一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法制造方法及图纸

一种煤吸水量和吸水变形量测试装置，包括注水系统

【技术实现步骤摘要】
一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及实验设备
，具体的说，涉及一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法
。

技术介绍

[0002]煤炭在我国最重要的一次能源
。
煤炭资源的大量开采导致矿井的开采深度逐年增加，瓦斯压力
、
地应力等不断加大，煤与瓦斯突出危险性随之增加
。
瓦斯抽采是预防和治理煤层瓦斯灾害的一种有效手段
。
但由于煤层地质条件的制约，我国煤层具有高瓦斯含量
、
低透气性的特点，抽采难度较大
。
为了提高煤层瓦斯抽采效率，降低煤矿瓦斯灾害的威胁，需要对煤层采取增透措施
。
水力化措施是近年来常用的增透手段，包括水力压裂
、
水射流等，取得了较好的增透效果
。
[0003]在采取水力化措施和瓦斯抽采的过程中，煤层中的瓦斯和水分均处于非平衡状态，煤的瓦斯吸附量和水分吸附量动态变化
。
大量研究表明，煤吸附气体和水分将产生变形
。
吸附量的变化会导致煤体动态变形，引起煤内部孔隙结构等的变化，影响煤层的渗透性等，进而影响煤层瓦斯的抽采
。
同时，由于不同煤的成分不同，导致不同的吸水变形特性
。
[0004]目前，国内外学者对煤吸附瓦斯量和变形量进行了大量研究，但是对于煤吸水量和吸水变形量的研究较为缺乏
。
因此，研究煤的吸水量和吸水变形量，对探究采取水力化措施后煤层瓦斯抽采过程中煤层的渗透率演化和评估煤层瓦斯抽采量具有十分重要的意义
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法，本专利技术可以实现煤体试样在不同应力状态下
、
不同环境湿度和注水条件下的吸水量和吸水变形量的实时测量，可以获得应力条件
、
环境湿度
、
吸水量和吸水变形量之间的相互对应关系，对探究采取水力化措施后煤层瓦斯抽采过程中煤层的渗透率演化和评估煤层瓦斯抽采量具有重要意义
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种煤吸水量和吸水变形量测试装置，包括注水系统
、
恒湿系统
、
加压系统
、
抽真空系统和气液分离系统，加压系统安装在三轴实验机的加载台上，加压系统内设置有煤体试样，注水系统的出水端和恒湿系统的蒸汽出端均与加压系统的进水端连接，加压系统的出水端分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接
。
[0007]注水系统的出水端连接有进水管，进水管上设置有注水阀门，进水管的出水端与加压系统的进水端连接；恒湿系统包括恒湿密闭容器和天平，恒湿密闭容器放置在天平上，恒湿密闭容器内盛装有过饱和溶液，恒湿密闭容器的顶部连接有蒸汽出管，蒸汽出管的上端连接在注水阀门和加压系统的进水端之间的进水管上，蒸汽出管上设置有恒湿阀门
。
[0008]加压系统包括上压头
、
下压头
、
热缩管
、
轴向应变传感器和环向应变传感器，上压
头的下表面和下压头的上表面上均连接有测量标具盘，煤体试样设在两个测量标具盘之间，热缩管套在煤体试样的外部并裹紧煤体试样，轴向应变传感器为一根细金属丝，轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部，三轴实验机的轴压施加在上压头和下压头上，三轴实验机的围压施加在热缩管上，煤体试样的中心沿轴向设有钻孔，钻孔内固定嵌设有护孔管，护孔管的壁厚为
0.5mm
，护孔管上均布有若干个直径
1mm
的渗水孔，进水管的出水端穿过上压头并贯穿固定连接在上侧的测量标具盘中心，进水管的出水端与护孔管的上端对接，下侧的测量标具盘中心贯穿固定连接有出水管，出水管的进水端与护孔管的下端对接，出水管的出水端穿过下压头并分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接
。
[0009]抽真空系统包括真空泵，出水管上沿流体流动方向依次连接有真空抽吸管和出口阀门，真空抽吸管的另一端与真空泵的抽吸端连接，真空抽吸管上设置有抽真空阀门
。
[0010]气液分离系统包括气液分离器，出水管的出水端与气液分离器的流体进入端连接
。
[0011]采用上述技术方案，一种煤吸水量和吸水变形量测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：步骤1：实验参数确定根据煤层赋存条件和煤层物理力学参数，基于相似理论确定实验轴压和围压；步骤2：实验试件制作
、
安装现场取样制作成标准试件，得到所需的煤体试样，并做干燥处理，在煤体试样中心进行钻孔并放入护孔管，然后使用热缩管裹紧煤体试样，保证煤体试样气密性，煤体试样的上端设置上压头，煤体试样的下端设置下压头，上压头的下表面和下压头的上表面均连接有测量标具盘，再将煤体试样按照实验设计要求安装在三轴实验机的加载台上；步骤3：传感器安装按照实验设计，将轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，同时将环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部；步骤4：应力加载按照确定的实验参数控制三轴实验机向煤体试样施加轴压
、
围压；步骤5：排出吸附瓦斯关闭注水阀门
、
恒湿阀门和出口阀门，打开抽真空阀门，启动真空泵，对整个测试装置抽真空，以排出煤样中的瓦斯，
12h
后关闭真空泵，关闭抽真空阀门，打开出口阀门，轴向应变传感器记录的轴向应变和环向应变传感器记录的环向应变均为初始应变；步骤6：初始相对湿度设置实验室室温保持在
25℃
附近，在该室温下，
ZnCl2过饱和溶液在密闭容器中对应的相对湿度为
10%
，因此在恒湿密闭容器中放置
ZnCl2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为
10%
的相对湿度；步骤7：恒湿阶段煤体试样的吸水量和吸水变形量测试关闭出口阀门，打开恒湿阀门，恒湿密闭容器中的
ZnCl2过饱和溶液产生水蒸汽通过蒸汽出管和进水管进入到煤体试样中心的护孔管中，水蒸汽通过护孔管上的各个渗水孔与煤体试样接触，煤体试样开始吸水，通过轴向应变传感器
、
环向应变传感器和天平分别对
应监测煤体试样在吸水过程中的轴向应变
、
环向应变和恒湿密闭容器的质量变化，待煤体试样应变停止时，停止监测，此阶段为阶段1；改变相对湿度，实验室室温在
25℃
附近时，
C2H3KO2过饱和溶液
、CaCl2过饱和溶液
、Zn(NO3)2过饱和溶液
、Ca(NO3)2过饱和溶液
、NaBr
过饱和溶液
、KI
过饱和溶液
、NH4Cl
过饱和溶液
、ZnSO4·
7H2O
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种煤吸水量和吸水变形量测试装置，其特征在于：包括注水系统
、
恒湿系统
、
加压系统
、
抽真空系统和气液分离系统，加压系统安装在三轴实验机的加载台上，加压系统内设置有煤体试样，注水系统的出水端和恒湿系统的蒸汽出端均与加压系统的进水端连接，加压系统的出水端分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接
。2.
根据权利要求1所述的煤吸水量和吸水变形量测试装置，其特征在于：注水系统的出水端连接有进水管，进水管上设置有注水阀门，进水管的出水端与加压系统的进水端连接；恒湿系统包括恒湿密闭容器和天平，恒湿密闭容器放置在天平上，恒湿密闭容器内盛装有过饱和溶液，恒湿密闭容器的顶部连接有蒸汽出管，蒸汽出管的上端连接在注水阀门和加压系统的进水端之间的进水管上，蒸汽出管上设置有恒湿阀门
。3.
根据权利要求2所述的煤吸水量和吸水变形量测试装置，其特征在于：加压系统包括上压头
、
下压头
、
热缩管
、
轴向应变传感器和环向应变传感器，上压头的下表面和下压头的上表面上均连接有测量标具盘，煤体试样设在两个测量标具盘之间，热缩管套在煤体试样的外部并裹紧煤体试样，轴向应变传感器为一根细金属丝，轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部，三轴实验机的轴压施加在上压头和下压头上，三轴实验机的围压施加在热缩管上，煤体试样的中心沿轴向设有钻孔，钻孔内固定嵌设有护孔管，护孔管的壁厚为
0.5mm
，护孔管上均布有若干个直径
1mm
的渗水孔，进水管的出水端穿过上压头并贯穿固定连接在上侧的测量标具盘中心，进水管的出水端与护孔管的上端对接，下侧的测量标具盘中心贯穿固定连接有出水管，出水管的进水端与护孔管的下端对接，出水管的出水端穿过下压头并分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接
。4.
根据权利要求3所述的煤吸水量和吸水变形量测试装置，其特征在于：抽真空系统包括真空泵，出水管上沿流体流动方向依次连接有真空抽吸管和出口阀门，真空抽吸管的另一端与真空泵的抽吸端连接，真空抽吸管上设置有抽真空阀门
。5.
根据权利要求4所述的煤吸水量和吸水变形量测试装置，其特征在于：气液分离系统包括气液分离器，出水管的出水端与气液分离器的流体进入端连接
。6.
如权利要求5所述的煤吸水量和吸水变形量测试装置的测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1：实验参数确定根据煤层赋存条件和煤层物理力学参数，基于相似理论确定实验轴压和围压；步骤2：实验试件制作
、
安装现场取样制作成标准试件，得到所需的煤体试样，并做干燥处理，在煤体试样中心进行钻孔并放入护孔管，然后使用热缩管裹紧煤体试样，保证煤体试样气密性，煤体试样的上端设置上压头，煤体试样的下端设置下压头，上压头的下表面和下压头的上表面均连接有测量标具盘，再将煤体试样按照实验设计要求安装在三轴实验机的加载台上；步骤3：传感器安装按照实验设计，将轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，同时将环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部；步骤4：应力加载按照确定的实验参数控制三轴实验机向煤体试样施加轴压
、
围压；
步骤5：排出吸附瓦斯关闭注水阀门
、
恒湿阀门和出口阀门，打开抽真空阀门，启动真空泵，对整个测试装置抽真空，以排出煤样中的瓦斯，
12h
后关闭真空泵，关闭抽真空阀门，打开出口阀门，轴向应变传感器记录的轴向应变和环向应变传感器记录的环向应变均为初始应变；步骤6：初始相对湿度设置实验室室温保持在
25℃
附近，在该室温下，
ZnCl2过饱和溶液在密闭容器中对应的相对湿度为
10%
，因此在恒湿密闭容器中放置
ZnCl2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为
10%
的相对湿度；步骤7：恒湿阶段煤体试样的吸水量和吸水变形量测试关闭出口阀门，打开恒湿阀门，恒湿密闭容器中的
ZnCl2过饱和溶液产生水蒸汽通过蒸汽出管和进水管进入到煤体试样中心的护孔管中，水蒸汽通过护孔管上的各个渗水孔与煤体试样接触，煤体试样开始吸水，通过轴向应变传感器
、
环向应变传感器和天平分别对应监测煤体试样在吸水过程中的轴向应变
、
环向应变和恒湿密闭容器的质量变化，待煤体试样应变停止时，停止监测，此阶段为阶段1；改变相对湿度，实验室室温在
25℃
附近时，
C2H3KO2过饱和溶液
、CaCl2过饱和溶液
、Zn(NO3)2过饱和溶液
、Ca(NO3)2过饱和溶液
、NaBr
过饱和溶液

【专利技术属性】
技术研发人员：杨硕，熊建龙，王凯，张明杰，田成林，
申请(专利权)人：四川省能源地质调查研究所，
类型：发明
国别省市：