[发明专利]煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法

说明书

技术领域

本发明属于煤的物理检测方法，具体涉及一种评价煤在高温环境下变形特征参数的方法。

背景技术

在深部煤层开采环境中，高地温已经成为影响煤层稳定性不可忽视的主要因素。一般认为岩石介质普遍具有热胀冷缩特性，但是由于煤体内存在的双重孔隙结构因而具有较强的吸附特性。升高的温度除了能引起煤体热膨胀之外，还能从煤孔隙结构中释放出大量解吸气体。当吸附气体解吸脱离煤表面后，由于煤表面能的增加会使煤基质出现向内部收缩趋势。这种在高温环境下先膨胀后收缩的变形过程会对煤体结构产生复杂的不可逆的热损伤，会显著改变煤体的力学强度。因此，通过获取煤体在热环境下变形特征参数对深入研究高温环境中煤体变形演化规律，进一步认识深部热害矿井致灾机理能够起到关键作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法，包括以下步骤：

第一步，将煤试样加工成圆柱体，在圆柱状煤试样圆周面轴向和径向位置上分别粘贴径向测量应变片和轴向测量应变片，在两个测量应变片的临近位置分别设置相同规格的应变片作为轴向与径向测量应变片的温度补偿应变片，温度补偿应变片不固定在煤样表面；轴向测量应变片和径向测量应变片分别与各自的温度补偿应变片按照半桥方式连接组成两个惠通斯电桥半桥结构；

第二步，把上述带有惠通斯电桥半桥结构的煤试样置于解吸罐底座上；将两个惠通斯电桥半桥结构的导线通过解吸罐体上的数据接口连接到外置的应变采集仪；

第三步，将解吸罐的一个气路接口接通带有气阀的保护气源，另一路气路接口依次连接气体流量计和气相色谱仪；将解吸罐内置入温度传感器，温度传感器与外部温度采集仪接通；组装完毕后，检测解吸罐的气密性；

第四步，将解吸罐置入水浴槽；开启保护气源的气阀，气源向解吸罐内注入氦气，注满氦气后，罐内多余的气体会流经气体流量计和气相色谱仪排放到外界环境；当气体流量计监测气体流量平稳、气相色谱仪检测气体浓度值接近100%后，说明解吸罐和煤试样中残存空气已经被完全排出，关闭气阀；

第五步：将水浴槽内水温升至设定温度，温度采集仪实时记录解吸罐内的温度T；应变采集仪实时记录煤试样的轴向应变εa和径向应变εr两个方向的应变数据，得到不同温度下煤试样的体积应变量εv；气体流量计实时记录解吸罐中排出的解吸气体量V；气相色谱仪检测解吸罐中排出气体的成分和浓度；

第六步：通过设定不同的水浴温度使解吸罐内温度升高ΔT，得到在对应温度条件下煤试样从初始状态到热平衡过程中煤试样的体积应变量εv与解吸气体量V。利用两者之间数学物理关系，可以求得对应温度条件下的煤试样热膨胀系数γ与解吸收缩系数K，并对所有温度条件下的测试结果进行统计分析，从而获得较为精确的煤热膨胀系数及其解吸气体收缩系数。具体方法如下：

第6.1步：计算煤试样体积应变量εv

对于弹性变形的煤的体积应变量εv可以表达为式(1):

εv=εa+2·εr  (1)

式（1）中：εa代表轴向应量，εr代表径向应变量；

测量应变片监测煤的体积应变量εv是煤的热膨胀应变量ε_T抵消气体解吸导致煤基质收缩应变量ε_d后的有效应变量ε_e，即式(2)

εv=εe=εa+2ε_r=ε_T-εd  (2)

第6.2步：计算煤基质收缩应变量ε_d

从煤中解吸气体量V与煤基质收缩应变量ε_d成正相关：

εd∝V

在恒温环境下观测的煤排出解吸气体量V是热平衡时间t的函数即V=V(t)；所以煤基质收缩应变量ε_d与解吸气体量V关系可以表达为εd=K·V(t)，其中K为煤基质收缩系数。

第6.3步：计算总的解吸气体量V

利用气相色谱仪分析排出的解吸气体组分及其对应的浓度Ci，其中i为吸附气体类别；

根据排出气体量V与不同气体的浓度，计算出各类解吸气体量Vi=V·Ci，那么解吸气体总体积量为V=∑V·Ci。

第6.4步：获取煤试样体积应变量εv与解吸气体量V关系

煤的热膨胀系数γ是常数，煤的热膨胀应变量ε_T可以表达为ε_T=γ·ΔT，由此可以得出式(3)