專利名稱：煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種試驗測試裝置和測試方法，特別是涉及一種用于測量煤體吸附、解吸瓦斯氣體過程中煤體變形量的測試裝置和方法。
背景技術(shù)：
煤與瓦斯相互作用機制是瓦斯災(zāi)害防治領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)科學(xué)問題，其不僅對探究礦井煤巖瓦斯動力災(zāi)害機理具有重要的指導(dǎo)作用，同時也為煤層瓦斯的抽采或煤層氣開發(fā)提供重要的技術(shù)支撐。礦井瓦斯生成于煤的變質(zhì)階段，主要以吸附于微孔隙表面以及承壓于煤巖體孔、裂隙內(nèi)的狀態(tài)賦存。煤體_圍巖體系在瓦斯壓力與巖體應(yīng)力共同作用下處于相對靜止的平衡狀態(tài)。當井工采礦活動進入煤層及其圍巖中，這種平衡狀態(tài)受到擾動，導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力場重新分布與煤巖層中瓦斯的重新運移。在平衡狀態(tài)改變過程中，煤體的微細觀結(jié)構(gòu)變化除了受到圍巖應(yīng)力的作用外，還很大程度上還受到游離態(tài)瓦斯產(chǎn)生的孔隙氣體壓力和吸附態(tài)瓦斯產(chǎn)生的煤體膨脹變形的影響。大量的實際現(xiàn)象和試驗結(jié)果已經(jīng)表明，這種由于氣體吸附、解吸造成的煤體性態(tài)的變化在瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生過程中起著重要作用。因此，研究煤體吸附、解吸瓦斯變形的動態(tài)演化機理對深入認識煤巖瓦斯動力災(zāi)害的演化機理具有重要作用。吸附、解吸變形是煤體的固有特性，其變形值反映了煤體強度、變質(zhì)程度、煤層溫度、孔隙特性和裂隙發(fā)育程度以及含瓦斯能力的強弱。在同樣的外部條件下，突出煤的變形值遠大于非突出煤。因此，煤體的吸附、解吸變形特性也對煤層突出危險性測定有輔助作用。此外，在煤層瓦斯的運移過程中，瓦斯的吸附、解吸會使煤體產(chǎn)生膨脹、收縮變形，使煤體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而引起煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)變化，進而引起煤巖滲透性的變化。同時，煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)變化反過來又影響瓦斯在煤體中的賦存與流動。因此，要獲得煤層瓦斯的真實運移規(guī)律，則必須考慮煤體吸附、解吸變形的影響。測定煤體瓦斯吸附量的方法有很多，常用的主要有重量法和容量法。容量法是將煤體放在已知容積的密閉系統(tǒng)中，在一系列瓦斯氣體壓力下，根據(jù)氣態(tài)方程，即氣體質(zhì)量和溫度、壓力及容積之間關(guān)系，計算出瓦斯氣體的被吸附量。容量法測試技術(shù)具有測定方法合理，測定裝置簡單易行、操作方便，測試的數(shù)據(jù)可靠、直觀等特點，是我國大專院校、科研院所及局所主要采用的方法。但是，目前容量法測試裝置，在測量吸附、解吸變形時具有一定的局限性，例如，這些測試裝置的試樣都是采用顆粒狀煤樣，煤樣粒度在O. 25 O. 18mm之間，難以獲得吸附、解吸變形量；高壓吸附解吸罐的結(jié)構(gòu)專門為顆粒煤樣設(shè)計，要加工適合的塊煤樣非常困難；另外高壓吸附解吸罐上一般也沒有設(shè)置變形測量接口。近年來，隨著人們對煤巖瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生機制、煤層氣開采、以及CO2煤層封存等技術(shù)關(guān)注程度的不斷提高，許多研究者開始了煤巖吸附、吸附變形以及滲透性測量方面的研究，并相繼開發(fā)了測試煤巖吸附量以及吸附、解吸變形的技術(shù)和裝置。這些裝置雖然專門為測量煤體的吸附、解吸變形所研制，但在實驗條件上往往不能滿足要求。如現(xiàn)有設(shè)備吸附平衡時間較短，絕大多數(shù)實驗的平衡時間都在60小時以內(nèi)，而吸附變形測試塊狀煤樣不同于顆粒狀煤樣，尤其是在用原煤做實驗時，煤體的吸附平衡時間要長得多，有的要幾百個小時才能達到平衡，現(xiàn)有設(shè)備受到穩(wěn)定性的制約，不能達到這一要求；利用現(xiàn)有設(shè)備開展的吸附、解吸變形試驗氣體壓力大多數(shù)在5. OMPa以內(nèi)，而煤體在高壓下，往往表現(xiàn)出不同于低壓時的特性，因此需要能實現(xiàn)高壓吸附變形的測試裝置(O 10. OMPa);在進行解吸變形試驗時，根據(jù)實際工程狀況，需要測試不同壓力梯度下煤樣的變形值，因此，需要為含瓦斯煤的解吸提供一個可控的環(huán)境壓力。同樣，在利用不同氣體與014之間的競爭吸附作用進行CO2煤層封存、煤層氣注氣增采等試驗時，也需要提供一個氣體混合和置換的壓力環(huán)境，這些都是現(xiàn)有的試驗裝置不能實現(xiàn)的；此外，現(xiàn)有容量法測試設(shè)備在計算吸附量時，都忽略了煤體的吸附、解吸變形對自由空間體積的影響，因而測得的吸附量與真實吸附量之間存在一定的誤差。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種使煤體吸附、解吸瓦斯氣體過程中變形規(guī)律分析結(jié)果可靠性更高的測試裝置和測試方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種使煤體吸附、解吸瓦斯氣體過程中變形規(guī)律分析結(jié)果可靠性更高的測試裝置和測試方法。為實現(xiàn)本發(fā)明第一層面的目的，本發(fā)明提供了一種煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，包括變形測試系統(tǒng)、高壓吸附解吸罐和氣體控制系統(tǒng)；所述變形測試系統(tǒng)包括彼此連接的電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀；所述電阻應(yīng)變儀與綜合處理終端連接；所述綜合處理終端連接有壓力采集卡；所述高壓吸附解吸罐包括罐體和設(shè)置在所述罐體上方的頂蓋；所述罐體與所述頂蓋之間設(shè)置有密封墊；所述罐體的上部設(shè)置有徑向凸緣；所述罐體和頂蓋通過緊固卡箍扣
合；所述緊固卡箍包括彼此分離、結(jié)構(gòu)對稱的第--^箍部和第二卡箍部；所述第--^箍部
和第二卡箍部通過外圓設(shè)置的喉箍抱緊；所述緊固卡箍的下端設(shè)置有內(nèi)凸的卡環(huán)；所述卡環(huán)可卡入所述徑向凸緣的底面；所述緊固卡箍的上端設(shè)置有內(nèi)凸的壓環(huán)；所述壓環(huán)與卡箍頂部間隔設(shè)置；所述卡箍頂部與所述壓環(huán)在圓周方向均布有壓緊螺釘；所述頂蓋包括一體的基部和接口安裝部；所述接口安裝部穿出所述緊固卡箍；所述接口安裝部上設(shè)置有與罐體內(nèi)腔連通的氣體接口、氣體壓力傳感器接口和應(yīng)力應(yīng)變測量接口 ；所述應(yīng)力應(yīng)變測量接口包括第一通孔螺柱；所述第一通孔螺柱的下端與所述頂蓋螺紋配合，上端與第一鎖緊螺帽配合；所述第一通孔螺柱的頂部與所述第一鎖緊螺帽之間設(shè)置有多孔擋板；所述第一通孔螺柱內(nèi)通過環(huán)氧樹脂封裝有第一導(dǎo)線；所述第一導(dǎo)線的上端穿過所述多孔擋板和第一鎖緊螺帽后與所述電阻應(yīng)變儀連接；所述第一導(dǎo)線的下端伸入所述罐體內(nèi)，并可與所述電阻應(yīng)變片連接；所述氣體壓力傳感器接口與第一氣體壓力傳感器連接；所述氣體控制系統(tǒng)包括高壓蓄氣瓶；所述高壓蓄氣瓶的出口端連接有第二氣體壓力傳感器；所述第二氣體壓力傳感器與第一針型閥連接；所述第一針型閥與所述氣體接口連接；所述高壓蓄氣瓶的進口端與第一四通接頭連接；所述第一四通接頭的第一氣路依次連接有氣體放散口、真空泵、第一單向閥和第一針型閥；所述第一四通接頭的第二氣路依次連接有流量計、第二單向閥、第二針型閥；所述第一四通接頭的第三氣路與第二四通接頭連接；所述第二四通接頭的第一氣路依次連接有高壓甲烷瓶、甲烷減壓閥、第三針型閥；所述第二四通接頭的第二氣路依次連接有高壓氦氣瓶、氦氣減壓閥和第四針型閥；所述第二四通接頭的第三氣路依次連接有高壓二氧化碳瓶、二氧化碳減壓閥和第五針型閥。為進一步提高密封效果，所述頂蓋面向所述罐體一側(cè)設(shè)置有環(huán)槽；所述罐體設(shè)置有與所述環(huán)槽配合的軸向凸緣；所述密封墊設(shè)置所述軸向凸緣的頂部。為精確控制試驗的溫度條件，所述罐體外設(shè)置有第一加熱套；所述高壓蓄氣瓶外設(shè)置有第二加熱套；所述第二加熱套上設(shè)置有熱電偶；所述綜合處理終端連接有溫度控制器。較佳的，所述喉箍為T型螺栓喉箍。為實現(xiàn)本發(fā)明第二層面的目的，本發(fā)明提供了一種對煤體吸附、解吸瓦斯過程中動態(tài)變形特征測試的方法，具體步驟如下(a)測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐的體積首先，在高壓吸附解吸罐空置的情況下，對高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐進行抽真空至真空度達到4. OPa以下；其次，將O. 2MPa的He氣沖入高壓蓄氣瓶內(nèi)；壓力穩(wěn)定后停止充氣；測量高壓蓄氣瓶內(nèi)的壓力值Pr和高壓吸附解吸罐內(nèi)的壓力值Ps ；再次，將He充入高壓吸附解吸罐內(nèi)，待壓力穩(wěn)定后測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐內(nèi)的平衡壓力值Pe ;釋放高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的He氣，使高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的壓力與外界壓力相等；
最后，將已知體積為Vn的實心金屬標準試塊放入高壓吸附解吸罐內(nèi)，重復(fù)上述操作，并分別讀取向高壓吸附解吸罐內(nèi)充氣前高壓蓄氣瓶內(nèi)的壓力值P/，高壓吸附解吸罐內(nèi)的壓力值匕‘和高壓吸附解吸罐內(nèi)充氣后的平衡壓力Pe ‘；如果兩次壓力平衡前高壓吸附解吸罐內(nèi)的壓力Ps和Ps ‘均小于4Pa，則忽略高壓吸附解吸罐內(nèi)的殘存氣體，認為其為真空狀態(tài)，則根據(jù)以下方程組計算高壓蓄氣瓶及其管路，高壓吸附解吸罐及其管路的體積
權(quán)利要求
1.一種煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，包括變形測試系統(tǒng)、高壓吸附解吸罐和氣體控制系統(tǒng)，其特征是 所述變形測試系統(tǒng)包括彼此連接的電阻應(yīng)變片(32)和電阻應(yīng)變儀(35);所述電阻應(yīng)變儀(35)與綜合處理終端(36)連接；所述綜合處理終端(36)連接有壓力采集卡(38)； 所述高壓吸附解吸罐包括罐體(28)和設(shè)置在所述罐體(28)上方的頂蓋(27);所述罐體(28)與所述頂蓋(27)之間設(shè)置有密封墊(39);所述罐體(28)的上部設(shè)置有徑向凸緣(28a);所述罐體(28)和頂蓋(27)通過緊固卡箍(30)扣合；所述緊固卡箍(30)包括彼此分離、結(jié)構(gòu)對稱的第--^箍部(30a)和第二卡箍部(30b);所述第--^箍部(30a)和第二卡箍部(30b)通過外圓設(shè)置的喉箍(44)抱緊；所述緊固卡箍(30)的下端設(shè)置有內(nèi)凸的卡環(huán)(30c);所述卡環(huán)(30c)可卡入所述徑向凸緣(28a)的底面；所述緊固卡箍(30)的上端設(shè)置有內(nèi)凸的壓環(huán)(30d);所述壓環(huán)(30d)與卡箍頂部(30e)間隔設(shè)置；所述卡箍頂部(30e)與所述壓環(huán)(30d)在圓周方向均布有壓緊螺釘(30f)； 所述頂蓋(27)包括一體的基部(27a)和接口安裝部(27b);所述接口安裝部(27b)穿出所述緊固卡箍(30);所述接口安裝部(27b)上設(shè)置有與罐體內(nèi)腔連通的氣體接口(24)、氣體壓力傳感器接口(25)和應(yīng)力應(yīng)變測量接口(26)； 所述應(yīng)力應(yīng)變測量接口(26)包括第一通孔螺柱(40);所述第一通孔螺柱(40)的下端與所述頂蓋(27)螺紋配合，上端與第一鎖緊螺帽(41)配合；所述第一通孔螺柱(40)的頂部與所述第一鎖緊螺帽(41)之間設(shè)置有多孔擋板(42);所述第一通孔螺柱(40)內(nèi)通過環(huán)氧樹脂封裝有第一導(dǎo)線(43);所述第一導(dǎo)線(43)的上端穿過所述多孔擋板(42)和第一鎖緊螺帽(49)后與所述電阻應(yīng)變儀(35)連接；所述第一導(dǎo)線(43)的下端伸入所述罐體(28)內(nèi)，并可與所述電阻應(yīng)變片(32)連接； 所述氣體壓力傳感器接口(25)與第一氣體壓力傳感器(31)連接； 所述氣體控制系統(tǒng)包括高壓蓄氣瓶(21);所述高壓蓄氣瓶(21)的出口端連接有第二氣體壓力傳感器(22);所述第二氣體壓力傳感器(22)與第六針型閥(23)連接；所述第六針型閥(23)與所述氣體接口(24)連接；所述高壓蓄氣瓶(21)的進口端與第一四通接頭(8)連接； 所述第一四通接頭(8)的第一氣路依次連接有氣體放散口(I)、真空泵(2)、第一單向閥(3)和第一針型閥(4);所述第一四通接頭(8)的第二氣路依次連接有流量計(5)、第二單向閥(6)、第二針型閥(7);所述第一四通接頭(8)的第三氣路與第二四通接頭(15)連接；所述第二四通接頭(15)的第一氣路依次連接有高壓甲烷瓶(19)、甲烷減壓閥(10)、第三針型閥(11);所述第二四通接頭(15)的第二氣路依次連接有高壓氦氣瓶(12)、氦氣減壓閥(13)和第四針型閥(14);所述第二四通接頭(15)的第三氣路依次連接有高壓二氧化碳瓶(19)、二氧化碳減壓閥(17)和第五針型閥(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，其特征是所述頂蓋(27)面向所述罐體(28) —側(cè)設(shè)置有環(huán)槽(27c);所述罐體(28)設(shè)置有與所述環(huán)槽(27c)配合的軸向凸緣(28b);所述密封墊(39)設(shè)置所述軸向凸緣(28b)的頂部。
3.如權(quán)利要求1或2所述的煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，其特征是所述罐體(28)外設(shè)置有第一加熱套(34);所述高壓蓄氣瓶(21)外設(shè)置有第二加熱套(20);所述第二加熱套(20 )上設(shè)置有熱電偶(19 );所述綜合處理終端(36 )連接有溫度控制器(37 )。
4.如權(quán)利要求1或2所述的煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，其特征是所述喉箍(44)為T型螺栓喉箍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，包括高壓吸附解吸罐、氣體控制系統(tǒng)和變形測試系統(tǒng)，高壓吸附解吸罐包括罐體和設(shè)置在罐體上方的頂蓋；罐體和頂蓋通過緊固卡箍扣合；頂蓋包括一體的基部和接口安裝部；接口安裝部穿出緊固卡箍；接口安裝部上設(shè)置有與罐體內(nèi)腔連通的氣體接口、氣體壓力傳感器接口和應(yīng)力應(yīng)變測量接口；氣體控制系統(tǒng)包括高壓蓄氣瓶；高壓蓄氣瓶的出口端連接有第二氣體壓力傳感器；第二氣體壓力傳感器與第六針型閥連接；第六針型閥與氣體接口連接；高壓蓄氣瓶的進口端與四通接頭連接；所述變形測試系統(tǒng)包括彼此連接的電阻應(yīng)變片、電阻應(yīng)變儀、綜合處理終端和壓力采集卡。本發(fā)明操作簡單，測試結(jié)果的準確性高。
文檔編號G01B7/16GK103033125SQ20121056030
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者劉延保, 文光才, 張志剛, 周厚權(quán), 楊慧明, 金洪偉, 王波, 苗法田, 程波, 劉國慶, 張憲尚, 郭平 申請人:中煤科工集團重慶研究院