[发明专利]一种煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置及方法

权利要求书

1.一种煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置，其特征在于，包括吸附罐、多路信号调理器和高压瓦斯气瓶，所述吸附罐上端导线连接有应变传感器和第一固态气体压力传感器，所述应变传感器和第一固态气体压力传感器导线连接在多路信号调理器上，所述高压瓦斯气瓶上固定安装有气体减压阀和第二固态气体压力传感器，所述第二固态气体压力传感器导线连接在多路信号调理器上，所述高压瓦斯气瓶上管道连接标准罐且该管道上安装有第二质量流量计，所述标准罐与吸附罐管道连接，所述吸附罐外安装有恒温空气浴，所述吸附罐下方安装有旋转平台，所述恒温空气浴内固定安装有正对吸附罐的X射线源和射线探测器，所述射线探测器上安装有数据采集及分析系统，所述吸附罐上管道连接有第一质量流量计和真空脱气泵，所述第一质量流量计上固定安装有流量控制阀，所述真空脱气泵上固定安装有脱气控制阀，所述真空脱气泵上安装有真空热偶计，所述吸附罐上固定安装有第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀安装在吸附罐与第一质量流量计和真空脱气泵均相通的管道上，所述第二控制阀安装在标准罐与吸附罐连接的管道上，所述吸附罐内的煤样上粘贴有电阻应变片，电阻应变片上连接有电阻应变片导线，所述吸附罐顶部设置有用于将电阻应变片导线引出的电阻应变片导线引出口，所述电阻应变片导线引出口上安装有接口，所述接口上安装第一固态气体压力传感和应变传感器。

2.如权利要求1所述的煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置，其特征在于，所述真空脱气泵上安装有真空管系，所述真空热偶计通过导线连接在真空管系上。

3.如权利要求2所述的煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置，其特征在于，所述旋转平台包括固定安装在恒温空气浴中部的旋转柱和转动连接在旋转柱上的旋转盘，所述吸附罐固定安装在旋转盘的中部，所述旋转盘上固定安装有旋转电机。

4.如权利要求3所述的煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置，其特征在于，所述X射线源与射线探测器通过伸缩杆固定安装在恒温空气浴内的旋转平台四周，所述X射线源与射线探测器导线连接。

5.一种煤岩吸附变形与孔隙率同步测定方法，采用权利要求1～4任一所述的煤岩吸附变形与孔隙率同步测定装置，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：将制备好的煤粒压入圆环柱型的模具中，冷压一次成型，采用取芯装置将制备好的圆环型煤样取出，利用砂纸对煤样表面进行打磨，使其表面平整；

S2：将制备好的煤样置入真空干燥箱中进行干燥处理，时间控制在24h以上，最后对煤样的尺寸进行测量，记录煤样的体积为V_m，并放入标记好的密封袋中；

S3：用细砂布轻微消磨煤样表面以除去氧化层后用酒精拭擦除尘，再用快速胶体将电阻应变片粘贴于煤样表面，并压实电阻应变片以消除气泡，然后用胶带将电阻应变片紧紧粘贴在煤样表面，最后将电阻应变片通过导线与应变传感器连接；

S4：将表面粘有电阻应变片的煤样置于吸附罐内，开启真空脱气泵和脱气控制阀对吸附罐进行脱气，用以消除常压下吸附空气对测试结果的影响，待真空热偶计显示数值低于5×10^-1pa后，停止对吸附罐脱气；开启真空脱气泵和脱气控制阀的同时，对煤样的应变进行监测，脱气完毕后记录下此时的轴向与环向应变ε_z0、ε_r0；煤样脱气后的体积应变为ε_v0＝ε_z0+2ε_r0，煤样脱气后的体积为V_m0＝(1+ε_v0)V_m；开启旋转平台、X射线源与射线探测器对煤样不同层位的孔隙率进行扫描，将不同层位的孔隙率数值，取平均值以获取吸附量为0时的平均孔隙率Φ₀；实验前吸附罐对煤样体积进行标定，并记录其体积为V_x；平均孔隙率Φ₀由数据采集及分析系统输出；

S5：打开气体减压阀，使高压瓦斯气瓶中的瓦斯气体，经由第二质量流量计进入至标准罐中，通过第二固态气体压力传感器记录充入标准罐中气体的压力p₁，通过第二质量流量计记录充入标准罐中瓦斯气体量、标准罐以及与其连接至吸附罐的管路、与第二质量流量计连接的管路的总体积，在实验进行标定，并记录其体积为V_b；

S6：打开第二控制阀，使标准罐中的高压瓦斯经由管路进入至装有煤样的吸附罐中，待煤样吸附瓦斯平衡后，记录此时的瓦斯压力p_1p；开启旋转平台、X射线源与射线探测器对煤样不同层位的孔隙率进行扫描，将不同层位的孔隙率数值，取平均值以获取吸附平衡压力p_1p时的平均孔隙率Φ₁；同时记录吸附平衡压力p_1p时的轴向与环向应变ε_z1、ε_r1，计算相应的煤样体积应变为ε_v1＝ε_z1+2ε_r1，煤样吸附平衡后的体积为V_m1＝(1+ε_v1)V_m，则此时吸附罐中煤样吸附瓦斯的摩尔量为：

式中：Z₁、Z_1p分别为p₁、p_1p时，瓦斯气体的压缩因子；n₁为吸附平衡压力p_1p时，煤样吸附瓦斯的摩尔量；

吸附平衡压力p_1p时，煤样的吸附瓦斯量V_xp1＝22.4×n₁×1000；

S7：关闭第二控制阀，打开气体减压阀，继续对标准罐充入高压瓦斯气体，记录此时标准罐的气体压力p₂；

S8：打开第二控制阀，使标准罐中的高压瓦斯进入至吸附罐中，待煤样吸附瓦斯平衡后，记录此时的吸附平衡瓦斯压力p_2p；开启旋转平台、X射线源与射线探测器对煤样不同层位的孔隙率进行扫描，将不同层位的孔隙率数值，取平均值以获取吸附平衡压力p_2p时的平均孔隙率Φ₂；并同时记录吸附平衡压力p_2p时的轴向与环向应变ε_z2、ε_r2，计算相应的煤样体积应变为ε_v2＝ε_z2+2ε_r2，煤样吸附平衡后的体积为V_m2＝(1+ε_v2)V_m，则此时吸附罐中煤样吸附瓦斯的摩尔量为：

式中：Z₂、Z_2p分别为p₂、p_2p时，瓦斯气体的压缩因子；n₂为吸附平衡压力p_2p时，煤样吸附瓦斯的摩尔量；

吸附平衡压力p_2p时，煤样的吸附瓦斯量V_xp2＝22.4×n₂×1000；

S9：重复S7、S8，相应充入标准罐的气体压力p_i，以及吸附平衡瓦斯压力p_ip，平均孔隙率Φ_i，吸附平衡压力p_ip时的轴向与环向应变ε_zi、ε_ri，与其对应的煤样体积应变为ε_vi＝ε_zi+2ε_ri，煤样吸附平衡后的体积为V_mi＝(1+ε_vi)V_m，则此时吸附罐中煤样吸附瓦斯的摩尔量n_i为：

式中：Z_i、Z_ip分别为p_i、p_ip时，瓦斯气体的压缩因子；n_i为吸附平衡压力p_ip时，煤样吸附瓦斯的摩尔量；

吸附平衡压力p_ip时，煤样的吸附瓦斯量V_xpi＝22.4×n_i×1000；

S10：待完成预定最大吸附平衡压力条件下的测试后，关闭第二控制阀，打开第一控制阀、流量控制阀与第一质量流量计，使吸附罐中的高压瓦斯，经由第一质量流量计流出；待吸附罐中的高压瓦斯流出一部分后，第一质量流量计可精确记录流出部分的瓦斯量，吸附罐中的游离瓦斯根据平衡后的孔隙率与煤样体积应变，结合平衡压力进行计算，进一步获得对应平衡瓦斯压力下的吸附量；

S11：重复S10，获得煤样在放散瓦斯过程中，任意平衡压力下的吸附量、孔隙率，直至将吸附罐中的高压瓦斯排空。