示，所述气氛炉4包括气氛炉炉体4.1、加热炉丝4.2、保温体4.3、温度传感器4.4和密封装置4.6，所述气氛炉炉体4.1为圆筒状结构，包括外筒和内筒且内筒的高度大于外筒的高度，所述保温体4.3设置在气氛炉炉体4.1的外筒和内筒之间，所述气氛炉炉体4.1的内筒中部设有若干圈螺旋凹槽，所述加热炉丝4.2采用碳纤维材质，设置在内筒的螺旋凹槽中，所述温度传感器4.4穿过内筒上端的顶盖伸入到气氛炉炉体4.1的空腔中且超出内筒侧壁上设置的进气管4.5，所述密封装置4.6设置在气氛炉炉体4.1的底面上，所述密封装置4.6的底面上设有排气管4.7。
茹图4-5所示，所述密封装置4.6包括两个半圆形密封外壳4.6.1、两个第一滑块4.6.2、两个第二滑块4.6.3、两个耐高温电动推杆4.6.4和第一耐高温密封条4.6.5，所述半圆形密封外壳4.6.1的圆弧边缘设有凸台，直线边中间设有半圆形支撑柱孔4.6.7，所述两个第二滑块4.6.3通过螺栓对称设置在气氛炉炉体4.1底面的中间，所述第二滑块4.6.3的底面设有滑槽，所述两个第一滑块4.6.2通过螺栓对称设置在两个半圆形密封外壳4.6.1顶面的中间，所述第一滑块4.6.2的顶面设有滑轨，所述两个第一滑块4.6.2和两个第二滑块4.6.3通过滑轨与滑槽活动连接，所述第一耐高温密封条4.6.5设置在两个半圆形密封外壳4.6.1的边缘凸台顶部且所述第一耐高温密封条4.6.5与气氛炉炉体4.1的底面相接触，所述两个耐高温电动推杆4.6.4分别设置在两个第二滑块4.6.3两边的气氛炉炉体4.1底面且耐高温电动推杆4.6.4的伸缩杆与第一滑块4.6.2连接，所述两个密封外壳4.6.1的直线边缘和支撑柱孔4.6.7边缘均设有第二耐高温密封条4.6.6。
一种使用CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统的试验方法，包括如下步骤：
1)将制备好的试件10放置在支撑柱11的上端并用耐高温胶连接，将支撑柱11下端固定在试验台2的三角爪2.1中；
2)开启三轴移动架3，首先通过激光位移传感器测得试件10的空间位置，然后将气氛炉4固定在三轴移动架3的支架上，通过激光位移传感器测得气氛炉4的空间位置，然后驱动三轴移动架3移动气氛炉4的位置，使试件10处于气氛炉4的空腔中间并保持相对静止；
3)开启密封装置4.6的耐高温电动推杆4.6.4，耐高温电动推杆4.6.4的伸缩杆移动带动两个密封外壳4.6.1相向移动，将支撑柱11夹在支撑柱孔4.6.7中，使得气氛炉炉体4.1的空腔内形成密闭空间；
4)开启CT扫描机5，对试验前的试件10进行CT扫描成像；
5)打开质量流量控制器8和气瓶9，同时打开三通阀12通向空气的一侧，向气氛炉4空腔中充入氦气，将空腔中的空气通过三通阀12排至大气中，通入足量的氦气后，关闭三通阀12、质量流量控制器8和气瓶9；
6)开启温控装置7，设置试验温度为100℃，以15℃/min的速率进行加热，达到设定温度后，保温30min；
7)开启气相色谱仪13，打开三通阀12通向气相色谱仪13的一侧，同时打开质量流量控制器8和气瓶9，通入氦气，将气氛炉4空腔中试件10热解产生的气体压入气相色谱仪13中，气体收集完成后，关闭质量流量控制器8和气瓶9，之后进行气体成分分析；
8)开启CT扫描机5，对试验后试件10的同一部位进行CT扫描成像，与试验前的CT切片图像进行对比分析；
9)设置不同的试验温度，重复步骤6)～8)的试验过程，得到不同试验温度下的试验结果，进行对比分析。
所述步骤6中的试验温度还可以为25～700℃中的任意数值，升温速率为还可以为10～20℃/min中的任意数值，保温时间为30min。
所述加热炉丝4.2还可以采用铁铬铝电热丝或者镍铬电热丝中的任意一种。

Claims (8)

1.一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，包括基座(1)、试验台(2)、CT扫描机(5)、探测板(6)、温控装置(7)、质量流量控制器(8)、气瓶(9)、支撑柱(11)、三通阀(12)、气相色谱仪(13)和控制系统，所述CT扫描机(5)、试验台(2)和探测板(6)分别设置在基座(1)顶面前中后侧，所述温控装置(7)、质量流量控制器(8)、气瓶(9)和气相色谱仪(13)均设置在基座(1)的一旁，其特征在于：它还包括三轴移动架(3)和气氛炉(4)，所述三轴移动架(3)设置在基座(1)的一旁，所述气氛炉(4)设置在三轴移动架(3)的固定支架上，所述气氛炉(4)的加热炉丝(4.2)和温度传感器(4.4)外接温控装置(7)，所述气瓶(9)的出气口连接质量流量控制器(8)的进气口，所述质量流量控制器(8)出气口连接气氛炉(4)的进气管(4.5)，所述气氛炉(4)的排气管(4.7)连接三通阀(12)，所述三通阀(12)的一个出口连接气相色谱仪(13)，另一个出口通向大气，所述支撑柱(11)设置在气氛炉(4)的腔体中，所述控制系统与CT扫描机(5)、探测板(6)、温控装置(7)、质量流量控制器(8)、三通阀(12)和气相色谱仪(13)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，其特征在于：所述气氛炉(4)包括气氛炉炉体(4.1)、加热炉丝(4.2)、保温体(4.3)、温度传感器(4.4)和密封装置(4.6)，所述气氛炉炉体(4.1)为圆筒状结构，包括外筒和内筒且内筒的高度大于外筒的高度，所述保温体(4.3)设置在气氛炉炉体(4.1)的外筒和内筒之间，所述气氛炉炉体(4.1)的内筒中部设有若干圈螺旋凹槽，所述加热炉丝(4.2)设置在内筒的螺旋凹槽中，所述温度传感器(4.4)穿过内筒上端的顶盖伸入到气氛炉炉体(4.1)的空腔中且超出内筒侧壁上设置的进气管(4.5)，所述密封装置(4.6)设置在气氛炉炉体(4.1)的底面上，所述密封装置(4.6)的底面上设有排气管(4.7)。
3.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，其特征在于：所述密封装置(4.6)包括两个半圆形密封外壳(4.6.1)、两个第一滑块(4.6.2)、两个第二滑块(4.6.3)、两个耐高温电动推杆(4.6.4)和第一耐高温密封条(4.6.5)，所述半圆形密封外壳(4.6.1)的圆弧边缘设有凸台，直线边中间设有半圆形支撑柱孔(4.6.7)，所述两个第二滑块(4.6.3)通过螺栓对称设置在气氛炉炉体(4.1)底面的中间，所述第二滑块(4.6.3)的底面设有滑槽，所述两个第一滑块(4.6.2)通过螺栓对称设置在两个半圆形密封外壳(4.6.1)顶面的中间，所述第一滑块(4.6.2)的顶面设有滑轨，所述两个第一滑块(4.6.2)和两个第二滑块(4.6.3)通过滑轨与滑槽活动连接，所述第一耐高温密封条(4.6.5)设置在两个半圆形密封外壳(4.6.1)的边缘凸台顶部且第一耐高温密封条(4.6.5)与气氛炉炉体(4.1)的底面相接触，所述两个耐高温电动推杆(4.6.4)分别设置在两个第二滑块(4.6.3)两边的气氛炉炉体(4.1)底面且耐高温电动推杆(4.6.4)的伸缩杆与第一滑块(4.6.2)连接，所述两个密封外壳(4.6.1)的直线边缘和支撑柱孔(4.6.7)边缘均设有第二耐高温密封条(4.6.6)。
4.根据权利要求1所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，其特征在于：所述试验台(2)的顶面上设有三角爪(2.1)，所述三角爪(2.1)将支撑柱(11)的下端固定在试验台(2)上。
5.根据权利要求1所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，其特征在于：所述三轴移动架(3)朝向气氛炉(4)的侧面上设有激光位移传感器。
6.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统，其特征在于：所述加热炉丝(4.2)采用碳纤维、铁铬铝电热丝或者镍铬电热丝中的任意一种。
7.一种使用权利要求1至6中任意一项所述的一种CT实时扫描的高温热解煤岩试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将制备好的试件(10)放置在支撑柱(11)的上端并用耐高温胶连接，将支撑柱(11)下端固定在试验台(2)的三角爪(2.1)中；
2)开启三轴移动架(3)，首先通过激光位移传感器测得试件(10)的空间位置，然后将气氛炉(4)固定在三轴移动架(3)的支架上，通过激光位移传感器测得气氛炉(4)的空间位置，然后驱动三轴移动架(3)移动气氛炉(4)的位置，使试件(10)处于气氛炉(4)的空腔中间并保持相对静止；
3)开启密封装置(4.6)的耐高温电动推杆(4.6.4)，耐高温电动推杆(4.6.4)的伸缩杆移动带动两个密封外壳(4.6.1)相向移动，将支撑柱(11)夹在支撑柱孔(4.6.7)中，使得气氛炉炉体(4.1)的空腔内形成密闭空间；
4)开启CT扫描机(5)，对试验前的试件(10)进行CT扫描成像；
5)打开质量流量控制器(8)和气瓶(9)，同时打开三通阀(12)通向空气的一侧，向气氛炉(4)空腔中充入氦气，将空腔中的空气通过三通阀(12)排至大气中，通入足量的氦气后，关闭三通阀(12)、质量流量控制器(8)和气瓶(9)；
6)开启温控装置(7)，设置试验温度，进行加热，达到设定温度后，保温；
7)开启气相色谱仪(13)，打开三通阀(12)通向气相色谱仪(13)的一侧，同时打开质量流量控制器(8)和气瓶(9)，通入氦气，将气氛炉(4)空腔中试件(10)热解产生的气体压入气相色谱仪(13)中，气体收集完成后，关闭质量流量控制器(8)和气瓶(9)，之后进行气体成分分析；
8)开启CT扫描机(5)，对试验后试件(10)的同一部位进行CT扫描成像，与试验前的CT切片图像进行对比分析；
9)设置不同的试验温度，重复步骤6)～8)的试验过程，得到不同试验温度下的试验结果，进行对比分析。
8.根据权利要求7所述的一种使用CT实时扫描高温热解煤岩试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤6)中的试验温度范围为25～700℃，升温速率为10～20℃/min，保温时间为30min。
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