CN203785967U - 一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统。本实用新型能够同时实时测量高温高压作用下三轴煤岩试样的表面温度、轴向载荷、轴向应变、声发射信号和实时采集高温高压下煤岩试样的相变气体产物，对研究高温高压下三轴煤岩的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂规律以及煤岩的相变气体产生量提供了有效的实验设备及有效依据；同时可以考察温度、轴向压力和围压对煤岩变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂特性的影响规律，探索温度、轴向压力、围压和煤岩变形对煤岩相变气体产生量的影响规律，这对定量表征高温高压下三轴煤岩力学特性和物理化学性能提供了有效的实验装备。

Description

一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，用以研究高温高压下三轴煤岩的变形特性、裂纹萌生和扩展规律，还有煤岩的相变气体产生量及其与煤岩变形的关系规律。

背景技术

在人类对深部采矿、煤层气开采、地热资源开采、煤炭地下液化与气化以及深部油气开采等深部资源能源开发过程中，迫切需要探索高温高压作用下岩体的特性。在煤炭开采过程中，煤是一种对温度、压力和构造应力都十分敏感的有机岩，在高温高压作用下，煤的变形特性、断裂特性以及煤变形发生的气体产生和突出现象影响煤炭开采的安全，比如，煤矿开采过程中经常发生因岩体断裂、垮落等引起的冒顶现象以及瓦斯突出事故。因此，模拟地壳深部岩石的三轴受力性态，提供一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法，揭示高温高压下煤岩的变形特性、裂纹萌生和扩展规律以及煤岩的热解反应，对煤田地质和矿井瓦斯预测与防治具有重要的理论指导意义。

目前，常用的高温高压煤岩试验装置及方法有：专利号为CN201110267767公开的一种含有机质岩体的高温高压三轴试验装置及方法，仅研究高温高压下大块有机质岩体的热解产物；专利号为CN201320138995公开的一种型煤高温高压气化特性评价装置，考察反应温度、气化压力、气化剂流量对型煤气化后气体组成、焦油产率、气化反应性、飞灰带出物、灰渣状态等的影响，只能对高温高压下型煤的气化特性进行评价；专利申请号为CN201310121184公开的一种覆压加温下煤岩孔渗电声应力应变联测装置，研究高温高压三轴作用下煤岩样品的孔隙度、气水相对渗透率、应力应变曲线、电阻率和声波速度，未探讨煤岩样品的断裂特性和热解反应；专利申请号为CN201310220946和CN201310220947公开的一种高温高压热解反应的试验装置及方法，只提供研究高温高压下油页岩和低变质煤热解反应的三轴试验装置及方法。但是，对于实验过程中，能同时研究高温高压下煤岩的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂规律以及煤岩热解反应的多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法还没有。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，是一种功能齐全、方法简便、易操作的高温高压三轴煤岩试验装置，可以用以研究高温高压下煤岩的变形特性、裂纹萌生和扩展规律，还有煤岩的相变气体产生量及其与煤岩变形的关系规律。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统：

所述加载系统包括基架、下加载单元、围压加载单元和上加载单元；

所述基架包括底座、对称设置在底座上的两个支撑立柱、水平固定在两个支撑立柱下部的支架、水平固定在两个支撑立柱上部的承载梁；所述支架中部开设有通孔；

所述下加载单元包括带有位移传感器的液压升降台、设置在液压升降台上的下压缩盘、设置在下压缩盘上的加载块、设置在加载块上的T型块、设置在T型块上的下压头，所述液压升降台设置在底座的中部，所述加载块的上表面设置有与T型块大的下端相适配的定位结构；

所述围压加载单元包括筒体、设置在筒体内部下端的环形圆盘、设置在环形圆盘上端的A叶蜡石粉层、设置在A叶蜡石粉层上端的盐环、设置在盐环上端的B叶蜡石粉层、设置在B叶蜡石粉层上端的环形螺纹套，煤岩试样设置在筒体内；

所述上加载单元包括上压头、设置在上压头上的A圆柱压块、设置在A圆柱压块上的凸型块、与凸型块相适配的压盖，设置在凸型块上的B中间压块、设置在B中间压块上的上压缩盘；

所述环形圆盘的外截面、A叶石蜡粉层的外截面、盐环的外截面和B叶石蜡粉层的外截面与筒体相应位置处的内截面形状相同；支架中部的通孔形状、T型块小的上端的横截面、下压头的横截面、煤岩试样的横截面、上压头的横截面、环形圆盘的内截面、A叶石蜡粉层的内截面、盐环的内截面、B叶石蜡粉层的内截面形状相同；所述T型块小的上端依次穿过支架中部的通孔、环形圆盘中部的通孔和A叶石蜡粉层中部的通孔，所述的下压头、煤岩试样、上压头和A圆柱压块由下至上依次叠放在T型块的小端面上，并置于由下至上依次叠放的A叶石蜡粉层、盐环、B叶石蜡粉层和环形螺纹套共同形成的通道内，所述的煤岩试样包括中部的煤岩和煤岩周围包裹的组合套件，所述组合套件由内至外依次为紫铜皮、云母板、电阻合金片和云母板，其中电阻合金片上下两端分别与上压头和下压头接触；所述的A叶石蜡粉层、盐环、B叶石蜡粉层和A圆柱压块置于筒体内，所述的环形螺纹套外部与筒体上端通过螺纹连接；所述筒体的下端与支架固定，所述凸型块大的下端盖住筒体的上端口，并通过压盖固定在筒体上，所述上压缩盘与承载梁固定；所述承载梁上设置有拉压传感器；

所述温控加热系统包括加热电极板、组合套件中的电阻合金片、盐环、设置在盐环内的热电偶计、智能化温控仪和双向可控硅；所述加热电极板置于加载块与下压缩盘之间，并与加载块底面接触，与下压缩盘之间隔有耐高温绝缘板；所述热电偶计的输出信号接入智能化温控仪，所述智能化温控仪上的双向可控硅对加热电极板进行控制；

所述声发射测量系统包括设置在加载块侧面的声发射传感器；

所述气体采样系统包括耐高温不锈钢管、气体采样器、安装在气体采样器上的气体采样袋，所述耐高温不锈钢管设置在压盖上，高温高压作用下煤岩相变产生的气体依次通过上压头上的通孔、上压头和A圆柱压块接触面之间的缝隙、A圆柱压块中部的通孔、与A圆柱压块中部的通孔相连通的凸型块大的端面径向孔、凸型块和压盖接触面之间的缝隙、压盖上的通孔而进入耐高温不锈钢管内，并将其引出至气体采样器；

所述绝缘与密封结构包括设置在凸型块和B中间压块之间的A云母板、设置在下压缩盘和加热电极板之间的耐高温绝缘板、设置在凸型块和压盖台阶面之间的A紫铜垫、设置在压盖和筒体接触面之间的B紫铜垫、设置在T型块和下压头接触面之间的C紫铜垫、设置在支架和筒体接触面之间的D紫铜垫、设置在支架和T型块之间的耐高温高压YX型密封圈；

所述冷却系统包括缠绕在耐高温不锈钢管外侧的A冷却水管和缠绕在筒体外侧的B冷却水管。

优选的，所述筒体的下端通过A沉头螺钉与支架固定，所述压盖通过B沉头螺钉与筒体固定，在凸型块和压盖台阶面接触边缘、A沉头螺钉和B沉头螺钉的头部均涂有耐高温绝缘胶。

优选的，所述液压升降台为WEW-600微机控制屏显万能材料试验机的液压升降台。

有益效果：本实用新型提供的多功能高温高压三轴煤岩试验装置，相比现有技术，能够同时实时测量高温高压作用下煤岩试样的环境温度、轴向载荷、轴向应变、声发射信号和实时采集高温高压下煤岩试样的相变气体产物，对研究高温高压下煤岩的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂规律，煤岩的相变气体产生量提供了有效的实验设备及有效依据；同时可以考察温度、围压和轴向压力对煤岩变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂特性的影响规律，探索温度、围压、轴向压力和煤岩变形对煤岩相变气体产生量的影响规律，这对定量表征高温高压下煤岩力学特性和物理化学性能提供了有效的实验装备；其结构简单、操作简便、功能齐全、效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中：1-支撑立柱，2-承载梁，3-B中间压块，4-上压缩盘，5-耐高温不锈钢管，6-A紫铜垫，7-A冷却水管，8-B紫铜垫，9-A圆柱压块，10-B冷却水管，11-盐环，12-组合套件（紫铜皮、云母板、电阻合金片、云母板），13-气体采样器，14-气体采样袋，15-支架，16-D紫铜垫，17-A沉头螺钉，18-加热电极板，19-耐高温绝缘板，20-加载块，21-底座，22-液压升降台，23-下压缩盘，24-T型块，25-声发射传感器，26-耐高温高压YX型密封圈，27-环形圆盘，28-C紫铜垫，29-A叶蜡石粉层，30-下压头，31-筒体，32-热电偶计，33-煤岩试样，34-B叶蜡石粉层，35-上压头，36-环形螺纹套，37-B沉头螺钉，38-压盖，39-凸型块，40-A云母板，41-智能化温控仪，42-双向可控硅。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示为一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统。

所述加载系统包括基架、下加载单元、围压加载单元和上加载单元。

所述基架包括底座21、对称设置在底座21上的两个支撑立柱1、水平固定在两个支撑立柱1下部的支架15、水平固定在两个支撑立柱1上部的承载梁2；所述支架15中部开设有通孔。

所述下加载单元包括带有位移传感器的WEW-600微机控制屏显万能材料试验机（最大压缩力600kN）的液压升降台22、设置在液压升降台22上的下压缩盘23、设置在下压缩23上的加载块20、设置在加载块20上的T型块24、设置在T型块24上的下压头30，所述液压升降台22设置在底21的中部，所述加载块20的上表面设置有与T型块24大的下端相适配的定位结构。

所述围压加载单元包括筒体31、设置在筒体31内部下端的环形圆盘27、设置在环形圆盘27上端的A叶蜡石粉层29（叶蜡石粉具有化学惰性、熔点高、耐高温高压和传温、传压均匀性等特征）、设置在A叶蜡石粉层29上端的盐环11、设置在盐环11上端的B叶蜡石粉层34、设置在B叶蜡石粉层34上端的环形螺纹套36，煤岩试样33设置在筒体31内。

所述上加载单元包括上压头35、设置在上压头35上的A圆柱压块9、设置在A圆柱压块9上的凸型块39、与凸型块39相适配的压盖38，设置在凸型块39上的B中间压块3、设置在B中间压块3上的上压缩盘4。

所述环形圆盘27的外截面、A叶石蜡粉层29的外截面、盐环11的外截面和B叶石蜡粉层34的外截面与筒体31相应位置处的内截面形状相同；支架15中部的通孔形状、T型块24小的上端的横截面、下压头30的横截面、煤岩试样33的横截面、上压头35的横截面、环形圆盘27的内截面、A叶石蜡粉层29的内截面、盐环11的内截面、B叶石蜡粉层34的内截面形状相同；所述T型块24小的上端依次穿过支架15中部的通孔、环形圆盘27中部的通孔和A叶石蜡粉层29中部的通孔，所述的下压头30、煤岩试样33、上压头35和A圆柱压块由下至上依次叠放在T型块24的小端面上，并置于由下至上依次叠放的A叶石蜡粉层29、盐环11、B叶石蜡粉层34和环形螺纹套36共同形成的通道内，所述的煤岩试样33包括中部的煤岩和煤岩周围包裹的组合套件12，所述组合套件12由内至外依次为紫铜皮、云母板（最高工作温度800℃）、电阻合金片和云母板，确保电阻合金片与紫铜皮之间的绝缘，其中电阻合金片上下两端分别与上压头35和下压头30接触；所述的A叶石蜡粉层29、盐环11、B叶石蜡粉层34和A圆柱压块9置于筒体31内，所述的环形螺纹套36外部与筒体31上端通过螺纹连接；所述筒体31的下端与支架15固定，所述凸型块39大的下端盖住筒体31的上端口，并通过压盖38固定在筒体31上，所述上压缩盘4与承载梁2固定；所述的筒体31呈厚壁圆筒状，采用热塑模具钢（H13）加工制作，该钢材相变温度为800℃；所述承载梁2上设置有拉压传感器，所述拉压传感器用于测量压缩过程中煤岩承受的轴向载荷和煤岩变形量。

所述温控加热系统包括加热电极板18、组合套件12中的电阻合金片、盐环11、设置在盐环11内的热电偶计32、智能化温控仪41和双向可控硅42；所述加热电极板18置于加载块20与下压缩盘23之间，并与加载块20底面接触，与下压缩盘23之间隔有耐高温绝缘板19；所述热电偶计32的输出信号接入智能化温控仪41，所述智能化温控仪41上的双向可控硅42对加热电极板18进行控制。

所述声发射测量系统包括设置在加载块20侧面的声发射传感器25，在加载块20侧面和声发射传感器25之间涂有耦合剂。

所述气体采样系统包括耐高温不锈钢管5、气体采样器13、安装在气体采样器上的气体采样袋14，所述耐高温不锈钢管5设置在压盖38上，高温高压作用下煤岩相变产生的气体依次通过上压头35上的通孔、上压头35和A圆柱压块9接触面之间的缝隙、A圆柱压块9中部的通孔、与A圆柱压块9中部的通孔相连通的凸型块39大的端面径向孔、凸型块39和压盖38接触面之间的缝隙、压盖38上的通孔而进入耐高温不锈钢管5内，并将其引出至气体采样器13。

所述绝缘与密封结构包括设置在凸型块39和B中间压块3之间的A云母板40、设置在下压缩盘23和加热电极板18之间的耐高温绝缘板19、设置在凸型块39和压盖38台阶面之间的A紫铜垫6、设置在压盖38和筒体31接触面之间的B紫铜垫8、设置在T型块24和下压头30接触面之间的C紫铜垫28、设置在支架15和筒体31接触面之间的D紫铜垫16、设置在支架15和T型块24之间的耐高温高压YX型密封圈26；其中云母板和耐高温绝缘板19起到绝缘作用，紫铜垫和密封圈起到密封作用，为了防止高温高压作用下煤岩发生相变产生的气体产物自由扩散。

所述冷却系统包括缠绕在耐高温不锈钢管5外侧的A冷却水管6和缠绕在筒体25外侧的B冷却水管8。

一种多功能高温高压单轴煤岩试验方法，包括如下步骤：

（1）将支架15安装在两个支撑立柱1上，T型块24穿过安装有耐高温高压YX型密封圈的支架15，T型块24大的下端置于加载块20上并通过定位结构定位；所述加载块20置于下压缩盘23上，在加载块20和下压缩盘23之间设置加热电极板18和耐高温绝缘板19；将声发射传感器25置于加载块20的侧面；

（2）将环形圆盘27套在T型块24上，将C紫铜垫28和下压头30依次放置于T型块24上，通过A沉头螺钉17将筒体31固定在支架15上，所述A沉头螺钉17的头部均涂有耐高温绝缘胶，在筒体31和支架15之间垫有D紫铜垫16；将A叶石蜡粉29放入筒体31与下压头30之间的环形间隙内；将煤岩试样33放置于下压头30上，然后将盐11放入筒体31与煤岩试样33之间的环形间隙内，并将热电偶计32埋入盐环11，将盐环,11压实并引出热电偶计32的导线；将上压头35放置于煤岩试样33上，然后将B叶石蜡粉34放入筒体31与上压头35之间的环形间隙内；通过扭矩扳手将环形螺纹套36旋入筒体31，直至压缩B叶蜡石粉层34至一定压缩量（0～10mm），预设煤岩围压大小可通过扭矩转换计算得到，然后将A圆柱压块9放入环形螺纹套36内孔中；

（3）将凸型块39置于筒体31上部端面上，压盖38套在凸型块39上，并通过B沉头螺钉37固定于筒体31上，所述B沉头螺钉37的头部均涂有耐高温绝缘胶；在凸型块39和压盖38台阶面之间设置A紫铜垫6，在筒体31和压盖38接触面之间设置B紫铜垫8，在凸型块39和B中间压块3之间设置A云母板40；

（4）将热电偶计32的引出导线接至智能化温控仪41上，通过双向可控硅42控制加热电极板18上电流的大小；将高温高压作用下煤岩相变产生的气体通过耐高温不锈钢管5引出，经由气体采样器13和气体采样袋14采集；在筒体31的外侧缠绕B冷却水管10，在耐高温不锈钢管5的外侧缠绕A冷却水管7；

（5）通过液压升降台22移动下压缩盘23，使煤岩试样33受压至初始设定轴向载荷，煤岩变形量和轴向载荷值大小分别通过位移传感器和拉压传感器记录；

（6）通过温控加热系统对煤岩试样33加热（加热速率为10℃/h），当达到设定温度时（常温；50℃-600℃，间隔50℃），煤岩试样33保温，增大煤岩试样轴向载荷（轴向载荷增量为20KN）至不同设定轴向载荷值，当达到最大设定轴向载荷值时，停止实验；通过声发射传感器25测量煤岩试样33压缩过程中的声发射信号，运用气体采样系统采集一定预设围压下不同轴向载荷值时对应的煤岩试样33相变产物。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，其特征在于：包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统：

所述加载系统包括基架、下加载单元、围压加载单元和上加载单元；

所述基架包括底座（21）、对称设置在底座（21）上的两个支撑立柱（1）、水平固定在两个支撑立柱（1）下部的支架（15）、水平固定在两个支撑立柱（1）上部的承载梁（2）；所述支架（15）中部开设有通孔；

所述下加载单元包括带有位移传感器的液压升降台（22）、设置在液压升降台（22）上的下压缩盘（23）、设置在下压缩盘（23）上的加载块（20）、设置在加载块（20）上的T型块（24）、设置在T型块（24）上的下压头（30），所述液压升降台（22）设置在底座（21）的中部，所述加载块（20）的上表面设置有与T型块（24）大的下端相适配的定位结构；

所述围压加载单元包括筒体（31）、设置在筒体（31）内部下端的环形圆盘（27）、设置在环形圆盘（27）上端的A叶蜡石粉层（29）、设置在A叶蜡石粉层（29）上端的盐环（11）、设置在盐环（11）上端的B叶蜡石粉层（34）、设置在B叶蜡石粉层（34）上端的环形螺纹套（36），煤岩试样（33）设置在筒体（31）内；

所述上加载单元包括上压头（35）、设置在上压头（35）上的A圆柱压块（9）、设置在A圆柱压块（9）上的凸型块（39）、与凸型块（39）相适配的压盖（38），设置在凸型块（39）上的B中间压块（3）、设置在B中间压块（3）上的上压缩盘（4）；

所述环形圆盘（27）的外截面、A叶石蜡粉层（29）的外截面、盐环（11）的外截面和B叶石蜡粉层（34）的外截面与筒体（31）相应位置处的内截面形状相同；支架（15）中部的通孔形状、T型块（24）小的上端的横截面、下压头（30）的横截面、煤岩试样（33）的横截面、上压头（35）的横截面、环形圆盘（27）的内截面、A叶石蜡粉层（29）的内截面、盐环（11）的内截面、B叶石蜡粉层（34）的内截面形状相同；所述T型块（24）小的上端依次穿过支架（15）中部的通孔、环形圆盘（27）中部的通孔和A叶石蜡粉层（29）中部的通孔，所述的下压头（30）、煤岩试样（33）、上压头（35）和A圆柱压块由下至上依次叠放在T型块（24）的小端面上，并置于由下至上依次叠放的A叶石蜡粉层（29）、盐环（11）、B叶石蜡粉层（34）和环形螺纹套（36）共同形成的通道内，所述的煤岩试样（33）包括中部的煤岩和煤岩周围包裹的组合套件（12），所述组合套件（12）由内至外依次为紫铜皮、云母板、电阻合金片和云母板，其中电阻合金片上下两端分别与上压头（35）和下压头（30）接触；所述的A叶石蜡粉层（29）、盐环（11）、B叶石蜡粉层（34）和A圆柱压块（9）置于筒体（31）内，所述的环形螺纹套（36）外部与筒体（31）上端通过螺纹连接；所述筒体（31）的下端与支架（15）固定，所述凸型块（39）大的下端盖住筒体（31）的上端口，并通过压盖（38）固定在筒体（31）上，所述上压缩盘（4）与承载梁（2）固定；所述承载梁（2）上设置有拉压传感器；

所述温控加热系统包括加热电极板（18）、组合套件（12）中的电阻合金片、盐环（11）、设置在盐环（11）内的热电偶计（32）、智能化温控仪（41）和双向可控硅（42）；所述加热电极板（18）置于加载块（20）与下压缩盘（23）之间，并与加载块（20）底面接触，与下压缩盘（23）之间隔有耐高温绝缘板（19）；所述热电偶计（32）的输出信号接入智能化温控仪（41），所述智能化温控仪（41）上的双向可控硅（42）对加热电极板（18）进行控制；

所述声发射测量系统包括设置在加载块（20）侧面的声发射传感器（25）；

所述气体采样系统包括耐高温不锈钢管（5）、气体采样器（13）、安装在气体采样器上的气体采样袋（14），所述耐高温不锈钢管（5）设置在压盖（38）上，高温高压作用下煤岩相变产生的气体依次通过上压头（35）上的通孔、上压头（35）和A圆柱压块（9）接触面之间的缝隙、A圆柱压块（9）中部的通孔、与A圆柱压块（9）中部的通孔相连通的凸型块（39）大的端面径向孔、凸型块（39）和压盖（38）接触面之间的缝隙、压盖（38）上的通孔而进入耐高温不锈钢管（5）内，并将其引出至气体采样器（13）；

所述绝缘与密封结构包括设置在凸型块（39）和B中间压块（3）之间的A云母板（40）、设置在下压缩盘（23）和加热电极板（18）之间的耐高温绝缘板（19）、设置在凸型块（39）和压盖（38）台阶面之间的A紫铜垫（6）、设置在压盖（38）和筒体（31）接触面之间的B紫铜垫（8）、设置在T型块（24）和下压头（30）接触面之间的C紫铜垫（28）、设置在支架（15）和筒体（31）接触面之间的D紫铜垫（16）、设置在支架（15）和T型块（24）之间的耐高温高压YX型密封圈（26）；

所述冷却系统包括缠绕在耐高温不锈钢管（5）外侧的A冷却水管（7）和缠绕在筒体（31）外侧的B冷却水管（10）。

2.根据权利要求1所述的多功能高温高压三轴煤岩试验装置，其特征在于：所述筒体（31）的下端通过A沉头螺钉（17）与支架（15）固定，所述压盖（38）通过B沉头螺钉（36）与筒体（31）固定，在凸型块（39）和压盖（38）台阶面接触边缘、A沉头螺钉（17）和B沉头螺钉（36）的头部均涂有耐高温绝缘胶。

3.根据权利要求1所述的多功能高温高压三轴煤岩试验装置，其特征在于：所述液压升降台为WEW-600微机控制屏显万能材料试验机的液压升降台。