深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法制造方法及图纸

深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，样品室内装填有煤岩样品，每个加压筒的中部均开设有第一进光孔，每个压头的中部均开设有第二进光孔，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器通过导线与应力测试仪连接，光谱测试仪的目镜分别与相应第一进光孔对接。本发明专利技术设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。

On line spectral testing device and method for deep coal and rock under triaxial stress and gas saturation conditions

【技术实现步骤摘要】
深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法
本专利技术涉及深部煤岩物质成分、微观结构变化测试实验
，具体的说，涉及一种深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法。
技术介绍
煤层注入CO2可以提高煤层气的采收率，煤对CO2的吸收能力大于CH4，可产生CO2驱替CH4的效果。19世纪，在最初的CO2注入煤层的实验中得出，CO2注入可驱替煤层中的CH4，煤层气采收率可提高9%～57%。注入CO2后，煤基质发生结构性膨胀，且不同气体膨胀程度不同，对孔隙结构影响程度不同。随着人们对煤岩气体吸附和驱替的深入研究，在提高和改变温度和压力等条件时，煤气体吸附量、气体吸附解析速率、孔隙度、渗透率变化及矿物成分变化的研究得到了更多关注。在地球科学领域，高温高压实验在一定程度上可为深部地层中煤岩物质组成、结构状态以及成岩成矿作用研究提供可靠的实验数据，在高压、超高压条件下，物质原子之间的距离以及电子层之间的相互作用会发生变化。CO2的注入伴随着压强的增大，当围压稳定时，CO2与水反应生成弱酸性溶液，与煤岩中不稳定矿物反应产生化学溶蚀和化学沉淀，改变煤中矿物成分与含量。因此深部煤层中CO2等气体注入会引起煤岩一系列物理化学变化，还原在深部地层高三轴应力、高流体压力条件下，尤其是注入CO2、N2等气体的饱气条件下，利用拉曼、红外光谱等手段研究煤岩物质成分、微观结构变化具有重要意义。目前，高温高压装置的研发技术以及激光拉曼反应的在线表征技术应用较多，但能够还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的实时监测、在线表征的装置和测试方法还有所欠缺。为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置及方法，本专利技术设计科学、测试准确、能够实时监测及在线还原煤岩在深部地层中三轴应力以及饱气条件下的微观表征。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室和支撑钢体均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压孔的内端均与加压腔连通，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头分别对应顶压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室内装填有煤岩样品，样品室的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口，每个加压筒的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔，每个压头的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔、各个第二进光孔和各个进光口分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片，样品室的顶部前侧两边角处分别设有与样品室内腔连通的通气口和接线口，支撑钢体的顶部开设有与加压腔连通的通气孔和接线孔，通气孔与通气口上下对应，接线孔与接线口上下对应，通气口上连接有通气软管，通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，通气软管上设有截止阀，通气软管的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器连接有导线，导线由内到外依次穿过接线口和接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔的外端对接。样品室包括右侧敞口的箱体和密封盖，密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，密封盖的左侧外部套设有位于箱体的右侧内壁和密封盖的左侧外部之间的硅胶密封圈，密封盖的四周通过螺钉固定连接在箱体的右侧，箱体和密封盖均由铜或铝制成，三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面均粘贴有压座，三个压座分别对应顶压密封盖的右侧面、箱体的前侧面和上侧面，压座和压头均为由碳化钨制成的四棱台结构，四棱台结构的内端面小于四棱台结构的外端面；支撑钢体和三个加压筒均由361号钢制成。支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面的四周均开设有外大内小的两级阶梯盲孔，两级阶梯盲孔的外部孔为光孔，两级阶梯盲孔的内部孔为螺纹孔，每个加压筒的外端均一体成型有正方形的端盖，端盖的大小与支撑钢体的侧面大小相同，端盖的四周均开设有外大内小的台阶孔，各个台阶孔与相应的两级阶梯盲孔内外对应，台阶孔中安装有加压螺丝，加压螺丝的外端螺帽卡设在台阶孔中的台阶处，加压螺丝上套设有若干个碟型垫片，各个碟型垫片的外圆与两级阶梯盲孔的外部孔内圆滑动接触，加压螺丝的内端螺纹连接在两级阶梯盲孔的内部孔中。深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，包括以下步骤：（1）、在样品室中装填煤岩样品；（2）、将样品室、支撑钢体和三个加压筒装配好；（3）、对样品室抽真空，再通入测试气体直至达到目标气压；（4）、调节各根加压螺丝使煤岩样品受到不同的三轴应力，通过拉曼光谱测试仪或红外光谱测试仪测得煤岩样品在不同的三轴应力及CO2饱和气压条件下的拉曼光谱或红外光谱测试结果。步骤（1）具体为：先将三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，并将三片薄膜应力传感器所连接的导线一同从接线口穿出，将通气软管的一端插接到通气口中，在通气软管的外壁和通气口的内圆之间接触处注入高温胶起到密封效果，防止漏气，再将煤岩样品放入箱体中，将密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，拧紧螺钉将密封盖固定连接在箱体的右侧，组装好样品室，煤岩样品为块状或粉末状煤岩，其中粉末状煤岩样品需经压实后再放入箱体中。步骤（2）具体为：先将三个压座粘贴到加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面，将样品室通过其中一个加压孔放置到加压腔中，使通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，再将导线穿过接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，再分别把三个加压筒插入到对应的三个加压孔中，调节各根加压螺丝使各个加压筒的内端向支撑钢体内部推进对样品室进行预压，三个压头分别与样品室的左侧面、后侧面和下侧面紧压接触，使样品室外壁轻微变形并达到密封状态。步骤（3）具体为：先将通气软管与真空泵通过快速接头连接，打开截止阀，启动真空泵，将样品室内部抽真空，直至达到目标气压，通过真空泵上的真空表确定，真空泵停止工作，关闭截止阀，将通气软管和真空泵拆卸分离，使样品室保持一段时间的真空状态，然后将通气软管与注气系统通过快速接头连接，打开截止阀，启动注气系统，注气系统缓慢向样品室中注入CO2气体，直至达到饱和气压，通过注气系统上的压力表确定。步骤（4）具体为：拧动各根加压螺丝，使三个加压筒的内端在三个相互垂直的方向向内缓慢推进，则三个压头向内挤压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室在三个压头的作用下发生变形，直至三片薄膜应力传感器测试到目标应力，停止拧动各根加压螺丝，将支撑钢体放置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室和支撑钢体均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压孔的内端均与加压腔连通，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头分别对应顶压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室内装填有煤岩样品，样品室的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口，每个加压筒的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔，每个压头的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔、各个第二进光孔和各个进光口分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片，样品室的顶部前侧两边角处分别设有与样品室内腔连通的通气口和接线口，支撑钢体的顶部开设有与加压腔连通的通气孔和接线孔，通气孔与通气口上下对应，接线孔与接线口上下对应，通气口上连接有通气软管，通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，通气软管上设有截止阀，通气软管的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器连接有导线，导线由内到外依次穿过接线口和接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔的外端对接。/n...

【技术特征摘要】
1.深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：包括样品室、支撑钢体、三个加压筒、应力测试仪、真空泵、注气系统和光谱测试仪，样品室和支撑钢体均为正方体结构，规定X轴方向为左右方向、Y轴方向为前后方向以及Z轴方向为上下方向，支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面均开设有加压孔，支撑钢体的中心处设有加压腔，样品室放置在加压腔内，三个加压孔的内端均与加压腔连通，三个加压筒分别对应插入到三个加压孔中，三个加压筒的内端均粘贴有压头，三个压头分别对应顶压样品室的左侧面、后侧面和下侧面，样品室内装填有煤岩样品，样品室的左侧面、后侧面和下侧面的中部均开设有进光口，每个加压筒的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第一进光孔，每个压头的中部均沿加压孔的中心线方向开设有内外通透的第二进光孔，各个第一进光孔、各个第二进光孔和各个进光口分别内外对应，每个第二进光孔中均设有金刚石窗口片，样品室的顶部前侧两边角处分别设有与样品室内腔连通的通气口和接线口，支撑钢体的顶部开设有与加压腔连通的通气孔和接线孔，通气孔与通气口上下对应，接线孔与接线口上下对应，通气口上连接有通气软管，通气软管穿过通气孔伸出支撑钢体的顶部，通气软管上设有截止阀，通气软管的外端分别与真空泵和注气系统通过快速接头可拆卸连接，样品室的右侧内壁、前侧内壁和上侧内壁均设有薄膜应力传感器，薄膜应力传感器连接有导线，导线由内到外依次穿过接线口和接线孔伸出支撑钢体的顶部并与应力测试仪连接，支撑钢体放置在光谱测试仪的下方，光谱测试仪的目镜分别与相应的第一进光孔的外端对接。


2.根据权利要求1所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：样品室包括右侧敞口的箱体和密封盖，密封盖的左侧外部插入到箱体的右侧内部，密封盖的左侧外部套设有位于箱体的右侧内壁和密封盖的左侧外部之间的硅胶密封圈，密封盖的四周通过螺钉固定连接在箱体的右侧，箱体和密封盖均由铜或铝制成，三片薄膜应力传感器分别粘贴在箱体的前侧内壁和上侧内壁以及密封盖的左侧面上，加压腔内部的右侧面、前侧面和上侧面均粘贴有压座，三个压座分别对应顶压密封盖的右侧面、箱体的前侧面和上侧面，压座和压头均为由碳化钨制成的四棱台结构，四棱台结构的内端面小于四棱台结构的外端面；支撑钢体和三个加压筒均由361号钢制成。


3.根据权利要求2所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置，其特征在于：支撑钢体的左侧面、后侧面和下侧面的四周均开设有外大内小的两级阶梯盲孔，两级阶梯盲孔的外部孔为光孔，两级阶梯盲孔的内部孔为螺纹孔，每个加压筒的外端均一体成型有正方形的端盖，端盖的大小与支撑钢体的侧面大小相同，端盖的四周均开设有外大内小的台阶孔，各个台阶孔与相应的两级阶梯盲孔内外对应，台阶孔中安装有加压螺丝，加压螺丝的外端螺帽卡设在台阶孔中的台阶处，加压螺丝上套设有若干个碟型垫片，各个碟型垫片的外圆与两级阶梯盲孔的外部孔内圆滑动接触，加压螺丝的内端螺纹连接在两级阶梯盲孔的内部孔中。


4.如权利要求3中所述的深部煤岩三轴应力和饱气条件下在线光谱测试装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、在样品室中装填煤岩样品；
（2）、将样品室、支撑钢体和三个加压筒装配好；
（3）、对样品室抽真空，再通入测试气体直至达到目标气压；
（4）、调节各根...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘结南，葛涛元，王凯，王睿，杨艳辉，王相龙，牟朋威，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41