[发明专利]一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置

说明书

本发明公开了一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，包括煤样真空干燥系统、煤样水浴恒温系统、煤样饱水系统、液氮注入系统、液氮浸融反应系统、监测采集处理系统。所述液氮浸融反应系统包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱。监测采集处理系统包括应变测试分系统、压力监测分系统、声发射采集分系统。可以实现实时对液氮浸没煤样整个过程的实验数据监测，监测煤样在液氮作用下的微细观结构变化，动态分析液氮致裂煤样时，煤体损伤变形破裂的规律和效果。

技术领域

本发明涉及煤样实验设备领域，具体涉及一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置。

背景技术

我国一次能源消费结构以煤炭为主，伴随我国经济的稳步发展，对煤炭需求量也随之增加，煤炭已成为我国工业、经济发展的重要资源基础。目前我国大部分煤矿生产的方式是井工开采，而且随着浅部煤炭开采时间的推移和对能源的需要，潜藏资源日益枯竭，导致我国矿井开采逐渐进入深部开采阶段。矿井进入深部开采，煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，尤其在高地应力、高地温等特殊条件下，瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁，已成为制约矿井安全高效生产主要因素之一，随着浅部地层温度常简称为地温,它随着深度的增加而增高,大约埋深每增加33米,地温增高1度。

煤是一种天然地质体，具有微裂纹、孔隙与低强度等缺陷结构。我国大部分矿区瓦斯储层存在“三高两低”的赋存特征(三高：煤层高瓦斯含量、高可塑性结构、高吸附瓦斯能力，两低：煤层渗透率低、强化措施下煤层常规破裂裂隙占比低)，据统计，我国高瓦斯矿井在我国矿井中占37％以上，其中95％的开采煤层属于低渗透性煤层，因此，如何提高低渗煤层渗透率是我国瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的关键之一，煤体的微裂隙扩展以及新裂隙萌生会直接影响煤的渗透性能。

液氮对环境无污染，容易制备且成本低廉，有极低的温度(-196℃)，煤体在注入低温液氮后，可使煤体冻结损伤弱化、原生微裂隙扩展以及产生新裂隙，形成冻融致裂带。在煤层有限的空间中，液氮气化后体积迅速膨胀，产生巨大膨胀力致裂煤层，在21℃时1m3液氮气化体积膨胀约696倍，形成气化高压致裂带，同时高压氮气能驱赶、分压置换煤层瓦斯，促进瓦斯解吸渗流，尤其是液氮循环冻融，重复冻融致裂煤层，对提高煤层渗透性效果更显著，同时液氮挥发需要吸收热量会对煤层降温起到一定作用。

瓦斯是导致煤矿瓦斯事故的主要因素，同时也是强温室气体，其对臭氧层的破坏及产生的温室效应分别达到CO2的7倍和21倍。与灾害性相对，瓦斯是煤层中可利用的洁净能源，具有广阔的开发前景，我国埋深2000m以浅瓦斯资源量约36.8万亿m3，开采价值显著。因此，进行煤与瓦斯资源安全高效共采，不仅可以有效防治瓦斯的灾害，对大气污染减少，而且将瓦斯作为清洁能源利用，可实现矿井安全生产、环境保护与新能源供给等目的。

随着科学技术的发展，为解决以往煤层增透中技术不足的问题，对煤层瓦斯进行高效预抽利用，预防瓦斯事故与降低环境污染问题，获得经济效益最大化，以液氮等超低温流体作为压裂流体的无水压裂技术逐渐受到重视。

为提高煤层渗透率，国内外相关学者提出了预裂爆破，气体爆破等爆破增透技术，此类技术操作会相对复杂，易发生次生危害。还有水力压裂、高压注水、水力割缝等方法，其中压裂液会对环境有一定污染，存在水锁效应，耗水量大等问题。随着科技发展，许多新的技术被专家学者提出，如：超声波激励法、溶剂萃取法、微生物发酵法、电化学法等迅猛发展，然而，技术工艺的复杂、昂贵的成本，使得这些技术难以得到推广或应用。

由于煤层赋存情况复杂，天然煤层中含有水分并且因埋藏深度和围岩透气性等原因使煤层有不同温度，液氮在这种情况下冻融煤体，使得致裂增渗及瓦斯驱替效果更加明显，更有利于瓦斯高效抽采。如何在实验室模拟实验煤样与赋存煤样性质的一致性，为液氮对煤层增透抽采瓦斯的现场应用提供有效的依据和理论还是目前仍需完善的。同时目前实验室只能观测液氮作用煤体前后的变化，而不能对液氮冻融煤体全过程进行有效监测。