CN116124804A - 一种结合ct实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结合CT实时扫描的气‑固‑力耦合试验系统，包括压力加载模块、供排气及气体流量监测模块、抽真空模块、CT扫描模块和信息收集处理模块；压力加载模块包括外部压力架、压力罐，外部压力架用于向压力罐施压；供排气及气体流量监测模块与压力罐相连，包括气瓶、红外线气体分析仪、CO2吸收塔、CH4吸收塔和气体收集装置等；抽真空模块用于抽真空；CT扫描模块用于对煤岩体扫描；信息收集处理模块用于数据采集与分析。本发明还提供了上述系统的使用方法。本发明能够通过CT扫描清楚地了解到在气‑固‑力三场耦合煤体裂隙演化规律，探究吸附参数与气体压力、煤岩体结构的相关性，以及吸附气体对煤岩体力学参数影响。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯动力灾害防控技术领域，尤其涉及一种结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法。
背景技术
我国90％的煤炭生产是井工开采，随着机器不断的开采，浅部资源逐渐枯竭，深部煤矿开采逐渐趋于常态。然而，煤矿进入深部开采以后，地应力、瓦斯压力及含量也随之攀升，采场结构也越来越复杂，应力和瓦斯复合动力灾害日趋严重且复杂。
受采动应力影响，含瓦斯煤层气固耦合致灾演化本质更加复杂，瓦斯动力灾害时常发生，为揭示含瓦斯煤岩体气固耦合响应规律和致灾机理，学者们开展了相关实验，对气-固耦合与应力加载共同作用中的煤体强度劣化机制、损伤扩容规律及煤体裂隙演化特征方面进行了研究，但缺少可视化试验设备和定量描述气体吸附诱发煤体损伤劣化的试验方法，导致多数试验只得到了吸附作用对煤体强度弱化的定性结果，而无法量化表征煤体在整个耦合－加载过程中的关键参数变化与裂隙演化规律。
由于我国煤矿瓦斯含量高达35m3/t，瓦斯压力可达7MPa，煤层渗透率低，造成煤层一经采掘立即引发瓦斯动力灾害，导致多数矿井被迫关闭。目前，全国已关闭的矿井已超过1.2万处，而废弃矿井遗弃煤层蕴含的大量煤层气(CH4)是宝贵的不可再生清洁能源，直接排放势必造成大量碳污染，通入CO2或者N2驱替采出是利用瓦斯、降低碳排放的绿色低碳关键技术。然而目前对废弃矿井未采煤层CH4开采、碳封存的研究几乎为空白，基础性研究鲜有报道，尤其是煤体表面对多元气体的选择性吸附行为及其控制因素尚不明确，煤体孔隙结构及其力学参数的演化特征研究仍需进一步丰富。
为揭示煤层应力与瓦斯压力耦合响应机制以及研究废弃矿井抽采煤层气关键技术，亟需研制一种可结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法，该系统密封性强，耐高压，耐气体腐蚀，采用数显控制软件控制，操作方便，控制简单，能够准确测出气体的封存量，并且可以通过CT扫描系统清楚地了解到在气-固-力三场耦合煤体裂隙演化规律，从而探究吸附参数与气体压力、煤岩体结构的相关性，以及吸附气体对煤岩体力学参数的影响。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，包括：
压力加载模块，所述压力加载模块包括外部压力架以及放置于所述外部压力架内部的压力罐；所述外部压力架用于向压力罐中放置的煤岩体施加压力；
供排气及气体流量监测模块，所述供排气及气体流量监测模块与所述压力加载模块的压力罐相连，包括气瓶、进口流量计、阀门、红外线气体分析仪、CO2吸收塔、出口流量计、CH4吸收塔和气体收集装置；所述气瓶用于向压力罐供气，红外线气体分析仪用于分析经压力罐后的气体成分，CO2吸收塔、CH4吸收塔和气体收集装置用于吸收废气；
抽真空模块，所述抽真空模块与所述供排气及气体流量监测模块相连，用于对所述压力加载模块、供排气及气体流量监测模块抽真空处理；
CT扫描模块，所述CT扫描模块用于对压力罐中的煤岩体试样进行扫描；
信息收集处理模块，所述信息收集处理模块用于采集进口流量计、出口流量计以及煤岩体的位移、受力数据，并进行数据处理分析。
作为本发明的优选方式之一，所述外部压力架包括架体、设置于架体内部的力杆以及设置于架体外部的升降旋钮、调速器、智能触摸屏、紧急急停按钮、开关；其中，所述力杆用于向下施压于压力罐，升降旋钮用于旋转调节力杆升降，调速器用于调整力杆上升/下降速率，智能触摸屏用于设置力杆压力、位移保护值，紧急急停按钮用于急停力杆，开关用于整个外部压力架装置的运行/停止。
作为本发明的优选方式之一，所述压力罐为碳纤维压力罐，包括底座、碳纤维罐体、罐釜盖、第一碳纤维垫块、煤岩体、第二碳纤维垫块以及顶棒和锁紧装置；所述碳纤维罐体位于底座之上，罐釜盖通过螺杆与螺母安装于碳纤维罐体顶端；同时，所述第一碳纤维垫块垫设在碳纤维罐体内底部，其上放置有煤岩体；所述顶棒自罐釜盖上向下延伸至碳纤维罐体内部，顶棒的外周安装有锁紧装置，顶棒底部安装有第二碳纤维垫块。
作为本发明的优选方式之一，所述压力罐的一端设置有进气端，通过气管连接所述供排气及气体流量监测模块的气瓶，所述气瓶与进气端之间的气管上设置有气阀、进口流量计、第一阀门；所述压力罐的另一端设置有出气端，通过气管依次连接所述供排气及气体流量监测模块的红外线气体分析仪、CO2吸收塔、CH4吸收塔、气体收集装置，所述出气端与红外线气体分析仪之间的气管上设置有第二阀门、第四阀门，CO2吸收塔与CH4吸收塔之间的气管上设置有第一出口流量计，CH4吸收塔和气体收集装置之间的气管上设置有第二出口流量计，第二阀门与抽真空模块之间的气管上设置有第三阀门。
作为本发明的优选方式之一，所述气瓶内装有N2、CO2、CH4混合气体；所述CH4吸收塔，其内部装有Mofs材料，用以吸收CH4气体；所述CO2吸收塔，其内部装有ZSM-5整体柱材料，用以吸收CO2气体。
作为本发明的优选方式之一，所述抽真空模块包括真空泵和两个真空压力表；其中，所述两个真空压力表分别布置在压力罐的进气端、出气端管路上，分别为第一真空压力表、第二真空压力表。
作为本发明的优选方式之一，所述CT扫描模块包括X-射线管和CT接收器，通过将装载有煤岩体的压力罐放置于所述X-射线管、CT接收器之间，来实时监测煤样特征。
作为本发明的优选方式之一，所述信息收集处理模块包括计算机；所述计算机采集进口流量计、出口流量计以及煤岩体的位移、受力数据，并通过数据处理分析，得出应力-应变图与气体体积-吸附时间图。
一种上述结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统的使用方法，当用于CH4气体吸附试验时，步骤如下：
(1)准备工作；
(2)将煤岩体试样放入压力罐中，连接管路，对整个系统进行抽真空；
(3)抽真空完成后，先向压力罐中注入氦气，由于氦气属于惰性气体，不会吸附于煤样当中，让其进行吸附3h，观察出口流量计示数；随后，向罐内通入CO2气体，同样进行上述步骤，观察出口流量计示数，若出现流量差，计算出罐内死空间有多少气体流量；
(4)上述工作完成后，开始进行试验；关闭压力罐出气端的供排气及气体流量监测模块部分，随后打开气瓶以及气瓶与压力罐进气端之间的阀门、进口流量计，进行注气24h；期间，进口流量计、出口流量计的数据实时导入信息收集处理模块；
(5)吸附完成后，将压力罐断开放入CT室，通过CT扫描模块进行扫描；
(6)扫描结束后，连接管路，打开压力罐出气端的阀门以及出口流量计，CO2吸收塔和CH4吸收塔将气体中的CO2和CH4吸收，最后将气体收入气体收集装置中，防止污染大气；
(7)试验结束，取出试样，通过信息收集处理模块进行数据处理。
一种上述结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统的使用方法，当用于受载煤样瓦斯吸附加载试验时，步骤如下：
(1)准备工作；
(2)将煤岩体试样放入压力罐中，连接管路，对整个系统进行抽真空；
(3)抽真空完毕后，将压力罐放入外部压力架中；控制外部压力架的力杆下降，当力杆接触到压力罐的顶棒时，使力杆将顶棒往下压，当顶棒底部的第二碳纤维垫块与煤岩体重合时，停止；
(4)打开气阀，再打开进口流量计，向压力罐中注气，开始试验；
(5)在加载过程中，信息收集处理模块实时采集力杆上位移传感器和力传感器的数据；当压力达到10MPa时，停止加载，关闭顶棒上的锁紧装置，将顶棒固定住；将压力罐放入放入CT室，通过CT扫描模块进行扫描；扫描结束后，再将压力罐放回外部压力架中，打开锁紧装置，继续加载；
(6)加载期间，根据需求多次扫描；
(7)当扫描试样出现明显变形和出现裂缝时，停止试验，进行最后一次扫描；扫描结束后，打开压力罐出气端的阀门，将气体收集装置与压力罐相连，将气体收入气体收集装置中，防止污染；
(8)关闭CT，取出试样；
(9)若加载过程中出现失控，立即按下紧急急停按钮，仪器停止，保证实验安全。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明提供一种CT实时扫描气-固-力耦合与应力加载试验系统及使用方法，可以通过CT扫描系统进行实时扫描，实时监测煤样在吸附气体过程中变形特征，同时可以通过气体流量监测系统探究煤样对多元气体的选择性吸附行为及其控制因素；并且借助该系统开展煤样气体吸附加载试验，在吸附完成后对煤样进行轴向加载，观察在注气压力和加载的共同作用下煤样内部裂隙演化特征，探究吸附气体对煤样力学参数的影响规律；本发明解决了无法捕捉获取煤体在整个耦合-加载过程中的关键参数变化与裂隙演化规律，为揭示煤层应力与瓦斯压力耦合响应机制以及研究废弃矿井抽采煤层气关键技术奠定了关键基础。
附图说明
图1是实施例1中外部压力架的正视结构示意图；
图2是实施例1中外部压力架的俯视结构示意图；
图3是实施例1中压力罐的结构示意图；
图4是实施例1中压力加载模块的组合结构示意图；
图5是实施例1中供排气及气体流量监测模块和抽真空模块的结构示意图；
图6是实施例1中CT扫描模块的使用原理示意图；
图7是实施例1中信息收集处理模块的结构示意图；
图8是实施例1中用于受载煤样瓦斯吸附加载试验时的气-固-力耦合试验系统的整体结构示意图；
图9是实施例1中用于CH4气体吸附试验时的气-固-力耦合试验系统的整体结构示意图；
图10是实施例2中吸附完成后的煤体内部裂隙分布图；
图11是实施例2中最终得到的进口气体体积-吸附时间图；
图12是实施例3中最终得到的应力-应变图。
图中：1为压力加载模块，11为外部压力架，111为架体，112为力杆，113为升降旋钮，114为调速器，115为智能触摸屏，116为紧急急停按钮，117为开关，12为压力罐，121为底座，122为碳纤维罐体，123为罐釜盖，124为第一碳纤维垫块，125为煤岩体，126为第二碳纤维垫块，127为顶棒，128为锁紧装置，129为螺杆，2为供排气及气体流量监测模块，21为气瓶，211为气阀，22为进口流量计，23为阀门，231为第一阀门，232为第二阀门，233为第三阀门，234为第四阀门，24为红外线气体分析仪，25为CO2吸收塔，26为出口流量计，261为第一出口流量计，262为第二出口流量计，27为CH4吸收塔，28为气体收集装置，3为抽真空模块，31为真空泵，32为第一真空压力表，33为第二真空压力表，4为CT扫描模块，41为X-射线管，4CT接收器，5为信息收集处理模块，51为计算机。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例的一种结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，如图1～9所示，包括压力加载模块1、供排气及气体流量监测模块2、抽真空模块3、CT扫描模块4和信息收集处理模块5。所述压力加载模块1包括外部压力架11以及放置于外部压力架11内部的压力罐12，外部压力架11用于向压力罐12中放置的煤岩体125施加压力。所述供排气及气体流量监测模块2与压力加载模块1的压力罐12相连，包括气瓶21、进口流量计22、阀门23、红外线气体分析仪24、CO2吸收塔25、出口流量计26、CH4吸收塔27和气体收集装置28；气瓶21用于向压力罐12供气，红外线气体分析仪24用于分析经压力罐12后的气体成分，CO2吸收塔25、CH4吸收塔27和气体收集装置28用于吸收废气。所述抽真空模块3与供排气及气体流量监测模块2相连，用于对压力加载模块1、供排气及气体流量监测模块2抽真空处理。所述CT扫描模块4用于对压力罐12中的煤岩体125进行扫描。所述信息收集处理模块5用于采集进口流量计22、出口流量计26以及煤岩体125的位移、受力数据，并进行数据处理分析。
具体地，本实施例中：外部压力架11又叫门式框架结构压力装置，包括架体111、设置于架体111内部的力杆112以及设置于架体111外部的升降旋钮113、调速器114、智能触摸屏115、紧急急停按钮116、开关117。其中，力杆112用于向下施压于压力罐112，升降旋钮113用于旋转调节力杆112升降，调速器114用于调整力杆112上升/下降速率，智能触摸屏115用于设置力杆112压力、位移保护值，紧急急停按钮116用于急停力杆，开关117用于整个外部压力架11装置的运行/停止。
压力罐12为碳纤维压力罐，包括底座121、碳纤维罐体122、罐釜盖123、第一碳纤维垫块124、煤岩体125、第二碳纤维垫块126以及顶棒127、锁紧装置128。碳纤维罐体122位于底座121之上，罐釜盖123通过螺杆129与螺母可拆卸安装于碳纤维罐体122顶端；同时，第一碳纤维垫块124垫设在碳纤维罐体122内底部，其上放置有煤岩体125；顶棒127自罐釜盖123上向下延伸至碳纤维罐体122内部，顶棒127的外周安装有锁紧装置128，顶棒127底部安装有第二碳纤维垫块126。
具体地，本实施例中：压力罐12的一端设置有进气端，通过气管连接供排气及气体流量监测模块2的气瓶21，气瓶21与进气端之间的气管上设置有气阀211、进口流量计22、第一阀门231；压力罐12的另一端设置有出气端，通过气管依次连接所述供排气及气体流量监测模块2的红外线气体分析仪24、CO2吸收塔25、CH4吸收塔27、气体收集装置28，出气端与红外线气体分析仪24之间的气管上设置有第二阀门232、第四阀门234，CO2吸收塔25与CH4吸收塔27之间的气管上设置有第一出口流量计261，CH4吸收塔27和气体收集装置28之间的气管上设置有第二出口流量计262，第二阀门232与抽真空模块3之间的气管上设置有第三阀门233。
具体地，本实施例中：抽真空模块3包括真空泵31和两个真空压力表。其中，两个真空压力表分别布置在压力罐12的进气端、出气端管路上，分别为第一真空压力表32、第二真空压力表33。
具体地，本实施例中：CT扫描模块4包括X-射线管41和CT接收器42，通过将装载有煤岩体125的压力罐12放置于所述X-射线管41、CT接收器42之间，来实时监测煤样特征。
具体地，本实施例中：信息收集处理模块5包括计算机51。计算机51采集进口流量计22、出口流量计26以及煤岩体125的位移、受力数据，并通过数据处理分析，得出应力-应变图与气体体积-吸附时间图。
此外，需要注意的是，本实施例系统的气瓶21内装有多元混合气体(不同配比的N2、CO2、CH4)；
阀门23均为耐高压和气体耐腐蚀阀门；
CH4吸收塔27，其内部装有Mofs材料，用以吸收CH4气体；CO2吸收塔25，其内部装有ZSM-5整体柱材料，用以吸收CO2气体；气体收集装置28，可以收集除CO2和CH4之外的气体，防止其污染空气；
红外线气体分析仪24，可以分析气体内部成分；
进口流量计22、出口流量计26为热式气体流量计，高压力低流量，承受最大气体压力20MPa，量程是0-100SCCM，精度是≤±1.0％F.S；
外部压力架11，由智能触摸屏115保护控制，其设置的保护值为：最大压力100kN，力值精度高于±1％，位移精度高于0.0025mm±0.5％；
调速器114可以调节加载速率，可调节为0.01～500mm/min，无级调速±1％(0.01～10mm/min)；
紧急急停按钮116可以停止仪器运行，保证试验安全；
碳纤维罐体122、螺杆129、罐釜盖123均是由碳纤维材料构成，可以放进CT扫描模块4进行扫描；碳纤维垫块可以在进行CT扫描时，减少伪影的影响；
锁紧装置128，当进行加载时，可以关闭锁紧装置128，可以固定顶棒127，达到保压的效果；
压力罐12最大承受气压12MPa，内部空间为100*230mm；
煤岩体125适合尺寸为25*50mm～50*100mm的样品；
真空泵31，超静音，抽真空速率为28L/min，真空度为24”Hg。
本实施例系统可用于CH4气体吸附试验以及受载煤样瓦斯吸附加载试验。且当用于CH4气体吸附试验时，系统结构图如图9所示；当用于受载煤样瓦斯吸附加载试验时，系统结构图如图8所示。
实施例2
本实施例的一种CH4气体吸附试验，利用实施例1系统(参见图9)进行，具体步骤如下：
(1)启动CT扫描模块4，开始进行热机、抽真空等准备工作。
(2)将煤岩体125试样放入压力罐12中，连接管路，关闭各流量计，打开第二阀门232、第三阀门233，对整个系统进行抽真空。
(3)抽真空完成后，先向压力罐12中注入氦气，由于氦气属于惰性气体，不会吸附于煤样当中，让其进行吸附3h，观察出口流量计26示数；随后，向罐内通入CO2气体，同样进行上述步骤，观察出口流量计26示数，若出现流量差，可以计算出罐内死空间有多少气体流量。
(4)上述工作完成后，开始进行试验；关闭第二阀门232、第三阀门233，打开气瓶21；随后打开第一阀门231和进口流量计22，进行注气24h；期间，进口流量计22、出口流量计26的数据会实时导入信息收集处理模块。
(5)吸附完成后，关闭气阀211，断开第一阀门231、第二阀门232，将压力罐12断开放入CT室，通过CT扫描模块4进行扫描，裂隙结果如图10所示。
(6)扫描结束后，连接管路，打开第二阀门232、第四阀门234，并打开第一出口流量计261、第二出口流量计262，CO2吸收塔25和CH4吸收塔27将气体中的CO2和CH4吸收，最后将气体收入气体收集装置28中，防止污染大气。
(7)试验结束，取出试样，通过信息收集处理模块5进行数据处理，得到如图11所示的进口气体体积-吸附时间图。
实施例3
本实施例的一种受载煤样瓦斯吸附加载试验，利用实施例1系统(参见图8)进行，具体步骤如下：
(1)启动CT扫描模块4，开始进行热机、抽真空等准备工作。
(2)将煤岩体125试样放入压力罐12中，连接管路，关闭各流量计，打开第二阀门232、第三阀门233，对整个系统进行抽真空。
(3)抽真空完毕后，关闭第二阀门232、第三阀门233，并断开第二阀门232，将压力罐12放入外部压力架11中，打开智能触摸屏115，调节调速器114，将力杆112以一定的速率往下降，当力杆112接触到顶棒127时，调节调速器114，以一定稳定的速率将顶棒127往下压，当顶棒127底部的第二碳纤维垫块126与煤岩体125重合时，停止。
(4)打开气阀211，再打开进口流量计22，以一定的压力向压力罐12中注气，注入一定的压力后，调节速率，开始试验。
(5)在加载过程中，信息收集处理模块5实时采集力杆112上位移传感器和力传感器的数据；当压力达到10MPa时，停止加载，关闭顶棒127上的锁紧装置128，将顶棒127固定住，断开第一阀门231；将压力罐12放入放入CT室，通过CT扫描模块4进行扫描；扫描结束后，再将压力罐12放回外部压力架1中，打开锁紧装置128，继续加载。
(6)在加载期间，可以根据自己的试验方案，进行多次扫描。
(7)当扫描试样出现明显变形和出现裂缝时，停止试验，进行最后一次扫描；扫描结束后，连接第二阀门232，并打开第四阀门234，将气体收入气体收集装置28中，防止污染。
(8)关闭CT，取出试样，通过信息收集处理模块5进行数据处理，得到如图12所示的应力-应变图。
(9)若加载过程中出现失控，立即按下紧急急停按钮116，仪器停止，保证实验安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，包括：
压力加载模块，所述压力加载模块包括外部压力架以及放置于所述外部压力架内部的压力罐；所述外部压力架用于向压力罐中放置的煤岩体施加压力；
供排气及气体流量监测模块，所述供排气及气体流量监测模块与所述压力加载模块的压力罐相连，包括气瓶、进口流量计、阀门、红外线气体分析仪、CO2吸收塔、出口流量计、CH4吸收塔和气体收集装置；所述气瓶用于向压力罐供气，红外线气体分析仪用于分析经压力罐后的气体成分，CO2吸收塔、CH4吸收塔和气体收集装置用于吸收废气；
抽真空模块，所述抽真空模块与所述供排气及气体流量监测模块相连，用于对所述压力加载模块、供排气及气体流量监测模块抽真空处理；
CT扫描模块，所述CT扫描模块用于对压力罐中的煤岩体试样进行扫描；
信息收集处理模块，所述信息收集处理模块用于采集进口流量计、出口流量计以及煤岩体的位移、受力数据，并进行数据处理分析。
2.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述外部压力架包括架体、设置于架体内部的力杆以及设置于架体外部的升降旋钮、调速器、智能触摸屏、紧急急停按钮、开关；其中，所述力杆用于向下施压于压力罐，升降旋钮用于旋转调节力杆升降，调速器用于调整力杆上升/下降速率，智能触摸屏用于设置力杆压力、位移保护值，紧急急停按钮用于急停力杆，开关用于整个外部压力架装置的运行/停止。
3.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述压力罐为碳纤维压力罐，包括底座、碳纤维罐体、罐釜盖、第一碳纤维垫块、煤岩体、第二碳纤维垫块以及顶棒和锁紧装置；所述碳纤维罐体位于底座之上，罐釜盖通过螺杆与螺母安装于碳纤维罐体顶端；同时，所述第一碳纤维垫块垫设在碳纤维罐体内底部，其上放置有煤岩体；所述顶棒自罐釜盖上向下延伸至碳纤维罐体内部，顶棒的外周安装有锁紧装置，顶棒底部安装有第二碳纤维垫块。
4.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述压力罐的一端设置有进气端，通过气管连接所述供排气及气体流量监测模块的气瓶，所述气瓶与进气端之间的气管上设置有气阀、进口流量计、第一阀门；所述压力罐的另一端设置有出气端，通过气管依次连接所述供排气及气体流量监测模块的红外线气体分析仪、CO2吸收塔、CH4吸收塔、气体收集装置，所述出气端与红外线气体分析仪之间的气管上设置有第二阀门、第四阀门，CO2吸收塔与CH4吸收塔之间的气管上设置有第一出口流量计，CH4吸收塔和气体收集装置之间的气管上设置有第二出口流量计，第二阀门与抽真空模块之间的气管上设置有第三阀门。
5.根据权利要求4所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述气瓶内装有N2、CO2、CH4混合气体；所述CH4吸收塔，其内部装有Mofs材料，用以吸收CH4气体；所述CO2吸收塔，其内部装有ZSM-5整体柱材料，用以吸收CO2气体。
6.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述抽真空模块包括真空泵和两个真空压力表；其中，所述两个真空压力表分别布置在压力罐的进气端、出气端管路上，分别为第一真空压力表、第二真空压力表。
7.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统，其特征在于，所述CT扫描模块包括X-射线管和CT接收器，通过将装载有煤岩体的压力罐放置于所述X-射线管、CT接收器之间，来实时监测煤样特征。
8.根据权利要求1所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法，其特征在于，所述信息收集处理模块包括计算机；所述计算机采集进口流量计、出口流量计以及煤岩体的位移、受力数据，并通过数据处理分析，得出应力-应变图与气体体积-吸附时间图。
9.一种如权利要求1～8任一所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统的使用方法，其特征在于，当用于CH4气体吸附试验时，步骤如下：
(1)准备工作；
(2)将煤岩体试样放入压力罐中，连接管路，对整个系统进行抽真空；
(3)抽真空完成后，先向压力罐中注入氦气，由于氦气属于惰性气体，不会吸附于煤样当中，让其进行吸附3h，观察出口流量计示数；随后，向罐内通入CO2气体，同样进行上述步骤，观察出口流量计示数，若出现流量差，计算出罐内死空间有多少气体流量；
(4)上述工作完成后，开始进行试验；关闭压力罐出气端的供排气及气体流量监测模块部分，随后打开气瓶以及气瓶与压力罐进气端之间的阀门、进口流量计，进行注气24h；期间，进口流量计、出口流量计的数据实时导入信息收集处理模块；
(5)吸附完成后，将压力罐断开放入CT室，通过CT扫描模块进行扫描；
(6)扫描结束后，连接管路，打开压力罐出气端的阀门以及出口流量计，CO2吸收塔和CH4吸收塔将气体中的CO2和CH4吸收，最后将气体收入气体收集装置中，防止污染大气；
(7)试验结束，取出试样，通过信息收集处理模块进行数据处理。
10.一种如权利要求1～8任一所述的结合CT实时扫描的气-固-力耦合试验系统的使用方法，其特征在于，当用于受载煤样瓦斯吸附加载试验时，步骤如下：
(1)准备工作；
(2)将煤岩体试样放入压力罐中，连接管路，对整个系统进行抽真空；
(3)抽真空完毕后，将压力罐放入外部压力架中；控制外部压力架的力杆下降，当力杆接触到压力罐的顶棒时，使力杆将顶棒往下压，当顶棒底部的第二碳纤维垫块与煤岩体重合时，停止；
(4)打开气阀，再打开进口流量计，向压力罐中注气，开始试验；
(5)在加载过程中，信息收集处理模块实时采集力杆上位移传感器和力传感器的数据；当压力达到10MPa时，停止加载，关闭顶棒上的锁紧装置，将顶棒固定住；将压力罐放入放入CT室，通过CT扫描模块进行扫描；扫描结束后，再将压力罐放回外部压力架中，打开锁紧装置，继续加载；
(6)加载期间，根据需求多次扫描；
(7)当扫描试样出现明显变形和出现裂缝时，停止试验，进行最后一次扫描；扫描结束后，打开压力罐出气端的阀门，将气体收集装置与压力罐相连，将气体收入气体收集装置中，防止污染；
(8)关闭CT，取出试样；
(9)若加载过程中出现失控，立即按下紧急急停按钮，仪器停止，保证实验安全。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211729494.8A CN116124804A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种结合ct实时扫描的气-固-力耦合试验系统及使用方法 |
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|---|---|
| CN116124804A true CN116124804A (zh) | 2023-05-16 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116124804A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117388070A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 中国矿业大学(北京) | 一种气固耦合微观动态原位试验系统及试验方法 |
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2022
- 2022-12-30 CN CN202211729494.8A patent/CN116124804A/zh not_active Withdrawn
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