CN213456591U - 一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，包括干燥系统、液氮注入系统、排气系统、加压系统、红外热成像系统、裂隙观测系统，液氮注入系统、排气系统和加压系统固定连接，液氮罐的与耐低温管路间装有减压器，各系统单元电线连接。本观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，通过注液氮的方式，改变煤体整体的微细观结构特征，促进煤体原生孔裂隙发育、新裂隙产生，有效提高煤体的渗透率，并可以实时观测液氮注入过程中煤样热学性能变化与裂隙发育情况，得到煤样注液氮前后力学性能损伤情况，同时进行定量化描述热学性能与表面、内部结构损伤情况。

Description

一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置

技术领域

本实用新型涉及煤炭技术领域，具体为一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置。

背景技术

我国瓦斯赋存丰富，但大多数含有瓦斯的煤层渗透率低，导致开采难以实现，对煤层进行人工增透是解决低渗煤层瓦斯抽采的关键。

液氮具有极低的温度(-196℃)，对环境无污染，容易制备且成本低廉。煤是一种天然的低强度、割理、微裂隙和孔隙等缺陷结构发育的地质体，低温液氮注入煤体后，可使煤体结构冻结损伤弱化、原生微裂隙扩展以及产生新裂隙，形成冻融致裂带。

液氮气化后体积急剧膨胀(1m³的液氮气化后在21℃体积达696m³)，如果进行封闭，液氮气化会在煤体中产生巨大膨胀力对煤体进行致裂，形成气化高压致裂带，对煤样结构破坏，进一步的促进煤样裂隙发育，提高煤体的渗透率。

液氮注入煤体增渗作用的观测、定量化描述仍需进一步完善，本实验装置可以实时从表面结构损伤、能量变化进行观测与定量化描述，并得到注入前后煤体内部结构的力学损伤。

实用新型内容

实用新型的目的在于提供一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，具有提高瓦斯灾害防治与瓦斯资源开发水平的优点，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，实用新型提供如下技术方案：一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，包括干燥系统、液氮注入系统、排气系统、加压系统、红外热成像系统、裂隙观测系统；液氮注入系统、排气系统和加压系统固定连接；干燥系统包括抽气管道(3)、抽真空泵(4)、真空干燥箱(10)、桌子(11)，抽真空泵通过抽气管道(3)与真空干燥箱(10)连接，桌子(11)用来放置真空干燥箱(10)。

进一步的，液氮注入系统包括液氮罐(1)、防护栏(2)、瓶内压力表(5)、不锈钢减压器(6)、耐低温管路压力表(7)、耐低温阀门(8)、不锈钢链条(9)、液氮泵(12)、耐超低温流量计(13)、耐低温管路(14)、单轴压缩装置上部(15)、液氮注入口(1401)、实验煤样(18)，所述防护栏(2)与不锈钢链条(9)的一端固定连接，另一端活动扣连接用于防止液氮罐(1)倾倒，所述耐低温管路(14)在单轴压缩装置上部(15)内，所述液氮注入口(1401)埋入实验煤样(18)，所述液氮通过耐低温管路(14)经过瓶内压力表(5)、不锈钢减压器(6)、耐低温管路压力表(7)、耐低温阀门(8)、液氮泵(12)、耐超低温流量剂(13)从液氮注入口(1401)注入实验煤样(18)。

进一步的，排气系统包括氮气排出管路(23)、氮气入口(2301)、气体流量计(24)、转接口(25)、液气排出软管(29)、室外(30)，所述为节约成本通过转接口(25)使氮气从氮气排出软管(29)排到室外(30)，所述氮气排出管路(23)在单轴压缩装置上部(15)内部。

进一步的，加压系统包括单轴压缩装置上部(15)、单轴压缩防护箱(16)、实验煤体(18)、单轴压缩装置下部(20)、主机(27)、显示屏(28)，所述单轴压缩装置下部(20)有装置下部向下动作(2001)、装置下部向上动作(2002)两个动作、所述动作由主机(27)通过装置下部控制线(2003)对单轴压缩装置下部(20)进行操作。

进一步的，红外热成像系统包括热成像采集装置(19)、热成像处理器(22)、主机(27)、显示屏(28)，所述热成像采集装置(19)由1901红外热成像镜头、1902支撑台、1903红外热成像传输线构成。

进一步的，包括裂隙观测装置(17)、裂隙发育图像处理器(21)、数据传输线(26)、主机(27)、显示屏(28)，所述裂隙观测装置(17)包括硬质电线(1701)、调焦旋钮(1702)、支撑杆(1703)、裂隙观测主体(1704)、补光开关(1705)、调平气泡(1706)观测开关(1707)、补光光源(1708)、支架托盘(1709)、裂隙观测数据回传线(17010)、杆一节固定旋钮(17011)、杆二节固定旋钮(17012)、托盘下部固定旋钮(17013)、托盘下部固定环(17014)，所述调平气泡(1706)固定在支架托盘(1709)上，进行装置调水平，所述托盘下部固定环(17014)由托盘下部固定旋钮(17013)固定，所述支撑杆(1703)通过杆一节固定旋钮(17011)、杆二节固定旋钮(17012)固定，起支撑作用。

更进一步的，瓶内压力表(5)、耐低温管路压力表(7)与不锈钢减压器(6)连接为一个整体，且都为耐低温材质。

更进一步的，液氮泵(12)与不锈钢减压器(6)连接的管道上安装有耐低温阀门(8)。

更进一步的，液氮泵(12)与液氮注入口(1401)管道上安装有耐超低温流量计(13)。

更进一步的，液氮注入口(1401)上有液氮辅助出口(14011)与液氮出口(14012)。

更进一步的，实验煤体为直径100mm、高度150mm的圆柱形煤样。

更进一步的，进行单轴压缩时使用单轴压缩防护箱(16)防止碎裂煤样飞溅，且由单轴压缩装置下部(20)产生装置下部向上动作(2002)进行单轴压缩。

更进一步的，氮气入口(2301)端到转接口(25)为耐低温材质管道，在氮气排出管路(23)末端有气体流量计(24)与转接口(25)。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过注液氮的方式，改变煤体整体的微细观结构特征，促进煤体原生孔裂隙发育、新裂隙产生，有效提高煤体的渗透率，并可以实时观测液氮注入过程中煤样热学性能变化与裂隙发育情况，得到煤样注液氮前后力学性能损伤情况，同时进行定量化描述热学性能与表面、内部结构损伤情况

附图说明

图1为实用新型的整体结构图；

图2为裂隙发育观测系统；

图3为热成像采集布置图；

图4为液氮注入端管路。

图中：1液氮罐、2防护栏、3抽气管道、4抽真空泵、5瓶内压力表、6不锈钢减压器、7耐低温管路压力表、8耐低温阀门、9不锈钢链条、10真空干燥箱、11桌子、12液氮泵、13耐超低温流量剂、14耐低温管路、1401液氮注入口、14011液氮辅助出口、14012液氮出口、15单轴压缩装置上部、16单轴压缩防护箱、17裂隙观测装置、1701硬质电线、1702调焦旋钮、1703支撑杆、1704裂隙观测主体、1705补光开关、1706调平气泡、1707观测开关、1708补光光源、1709支架托盘、17010裂隙观测数据回传线、17011杆一节固定旋钮、17012杆二节固定旋钮、17013托盘下部固定旋钮、17014托盘下部固定环、18实验煤体、19热成像采集装置、1901红外热成像镜头、1902支撑台、1903红外热成像传输线、20单轴压缩装置下部、2001装置下部向下动作、2002装置下部向上动作、2003装置下部控制线、21裂隙发育图像处理器、22热成像处理器、23氮气排出管路、2301氮气入口、24气体流量计、25转接口、26数据传输线、27主机、28显示屏、29氮气排出软管、30室外。

具体实施方式

下面将结合实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，包括干燥系统、液氮注入系统、排气系统、加压系统、红外热成像系统、裂隙观测系统；液氮注入系统、排气系统和加压系统固定连接；干燥系统由抽气管道3、抽真空泵4、真空干燥箱10、桌子11构成，抽真空泵通过抽气管道3与真空干燥箱10连接，桌子11用来放置真空干燥箱10；液氮注入系统由液氮罐1、防护栏2、瓶内压力表5、不锈钢减压器6、耐低温管路压力表7、耐低温阀门8、不锈钢链条9、液氮泵12、耐超低温流量剂13、耐低温管路14、单轴压缩装置上部15、液氮注入口1401请参阅图4、实验煤样18构成；防护栏2与不锈钢链条9的一端固定连接，另一端活动扣连接用于防止液氮罐1倾倒；耐低温管路14在单轴压缩装置上部15内；液氮注入口1401埋入实验煤样18；液氮通过耐低温管路14经过瓶内压力表5、不锈钢减压器6、耐低温管路压力表7、耐低温阀门8、液氮泵12、耐超低温流量剂13从液氮注入口1401注入实验煤样18；排气系统由氮气排出管路23、氮气入口2301、气体流量计24、转接口25、液气排出软管29、室外30构成；为节约成本通过转接口25使氮气从氮气排出软管29排到室外30；氮气排出管路23在单轴压缩装置上部15内部；加压系统由单轴压缩装置上部15、单轴压缩防护箱16、实验煤体18、单轴压缩装置下部20、主机27、显示屏28构成；请参阅图3单轴压缩装置下部20有装置下部向下动作2001、装置下部向上动作2002；动作由主机27通过装置下部控制线2003对单轴压缩装置下部20进行操作；红外热成像系统由热成像采集装置19、热成像处理器22、主机27、显示屏28构成；请参阅图3热成像采集装置19由红外热成像镜头1901、支撑台1902、红外热成像传输线1903构成；裂隙观测系统由裂隙观测装置17、裂隙发育图像处理器21、数据传输线26、主机27、显示屏28构成；请参阅图2裂隙观测装置17包括硬质电线1701、调焦旋钮1702、支撑杆1703、裂隙观测主体1704、补光开关1705、调平气泡1706、观测开关1707、补光光源1708、支架托盘1709、裂隙观测数据回传线17010、杆一节固定旋钮17011、杆二节固定旋钮17012、托盘下部固定旋钮17013、托盘下部固定环17014，所述调平气泡1706固定在支架托盘1709上，进行装置调水平；托盘下部固定环17014由托盘下部固定旋钮17013固定；支撑杆1703通过杆一节固定旋钮17011、杆二节固定旋钮17012固定，起支撑作用。

进一步的，瓶内压力表5、耐低温管路压力表7与不锈钢减压器6连接为一个整体，且都为耐低温材质。

优选的，所述液氮泵12与不锈钢减压器6连接的管道上安装有耐低温阀门8。

优选的，液氮泵12与液氮注入口1401管道上安装有耐超低温流量计13。

优选的，所述液氮注入口1401上有液氮辅助出口14011与液氮出口14012。

优选的，所述实验煤体18为直径100mm、高度150mm的圆柱形煤样。

优选的，所述进行单轴压缩时使用单轴压缩防护箱16防止碎裂煤样飞溅，且由单轴压缩装置下部20产生装置下部向上动作2002进行单轴压缩。

优选的，所述氮气入口2301端到转接口25为耐低温材质管道，在氮气排出管路23末端有气体流量计24与转接口25。

工作过程：首先使用真空干燥箱10对煤体进行完全干燥，将真空干燥箱10、抽真空泵4连接电源，将实验煤样18放入真空干燥箱10内，打开抽真空泵4电源对真空干燥箱10进行抽真空，打开真空干燥箱10电源然后设置干燥温度进行真空干燥，取出实验煤样18放置在单轴压缩装置下部20的承载台上，将单轴压缩防护箱16装上，经显示屏28操作主机27使装置下部控制线2003传输信号，产生装置下部向上动作2002，将实验煤样18上端与单轴压缩装置上部15贴紧密封，接着进行液氮注入实验，打开液氮罐1的、耐低温阀门8，液氮通过瓶内压力表5、不锈钢减压器6、耐低温管路压力表7由耐低温管路14经液氮泵12控制压力、流速经过耐超低温流量剂13从液氮注入口1401的液氮辅助出口14011与液氮出口14012注入实验煤体；同时打开红外热成像系统与裂隙观测系统进行观测，液氮在煤体中气化形成的氮气从氮气入口2301进入氮气排出管路23经过气体流量计24由转接口25液气排出软管29排出室外30；观测与液氮注入结束，经显示屏28操作主机27使装置下部控制线2003传输信号，产生装置下部向上动作2002，将实验煤样18完全压裂，可以得到实验煤样18的应力应变曲线、抗压强度、弹性模量等力学参数与未注入液氮煤样进行对比可得液氮注入对煤样力学性质损伤；红外热成像系统在液氮开始注入时使用，台红外热成像镜头1901放置在支撑台1902上，对注氮实验煤样18进行红外热成像采集经热成像处理器22传输至主机27在显示屏28显示；裂隙观测系统在液氮开始注入时使与红外热成像系统交叉使用，避免补光光源1708对红外热成像造成影响，将支撑杆1703拉长通过杆一节固定旋钮17011、杆二节固定旋钮17012固定，支架托盘1709由托盘下部固定环17014经托盘下部固定旋钮17013固定，并通过调平气泡1706调水平，将裂隙观测主体1704及固定连接的硬质电线1701、补光光源1708放置在支架托盘1709上，打开观测开关1707、补光开关1705在需要拍照时再打开，旋转调焦旋钮1702进行调焦，观测的裂隙照片通过裂隙发育图像处理器21、数据传输线26、主机27传输到显示屏28图像数字化软件上，将软件与相机放大比例调节一致，可将煤样裂隙宽度、面积、长度等特征参数定量化测出。

综上所述：本观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，通过注液氮的方式，改变煤体整体的微细观结构特征，促进煤体原生孔裂隙发育、新裂隙产生，有效提高煤体的渗透率，并可以实时观测液氮注入过程中煤样热学性能变化与裂隙发育情况，得到煤样注液氮前后力学性能损伤情况，同时进行定量化描述热学性能与表面、内部结构损伤情况。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，包括干燥系统、液氮注入系统、排气系统、加压系统、红外热成像系统、裂隙观测系统，其特征在于：所述液氮注入系统、排气系统和加压系统固定连接，

所述干燥系统包括抽气管道(3)、抽真空泵(4)、真空干燥箱(10)，抽真空泵通过抽气管道(3)与真空干燥箱(10)连接；

所述液氮注入系统包括液氮罐(1)、瓶内压力表(5)、不锈钢减压器(6)、耐低温管路压力表(7)、耐低温阀门(8)、液氮泵(12)、耐超低温流量计(13)、耐低温管路(14)、单轴压缩装置上部(15)、液氮注入口(1401)，所述耐低温管路(14)在单轴压缩装置上部(15)内。

2.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述排气系统包括氮气排出管路(23)、氮气入口(2301)、气体流量计(24)、转接口(25)、液气排出软管(29)，所述氮气排出管路(23)在单轴压缩装置上部(15)内部。

3.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述加压系统包括单轴压缩装置上部(15)、单轴压缩防护箱(16)、实验煤体(18)、单轴压缩装置下部(20)、主机(27)、显示屏(28)，所述单轴压缩装置下部(20)有装置下部向下动作(2001)、装置下部向上动作(2002)两个动作、所述动作由主机(27)通过装置下部控制线(2003)对单轴压缩装置下部(20)进行操作。

4.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述红外热成像系统包括热成像采集装置(19)、热成像处理器(22)、主机(27)、显示屏(28)，所述热成像采集装置(19)由1901红外热成像镜头、1902支撑台、1903红外热成像传输线构成。

5.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述裂隙观测系统包括裂隙观测装置(17)、裂隙发育图像处理器(21)、数据传输线(26)、主机(27)、显示屏(28)，所述裂隙观测装置(17)包括硬质电线(1701)、调焦旋钮(1702)、支撑杆(1703)、裂隙观测主体(1704)、补光开关(1705)、调平气泡(1706)观测开关(1707)、补光光源(1708)、支架托盘(1709)、裂隙观测数据回传线(17010)、杆一节固定旋钮(17011)、杆二节固定旋钮(17012)、托盘下部固定旋钮(17013)、托盘下部固定环(17014)，所述调平气泡(1706)固定在支架托盘(1709)上，所述托盘下部固定环(17014)由托盘下部固定旋钮(17013)固定，所述支撑杆(1703)通过杆一节固定旋钮(17011)、杆二节固定旋钮(17012)固定。

6.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述瓶内压力表(5)、耐低温管路压力表(7)与不锈钢减压器(6)连接为一个整体，且都为耐低温材质。

7.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述液氮泵(12)与不锈钢减压器(6)连接的管道上安装有耐低温阀门(8)。

8.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述液氮泵(12)与液氮注入口(1401)管道上安装有耐超低温流量计(13)。

9.根据权利要求1所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述液氮注入口(1401)上有液氮辅助出口(14011)与液氮出口(14012)。

10.根据权利要求3所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述实验煤体(18)为直径100mm、高度150mm的圆柱形煤样。

11.根据权利要求2所述的一种观测液氮注入煤体热学性能与结构损伤实验装置，其特征在于：所述氮气入口(2301)端到转接口(25)为耐低温材质管道。

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