本發(fā)明涉及巖石工程技術領域，特別涉及一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法。
背景技術：
煤巖的應力應變狀態(tài)的研究對于巷道圍巖支護、煤層氣開采、煤與瓦斯突出等問題都有重要的意義，尤其在煤層氣開發(fā)領域，煤巖在吸附瓦斯等吸附性氣體時的應力應變狀態(tài)對于指導煤層氣生產有著重要的理論和現實意義。
目前對于煤巖應力應變狀態(tài)的獲取多采用室內試驗的手段，常見的應變測量工具有位移傳感器或者應變傳感器等。采用傳統(tǒng)應變傳感器在測量吸附狀態(tài)下的煤巖應變狀態(tài)時采集的數據是煤巖的平均應變，而煤巖是一種典型的非均質材料，因此這種測量手段無法反應煤巖內部的應力應變狀態(tài)，同時這些傳感器安裝復雜，精度較低，極易發(fā)生密封不緊、測量失敗等情況，因此急需一種簡單可行能夠獲得較高精度的解、吸附狀態(tài)下的煤巖應變測量手段。
有學者提出采用CT掃描等方法研究煤巖內部的應力應變狀態(tài)，通過CT數或灰度值反映煤巖內部結構在不同狀態(tài)下的變化規(guī)律，雖然取得了一定的效果，但是仍然具有較大的局限性，這是因為這種方法受限于掃描頻次，無法全程跟蹤煤巖全時段的應力應變演化過程。
技術實現要素：
本發(fā)明提供一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，解決現有技術中試樣應力應變測量只能關注測量始終狀態(tài)，而無法測量應力應變全過程的技術問題。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)，包括：氣體控制結構、密閉觀測箱、高速相機以及數字圖像分析平臺；
所述氣體控制結構與所述密閉觀測箱相連，控制所述密閉觀測箱內的氣體出入以及箱內氣壓；
所述高速相機與所述數字圖像分析平臺相連，拍攝所述密閉觀測箱內的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像，并通過所述數字圖像分析平臺分析，得到煤體試樣的形變應變；
其中，在執(zhí)行煤體吸附變形測量時，所述密閉觀測箱內填充氣體，調節(jié)箱內氣壓，通過所述高速相機連續(xù)拍攝煤體試樣形變應變并通過所述數字圖像分析平臺分析形變應變；
當上述煤體吸附變形測量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測量，開始釋放所述密閉觀測箱內的氣體并同時開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應變。
進一步地，在執(zhí)行不同壓強環(huán)境的連續(xù)壓強測量時，完成某一壓強條件下的煤體解、吸附測量后執(zhí)行下一壓強條件的測量操作。
進一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速相機拍攝從開始氣壓調節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
進一步地，所述氣體控制結構包括：氣源、進氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器；
所述氣源通過所述進氣管路與所述密閉觀測箱相連，執(zhí)行氣體輸入；
所述密閉觀測箱與所述出氣管路相連，執(zhí)行氣體輸出；
所述減壓閥設置在所述進氣管路上，實現所述密閉觀測箱內的氣壓調整；
所述氣壓傳感器設置在所述密閉觀測箱上，實時監(jiān)測所述密閉觀測箱內的氣壓，并回傳給所述數字圖像分析平臺。
進一步地，當且僅當所述減壓閥的壓強讀數與所述氣壓傳感器檢測的壓強讀數相等，且持續(xù)時間大于48小時，才認為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。
進一步地，所述密閉觀測箱為透明箱體。
進一步地，所述高速相機為兩臺；
兩臺所述高速相機對稱設置在所述煤體試樣中心軸線兩側，對準所述煤體試樣。
一種煤體解、吸附變形測量方法，包括：
將煤體試樣置于一定的氣體壓強測量氣體環(huán)境中；
通過高速拍攝設備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像；
通過數字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的吸附形變應變；
釋放所述測量氣體環(huán)境中的氣體；
通過高速連續(xù)拍攝設備拍攝所述煤體試樣的圖像；
通過數字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的解吸形變應變；
重復上述過程，測量不同壓強條件下的煤體試樣的解、吸附形變應變。
進一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速拍攝設備拍攝從開始氣壓調節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：
本申請實施例中提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，通過全過程的拍攝和圖像分析，實現了煤巖內部和整體(基質和煤體)的應變測量；實現了煤巖表面解、吸附變形測試的全天候觀測，自動化程度高。
進一步地，通過氣體控制結構實現了同一試樣，不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測量；系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡單，可以實現不同煤巖的解、吸附變形測試。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)的結構示意圖。
具體實施方式
本申請實施例通過提供一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，解決現有技術中試樣應力應變測量只能關注測量始終狀態(tài)，而無法測量應力應變全過程的技術問題；達到了實現了煤巖內部和整體(基質和煤體)的應變測量；同時，不同氣體壓力的解、吸附變形的煤巖表面解、吸附變形測試的全天候精確測量的技術效果。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特征可以相互組合。
參見圖1，本發(fā)明實施例提供的一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)，包括：氣體控制結構、密閉觀測箱、高速相機以及數字圖像分析平臺；
所述氣體控制結構與所述密閉觀測箱相連，控制所述密閉觀測箱內的氣體出入以及箱內氣壓；
所述高速相機與所述數字圖像分析平臺相連，拍攝所述密閉觀測箱內的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像，并通過所述數字圖像分析平臺分析，得到煤體試樣的形變應變；
其中，在執(zhí)行煤體吸附變形測量時，所述密閉觀測箱內填充氣體，調節(jié)箱內氣壓，通過所述高速相機連續(xù)拍攝煤體試樣形變應變并通過所述數字圖像分析平臺分析形變應變；
當上述煤體吸附變形測量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測量，開始釋放所述密閉觀測箱內的氣體并同時開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應變。
在執(zhí)行不同壓強環(huán)境的連續(xù)壓強測量時，完成某一壓強條件下的煤體解、吸附測量后執(zhí)行下一壓強條件的測量操作。
具體來說，針對待測的煤體試樣，將其置于一個氣壓可調的密閉氣體環(huán)境中，即所述密閉觀測箱中，在其發(fā)生解吸和吸附過程中，通過高速拍攝設備，即高速相機實現，連續(xù)的拍攝試樣的圖像，而后通過成熟的數字圖像分析平臺獲得試樣表面的形變應變，實現技術目的。
具體的，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速相機拍攝從開始氣壓調節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。實現全天候的觀測，使得測量在可靠性大大提升，同時由于能夠全面反映整個解吸和吸附過程，使得實驗的數據完整性大幅提升，同時完整可靠的記錄了整個解吸附過程。
本實施例提供了一種具體的準告知組合，所述氣體控制結構包括：氣源、進氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器。
所述氣源通過所述進氣管路與所述密閉觀測箱相連，執(zhí)行氣體輸入；
所述密閉觀測箱與所述出氣管路相連，執(zhí)行氣體輸出；
所述減壓閥設置在所述進氣管路上，實現所述密閉觀測箱內的氣壓調整；
所述氣壓傳感器設置在所述密閉觀測箱上，實時監(jiān)測所述密閉觀測箱內的氣壓，并回傳給所述數字圖像分析平臺。
為了準確的得到完整的數據，確定的判斷反應過程的起始和重點，優(yōu)選的，當且僅當所述減壓閥的壓強讀數與所述氣壓傳感器檢測的壓強讀數相等，且持續(xù)時間大于48小時，才認為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。
為了便于觀測，所述密閉觀測箱為透明箱體。
為了提升圖像獲取的完整性和靠性，所述高速相機為兩臺；兩臺所述高速相機對稱設置在所述煤體試樣中心軸線兩側，對準所述煤體試樣。
本實施例還提供一種測量方法。
一種煤體解、吸附變形測量方法，包括：
將煤體試樣置于一定的氣體壓強測量氣體環(huán)境中；
通過高速拍攝設備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像；
通過數字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的吸附形變應變；
釋放所述測量氣體環(huán)境中的氣體；
通過高速連續(xù)拍攝設備拍攝所述煤體試樣的圖像；
通過數字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的解吸形變應變；
重復上述過程，測量不同壓強條件下的煤體試樣的解、吸附形變應變。
進一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速拍攝設備拍攝從開始氣壓調節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
下面將通過一個具體的系統(tǒng)實施例說明本方案。
參見圖1，一種煤體解、吸附變形光學測量系統(tǒng)，包括氣瓶1、減壓閥3、進氣端氣體閥門4、氣體管路5、出氣端氣體閥門8、特制有機玻璃觀測箱7、氣壓傳感器12、三腳架13、高速相機14、數字圖像分析平臺17，其連接關系是：氣瓶1、減壓閥3、進氣端氣體閥門4通過氣體管路5連接特制有機玻璃觀測箱7的一側開孔處，通過密封螺絲10將氣體管路5與特制有機玻璃觀測箱7連接；氣體管路5、出氣端氣體閥門4與有機玻璃觀測箱7的另一側開孔處連接；特制有機玻璃觀測箱，由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成，頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接，實現密封效果，頂蓋中心處有開孔，設置特制連接螺絲6，連接氣壓傳感器12，箱體7與頂蓋9材料均為透明有機玻璃，透光率高；兩臺高速相機14分別固定在三腳架13上，放置在特制有機玻璃箱體7的未開孔側，與箱體7中心線成一定角度放置，氣壓傳感器12和相機14通過通訊線15連接數字圖像分析平臺17。
特制有機玻璃觀測箱7由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成，頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接，實現密封效果，箱體尺寸為60×40×50cm的長方體，箱體材料與頂蓋材料均為有機玻璃。箱體左壁和右壁中心處設有開孔，開孔處安裝特制密封連接螺絲6，用于連接氣體管路，氣體管路直徑1/8inch，箱體的頂蓋中心處設有開孔，同樣通過特制密封連接螺絲6與氣體傳感器12連接。
數字圖像分析平臺17可以綜合分析高速相機12拍攝的煤巖圖像，并可以實時采集氣體傳感器12的氣體壓力數據。平臺采用的高速相機12是GT3400相機(分辨率為3384×2074，鏡頭焦距為80mm)，氣體傳感器為KELLER傳感器，壓力值范圍0～20MPa。
試驗前，需預先準備煤巖試樣16，試樣尺寸10×2×10cm，將試樣16噴涂標記點，用于下一步的應變測量。將試樣16放入特制有機玻璃箱體7中，豎立放置在特制有機玻璃箱體7中心位置，后將頂蓋9安置于特制有機玻璃箱體7上，通過密封螺絲10和墊片11連接箱體和頂蓋9，氣體管路5通過特制連接螺絲6連接箱體7。將兩臺高速相機14放置在三腳架13上，三腳架置于箱體5m遠處，相機14分布于箱體前壁中心線兩側，相機14鏡頭呈一定角度對準試樣16。
連接系統(tǒng)各線路后，進行具體的實驗操作。
(1)檢查系統(tǒng)氣密性。打開氣瓶1的開關閥2，打開減壓閥3和進氣端氣體閥門4，關閉出氣端氣體閥門8。通過數字圖像分析平臺17觀測氣體壓力傳感12的讀數，當氣體壓力讀數24小時內不再變化時可認為氣密性良好，進行下一步操作。
(2)1MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。打開氣瓶1的開關閥2，打開減壓閥3和進氣端氣體閥門4，關閉出氣端氣體閥門8。通過調節(jié)減壓閥3讀數設定氣體壓力值，同時打開高速相機14開始拍攝煤巖試樣16的圖像，當氣體壓力傳感器12讀數與減壓閥3壓力讀數一致并保持48小時不變時，認為此讀數壓力下煤巖達到吸附平衡，保存相機圖像，并在數字圖像分析平臺上分析應變數據，并保存記錄。關閉氣瓶1的開關閥2，打開出氣端氣體閥門8，同時打開高速相機14開始拍攝煤巖試樣16的圖像，當氣體壓力傳感器12讀數變?yōu)榇髿鈮毫Ρ３?8小時不變時認為此讀數壓力下煤巖達到解吸平衡，保存相機圖像，并在數字圖像分析平臺上分析應變數據，并保存記錄。
(3)2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。通過調節(jié)減壓閥4的讀數設定2、3、4、5、6MPa氣體壓力，重復上述步驟(2)，進行2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：
本申請實施例中提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，通過全過程的拍攝和圖像分析，實現了煤巖內部和整體(基質和煤體)的應變測量；實現了煤巖表面解、吸附變形測試的全天候觀測，自動化程度高。
進一步地，通過氣體控制結構實現了同一試樣，不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測量；系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡單，可以實現不同煤巖的解、吸附變形測試。
最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。