用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置及基于該裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤炭領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦礦井中煤與瓦斯突出嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)。大部分煤與瓦斯突出事故是由 于瓦斯賦存區(qū)擾動(揭煤或落煤)促使大量瓦斯瞬間涌出而造成的，因此，利用瓦斯水合物 在煤體中的大量生成，減小煤體中瓦斯壓力，改變煤體力學(xué)特性，而對含瓦斯水合物煤體的 力學(xué)特性研究是必不可少的。為了對煤中自身含有的瓦斯氣體合成水合物對煤炭的力學(xué)性 質(zhì)影響進行實驗研究，在煤礦現(xiàn)場進行實驗顯然是不切合實際的，因此，亟需一種用于實驗 室研究的針對煤中自身含有的瓦斯氣體合成水合物對煤炭的力學(xué)性質(zhì)影響的裝置及方法。 [0003]目前實驗用煤體三軸實驗裝置絕大多數(shù)都是單純研究煤體本身的力學(xué)性質(zhì)，而關(guān) 于水合物力學(xué)性質(zhì)的實驗裝置主要集中在含水合物沉積物中或者實驗裝置主要特點是先 在合成水合物然后在特定環(huán)境中將水合物和沉積物混合或者在一個實驗裝置中合成含水 合物的試樣，再將試樣移至另一種實驗裝置中進行三軸力學(xué)實驗，與此同時這些裝置都無 法實現(xiàn)同步檢測水合物飽和度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對上述裝置的一些不足，本發(fā)明提供了用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置及基 于該裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是滿足用于實驗室研究的針對煤中含有的瓦斯氣體合成水合物對 煤體的力學(xué)性質(zhì)影響及研究煤體水合物飽和度的裝置及方法的需求，提出了用于煤體原位 力學(xué)特性的實驗裝置及基于該裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝置及方法。
[0006] 用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置，該裝置包括釜體1、調(diào)節(jié)栓塞2、活動栓塞3、固 定座4、密封端蓋5、熱縮管8、一號電阻電極6、二號電阻電極7、緩沖罐12、瓦斯氣體增壓裝置 14、液壓增壓裝置15和應(yīng)變片13;
[0007] -號電阻電極6和二號電阻電極7的結(jié)構(gòu)相同；一號電阻電極6包括電極探頭1_1、 絕緣橡膠1 -2、絕緣層1 _3、金屬管1 -4、加固層1 -5;
[0008] 電極探頭1-1包括頂頭1-11和長尾1-12,頂頭1-11和長尾1-12構(gòu)成T字型，長尾1-12為中空結(jié)構(gòu);加固層1-5和金屬管1-4構(gòu)成T字型，且為一體件；電極探頭1-1的長尾1-12插 入金屬管1-4內(nèi)，且電極探頭1-1的長尾1-12和金屬管1-4之間設(shè)置有絕緣層1-3;電極探頭 1 -1的頂頭1 -11和加固層1 -5之間設(shè)置有絕緣橡膠1 -2;
[0009] 熱縮管8內(nèi)部的兩端分別設(shè)置有一號電阻電極6和二號電阻電極7，一號電阻電極6 的頂頭和二號電阻電極7的頂頭相對放置；
[0010] 煤體11放置在熱縮管8內(nèi)，且位于一號電阻電極6的頂頭和二號電阻電極7的頂頭 之間；調(diào)節(jié)栓塞2包裹在一號電阻電極6的金屬管1-4外側(cè)，調(diào)節(jié)栓塞2的外側(cè)并排設(shè)置有固 定座4和密封端蓋5，且與固定座4為螺紋連接；
[0011] 活動栓塞3包裹在二號電阻電極7的金屬管1-4外側(cè)，活動栓塞3的外側(cè)設(shè)置有密封 端蓋5;
[0012] 設(shè)置在調(diào)節(jié)栓塞2外側(cè)的密封端蓋5和設(shè)置在活動栓塞3外側(cè)的密封端蓋5均套接 在釜體1內(nèi)部，且分別位于釜體1的兩端；
[0013] 熱縮管8、釜體1及密封端蓋5合圍形成一個圍壓油腔9;通過向圍壓油腔9內(nèi)注入圍 壓，向煤體11施加圍壓；
[0014] 活動栓塞3、釜體1及密封端蓋5合圍形成一個軸壓油腔10;通過向軸壓油腔10內(nèi)注 入軸壓，帶動活動栓塞3向左運動；
[0015] 液壓增壓裝置15用于為圍壓油腔9提供圍壓，為軸壓油腔10提供軸壓；
[0016] 瓦斯氣體增壓裝置14用于向二號電阻電極7的長尾內(nèi)通入瓦斯;一號電阻電極6的 長尾通過管路與緩沖罐12的一端聯(lián)通，緩沖罐12的另一端與二號電阻電極7的長尾聯(lián)通；
[0017] 應(yīng)變片13貼在煤體11上，用于采集煤柱的應(yīng)變信號。
[0018] 用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置，瓦斯氣體增壓裝置14包括氣源14-1、空氣壓 縮機14-2、防爆增壓栗14-3、空氣壓縮機閥14-4和氣源閥14-5;
[0019] 氣源14-1的輸出端連通防爆增壓栗14-3的一個輸入端;空氣壓縮機14-2的輸出端 連通防爆增壓栗14-3的另一個輸入端;防爆增壓栗14-3的輸出端連通二號電阻電極6的長 尾；
[0020] 空氣壓縮機閥14-4設(shè)置在空氣壓縮機14-2和防爆增壓栗14-3之間；氣源閥14-5設(shè) 置在氣源14-1和防爆增壓栗14-3之間。
[0021] 用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置，液壓增壓裝置15包括圍壓液壓增壓栗15-1、 軸壓液壓增壓栗15-2、圍壓閥15-3和軸壓閥15-4;
[0022] 釜體1上開有圍壓孔15-5和軸壓孔15-6;
[0023] 圍壓液壓增壓栗15-1通過圍壓孔15-5向圍壓油腔9內(nèi)注入圍壓;軸壓液壓增壓栗 15-2通過軸壓孔15-6向軸壓油腔10內(nèi)注入軸壓;圍壓閥15-3設(shè)置在圍壓液壓增壓栗15-1和 圍壓油腔9之間；軸壓閥15-4設(shè)置在軸壓液壓增壓栗15-2和軸壓油腔10之間。
[0024] 基于用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝置，該裝置還 包括恒溫控制箱16、支撐臺17、恒定電位儀18、電阻應(yīng)變儀19、數(shù)據(jù)采集器20、工控機21、顯 示器22、軸壓壓力傳感器23、溫度傳感器24、圍壓壓力傳感器25、位移傳感器26、孔隙壓力傳 感器27和氣體閥門28;
[0025] 支撐臺17位于恒溫控制箱16內(nèi)，用于放置用于研究煤柱力學(xué)特性的實驗裝置；
[0026] 恒定電位儀18的電位信號輸入端同時連接一號電阻電極6的電位信號輸出端和二 號電阻電極7的電位信號輸出端;恒定電位儀18的電位信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集器20的電 位信號輸入端；
[0027] 電阻應(yīng)變儀19的應(yīng)變信號輸入端連接應(yīng)變片13的應(yīng)變信號輸出端；電阻應(yīng)變儀19 的應(yīng)變信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集器20的應(yīng)變信號輸入端；
[0028]數(shù)據(jù)采集器20的數(shù)據(jù)輸出端連接工控機21的數(shù)據(jù)輸入端;工控機21的數(shù)據(jù)輸出端 連接顯示器22的數(shù)據(jù)顯示端；
[0029] 軸壓壓力傳感器23位于軸壓液壓增壓栗15-2和軸壓油腔10之間，用于監(jiān)測軸壓液 壓增壓栗15-2向軸壓油腔10輸出的軸壓，并將該軸壓發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0030] 溫度傳感器24位于圍壓液壓增壓栗15-1和圍壓油腔9之間，用于監(jiān)測圍壓油腔9內(nèi) 的溫度，并將該溫度發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0031] 圍壓壓力傳感器25位于圍壓液壓增壓栗15-1和圍壓油腔9之間，用于監(jiān)測圍壓液 壓增壓栗15-1向圍壓油腔9輸出的圍壓，并將該圍壓發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0032]位移傳感器26位于活動栓塞3的上表面，用于監(jiān)測活動栓塞3移動的位移，并將該 位移發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0033] 孔隙壓力傳感器27位于二號電阻電極7的長尾和防爆增壓栗14-3之間，用于監(jiān)測 煤體11內(nèi)的孔隙壓力，并將該孔隙壓力發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0034]氣體閥門28位于二號電阻電極7的長尾和防爆增壓栗14-3之間，用于使瓦斯氣體 增壓裝置14開始和停止向二號電阻電極7的長尾內(nèi)注入瓦斯。
[0035] 恒溫控制箱16的可設(shè)定溫度范圍在-20°C~50°C，控溫精度±0.5°C。
[0036] 密封端蓋5與釜體1之間采用0型密封圈密封。
[0037] 基于用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測方法，該方法采 用基于用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝置實現(xiàn)的，該方法包 括下述步驟：
[0038] 步驟一、連接基于用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置的瓦斯水合物飽和度監(jiān)測裝 置，檢查系統(tǒng)氣密性；
[0039] 步驟二、對電阻應(yīng)變儀19、恒定電位儀20進行調(diào)試，調(diào)試正常后進行下一步；
[0040] 步驟三、打開圍壓閥15-3和圍壓液壓增壓栗15-1，使圍壓液壓增壓栗15-1向圍壓 油腔10內(nèi)注入〇.5MPa圍壓，帶動活動栓塞3向左移動，向煤體11施加壓力；
[0041] 步驟四、開啟瓦斯氣體增壓裝置14,向用于研究煤柱力學(xué)特性的實驗裝置中的煤 體11內(nèi)通入0 · 3MPa的孔隙壓力，5min后排出，反復(fù)三次；
[0042] 步驟五、再次開啟瓦斯氣體增壓裝置14,向用于研究煤柱力學(xué)特性的實驗裝置中 的煤體11內(nèi)通入〇. 3MPa的瓦斯；
[0043] 步驟六、開啟圍壓閥15-3和圍壓液壓增壓栗15-1，向圍壓油腔9內(nèi)增壓，直至圍壓 油腔9內(nèi)的圍壓為IMPa，關(guān)閉圍壓閥15-3和圍壓液壓增壓栗15-1;再次開啟瓦斯氣體增壓裝 置14,使用于煤體原位力學(xué)特性的實驗裝置中的煤體11內(nèi)的孔隙壓力增至0.7MPa，依次增 加圍壓和孔隙壓力，直至圍壓和孔隙壓力均達到目標值后停止，維持該狀態(tài)8小時；
[0044] 步驟七、8小時后，調(diào)節(jié)恒溫控制箱16的溫度，使溫度保持在0.5°C ±0.1°C，使煤體 11與瓦斯充分進行水合固化反應(yīng);此時，恒定電位儀18、電阻應(yīng)變儀19、軸壓壓力傳感器23、 溫度傳感器24、圍壓壓力傳感器25、位移傳感器26、孔隙壓力傳感器27將各自采集的數(shù)據(jù)發(fā) 送至數(shù)據(jù)采集器20;
[0045] 步驟八、待瓦斯水合物在煤體11中完全生成以后，即數(shù)據(jù)采集器20采集到煤體11 中的瓦斯孔隙壓力不再下降為止，開展力學(xué)試驗；
[0046] 步驟九、打開圍壓閥15-3，轉(zhuǎn)動圍壓液壓增壓栗15-1使得煤體11周圍的圍壓增加 到力學(xué)試驗所需的目標值，關(guān)閉圍壓閥15-3;
[0047] 打開軸壓閥15-4,轉(zhuǎn)動軸壓液壓增壓栗15-2,使得二號電極7在活動柱塞3的推動 下壓縮煤體11，電阻應(yīng)變儀19通過應(yīng)變片13采集煤體11在壓縮過程中的軸向和徑向變形 比，通過位移傳感器26采集煤體11的軸向變形，通過圍壓、軸壓傳感器采集煤柱壓縮過程的 壓力變化；
[0048]步驟