[发明专利]一种煤层瓦斯吸附/解吸变形及变形力动态测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验测试装置，特别是涉及一种用于测量煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中煤体变形及变形力的测试装置和方法。

背景技术

矿井瓦斯生成于煤的变质阶段，主要以吸附于微孔隙表面以及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存。煤体-围岩体系在瓦斯压力与共同作用下处于相对静止的平衡状态。当井工采矿活动进入煤层及其围岩中，这种平衡状态受到扰动，导致煤岩体应力场重新分布与煤岩层中瓦斯的重新运移。在平衡状态改变过程中，煤体的微细观结构变化除了受到围岩应力的作用外，在很大程度上还受到游离态瓦斯产生的孔隙气体压力和吸附态瓦斯产生的煤体膨胀变形的影响。大量研究成果已经表明，煤体吸附瓦斯会发生膨胀变形，解吸瓦斯会发生收缩变形，这种变形会导致煤体强度、应力状态和孔隙性发生变化，进而影响煤与瓦斯突出特性和煤层透气性。因此，研究煤体吸附、解吸瓦斯变形和变形力的动态演化特征与机理对深入认识煤岩瓦斯动力灾害的演化机理、获得煤层瓦斯的真实运移规律、指导煤层气高产高效开采等具有重要意义。

近年来，随着人们对煤岩瓦斯动力灾害发生机制、煤层气开采、以及CO2煤层封存等技术关注程度的不断提高，许多研究者开始了煤岩吸附变形特征方面的研究，并相继开发了测试煤岩吸附、解吸变形的技术和装置。这些装置虽然推进了人们对煤岩吸附、解吸变形特征及其机理的认识，但在实验条件上或多或少还存在一些不足：1、绝大多数装置仅能单纯测试煤岩吸附、解吸变形，然后假定煤样变形力和变形之间服从胡克定律，从而间接计算出煤样吸附、解吸变形力，而煤样真实的吸附、解吸变形力与变形之间的关系到底如何，其真实的演化规律等问题还值得深入探讨。2、这些实验装置所考虑的吸附、解吸变形或变形力影响因素相对比较单一，没有一个装置将瓦斯压力、温度、应变条件、初始应力、变形、变形力、声发射监测等综合考虑。因此，所进行的实验不能较真实地模拟现场实际煤层吸附、解吸瓦斯条件。3、适应的试验气体压力大多数在5MPa以内。随着我国煤矿往深部延伸，已有部分矿井煤层瓦斯压力达到6MPa以上，而煤体在高压下往往表现出不同于低压时的特性，因此需要能实现高压吸附、解吸变形的测试装置(0MPa～10MPa)。4、不能有效监测到试件在吸附、解吸瓦斯过程中的声发射信号，也就不能利用声发射技术揭示吸附、解吸瓦斯过程中试件内部损伤演化规律。

发明内容

本发明的目的是解决实验室条件下，难以真实、可靠地测定煤体因吸附、解吸瓦斯气体发生的变形和变形力。即提供一种可实现煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中变形和变形力同时直接测试的多功能测试系统。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种煤层瓦斯吸附/解吸变形及变形力动态测试系统，其特征在于：包括试验罐系统、恒温系统、气压系统和测量系统。

所述试验罐系统中，包括底座、罐体、限位压杆、测力传感器和限位机构。所述底座是一个上端敞口、下端封闭的中空体，所述罐体是一个上端封闭、下端敞口的中空体。

试验时，所述罐体的下端扣合在所述底座的上端，使得所述底座的内腔和所述罐体的内腔共同组成一个具有气密性的试验腔体。

所述试验腔体内放置测力传感器和试件。所述测力传感器的下端放置在所述底座内腔的底部，所述测力传感器的上端与接头的下表面接触。所述接头的上表面与所述试件的下表面接触。所述罐体的上端具有供限位压杆穿过的通孔。所述限位压杆的上端与设置在所述罐体上方的限位机构接触。所述限位压杆的下端从所述罐体顶部的通孔中穿入到所述试验腔体后，与所述试件的上表面接触。所述罐体上还设置有气孔。

所述恒温系统包括一个上端敞口的槽体，试验时，所述槽体内充入恒温水，所述底座和罐体浸入所述恒温水中。

所述气压系统包括高压储气钢瓶、气瓶阀、四通接头、排气阀、真空阀和真空泵。所述高压储气钢瓶的出气口连接气瓶阀。所述气瓶阀的出气口通过管道与所述四通接头的管口Ⅰ连接。所述四通接头的管口Ⅱ通过管道与排气阀的进气口连接。所述四通接头的管口Ⅲ通过管道与所述罐体上的气孔连接。所述四通接头的管口Ⅳ通过管道与真空阀的进气口连接。所述真空阀的出气口通过管道与真空泵连接。

所述测量系统包括电阻应变计和应变采集仪。试验时，所述电阻应变计粘贴在所述试件的外表面。所述应变采集仪通过数据线与电阻应变计相连。

所述测量系统还包括声发射传感器，及其声发射采集装置。所述声发射传感器贴在所述限位压杆的外表面。试验时，所述声发射传感器采集到的信号传递给所述声发射采集装置。