專利名稱：含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于試驗(yàn)裝置領(lǐng)域，尤其是涉及一種加載過(guò)程穩(wěn)定，且能保證精度的
含瓦斯煤滲流試驗(yàn)研究以及含瓦斯煤在滲流過(guò)程中的變形破壞特征研究的含瓦斯煤熱流 固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置。
背景技術(shù)：
在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，采掘工程破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡和原始瓦斯壓力的平衡， 形成了采掘周圍巖體的應(yīng)力重新分布和瓦斯流動(dòng)。煤層瓦斯(煤層氣)滲透率是反映煤層 內(nèi)瓦斯?jié)B流難易程度的物性參數(shù)，也是瓦斯?jié)B流力學(xué)與工程的重要參數(shù)，其與煤層裂隙發(fā) 育特征、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、地溫、煤基質(zhì)的收縮作用、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)及 地電場(chǎng)等密切相關(guān)，而煤層滲透率的大小對(duì)瓦斯的儲(chǔ)存與排放、瓦斯壓力的分布起著重要 的作用，煤與瓦斯突出又與瓦斯的排放和壓力的分布有著重要的聯(lián)系。因此，煤層瓦斯?jié)B透 率或煤層透氣系數(shù)的測(cè)算方法研究是瓦斯?jié)B流力學(xué)發(fā)展之關(guān)鍵技術(shù)，也是煤礦安全工作者 研究煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列礦山安全問(wèn)題的關(guān)鍵入手點(diǎn)；研究煤層瓦斯運(yùn)移的 基本規(guī)律，對(duì)于完善瓦斯流動(dòng)理論和防治瓦斯災(zāi)害有著重要的意義。 煤儲(chǔ)層是一套由天然裂隙和基質(zhì)孔隙組成的雙重結(jié)構(gòu)模型，裂隙系統(tǒng)為煤層氣滲 流運(yùn)移的通道，儲(chǔ)層滲透率除受自身裂隙發(fā)育特征控制外，地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓 力、地溫、煤基質(zhì)的收縮作用、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)等都不同程度地影響著煤層滲透 率，滲透率的演化是上述諸多因素綜合作用的結(jié)果。 在國(guó)外，早在20世紀(jì)70、80年代就有學(xué)者借助相關(guān)滲流實(shí)驗(yàn)設(shè)備取得了一些研究
成果W. J. Sommerton等研究了應(yīng)力對(duì)煤體滲透性的影響；C. R. McKee等開(kāi)展了應(yīng)力與煤體
孔隙度和滲透率之間關(guān)系的研究；Harpalani研究得到了應(yīng)力對(duì)煤解吸滲流的影響規(guī)律；
J. R. E. Enever和A. He皿ing研究得到了煤體有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響規(guī)律。此外，大冢一
雄、樋口澄志、P.G.塞文斯特、霍多特等也在這方面做了不同程度的工作。 在國(guó)內(nèi)，早期是在常溫常壓下測(cè)定松散煤粒的擴(kuò)散系數(shù)和小型塊煤樣(2cm左右)
的滲透率，隨后發(fā)展為在假三軸或真三軸圍限壓力作用下測(cè)定煤樣滲透率隨應(yīng)力的變化，
得到加載和卸載的滲透率擬合方程。20世紀(jì)80年代，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的周世寧和林柏泉較早
地利用自制的煤樣瓦斯?jié)B透實(shí)驗(yàn)裝置研究了含瓦斯煤體在圍壓力不變的前提下，孔隙壓力
和滲透率以及孔隙壓力和煤樣變形間的關(guān)系，同時(shí)還研究了在孔隙壓力一定的條件下，滲
透率和圍壓力以及煤樣變形間的關(guān)系，得出了在圍壓力不變的前提下，孔隙壓力和滲透率
以及煤樣變形值間的關(guān)系基本上服從指數(shù)方程；在孔隙壓力不變條件下，加載時(shí)，煤體的滲
透率與載荷間的關(guān)系可用負(fù)指數(shù)方程表示，而卸載時(shí)，可用冪函數(shù)方程表示，進(jìn)入90年代，
彭?yè)?dān)任等又研制了 STCY-80型煤與巖石滲透率測(cè)定儀，對(duì)煤系地層各種巖性試樣的滲透率
進(jìn)行了研究。 20世紀(jì)90年代以來(lái)，重慶大學(xué)鮮學(xué)福教授領(lǐng)導(dǎo)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)利用自制的滲流裝置， 先后對(duì)煤樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下、不同電場(chǎng)下、不同溫度下及變形過(guò)程中的滲透率進(jìn)行了研究，得出了煤樣滲透率與有效應(yīng)力、溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度等之間的關(guān)系。1996年，山西礦業(yè)學(xué)院
(現(xiàn)太原理工大學(xué))趙陽(yáng)升等研制了 "煤巖滲透試驗(yàn)機(jī)"與"三軸應(yīng)力滲透儀"，進(jìn)行了三維
應(yīng)力作用下煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，得出了煤體瓦斯?jié)B透系數(shù)隨體積應(yīng)力增加而衰
減，隨孔隙壓呈拋物線型變化的結(jié)論。2001年，中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所劉建軍等利
用自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備以低滲透多孔介質(zhì)為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出孔隙度、滲透率隨有效壓力
變化曲線，其研究表明，流體在低滲透多孔介質(zhì)中滲流時(shí)，流固耦合效應(yīng)十分顯著，這是因
為低滲透多孔介質(zhì)的孔隙很小，而孔隙度的微小變化，都會(huì)對(duì)滲透率產(chǎn)生大的影響，因此低
滲透介質(zhì)的滲透率隨有效應(yīng)力的變化十分明顯。2006年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)潘一 山等自制
了三軸瓦斯?jié)B透儀，通過(guò)先加載后卸載、連續(xù)進(jìn)行煤層氣解吸滲流試驗(yàn)，模擬了煤層氣在復(fù)
雜地應(yīng)力條件下的賦存和運(yùn)移開(kāi)采過(guò)程，得到了有效應(yīng)力與煤層氣解吸和滲流特性間的關(guān)
系。2008年，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院隆清明等自行研制"瓦斯?jié)B透儀"，進(jìn)行了孔隙氣
壓對(duì)煤體滲透性影響的實(shí)驗(yàn)研究，闡述了可控孔隙氣壓下煤滲透性實(shí)驗(yàn)的方法與過(guò)程，研
究表明，煤的滲透率隨孔隙氣壓增大而減小的特性是由孔隙氣壓變化引起滑脫效應(yīng)和孔隙
結(jié)構(gòu)本身變化所致。同年，煤炭科學(xué)研究總院齊慶新等又利用一種夾持裝置，通過(guò)試驗(yàn)研究
了不同尺度煤樣在圍壓加、卸載條件下的滲透率變化，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合分析，得
出煤樣的滲透率與圍壓之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系，煤樣滲透率對(duì)圍壓敏感性存在著尺度效應(yīng)。 以上各單位所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的滲流實(shí)驗(yàn)裝置，雖在一定程度上推進(jìn)了滲流力學(xué)的研究
及加深了煤層瓦斯運(yùn)移機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但或多或少還存在一些不足1、以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置所
考慮的滲透率影響因素相對(duì)比較單一，沒(méi)有一個(gè)裝置將應(yīng)力、瓦斯壓力、溫度影響及變形監(jiān)
測(cè)等綜合考慮，因此，所進(jìn)行的試驗(yàn)不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤層瓦斯?jié)B流所處的環(huán)境；2、所
應(yīng)用的應(yīng)力加載系統(tǒng)多為手動(dòng)，因此，應(yīng)力加載過(guò)程不能保持勻速，且其精度不能保證，此
外，諸如循環(huán)荷載等加載形式不能實(shí)現(xiàn)；3、煤巖變形監(jiān)測(cè)大都采用應(yīng)變片，煤巖變形數(shù)據(jù)不
夠精確，特別是徑向變形；4、各裝置安裝過(guò)程基本上靠手工搬運(yùn)，不方便操作
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在各種條件下的試驗(yàn)過(guò)程中加載精確應(yīng) 力的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置。 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種含瓦斯煤熱流固耦合三軸 伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，包括上橫梁、立柱和三軸壓力室上座，所述上橫梁與三軸壓力 室上座分別固定在立柱的上下端形成框架結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于在所述上橫梁上設(shè)有裝有位 移傳感器，在該上橫梁下方安裝有液壓缸，所述液壓缸上設(shè)有進(jìn)油口和出油口 ，該液壓缸中 的上活塞桿上端穿過(guò)上橫梁與所述位移傳感器下端的測(cè)頭接觸，該液壓缸中的下活塞桿下 端連接有壓力傳感器，所述壓力傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)線與控制系統(tǒng)相連，在該壓力傳感器下端連 接有球型壓頭。 本實(shí)用新型采用液壓缸進(jìn)行壓力加載，因此加載過(guò)程平穩(wěn)，在上橫梁上設(shè)有裝有 與液壓缸中的上活塞桿上端接觸的位移傳感器，故而在加載過(guò)程中，所述位移傳感器能夠 準(zhǔn)備的檢測(cè)出上活塞桿軸向移動(dòng)的距離；在下活塞桿與壓頭之間設(shè)有壓力傳感器，在加載 過(guò)程中，該壓力傳感器能夠準(zhǔn)備的檢測(cè)出所加載的壓力大小，以上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確檢測(cè)能夠保 證含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。[0011] 所述液壓缸由前蓋、后蓋、缸體、活塞、上活塞桿和下活塞桿組成，所述前蓋和后蓋 分別蓋裝在缸體的上下兩端構(gòu)成活塞腔體，在所述前蓋上設(shè)有進(jìn)油口 ，在所述后蓋上設(shè)有 出油口，在所述活塞腔體內(nèi)設(shè)有活塞，在該活塞上端面一體設(shè)有穿過(guò)前蓋的上活塞桿，下端 面一體設(shè)有穿過(guò)后蓋的下活塞桿，該下活塞桿下端與所述壓力傳感器上端螺紋連接，所述 上活塞桿桿徑小于所述下活塞桿桿徑，本實(shí)用新型中液壓缸內(nèi)的活塞、上活塞桿和下活塞 桿為一體成型，且均為剛性件，因此加載過(guò)程中變形小。 所述上橫梁經(jīng)螺釘與前蓋連接，將液壓缸固定在該上橫梁下端面，如此連接方式 更加可靠。 在所述上橫梁上設(shè)有由支柱和支板構(gòu)成的門型框架，所述位移傳感器穿過(guò)支板并 固定在該門型框架上，如此設(shè)計(jì)可使位移傳感器的固定可靠，不晃動(dòng)，測(cè)量誤差小。 上述下活塞桿下端與所述壓力傳感器上端螺紋連接。 所述壓頭由上壓頭和下壓頭組成，所述上壓頭的下端為球面弧形，所述下壓頭的 上端與該球面弧形配合的設(shè)有球面凹槽，所述上壓頭下端經(jīng)掛圈固定在該球面凹槽內(nèi)，該 上壓頭上端螺紋連接在所述壓力傳感器下端。上壓頭與下壓頭由球面萬(wàn)向聯(lián)接，避免了壓 頭的偏壓，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能反映出試件的真實(shí)受力情況。 本實(shí)用新型的效果 1、本實(shí)用新型綜合反映了不同應(yīng)力及變形等對(duì)滲透率的影B向，既能進(jìn)行單因素影 響下的試驗(yàn)，又能進(jìn)行多因素耦合作用下的試驗(yàn)，所進(jìn)行的試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤 層瓦斯?jié)B流所處的環(huán)境。 2、本實(shí)用新型應(yīng)力加載液壓缸與液壓伺服機(jī)相連接，加載過(guò)程穩(wěn)定，且能保證精 度，并能實(shí)現(xiàn)諸如循環(huán)荷載等加載形式，此外，通過(guò)加裝油泵循環(huán)冷卻系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí) 間的穩(wěn)壓狀態(tài)，則可進(jìn)行蠕變過(guò)程中的滲透試驗(yàn)。 3、本實(shí)用新型在數(shù)據(jù)采集時(shí)使用了靈敏度及精確度更高的軸向位移傳感器和壓 力傳感器、流量計(jì)等，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1中液壓缸8的結(jié)構(gòu)示意圖。 上述附圖中各編號(hào)的意義是l.上橫梁，2.立柱，3.三軸壓力室上座，4.下壓頭， 5.上壓頭，6.掛圈，7.壓力傳感器，8.液壓缸，9.位移傳感器，IO.上活塞桿，ll.下活塞桿， 12.后蓋，13.缸體，14.活塞，15.前蓋，16.進(jìn)油口，17.出油口，18.支板，19.支柱，20.墊 塊，21.三軸壓力室壓軸。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。 請(qǐng)參見(jiàn)圖1 :所示的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，由上 橫梁1、立柱2、三軸壓力室上座3、壓頭、壓力傳感器7、液壓缸8、位移傳感器9、進(jìn)油口 16 和出油口 17組成，所述上橫梁1與三軸壓力室上座3分別固定在立柱2的上下端形成框架 結(jié)構(gòu)，在所述上橫梁1上設(shè)有由支柱19和支板18構(gòu)成的門型框架，所述位移傳感器9穿過(guò)
5支板18并固定在該門型框架上，在該上橫梁1下方安裝有液壓缸8，所述液壓缸8上設(shè)有 進(jìn)油口 16和出油口 17，該液壓缸8中的上活塞桿IO上端穿過(guò)上橫梁1與所述位移傳感器 9下端的測(cè)頭接觸，該液壓缸8中的下活塞桿11下端連接有壓力傳感器7，所述壓力傳感器 7經(jīng)數(shù)據(jù)線與控制系統(tǒng)相連，在該壓力傳感器7下端連接有壓頭，在該壓頭正下方設(shè)有墊塊 20，該墊塊20位于穿過(guò)三軸壓力室上座3的三軸壓力室壓軸21的上端。 請(qǐng)參見(jiàn)圖2 :所述液壓缸8由前蓋15、后蓋12、缸體13、活塞14、上活塞桿10和下 活塞桿11組成，所述前蓋15和后蓋12分別蓋裝在缸體13的上下兩端構(gòu)成活塞腔體，在所 述前蓋15上設(shè)有進(jìn)油口 16，在所述后蓋12上設(shè)有出油口 17，在所述活塞腔體內(nèi)設(shè)有活塞 14，在該活塞14上端面一體設(shè)有穿過(guò)前蓋15的上活塞桿IO，下端面一體設(shè)有穿過(guò)后蓋12 的下活塞桿ll，該下活塞桿11下端與所述壓力傳感器7上端螺紋連接，所述上活塞桿10桿 徑小于所述下活塞桿ll桿徑。 在圖1中還可以看出上述上橫梁1經(jīng)螺釘與前蓋15連接，將液壓缸8固定在該 上橫梁1下端面；所述下活塞桿11下端與所述壓力傳感器7上端螺紋連接；所述壓頭由上 壓頭5和下壓頭4組成，所述上壓頭5的下端為球面弧形，所述下壓頭4的上端與該球面弧 形配合的設(shè)有球面凹槽，所述上壓頭5下端經(jīng)掛圈6固定在該球面凹槽內(nèi)，該上壓頭5上端 螺紋連接在所述壓力傳感器7下端。
權(quán)利要求一種含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，包括上橫梁(1)、立柱(2)和三軸壓力室上座(3)，所述上橫梁(1)與三軸壓力室上座(3)分別固定在立柱(2)的上下端形成框架結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述上橫梁(1)上設(shè)有裝有位移傳感器(9)，在該上橫梁(1)下方安裝有液壓缸(8)，所述液壓缸(8)上設(shè)有進(jìn)油口(16)和出油口(17)，該液壓缸(8)中的上活塞桿(10)上端穿過(guò)上橫梁(1)與所述位移傳感器(9)下端的測(cè)頭接觸，該液壓缸(8)中的下活塞桿(11)下端連接有壓力傳感器(7)，所述壓力傳感器(7)經(jīng)數(shù)據(jù)線與控制系統(tǒng)相連，在該壓力傳感器(7)下端連接有球型壓頭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，其特 征在于所述液壓缸(8)由前蓋(15)、后蓋(12)、缸體(13)、活塞(14)、上活塞桿(10)和下 活塞桿(11)組成，所述前蓋(15)和后蓋(12)分別蓋裝在缸體(13)的上下兩端構(gòu)成活塞 腔體，在所述前蓋(15)上設(shè)有進(jìn)油口 (16)，在所述后蓋(12)上設(shè)有出油口 (17)，在所述活 塞腔體內(nèi)設(shè)有活塞(14)，在該活塞(14)上端面一體設(shè)有穿過(guò)前蓋(15)的上活塞桿(10)， 下端面一體設(shè)有穿過(guò)后蓋(12)的下活塞桿(ll)，該下活塞桿(11)下端與所述壓力傳感器 (7)上端螺紋連接，所述上活塞桿(10)桿徑小于所述下活塞桿(11)桿徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置， 其特征在于所述上橫梁(1)經(jīng)螺釘與前蓋(15)連接，將液壓缸(8)固定在該上橫梁(1) 下端面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，其特 征在于在所述上橫梁(1)上設(shè)有由支柱(19)和支板(18)構(gòu)成的門型框架，所述位移傳感 器(9)穿過(guò)支板(18)并固定在該門型框架上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，其特 征在于所述下活塞桿(11)下端與所述壓力傳感器(7)上端螺紋連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，其特 征在于所述壓頭由上壓頭(5)和下壓頭(4)組成，所述上壓頭(5)的下端為球面弧形，所 述下壓頭(4)的上端與該球面弧形配合的設(shè)有球面凹槽，所述上壓頭(5)下端經(jīng)掛圈(6) 固定在該球面凹槽內(nèi)，該上壓頭(5)上端螺紋連接在所述壓力傳感器(7)下端。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)軸向加載裝置，包括上橫梁、立柱和三軸壓力室上座，所述上橫梁與三軸壓力室上座分別固定在立柱的上下端形成框架結(jié)構(gòu)，在該上橫梁上設(shè)有裝有位移傳感器，在該上橫梁下方安裝有液壓缸，所述液壓缸上設(shè)有進(jìn)油口和出油口，該液壓缸中的上活塞桿上端穿過(guò)上橫梁與所述位移傳感器下端的測(cè)頭接觸，該液壓缸中的下活塞桿下端連接有壓力傳感器，所述壓力傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)線與控制系統(tǒng)相連，在該壓力傳感器下端連接有壓頭。本實(shí)用新型加載過(guò)程穩(wěn)定，能夠?qū)S向位移以及加載壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N11/00GK201464331SQ20092012841
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者尹光志, 彭守建, 李東偉, 李小雙, 李曉泉, 王倩, 王維忠, 蔣長(zhǎng)寶, 許江, 陸漆, 陶云奇, 魏作安 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)