專利名稱：煤體吸附解吸過程中動態變形特征測試方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗測試裝置和測試方法，特別是涉及一種用于測量煤體吸附、解吸瓦斯氣體過程中煤體變形量的測試裝置和方法。
背景技術：
煤與瓦斯相互作用機制是瓦斯災害防治領域研究的基礎科學問題，其不僅對探究礦井煤巖瓦斯動力災害機理具有重要的指導作用，同時也為煤層瓦斯的抽采或煤層氣開發提供重要的技術支撐。礦井瓦斯生成于煤的變質階段，主要以吸附于微孔隙表面以及承壓于煤巖體孔、裂隙內的狀態賦存。煤體_圍巖體系在瓦斯壓力與巖體應力共同作用下處于相對靜止的平衡狀態。當井工采礦活動進入煤層及其圍巖中，這種平衡狀態受到擾動，導致煤巖體應力場重新分布與煤巖層中瓦斯的重新運移。在平衡狀態改變過程中，煤體的微細觀結構變化除了受到圍巖應力的作用外，還很大程度上還受到游離態瓦斯產生的孔隙氣體壓力和吸附態瓦斯產生的煤體膨脹變形的影響。大量的實際現象和試驗結果已經表明，這種由于氣體吸附、解吸造成的煤體性態的變化在瓦斯動力災害發生過程中起著重要作用。因此，研究煤體吸附、解吸瓦斯變形的動態演化機理對深入認識煤巖瓦斯動力災害的演化機理具有重要作用。吸附、解吸變形是煤體的固有特性，其變形值反映了煤體強度、變質程度、煤層溫度、孔隙特性和裂隙發育程度以及含瓦斯能力的強弱。在同樣的外部條件下，突出煤的變形值遠大于非突出煤。因此，煤體的吸附、解吸變形特性也對煤層突出危險性測定有輔助作用。此外，在煤層瓦斯的運移過程中，瓦斯的吸附、解吸會使煤體產生膨脹、收縮變形，使煤體的力學性質發生變化，從而引起煤巖的孔隙結構變化，進而引起煤巖滲透性的變化。同時，煤巖的孔隙結構和滲透系數變化反過來又影響瓦斯在煤體中的賦存與流動。因此，要獲得煤層瓦斯的真實運移規律，則必須考慮煤體吸附、解吸變形的影響。測定煤體瓦斯吸附量的方法有很多，常用的主要有重量法和容量法。容量法是將煤體放在已知容積的密閉系統中，在一系列瓦斯氣體壓力下，根據氣態方程，即氣體質量和溫度、壓力及容積之間關系，計算出瓦斯氣體的被吸附量。容量法測試技術具有測定方法合理，測定裝置簡單易行、操作方便，測試的數據可靠、直觀等特點，是我國大專院校、科研院所及局所主要采用的方法。但是，目前容量法測試裝置，在測量吸附、解吸變形時具有一定的局限性，例如，這些測試裝置的試樣都是采用顆粒狀煤樣，煤樣粒度在O. 25 O. 18mm之間，難以獲得吸附、解吸變形量；高壓吸附解吸罐的結構專門為顆粒煤樣設計，要加工適合的塊煤樣非常困難；另外高壓吸附解吸罐上一般也沒有設置變形測量接口。近年來，隨著人們對煤巖瓦斯動力災害發生機制、煤層氣開采、以及CO2煤層封存等技術關注程度的不斷提高，許多研究者開始了煤巖吸附、吸附變形以及滲透性測量方面的研究，并相繼開發了測試煤巖吸附量以及吸附、解吸變形的技術和裝置。這些裝置雖然專門為測量煤體的吸附、解吸變形所研制，但在實驗條件上往往不能滿足要求。如現有設備吸附平衡時間較短，絕大多數實驗的平衡時間都在60小時以內，而吸附變形測試塊狀煤樣不同于顆粒狀煤樣，尤其是在用原煤做實驗時，煤體的吸附平衡時間要長得多，有的要幾百個小時才能達到平衡，現有設備受到穩定性的制約，不能達到這一要求；利用現有設備開展的吸附、解吸變形試驗氣體壓力大多數在5. OMPa以內，而煤體在高壓下，往往表現出不同于低壓時的特性，因此需要能實現高壓吸附變形的測試裝置(O 10. OMPa);在進行解吸變形試驗時，根據實際工程狀況，需要測試不同壓力梯度下煤樣的變形值，因此，需要為含瓦斯煤的解吸提供一個可控的環境壓力。同樣，在利用不同氣體與014之間的競爭吸附作用進行CO2煤層封存、煤層氣注氣增采等試驗時，也需要提供一個氣體混合和置換的壓力環境，這些都是現有的試驗裝置不能實現的；此外，現有容量法測試設備在計算吸附量時，都忽略了煤體的吸附、解吸變形對自由空間體積的影響，因而測得的吸附量與真實吸附量之間存在一定的誤差。因此，本領域技術人員致力于開發一種使煤體吸附、解吸瓦斯氣體過程中變形規律分析結果可靠性更高的測試裝置和測試方法。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種使煤體吸 附、解吸瓦斯氣體過程中變形規律分析結果可靠性更高的測試裝置和測試方法。為實現本發明第一層面的目的，本發明提供了一種煤體吸附解吸瓦斯氣體過程變形測試裝置，包括變形測試系統、高壓吸附解吸罐和氣體控制系統；所述變形測試系統包括彼此連接的電阻應變片和電阻應變儀；所述電阻應變儀與綜合處理終端連接；所述綜合處理終端連接有壓力采集卡；所述高壓吸附解吸罐包括罐體和設置在所述罐體上方的頂蓋；所述罐體與所述頂蓋之間設置有密封墊；所述罐體的上部設置有徑向凸緣；所述罐體和頂蓋通過緊固卡箍扣
合；所述緊固卡箍包括彼此分離、結構對稱的第--^箍部和第二卡箍部；所述第--^箍部
和第二卡箍部通過外圓設置的喉箍抱緊；所述緊固卡箍的下端設置有內凸的卡環；所述卡環可卡入所述徑向凸緣的底面；所述緊固卡箍的上端設置有內凸的壓環；所述壓環與卡箍頂部間隔設置；所述卡箍頂部與所述壓環在圓周方向均布有壓緊螺釘；所述頂蓋包括一體的基部和接口安裝部；所述接口安裝部穿出所述緊固卡箍；所述接口安裝部上設置有與罐體內腔連通的氣體接口、氣體壓力傳感器接口和應力應變測量接口 ；所述應力應變測量接口包括第一通孔螺柱；所述第一通孔螺柱的下端與所述頂蓋螺紋配合，上端與第一鎖緊螺帽配合；所述第一通孔螺柱的頂部與所述第一鎖緊螺帽之間設置有多孔擋板；所述第一通孔螺柱內通過環氧樹脂封裝有第一導線；所述第一導線的上端穿過所述多孔擋板和第一鎖緊螺帽后與所述電阻應變儀連接；所述第一導線的下端伸入所述罐體內，并可與所述電阻應變片連接；所述氣體壓力傳感器接口與第一氣體壓力傳感器連接；所述氣體控制系統包括高壓蓄氣瓶；所述高壓蓄氣瓶的出口端連接有第二氣體壓力傳感器；所述第二氣體壓力傳感器與第一針型閥連接；所述第一針型閥與所述氣體接口連接；所述高壓蓄氣瓶的進口端與第一四通接頭連接；所述第一四通接頭的第一氣路依次連接有氣體放散口、真空泵、第一單向閥和第一針型閥；所述第一四通接頭的第二氣路依次連接有流量計、第二單向閥、第二針型閥；所述第一四通接頭的第三氣路與第二四通接頭連接；所述第二四通接頭的第一氣路依次連接有高壓甲烷瓶、甲烷減壓閥、第三針型閥；所述第二四通接頭的第二氣路依次連接有高壓氦氣瓶、氦氣減壓閥和第四針型閥；所述第二四通接頭的第三氣路依次連接有高壓二氧化碳瓶、二氧化碳減壓閥和第五針型閥。為進一步提高密封效果，所述頂蓋面向所述罐體一側設置有環槽；所述罐體設置有與所述環槽配合的軸向凸緣；所述密封墊設置所述軸向凸緣的頂部。為精確控制試驗的溫度條件，所述罐體外設置有第一加熱套；所述高壓蓄氣瓶外設置有第二加熱套；所述第二加熱套上設置有熱電偶；所述綜合處理終端連接有溫度控制器。較佳的，所述喉箍為T型螺栓喉箍。
為實現本發明第二層面的目的，本發明提供了一種對煤體吸附、解吸瓦斯過程中動態變形特征測試的方法，具體步驟如下(a)測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐的體積首先，在高壓吸附解吸罐空置的情況下，對高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐進行抽真空至真空度達到4. OPa以下；其次，將O. 2MPa的He氣沖入高壓蓄氣瓶內；壓力穩定后停止充氣；測量高壓蓄氣瓶內的壓力值Pr和高壓吸附解吸罐內的壓力值Ps ；再次，將He充入高壓吸附解吸罐內，待壓力穩定后測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐內的平衡壓力值Pe ;釋放高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的He氣，使高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的壓力與外界壓力相等；最后，將已知體積為Vn的實心金屬標準試塊放入高壓吸附解吸罐內，重復上述操作，并分別讀取向高壓吸附解吸罐內充氣前高壓蓄氣瓶內的壓力值P/，高壓吸附解吸罐內的壓力值匕‘和高壓吸附解吸罐內充氣后的平衡壓力Pe ‘；如果兩次壓力平衡前高壓吸附解吸罐內的壓力Ps和Ps ‘均小于4Pa，則忽略高壓吸附解吸罐內的殘存氣體，認為其為真空狀態，則根據以下方程組計算高壓蓄氣瓶及其管路，高壓吸附解吸罐及其管路的體積
權利要求
1.一種煤體吸附解吸過程中動態變形特征測試方法，其特征是包括以下步驟 (1)測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐的空置體積 11)在高壓吸附解吸罐空置的情況下，對高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐進行抽真空至真空度達到4. OPa以下； 12)將O.2MPa的He氣沖入高壓蓄氣瓶內；壓力穩定后停止充氣；測量高壓蓄氣瓶內的壓力值Pr和高壓吸附解吸罐內的壓力值Ps ; 13)將He充入高壓吸附解吸罐內，待壓力穩定后測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐內的平衡壓力值Pe ;釋放高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的He氣，使高壓吸附解吸罐、高壓蓄氣瓶以及管路中的壓力與外界壓力相等； 14)將已知體積為Vn的實心金屬標準試塊放入高壓吸附解吸罐內，重復上述操作，并分別讀取向高壓吸附解吸罐內充氣前高壓蓄氣瓶內的壓力值P/，高壓吸附解吸罐內的壓力值Ps ‘和高壓吸附解吸罐內充氣后的平衡壓力Pe ‘； 如果兩次壓力平衡前高壓吸附解吸罐內的壓力Ps和Ps ‘均大于4Pa，則重復步驟11)至14);如果兩次壓力平衡前高壓吸附解吸罐內的壓力Ps和Ps ‘均小于4Pa，則忽略高壓吸附解吸罐內的殘存氣體，認為其為真空狀態，則根據以下方程組計算高壓蓄氣瓶及其管路，高壓吸附解吸罐及其管路的體積
2.如權利要求1所述的煤體吸附解吸過程中動態變形特征測試方法，其特征是在以上(4)、(5)、(7)步驟的進行過程中，將系統控制在恒定的溫度內，并通過壓力采集卡和氣體壓力傳感器實時記錄和顯示各測點的壓力；通過電阻應變儀實時顯示和記錄煤體表面的應力和應變。
全文摘要
本發明公開了一種煤體吸附解吸過程中動態變形特征測試方法，包括以下步驟(1)測量高壓蓄氣瓶和高壓吸附解吸罐的空置體積；(2)試樣安裝；(3)測量吸附解吸罐的自由空間體積；(4)進行瓦斯等溫定容吸附過程中煤體動態演化過程測試；(5)進行瓦斯等溫定壓吸附過程中煤體動態演化過程測試；(6)進行瓦斯定容變溫條件下吸附-解吸動態演化過程測試；(7)進行瓦斯競爭性吸附過程中煤體動態演化過程測試；(8)瓦斯解吸過程中煤體動態演化過程測試。本發明操作簡單，測試結果的準確性高。
文檔編號G01N7/04GK103018132SQ20121055889
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者劉延保, 文光才, 張志剛, 周厚權, 楊慧明, 金洪偉, 王波, 苗法田, 程波, 劉國慶, 張憲尚, 郭平 申請人:中煤科工集團重慶研究院