一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法技术方案

发明专利技术提供一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法。该系统包括恒温系统、进排气系统、抽真空系统、吸附膨胀系统和动态测量系统。所述吸附膨胀系统包括参照罐、参照罐进气阀、膨胀应力试验箱和膨胀应力试验箱进气阀，所述动态测量系统包括声发射传感器、声发射信号放大器、声发射信号采集分析仪、称重传感器、称重传感器变送器、温度传感器、气体压力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机。该系统能够实现不同温度和气体压力耦合作用下，限位方式多样的真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统，实时动态反映煤样吸附/解吸过程中的煤体损伤、变形和膨胀应力。变形和膨胀应力。变形和膨胀应力。

【技术实现步骤摘要】
一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法


[0001]本专利技术涉及煤与瓦斯动力灾害机理领域，特别涉及一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法。

技术介绍

[0002]随着我国煤矿进入深部开采阶段，煤层瓦斯压力增大，煤层处于“三高一扰动”(即高地应力，高地温，高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学条件下，矿井瓦斯问题日益严重。但同时，煤矿瓦斯是一种新型的、综合型的清洁能源，如何在减少瓦斯灾害的同时增加瓦斯的利用率，这是我国煤矿瓦斯防治任务的迫切需求。
[0003]近年来，人们对煤岩瓦斯动力灾害机理、煤层气高效开采以及CO2煤层封存等技术关注程度不断提高，国内外研究者相继研发了各种煤岩吸附/解吸变形试验装置，并开展了大量煤岩吸附/解吸变形特征试验。大量研究成果已经表明，煤体吸附气体会发生膨胀变形，解吸气体会发生收缩变形，而在原始煤层中，当煤体吸附气体发生变形，必然会受到空间的限制产生吸附膨胀应力，导致煤体的力学性能、应力状态和孔隙性发生变化。因此，研究煤体吸附膨胀变形和膨胀应力的动态演化特征对深入认识吸附变形过程中的能量转化机理以及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。
[0004]因此，提供一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统及试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0006]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统，包括恒温系统、动态测量系统、吸附膨胀系统、抽真空系统和进排气系统。
[0007]所述恒温系统包括电热恒温箱和承重板。所述电热恒温箱的四侧壁面依次标记为第一壁面、第二壁面、第三壁面和第四壁面。所述第三壁面处敞口。所述电热恒温箱的内壁安装有电热恒温发热结构。所述第三壁面的敞口处连接有箱门。所述承重板下表面布置有若干支撑柱。所述承重板布置在电热恒温箱的内腔中。所述支撑柱将承重板支承在箱底上方。
[0008]所述动态测量系统包括声发射传感器、声发射信号放大器、声发射信号采集分析仪、称重传感器、称重传感器变送器、温度传感器、气体压力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机。
[0009]所述吸附膨胀系统包括参照罐和膨胀应力试验箱。所述参照罐和膨胀应力试验箱布置在电热恒温箱的内腔中。所述参照罐和膨胀应力试验箱搁置在承重板上。
[0010]所述膨胀应力试验箱包括试验箱本体、限位加载机构Ⅰ、限位加载机构Ⅱ和限位加
载机构Ⅲ。所述试验箱本体整体为矩形箱体。所述试验箱本体包括箱顶、箱底和4个侧壁。所述4个侧壁依次标记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述箱顶设置有限位加载机构Ⅰ和称重传感器数据线接口。所述第一侧壁设置有限位加载机构Ⅱ。所述第二侧壁设置有限位加载机构Ⅲ和声发射数据线接口。所述第三侧壁设置有回字形挡板。所述第四侧壁设置有进气口和温度传感器。
[0011]所述限位加载机构Ⅰ包括限位加载连接件Ⅰ、限位杆Ⅰ、压杆Ⅰ和压头Ⅰ。所述限位加载连接件Ⅰ为圆筒体结构。所述限位加载连接件Ⅰ的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件Ⅰ与试验箱本体的箱顶固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近箱顶，小径段设置有内螺纹。所述限位杆Ⅰ包括螺纹段和光滑段。所述限位杆Ⅰ容置在限位加载连接件Ⅰ的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆Ⅰ的一端与限位杆Ⅰ的光滑段接触，另一端穿过箱顶后连接有压头Ⅰ。所述压杆Ⅰ与压头Ⅰ之间布置有称重传感器。
[0012]所述限位加载机构Ⅱ包括限位加载连接件Ⅱ、限位杆Ⅱ、压杆Ⅱ和压头Ⅱ。所述限位加载连接件Ⅱ为圆筒体结构。所述限位加载连接件Ⅱ的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件Ⅱ穿过第一壁面后，与第一侧壁固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近第一侧壁，小径段设置有内螺纹。所述限位杆Ⅱ包括螺纹段和光滑段。所述限位杆Ⅱ容置在限位加载连接件Ⅱ的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆Ⅱ的一端与限位杆Ⅱ的光滑段接触，另一端穿过第一侧壁后连接有压头Ⅱ。所述压杆Ⅱ与压头Ⅱ之间布置有称重传感器。
[0013]所述限位加载机构Ⅲ包括限位加载连接件Ⅲ、限位杆Ⅲ、压杆Ⅲ和压头Ⅲ。所述限位加载连接件Ⅲ为圆筒体结构。所述限位加载连接件Ⅲ的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件Ⅲ与第二侧壁固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近第二侧壁，小径段设置有内螺纹。所述限位杆Ⅲ包括螺纹段和光滑段。所述限位杆Ⅲ容置在限位加载连接件Ⅲ的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆Ⅲ的一端与限位杆Ⅲ的光滑段接触，另一端穿过第二侧壁后连接有压头Ⅲ。所述压杆Ⅲ与压头Ⅲ之间布置有称重传感器。
[0014]所述试验箱本体的内腔中布置有煤样。压头Ⅰ、压头Ⅱ和压头Ⅲ用于向煤样施加限位。所述声发射传感器粘贴于压头Ⅲ表面或煤样表面。所述声发射传感器依次与声发射数据线接口、声发射信号放大器以及声发射信号采集分析仪连接。所述称重传感器分别布置在压杆Ⅰ和压头Ⅰ之间、压杆Ⅱ和压头Ⅱ之间、压杆Ⅲ与压头Ⅲ之间。所述称重传感器依次与称重传感器数据线接口和称重传感器变送器连接。所述位移传感器布置在压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和压杆Ⅲ上。所述位移传感器与位移传感器数据线接口连接。所述称重传感器变送器、温度传感器、气体压力传感器和位移传感器均与数据采集卡连接。所述数据采集卡和声发射信号采集分析仪均与计算机连接。
[0015]所述抽真空系统包括真空阀、数显真空计、空气过滤器和真空泵。
[0016]所述进排气系统包括高压氦气瓶、高压瓦斯气瓶、减压阀、排气阀、三通接头Ⅰ、三通接头Ⅱ、三通接头Ⅲ、四通接头、参照罐进气阀和膨胀应力试验箱进气阀。
[0017]所述三通接头Ⅰ的3个直通接头分别与高压氦气瓶、排气阀以及四通接头连通。所述高压氦气瓶与三通接头Ⅰ之间的管路上设置有减压阀。
[0018]所述四通接头的4个直通接头分别与三通接头Ⅰ、真空泵、高压瓦斯气瓶以及三通接头Ⅱ连通。所述高压瓦斯气瓶与四通接头之间的管路上设置有减压阀。所述真空泵与四
通接头之间的管路上设置有真空阀、数显真空计及空气过滤器。所述三通接头Ⅱ与四通接头之间的管路上设置有参照罐进气阀。
[0019]所述三通接头Ⅱ的3个直通接头分别与四通接头、参照罐以及三通接头Ⅲ连通。所述三通接头Ⅲ与三通接头Ⅱ之间的管路上设置有膨胀应力试验箱进气阀。
[0020]所述三通接头Ⅲ的3个直通接头分别与三通接头Ⅱ、进气口以及气体压力传感器连通。
[0021]工作时，真空泵对整个试验系统进行抽真空，进排气系统向参照罐和膨胀应力试验箱充入气体。调整瓦斯压力，在吸附膨胀系统中进行煤样吸附和解吸试验。所述气体压力传感器实时采集试验过程中的气体压力，结合试验后测得的煤样质量，采用高压容积法计算吸附量和解吸量。所述声发射传感器用于收集煤样破裂产生的声发射信号，检测煤样的破裂过程。所述称重传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真三轴煤岩吸附膨胀应力动态测试系统，其特征在于：包括恒温系统、动态测量系统、吸附膨胀系统、抽真空系统和进排气系统；所述恒温系统包括电热恒温箱(11)和承重板(15)；所述电热恒温箱(11)的四侧壁面依次标记为第一壁面、第二壁面、第三壁面和第四壁面；所述第三壁面处敞口；所述电热恒温箱(11)的内壁安装有电热恒温发热结构(42)；所述第三壁面的敞口处连接有箱门(23)；所述承重板(15)下表面布置有若干支撑柱(41)；所述承重板(15)布置在电热恒温箱(11)的内腔中；所述支撑柱(41)将承重板(15)支承在箱底上方；所述动态测量系统包括声发射传感器(36)、声发射信号放大器(20)、声发射信号采集分析仪(21)、称重传感器(25)、称重传感器变送器(18)、温度传感器(31)、气体压力传感器(14)、位移传感器(28)、数据采集卡(19)和计算机(24)；所述吸附膨胀系统包括参照罐(16)和膨胀应力试验箱(17)；所述参照罐(16)和膨胀应力试验箱(17)布置在电热恒温箱(11)的内腔中；所述参照罐(16)和膨胀应力试验箱(17)搁置在承重板(15)上；所述膨胀应力试验箱(17)包括试验箱本体、限位加载机构Ⅰ、限位加载机构Ⅱ和限位加载机构Ⅲ；所述试验箱本体整体为矩形箱体；所述试验箱本体包括箱顶、箱底和4个侧壁；所述4个侧壁依次标记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述箱顶设置有限位加载机构Ⅰ和称重传感器数据线接口(37)；所述第一侧壁设置有限位加载机构Ⅱ；所述第二侧壁设置有限位加载机构Ⅲ和声发射数据线接口(35)；所述第三侧壁设置有回字形挡板(26)；所述第四侧壁设置有进气口(32)和温度传感器(31)；所述限位加载机构Ⅰ包括限位加载连接件Ⅰ(22)、限位杆Ⅰ(29)、压杆Ⅰ(30)和压头Ⅰ(33)；所述限位加载连接件Ⅰ(22)为圆筒体结构；所述限位加载连接件Ⅰ(22)的内腔为阶梯型内腔；所述限位加载连接件Ⅰ(22)与试验箱本体的箱顶固定连接；所述阶梯型内腔的大径段靠近箱顶，小径段设置有内螺纹；所述限位杆Ⅰ(29)包括螺纹段和光滑段；所述限位杆Ⅰ(29)容置在限位加载连接件Ⅰ(22)的内腔中；所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段；所述压杆Ⅰ(30)的一端与限位杆Ⅰ(29)的光滑段接触，另一端穿过箱顶后连接有压头Ⅰ(33)；所述压杆Ⅰ(30)与压头Ⅰ(33)之间布置有称重传感器(25)；所述限位加载机构Ⅱ包括限位加载连接件Ⅱ(220)、限位杆Ⅱ(290)、压杆Ⅱ(300)和压头Ⅱ(330)；所述限位加载连接件Ⅱ(220)为圆筒体结构；所述限位加载连接件Ⅱ(220)的内腔为阶梯型内腔；所述限位加载连接件Ⅱ(220)穿过第一壁面后，与第一侧壁固定连接；所述阶梯型内腔的大径段靠近第一侧壁，小径段设置有内螺纹；所述限位杆Ⅱ(290)包括螺纹段和光滑段；所述限位杆Ⅱ(290)容置在限位加载连接件Ⅱ(220)的内腔中；所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段；所述压杆Ⅱ(300)的一端与限位杆Ⅱ(290)的光滑段接触，另一端穿过第一侧壁后连接有压头Ⅱ(330)；所述压杆Ⅱ(300)与压头Ⅱ(330)之间布置有称重传感器(25)；所述限位加载机构Ⅲ包括限位加载连接件Ⅲ(2200)、限位杆Ⅲ(2900)、压杆Ⅲ(3000)和压头Ⅲ(3300)；所述限位加载连接件Ⅲ(2200)为圆筒体结构；所述限位加载连接件Ⅲ(2200)的内腔为阶梯型内腔；所述限位加载连接件Ⅲ(2200)与第二侧壁固定连接；所述阶梯型内腔的大径段靠近第二侧壁，小径段设置有内螺纹；所述限位杆Ⅲ(2900)包括螺纹段和光滑段；所述限位杆Ⅲ(2900)容置在限位加载连接件Ⅲ(2200)的内腔中；所述螺纹段旋
入小径段，光滑段伸入大径段；所述压杆Ⅲ(3200)的一端与限位杆Ⅲ(2900)的光滑段接触，另一端穿过第二侧壁后连接有压头Ⅲ(3300)；所述压杆Ⅲ(3000)与压头Ⅲ(3300)之间布置有称重传感器(25)；所述试验箱本体的内腔中布置有煤样(27)；压头Ⅰ(33)、压头Ⅱ(330)和压头Ⅲ(3300)用于向煤样(27)施加限位；所述声发射传感器(36)粘贴于压头Ⅲ(3300)表面或煤样(27)表面；所述声发射传感器(36)依次与声发射数据线接口(35)、声发射信号放大器(20)以及声发射信号采集分析仪(21)连接；所述称重传感器(25)分别布置在压杆Ⅰ(30)和压头Ⅰ(33)之间、压杆Ⅱ(300)和压头Ⅱ(330)之间、压杆Ⅲ(3000)与压头Ⅲ(3300)之间；所述称重传感器(25)依次与称重传感器数据线接口(37)和称重传感器变送器(18)连接；所述位移传感器(28)布置在压杆Ⅰ、压杆Ⅱ(300)和压杆Ⅲ(3000)上；所述位移传感器(28)与位移传感器数据线接口(34)连接；所述称重传感器变送器(18)、温度传感器(31)、气体压力传感器(14)和位移传感器(28)均与数据采集卡(19)连接；所述数据采集卡(19)和声发射信号采集分析仪(21)均与计算机(24)连接；所述抽真空系统包括真空阀(7)、数显真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：张遵国，陈毅，唐朝，马凯欣，张宏虎，袁新立，李丹丹，陈永强，钱清侠，李延辉，杨非凡，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：