一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：包括煤样真空干燥系统、煤样水浴恒温系统、煤样饱水系统、液氮注入系统、液氮浸融反应系统、监测采集处理系统。所述液氮浸融反应系统包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，所述各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱。监测采集处理系统包括应变测试分系统、压力监测分系统、声发射采集分系统。可以实现实时对液氮浸没煤样整个过程的实验数据监测，实时的监测煤样在液氮作用下的微细观结构变化，动态分析液氮致裂煤样时，煤体损伤变形破裂的规律和效果。

【技术实现步骤摘要】
一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置
本专利技术涉及煤样实验设备领域，具体涉及一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置。
技术介绍
我国一次能源消费结构以煤炭为主，伴随我国经济的稳步发展，对煤炭需求量也随之增加，煤炭已成为我国工业、经济发展的重要资源基础。目前我国大部分煤矿生产的方式是井工开采，而且随着浅部煤炭开采时间的推移和对能源的需要，潜藏资源日益枯竭，导致我国矿井开采逐渐进入深部开采阶段。矿井进入深部开采，煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，尤其在高地应力、高地温等特殊条件下，瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁，已成为制约矿井安全高效生产主要因素之一，随着浅部地层温度常简称为地温,它随着深度的增加而增高,大约埋深每增加33米,地温增高1度。煤是一种天然地质体，具有微裂纹、孔隙与低强度等缺陷结构。我国大部分矿区瓦斯储层存在“三高两低”的赋存特征(三高：煤层高瓦斯含量、高可塑性结构、高吸附瓦斯能力，两低：煤层渗透率低、强化措施下煤层常规破裂裂隙占比低)，据统计，我国高瓦斯矿井在我国矿井中占37％以上，其中95％的开采煤层属于低渗透性煤层，因此，如何提高低渗煤层渗透率是我国瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的关键之一，煤体的微裂隙扩展以及新裂隙萌生会直接影响煤的渗透性能。液氮对环境无污染，容易制备且成本低廉，有极低的温度(-196℃)，煤体在注入低温液氮后，可使煤体冻结损伤弱化、原生微裂隙扩展以及产生新裂隙，形成冻融致裂带。在煤层有限的空间中，液氮气化后体积迅速膨胀，产生巨大膨胀力致裂煤层，在21℃时1m3液氮气化体积膨胀约696倍，形成气化高压致裂带，同时高压氮气能驱赶、分压置换煤层瓦斯，促进瓦斯解吸渗流，尤其是液氮循环冻融，重复冻融致裂煤层，对提高煤层渗透性效果更显著，同时液氮挥发需要吸收热量会对煤层降温起到一定作用。瓦斯是导致煤矿瓦斯事故的主要因素，同时也是强温室气体，其对臭氧层的破坏及产生的温室效应分别达到CO2的7倍和21倍。与灾害性相对，瓦斯是煤层中可利用的洁净能源，具有广阔的开发前景，我国埋深2000m以浅瓦斯资源量约36.8万亿m3，开采价值显著。因此，进行煤与瓦斯资源安全高效共采，不仅可以有效防治瓦斯的灾害，对大气污染减少，而且将瓦斯作为清洁能源利用，可实现矿井安全生产、环境保护与新能源供给等目的。随着科学技术的发展，为解决以往煤层增透中技术不足的问题，对煤层瓦斯进行高效预抽利用，预防瓦斯事故与降低环境污染问题，获得经济效益最大化，以液氮等超低温流体作为压裂流体的无水压裂技术逐渐受到重视。为提高煤层渗透率，国内外相关学者提出了预裂爆破，气体爆破等爆破增透技术，此类技术操作会相对复杂，易发生次生危害。还有水力压裂、高压注水、水力割缝等方法，其中压裂液会对环境有一定污染，存在水锁效应，耗水量大等问题。随着科技发展，许多新的技术被专家学者提出，如：超声波激励法、溶剂萃取法、微生物发酵法、电化学法等迅猛发展，然而，技术工艺的复杂、昂贵的成本，使得这些技术难以得到推广或应用。由于煤层赋存情况复杂，天然煤层中含有水分并且因埋藏深度和围岩透气性等原因使煤层有不同温度，液氮在这种情况下冻融煤体，使得致裂增渗及瓦斯驱替效果更加明显，更有利于瓦斯高效抽采。如何在实验室模拟实验煤样与赋存煤样性质的一致性，为液氮对煤层增透抽采瓦斯的现场应用提供有效的依据和理论还是目前仍需完善的。同时目前实验室只能观测液氮作用煤体前后的变化，而不能对液氮冻融煤体全过程进行有效监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，具有的优点，解决了现有技术中的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，包括煤样真空干燥系统、煤样水浴恒温系统、煤样饱水系统、液氮注入系统、液氮浸融反应系统、监测采集处理系统。液氮浸融反应系统包括波导杆传感器耦合腔28、电磁阀开关29、液氮反应釜31，所述液氮反应釜包括传感器卡槽31-1、隔音罩31-2、废液腔31-3、底座固定孔31-4、试样放置台31-5、废液出口31-6、耐超低温电磁阀31-7、排气孔31-8、反应釜底座31-9、支撑架31-10，所述各部分之间固定连接，耐超低温电磁阀31-7控制实验后液氮从废液出口31-6流出；电磁阀开关29与耐超低温电磁阀31-7电性连接。由上述结构可知，废液腔31-3用于盛放实验结束后原本浸泡煤样的液氮，为了更好控制浸泡时间，便于煤样从液氮脱离；隔音罩31-2是为了隔绝外界声音对实验的影响；底座固定孔31-4利于实验装置固定。所述试样放置台31-5下方有均布小孔以及凸棱。有利于增加试样底部与液氮直接接触面积，其中心有孔洞是为了便于安放压力传感器。可以实现煤样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直接接触相比，煤样各面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响，减小了实验误差。监测采集处理系统包括应变测试分系统、压力监测分系统、声发射采集分系统。进一步地，样煤真空干燥系统包括真空干燥箱7、密封门5、抽真空泵2、温度设置区3、放气旋钮4。由上述结构可知，在操作时，打开密封门5将煤样14放入真空干燥箱7，密封门5的内测设有密封圈，将放气旋钮4旋转至闭合状态通过抽真空泵2将真空干燥箱7进行真空处理，使用温度设置区3的按键设置真空干燥时需要的温度；干燥时间根据实验需要决定；真空干燥箱7放于实验室实验桌6上方；煤样干燥完成后将放气旋钮4旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开，避免压差过大对仪器产生损伤。进一步地，煤样水浴恒温系统包括水浴箱主体13、水浴封盖9、放水开关8、温度显示屏10、水浴开关11、温度设置按钮12。由上述结构可知，在操作时，首先向水浴箱中加入适量水，通过温度设置按钮12打开；温度显示屏10实时显示水浴温度；通过温度设置按钮12设置所需温度，温度范围为室温～100℃；然后盖上水浴封盖9；恒温水浴结束通过放水开关8将废水排出；水浴箱的不同加热室可以设置不同温度。进一步地，煤样饱和系统包括样品罐22、加压装置19、真空加压饱和装置20、压力显示21-1、真空显示21-2。由上述结构可知，在操作时，将煤样14放入22样品罐，重新将罐密封并且抽真空21-2真空显示需要数值停止；通过19手动加压装置进行加压21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定。进一步地，液氮注入系统包括自增压液氮罐1、超低温流量计32、超低温保温管33、自增压液氮罐阀门34、调压阀门35、压力表36、进液阀门37。由上述结构可知，在操作时，液氮由自增压液氮罐1注入定制反应釜中；超低温流量计32可以实时监测输送到反应釜中的液氮流量；34自增压液氮罐阀门控制液氮输送开关；35调压阀门控制注入液氮时的压力。进一步地，反应釜31各部分外贴保温隔热材料。避免液氮在输送途中挥发。进一步地，应变测试分系统包括超低温应变片16、耐低温信号传输线16-1、USB数据线2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：包括煤样真空干燥系统、煤样水浴恒温系统、煤样饱水系统、液氮注入系统、液氮浸融反应系统、监测采集处理系统；/n所述液氮浸融反应系统包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，所述各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱；/n监测采集处理系统包括应变测试分系统、压力监测分系统、声发射采集分系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：包括煤样真空干燥系统、煤样水浴恒温系统、煤样饱水系统、液氮注入系统、液氮浸融反应系统、监测采集处理系统；
所述液氮浸融反应系统包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，所述各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱；
监测采集处理系统包括应变测试分系统、压力监测分系统、声发射采集分系统。


2.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述样煤真空干燥系统包括真空干燥箱、密封门、抽真空泵、温度设置区、放气旋钮。


3.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述煤样水浴恒温系统包括水浴箱主体、水浴封盖、放水开关、温度显示屏、水浴开关、温度设置按钮。


4.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述煤样饱和系统包括样品罐、加压装置、真空加压饱和装置、压力显示、真空显示。


5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海飞，李树刚，罗荣卫，严敏，李博涛，秦雷，丁洋，王裴，成连华，李莉，刘思博，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61