CN209927685U - 二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置 - Google Patents
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Abstract
二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，包括CO2爆破冲击试验系统，CO2爆破冲击试验系统上设置有动态应力测试系统和静态应力测试系统；CO2爆破冲击试验系统由应力加载机构、爆破冲击机构和气体收集机构组成，应力加载机构包括试件应力加载件和两个法兰盘，两个法兰盘前后并排设置，应力加载件设置在两个法兰盘之间；本实用新型可以对煤体在爆破冲击下的动态信息进行原位一体化测试，其取得的有益效果，一是试验采用圆柱试件可以直接取自现场，避免室内加工对试件原生结构的扰动；二是采用液态CO2相变爆破提供冲击源，既有利于与试件进行对接，又方便控制爆破性能参数；三是各种观测片布置方便；四是避免了大试块试验的笨重、造价高、不方便的困难。
Description
技术领域
本实用新型属于煤矿瓦斯治理中应用CO2爆破冲击增加煤层渗透率的技术领域，具体涉及一种二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置。
背景技术
近几年的工程实践证明，CO2爆破增透是低渗透煤层瓦斯治理的先进本质安全技术，低渗透高瓦斯煤层通过CO2爆破增渗，在煤层中形成一个具有多尺度放射状的裂缝圈，即裂缝卸压圈。在裂缝卸压圈内，地应力场和瓦斯压力场得到重新分布和改变，在此作用下，煤层渗透率提高了1~2个数量级，瓦斯抽采浓度和流量提高了1个数量级，瓦斯抽采达标时间缩短了2/3；煤巷掘进工作面的卸压消突效果显著，掘进速度提高了1~3倍，从而实现高瓦斯煤层的安全快速掘进。
然而，目前对于CO2爆破冲击产生裂隙和增加渗透率的机理并不十分清楚，使得对现场渗透率的增加缺乏科学的评价模型，这样很有可能导致对现场增透效果做出错误的估计，给安全生产带来隐患。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，本实用新型通过对试验煤样在冲击过程的动态应力和应变、二氧化碳压力和温度变化进行观测，从而得到CO2爆破应力波的衰减规律和CO2的流动规律。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，包括CO2爆破冲击试验系统，CO2爆破冲击试验系统上设置有动态应力测试系统和静态应力测试系统；
CO2爆破冲击试验系统由应力加载机构、爆破冲击机构和气体收集机构组成，应力加载机构包括试件应力加载件和两个法兰盘，两个法兰盘前后并排设置，应力加载件设置在两个法兰盘之间，两个法兰盘之间连接有若干根钢制拉杆，每根钢制拉杆的两端部均设有外螺纹，钢制拉杆的两端部分别螺纹连接有紧固螺母，两个紧固螺母分别与两个法兰盘顶压配合；
应力加载件包括热塑密封管，热塑密封管的长度方向沿前后水平方向设置，热塑密封管的轴线穿过法兰盘的圆心，试验煤样设置在热塑密封管内，热塑密封管外侧套有围压钢管，围压钢管的外壁沿轴向方向开设有缺口，缺口的长度为
，
的长度范围为5-10cm，围压钢管的外侧套有管卡件，热塑密封管、围压钢管以及管卡件的长度相等，管卡件由两根半圆管组成，半圆管的两个侧壁上均连接有连接板，两根半圆管上下对称设置，两根半圆管的连接板之间通过若干紧固螺栓连接，紧固螺栓上设有与其配合的螺母；热塑密封管的后端部内还设置有钢制垫块，钢制垫块位于试验煤样后端与后侧的法兰盘之间；
所述的爆破冲击机构设置在前侧的法兰盘上，气体收集机构安装在后侧的法兰盘上。
爆破冲击机构包括CO2爆破管，CO2爆破管同轴线固定在法兰盘的前侧面上，CO2爆破管的前端安装有充气阀，CO2爆破管内安装有剪切片和电加热丝，电加热丝位于剪切片的前侧，CO2爆破管上安装有位于剪切片后侧的第一探针温度计。
气体收集机构包括导气管，所述的钢制垫块的中心处开设有安装插孔，导气管的前端部穿过法兰盘后插设在钢制垫块的安装插孔内，导气管上沿气流方向依次设置有流量计和气体收集箱，气体收集箱上安装有压力表、第二探针温度计以及排气阀。
动态应力测试机构包括若干动态应变片和PVDF压力传感器，试验煤样由若干标准试样依次连接而成，动态应变片设置在每个标准试样上，其中两个PVDF压力传感器分别设置在剪切片和钢制垫块上，其余的PVDF压力传感器分别安装在相邻的两个标准试样连接处。
静态应力测试系统包括若干围压测压环和轴向应变片，若干围压测压环分别安装在紧固螺栓上，在螺母作用下，围压测压环压在连接板上；若干轴向应变片分别安装在钢制拉杆上。
采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供了一种二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，包括CO2爆破冲击试验系统，并在CO2爆破冲击试验系统上设置动态应力测试系统和静态应力测试系统，该装置所用试验煤样直接从煤层钻取，避免了二次加工对原生孔隙结构的扰动，冲击后无需改变试件的破坏状态，直接在原位进行渗透率测试，可以很方便地对CO2爆破冲击前、后煤渗透率的变化进行试验研究；本实用新型可以对煤体在爆破冲击下的动态信息进行原位一体化测试，其取得的有益效果，一是试验采用圆柱试件可以直接取自现场，避免室内加工对试件原生结构的扰动；二是采用液态CO2相变爆破提供冲击源，既有利于与试件进行对接，又方便控制爆破性能参数；三是各种观测片布置方便；四是避免了大试块试验的笨重、造价高、不方便的困难。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是应力加载件的截面图；
图3是围压钢管的截面图。
具体实施方式
如图1-3所示，本实用新型的二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，包括CO2爆破冲击试验系统，CO2爆破冲击试验系统上设置有动态应力测试系统和静态应力测试系统；
CO2爆破冲击试验系统由应力加载机构、爆破冲击机构和气体收集机构组成，应力加载机构包括试件应力加载件和两个法兰盘1，两个法兰盘1前后并排设置，应力加载件设置在两个法兰盘1之间，两个法兰盘1之间连接有若干根钢制拉杆2，每根钢制拉杆2的两端部均设有外螺纹，钢制拉杆2的两端部分别螺纹连接有紧固螺母3，两个紧固螺母3分别与两个法兰盘1顶压配合；
应力加载件包括热塑密封管4，热塑密封管4的长度方向沿前后水平方向设置，热塑密封管4的轴线穿过法兰盘1的圆心，试验煤样5设置在热塑密封管4内，热塑密封管4外侧套有围压钢管6，围压钢管6的外壁沿轴向方向开设有缺口7，缺口7的长度为 
，
的长度范围为5-10cm，围压钢管6的外侧套有管卡件28，热塑密封管4、围压钢管6以及管卡件28的长度相等，管卡件28由两根半圆管8组成，半圆管8的两个侧壁上均连接有连接板，两根半圆管8上下对称设置，两根半圆管8的连接板之间通过若干紧固螺栓9连接，紧固螺栓9上设有与其配合的螺母10；热塑密封管4的后端部内还设置有钢制垫块11，钢制垫块11位于试验煤样5后端与后侧的法兰盘1之间；
所述的爆破冲击机构设置在前侧的法兰盘1上，气体收集机构安装在后侧的法兰盘1上。
爆破冲击机构包括CO2爆破管12，CO2爆破管12同轴线固定在法兰盘1的前侧面上，CO2爆破管12的前端安装有充气阀13，CO2爆破管12内安装有剪切片14和电加热丝15，电加热丝15位于剪切片14的前侧，CO2爆破管12上安装有位于剪切片14后侧的第一探针温度计16。
气体收集机构包括导气管17，所述的钢制垫块11的中心处开设有安装插孔，导气管17的前端部穿过法兰盘1后插设在钢制垫块11的安装插孔内，导气管17上沿气流方向依次设置有流量计18和气体收集箱19，气体收集箱19上安装有压力表20、第二探针温度计21以及排气阀22。
动态应力测试机构包括若干动态应变片23和PVDF压力传感器24，试验煤样5由若干标准试样25依次连接而成，动态应变片23设置在每个标准试样25上，其中两个PVDF压力传感器24分别设置在剪切片14和钢制垫块11上，其余的PVDF压力传感器24分别安装在相邻的两个标准试样25连接处。
静态应力测试系统包括若干围压测压环26和轴向应变片27，若干围压测压环26分别安装在紧固螺栓9上，在螺母10作用下，围压测压环26压在连接板上；若干轴向应变片27分别安装在钢制拉杆2上。
二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置的测试方法，包括以下步骤：
（1）、煤样制作与测点布置：从目标煤层钻取原煤进行取样，选取完整煤样制作标准试样25若干，然后将若干标准试样25之间采用103胶水粘接，形成大约1m长的组合试样作为试验煤样5，在进行粘接的同时在相邻两个标准试样25的连接处布置PVDF压力传感器24，并且在每个标准试样25的表面沿轴向布置动态应变片23，最后对该试验煤样5进行热塑保护使其表面形成热塑密封管4；
（2）、施加应力：首先施加围压，将经过热塑密封的试验煤样5装入围压钢管6内，然后在用两个半圆管8包围，通过不断旋拧紧固螺栓9和螺母10，使围压钢管6的缺口7不断减小，从而在试验煤样5周围形成试件围压，依据弹性理论（清华大学出版社，第3版，P85），使围压钢管6闭合后管内沿环向产生的拉力为：
式中
分别为围压钢管6的内径和外径，E为弹性模量，μ是泊松比；
拉力P与试验煤样5的围压平衡，下一步根据弹性力学厚壁圆筒理论进行试验煤样5表面围压计算，同时，试验煤样5围压也通过贴在试验煤样5表面的动态应变片23进行应变观测，并经过计算得到；
接下来施加轴向应力，首先在CO2爆破管12的后端焊接在法兰盘1上，将应力加载件置于两个法兰盘1之间，再将两个法兰盘1通过若干根钢制拉杆2连接，同时在试验煤岩与法兰盘1之间放置钢制垫块11，通过调整钢制拉杆2上的紧固螺母3，使钢制拉杆2受到拉力，从而在试验煤样5的轴向施加应力，钢制拉杆2上的拉力通过贴在钢制拉杆2表面的轴向应变片27测得；
（3）、连接爆破冲击机构和气体采集机构：将已经完成应力加载的试验煤样5，通过前侧的法兰盘1与CO2爆破管12焊接，形成爆破冲击机构；
接着将导气管17通过钢制垫块11上预留的安装插孔与试验煤样5相连通，并在导气管17的后侧连通到气体收集箱19，在导气管17上安装流量计18，在气体收集箱19上依次安装压力表20、第二探针温度计21以及排气阀22；
（4）、充装CO2：通过充气阀13向CO2爆破管12注入液态CO2，通过第一探针温度计16和剪切片14上的PVDF压力传感器24测得CO2爆破管12内CO2的温度和压力，以判断它处于相变状态；
（5）、通过电加热丝15加热使CO2爆破管12内CO2迅速发生膨胀相变为超临界态高压流体，高压流体冲破剪切片14后冲击试验煤样5；
（6）、应力波传播规律观测：CO2高压冲击的时程曲线通过剪切片14上的PVDF压力传感器24测得，产生的应力波通过相邻标准试样25接缝处的PVDF压力传感器24记录得到，试件动态变形通过试验煤样5表面的动态应变片23记录得到；
（7）、CO2流动规律观测： 通过剪切片14上的PVDF压力传感器24记录试件输入端的CO2压力变化、相邻标准试样25接缝处的PVDF压力传感器24记录试验煤样5各截面的CO2压力变化、气体收集箱19上的压力表20记录试件输出端的压力变化、导气管17上的流量计18记录CO2流量，试验结束后，将这些数据通过作图分析，得到CO2流动规律。
本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，其特征在于：包括CO2爆破冲击试验系统，CO2爆破冲击试验系统上设置有动态应力测试系统和静态应力测试系统；
CO2爆破冲击试验系统由应力加载机构、爆破冲击机构和气体收集机构组成，应力加载机构包括试件应力加载件和两个法兰盘，两个法兰盘前后并排设置，应力加载件设置在两个法兰盘之间，两个法兰盘之间连接有若干根钢制拉杆，每根钢制拉杆的两端部均设有外螺纹，钢制拉杆的两端部分别螺纹连接有紧固螺母，两个紧固螺母分别与两个法兰盘顶压配合；
应力加载件包括热塑密封管，热塑密封管的长度方向沿前后水平方向设置，热塑密封管的轴线穿过法兰盘的圆心，试验煤样设置在热塑密封管内，热塑密封管外侧套有围压钢管，围压钢管的外壁沿轴向方向开设有缺口，缺口的长度为
， 的长度范围为5-10cm，围压钢管的外侧套有管卡件，热塑密封管、围压钢管以及管卡件的长度相等，管卡件由两根半圆管组成，半圆管的两个侧壁上均连接有连接板，两根半圆管上下对称设置，两根半圆管的连接板之间通过若干紧固螺栓连接，紧固螺栓上设有与其配合的螺母；热塑密封管的后端部内还设置有钢制垫块，钢制垫块位于试验煤样后端与后侧的法兰盘之间；
所述的爆破冲击机构设置在前侧的法兰盘上，气体收集机构安装在后侧的法兰盘上。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，其特征在于：爆破冲击机构包括CO2爆破管，CO2爆破管同轴线固定在法兰盘的前侧面上，CO2爆破管的前端安装有充气阀，CO2爆破管内安装有剪切片和电加热丝，电加热丝位于剪切片的前侧，CO2爆破管上安装有位于剪切片后侧的第一探针温度计。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，其特征在于：气体收集机构包括导气管，所述的钢制垫块的中心处开设有安装插孔，导气管的前端部穿过法兰盘后插设在钢制垫块的安装插孔内，导气管上沿气流方向依次设置有流量计和气体收集箱，气体收集箱上安装有压力表、第二探针温度计以及排气阀。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，其特征在于：动态应力测试机构包括若干动态应变片和PVDF压力传感器，试验煤样由若干标准试样依次连接而成，动态应变片设置在每个标准试样上，其中两个PVDF压力传感器分别设置在剪切片和钢制垫块上，其余的PVDF压力传感器分别安装在相邻的两个标准试样连接处。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳爆破冲击动态监测试验装置，其特征在于：静态应力测试系统包括若干围压测压环和轴向应变片，若干围压测压环分别安装在紧固螺栓上，在螺母作用下，围压测压环压在连接板上；若干轴向应变片分别安装在钢制拉杆上。
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