CN114486618B - 考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及其试验方法 - Google Patents

考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及岩石力学室内试验模拟领域，特别是涉及一种考虑温度‑应力耦合作用的瓦斯吸附‑解吸‑驱替试验装置及其试验方法，包括用于内置煤岩体试件并向煤岩体试件施加围压的围压加载系统，所述围压加载系统包括三轴压力室，所述三轴压力室上设置有用于向煤岩体试件施加轴向压力并提供进气通道和出气通道的轴压加载系统，所述进气通道与气体供应系统相连接，出气通道与气体平衡系统相连接；还包括用于测量煤岩体试件侧向变形的侧向变形测量系统和用于测量煤岩体试件轴向变形的轴向变形测量系统，所述围压加载系统、轴压加载系统、气体供应系统、气体平衡系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统相连接。该装置结构，方便对煤岩体试件进行吸附‑解吸‑驱替试验。

Description

考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及 其试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学室内试验模拟领域，特别是涉及一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及其试验方法。
背景技术
煤矿事故的很大一部分原因是瓦斯爆炸。研究煤矿瓦斯的吸附与解吸特性，并根据其吸附、解吸特性采取针对性的措施，来防范瓦斯爆炸显得尤为重要。煤岩体的应力状态、温度等因素对其吸附解吸特性有非常显著的影响。通过二氧化碳驱替瓦斯开采方法，可以提高煤层气的采出率。
由于煤矿井下地质条件非常复杂，在工程设计阶段无法进行大量的现场试验和测试，而室内模拟试验是研究瓦斯吸附-解吸-驱替规律的有效方法，其关键技术是复杂试验边界条件的实现。在工程现场，瓦斯吸附会导致煤岩体膨胀变形，从而挤压周围岩体，在此过程中又必然受到周围岩体按特定比例（由岩体刚度控制）增加的反作用力，能够产生这种反作用力的边界在本发明中称为恒定刚度边界。现有的瓦斯吸附-解吸-驱替模拟试验设备不能实现恒定刚度边界条件。由于试验条件的限制，特别是模拟真实围岩压力、温度方面存在局限性，相关实验设备还比较缺乏，尤其是不能同时考虑围岩压力和温度的影响及其耦合作用。
另外，由于工程现场围岩受力是非均匀的，随埋深的增加受力增大。然而现有的试验机加载时，每个加载面只能施加均匀应力，导致岩石破坏规律不准确，缺乏便捷的非均匀加载装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及其试验方法，该装置结构节凑，方便对煤岩体试件进行吸附-解吸-驱替试验。
本发明的技术方案在于：
一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，包括用于内置煤岩体试件并向煤岩体试件施加围压的围压加载系统，所述围压加载系统包括三轴压力室，所述三轴压力室上设置有用于向煤岩体试件施加轴向压力并提供进气通道和出气通道的轴压加载系统，所述进气通道与气体供应系统相连接，出气通道与气体平衡系统相连接；还包括用于测量煤岩体试件侧向变形的侧向变形测量系统和用于测量煤岩体试件轴向变形的轴向变形测量系统，所述围压加载系统、轴压加载系统、气体供应系统、气体平衡系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统相连接。
进一步地，所述轴压加载系统包括设置在三轴压力室内的第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块，所述第一蜂窝状垫块的一端具有与气体供应系统相连的进气通道且另一端与煤岩体试件的一端接触；所述第二蜂窝状垫块的一端具有与气体平衡系统相连的出气通道且另一端与煤岩体试件的另一端接触；所述三轴压力室上安装有用于向煤岩体试件施加轴向压力的液压油缸；还包括用于测量试件所受到轴向压力的压力传感器，所述压力传感器经轴压数据采集仪与计算机控制系统相连接。
进一步地，所述液压油缸经加载框架固定于三轴压力室上且工作端伸入三轴压力室内，液压油缸上连接有提供油压的第一伺服油源。
进一步地，所述围压加载系统还包括用于套在煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块周围的密封套，所述三轴压力室连接有向其提供油压的第二伺服油源，三轴压力室内设置有第一液压传感器，所述第一液压传感器经围压数据采集仪与计算机控制系统相连接。
进一步地，所述气体供应系统包括气体供应罐，所述气体供应罐经第一高压管与气体压力泵相连接，所述气体压力泵经第二高压管与进气通道相连接；所述第一高压管上设置有第一阀门，所述第二高压管上设置有第二阀门、第一压力表和第一流量计。
进一步地，所述气体平衡系统包括与出气通道相连接的第一出气管，所述第一出气管经真空泵、第二出气管与气体储存罐相连接，所述第一出气管上设置有第二流量计、第二压力表、第三阀门，所述第二出气管上设置有第四阀门。
进一步地，所述侧向变形测量系统包括用于测量煤岩体试件侧向变形的应变传感器，所述应变传感器经应变数据采集仪与计算机控制系统相连接；所述轴向变形测量系统包括安装在三轴压力室上用于测量煤岩体试件轴向变形的位移计，所述位移计经位移数据采集仪与计算机控制系统相连接。
进一步地，还包括设置在煤岩体试件表面的非均匀加载装置，所述非均匀加载装置包括至少两种不同弹性模量的材料以及贯穿整个非均匀加载装置高度的斜面，两种材料分布在斜面的两侧。
进一步地，所述煤岩体试件由工程现场采集的岩石加工而成且形状为圆柱体；所述气体供应系统有两套，一套用于提供瓦斯，另一套用于提供二氧化碳；气体供应系统的气体供应罐内装有惰性气体；所述密封套内部设有用于对煤岩体试件进行加热电加热丝；所述轴压加载系统的第一蜂窝状垫块和/或第二蜂窝状垫块装有温度传感器。
考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置的实验方法，包括以下步骤：
首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，在此过程中实时测量煤岩体试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，然后发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、 气体平衡压力、气体溢出量数据；
或者首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，待瓦斯吸附完成后，通过气体供应系统供应二氧化碳，用于驱替瓦斯，在此过程中实时测量试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、气体平衡压力、气体溢出量数据。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该装置结构，方便对煤岩体试件进行吸附-解吸-驱替试验；并且方便通过计算机控制系统发出指令适时修正围压的大小，形成控制循环，在气体吸附、解吸、驱替的整个过程中，该控制循环不断进行，从而实现恒定侧向刚度条件下注浆模拟试验。同时能够实现对试验件进行均匀加载变换为连续的非均匀力。
附图说明
图1为本发明的试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明的试验装置恒定侧向刚度控制原理示意图；
图3为本发明的气体供应系统结构示意图；
图4为本发明的气体平衡系统结构示意图；
图5为本发明的非均匀加载装置第一种形式的截面示意图；
图6为本发明的非均匀加载装置第二种形式的截面示意图；
图中：1-煤岩体试件 2-三轴压力室 3-进气通道 4-出气通道 5-第一蜂窝状垫块6-第二蜂窝状垫块 7-液压油缸 8-密封套 9-气体供应罐 10-第一高压管 11-气体压力泵12-第二高压管 13-第一阀门 14-第二阀门 15-第一压力表 16-第一流量计 17-第一出气管 18-真空泵 19-气体储存罐 20-第二流量计 21-第二压力表 22-第三阀门 23-第四阀门 24-应变传感器 25-位移计 26-材料一 27-材料二 28-斜面 29-第二出气管。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图6
一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，包括用于内置煤岩体试件并向煤岩体试件1施加围压的围压加载系统，所述围压加载系统包括用于对试件进行加载的三轴压力室2，以便煤岩体试件放置于三轴压力室内。所述三轴压力室上设置有用于向煤岩体试件施加轴向压力并提供进气通道3和出气通道4的轴压加载系统，所述进气通道与气体供应系统相连接，出气通道与气体平衡系统相连接；还包括用于测量煤岩体试件侧向变形的侧向变形测量系统和用于测量煤岩体试件轴向变形的轴向变形测量系统，所述围压加载系统、轴压加载系统、气体供应系统、气体平衡系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统相连接。
本实施例中，为了用于给试件施加轴向压力，并提供气体通过通道，所述轴压加载系统包括设置在三轴压力室内的第一蜂窝状垫块5和第二蜂窝状垫块6，所述第一蜂窝状垫块的一端具有气体流入孔，气体流入孔经进气通道与气体供应系统相连，且第一蜂窝状垫块的另一端与煤岩体试件的一端接触。第一蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许气体从中穿过。所述第二蜂窝状垫块的一端具有气体流出孔，气体流出孔经出气通道与气体平衡系统相连，且第二蜂窝状垫块的另一端与煤岩体试件的另一端接触；所述三轴压力室上安装有用于向煤岩体试件施加轴向压力的液压油缸7。第二蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许气体从中穿过。还包括用于测量试件所受到轴向压力大小的压力传感器，所述压力传感器经轴压数据采集仪与计算机控制系统相连接。从而通过轴压数据采集仪记录试件轴压数据，并将其传递至计算机控制系统。
本实施例中，所述进气通道由三轴压力室的底座穿入；所述出气通道由三轴压力室的顶部穿入。
本实施例中，所述液压油缸经加载框架固定于三轴压力室上且工作端伸入三轴压力室内，液压油缸上连接有提供油压的第一伺服油源。
本实施例中，所述围压加载系统还包括用于套在煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块周围的密封套8，所述三轴压力室连接有向其提供油压的第二伺服油源，三轴压力室内设置有用于测量三轴压力室内液压大小的第一液压传感器，所述第一液压传感器经围压数据采集仪与计算机控制系统相连接。从而通过围压数据采集仪记录液压数据，并将其传递至计算机控制系统。
本实施例中，所述气体供应系统包括气体供应罐9，所述气体供应罐经第一高压管10与气体压力泵11相连接，所述气体压力泵经第二高压管12与进气通道相连接；所述第一高压管上设置有第一阀门13，所述第二高压管上设置有第二阀门14、第一压力表15和第一流量计16。所述第一压力表用于测试气体供应压力；所述第一流量计用于测试气体供应量，从而将数据反馈给计算机控制系统。
本实施例中，所述气体平衡系统包括与出气通道相连接的第一出气管17，所述第一出气管经真空泵18、第二出气管29与气体储存罐19相连接，所述第一出气管上设置有第二流量计20、第二压力表21、第三阀门22，所述第二出气管上设置有第四阀门23。所述第二压力表用于测试气体平衡压力；所述第二流量计用于测试气体溢出量；从而将数据反馈给计算机控制系统。
本实施例中，所述侧向变形测量系统包括用于测量煤岩体试件侧向变形的应变传感器24，所述应变传感器经应变数据采集仪与计算机控制系统相连接。从而通过应变数据采集仪记录试件侧向变形数据，并将其传递至计算机控制系统。
本实施例中，所述轴向变形测量系统包括安装在三轴压力室上用于测量煤岩体试件轴向变形的位移计25，所述位移计经位移数据采集仪与计算机控制系统相连接。从而通过位移数据采集仪记录试件轴向变形数据，并将其传递至计算机控制系统。
本实施例中，还包括设置在煤岩体试件表面的非均匀加载装置，所述非均匀加载装置包括至少两种不同弹性模量的材料（材料一26和材料二27）以及贯穿整个非均匀加载装置高度的斜面28，两种材料分布在斜面的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
本实施例中，所述煤岩体试件由工程现场采集的岩石加工而成且形状为圆柱体，方便进行实验。
本实施例中，所述气体供应系统有两套，一套用于提供瓦斯，另一套用于提供二氧化碳。气体供应系统的气体供应罐内装有惰性气体，由于煤岩体试件和惰性气体不发生吸附作用，可以用来做对比实验。
本实施例中，所述密封套内部设有用于对煤岩体试件进行加热电加热丝，根据需要可以对煤岩体试件进行加热。
本实施例中，所述轴压加载系统的第一蜂窝状垫块和/或第二蜂窝状垫块装有温度传感器，用于测试煤岩体试件温度。
本实施例中，所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，从而用于提供人机交互界面，输入初始数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现恒定侧向刚度边界控制，以及显示和输出试验结果。所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据。所述控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载。在气体吸附、解吸、驱替的过程中，试件必然产生侧向变形，根据监测得到的试件侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压P，计算公式为，其中P 0为初始围压，/>为煤岩体试件发生的侧向变形，K为煤岩体试件的侧向刚度，计算公式为/>，r为煤岩体试件半径，E为煤岩体试件弹性模量，/>为煤岩体试件泊松比。进而通过计算机控制系统发出指令适时修正围压的大小，形成控制循环，在气体吸附、解吸、驱替的整个过程中，该控制循环不断进行，从而实现恒定侧向刚度条件下注浆模拟试验。
上述利用考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置进行的实验方法，包括以下步骤：
首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，在此过程中实时测量煤岩体试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，然后发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、 气体平衡压力、气体溢出量数据。
另一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置进行的实验方法，包括以下步骤：
首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，待瓦斯吸附完成后，通过气体供应系统供应二氧化碳，用于驱替瓦斯，在此过程中实时测量试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、 气体平衡压力、气体溢出量数据。
在上述试验过程中，可以通过密封套内的电加热丝改变煤岩体试件温度，研究应力和温度耦合作用对瓦斯瓦斯吸附-解吸-驱替特性的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置及其试验方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，包括用于内置煤岩体试件并向煤岩体试件施加围压的围压加载系统，其特征在于，所述围压加载系统包括三轴压力室，所述三轴压力室上设置有用于向煤岩体试件施加轴向压力并提供进气通道和出气通道的轴压加载系统，所述进气通道与气体供应系统相连接，出气通道与气体平衡系统相连接；还包括用于测量煤岩体试件侧向变形的侧向变形测量系统和用于测量煤岩体试件轴向变形的轴向变形测量系统，所述围压加载系统、轴压加载系统、气体供应系统、气体平衡系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统相连接；所述轴压加载系统包括设置在三轴压力室内的第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块，所述第一蜂窝状垫块的一端具有与气体供应系统相连的进气通道且另一端与煤岩体试件的一端接触；所述第二蜂窝状垫块的一端具有与气体平衡系统相连的出气通道且另一端与煤岩体试件的另一端接触；所述三轴压力室上安装有用于向煤岩体试件施加轴向压力的液压油缸；还包括用于测量试件所受到轴向压力的压力传感器，所述压力传感器经轴压数据采集仪与计算机控制系统相连接；所述围压加载系统还包括用于套在煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块周围的密封套，所述三轴压力室连接有向围压加载系统提供油压的第二伺服油源，三轴压力室内设置有第一液压传感器，所述第一液压传感器经围压数据采集仪与计算机控制系统相连接；气体供应系统的气体供应罐内装有惰性气体；所述密封套内部设有用于对煤岩体试件进行加热电加热丝；所述轴压加载系统的第一蜂窝状垫块和/或第二蜂窝状垫块装有温度传感器；所述侧向变形测量系统包括用于测量煤岩体试件侧向变形的应变传感器，所述应变传感器经应变数据采集仪与计算机控制系统相连接；所述轴向变形测量系统包括安装在三轴压力室上用于测量煤岩体试件轴向变形的位移计，所述位移计经位移数据采集仪与计算机控制系统相连接；还包括设置在煤岩体试件表面的非均匀加载装置，所述非均匀加载装置包括至少两种不同弹性模量的材料以及贯穿整个非均匀加载装置高度的斜面，两种材料分布在斜面的两侧。
2.根据权利要求1所述的考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，其特征在于，所述液压油缸经加载框架固定于三轴压力室上且工作端伸入三轴压力室内，液压油缸上连接有提供油压的第一伺服油源。
3.根据权利要求1所述的考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，其特征在于，所述气体供应系统包括气体供应罐，所述气体供应罐经第一高压管与气体压力泵相连接，所述气体压力泵经第二高压管与进气通道相连接；所述第一高压管上设置有第一阀门，所述第二高压管上设置有第二阀门、第一压力表和第一流量计。
4.根据权利要求3所述的考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，其特征在于，所述气体平衡系统包括与出气通道相连接的第一出气管，所述第一出气管经真空泵、第二出气管与气体储存罐相连接，所述第一出气管上设置有第二流量计、第二压力表、第三阀门，所述第二出气管上设置有第四阀门。
5.根据权利要求1所述的考虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置，其特征在于，所述煤岩体试件由工程现场采集的岩石加工而成且形状为圆柱体；所述气体供应系统有两套，一套用于提供瓦斯，另一套用于提供二氧化碳。
6.一种应用于权利要求5所述的虑温度-应力耦合作用的瓦斯吸附-解吸-驱替试验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，在此过程中实时测量煤岩体试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，然后发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、气体平衡压力、气体溢出量数据；
或者首先将煤岩体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于三轴压力室中；其次通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使煤岩体试件达到现场应力状态 ；再次通过气体供应系统和气体平衡系统使瓦斯通过煤岩体试件，待瓦斯吸附完成后，通过气体供应系统供应二氧化碳，用于驱替瓦斯，在此过程中实时测量试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出煤岩体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、气体供应压力、气体供应量、气体平衡压力、气体溢出量数据。
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