专利名称：煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法
技术领域：
本发明涉及一种试验测试装置和测试方法，特别是涉及一种用于测量煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中煤体变形量的测试装置和方法。
背景技术：
煤与瓦斯相互作用机制是瓦斯灾害防治领域研究的基础科学问题，其不仅对探究矿井煤岩瓦斯动力灾害机理具有重要的指导作用，同时也为煤层瓦斯的抽采或煤层气开发提供重要的技术支撑。矿井瓦斯生成于煤的变质阶段，主要以吸附于微孔隙表面以及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存。煤体_围岩体系在瓦斯压力与岩体应力共同作用下处于相对静止的平衡状态。当井工采矿活动进入煤层及其围岩中，这种平衡状态受到扰动，导致煤岩体应力场重新分布与煤岩层中瓦斯的重新运移。在平衡状态改变过程中，煤体的微细观结构变化除了受到围岩应力的作用外，还很大程度上还受到游离态瓦斯产生的孔隙气体压力和吸附态瓦斯产生的煤体膨胀变形的影响。大量的实际现象和试验结果已经表明，这种由于气体吸附、解吸造成的煤体性态的变化在瓦斯动力灾害发生过程中起着重要作用。因此，研究煤体吸附、解吸瓦斯变形的动态演化机理对深入认识煤岩瓦斯动力灾害的演化机理具有重要作用。吸附、解吸变形是煤体的固有特性，其变形值反映了煤体强度、变质程度、煤层温度、孔隙特性和裂隙发育程度以及含瓦斯能力的强弱。在同样的外部条件下，突出煤的变形值远大于非突出煤。因此，煤体的吸附、解吸变形特性也对煤层突出危险性测定有辅助作用。此外，在煤层瓦斯的运移过程中，瓦斯的吸附、解吸会使煤体产生膨胀、收缩变形，使煤体的力学性质发生变化，从而引起煤岩的孔隙结构变化，进而引起煤岩渗透性的变化。同时，煤岩的孔隙结构和渗透系数变化反过来又影响瓦斯在煤体中的赋存与流动。因此，要获得煤层瓦斯的真实运移规律，则必须考虑煤体吸附、解吸变形的影响。测定煤体瓦斯吸附量的方法有很多，常用的主要有重量法和容量法。容量法是将煤体放在已知容积的密闭系统中，在一系列瓦斯气体压力下，根据气态方程，即气体质量和温度、压力及容积之间关系，计算出瓦斯气体的被吸附量。容量法测试技术具有测定方法合理，测定装置简单易行、操作方便，测试的数据可靠、直观等特点，是我国大专院校、科研院所及局所主要采用的方法。但是，目前容量法测试装置，在测量吸附、解吸变形时具有一定的局限性，例如，这些测试装置的试样都是采用颗粒状煤样，煤样粒度在O. 25 O. 18mm之间，难以获得吸附、解吸变形量；高压吸附解吸罐的结构专门为颗粒煤样设计，要加工适合的块煤样非常困难；另外高压吸附解吸罐上一般也没有设置变形测量接口。近年来，随着人们对煤岩瓦斯动力灾害发生机制、煤层气开采、以及CO2煤层封存等技术关注程度的不断提高，许多研究者开始了煤岩吸附、吸附变形以及渗透性测量方面的研究，并相继开发了测试煤岩吸附量以及吸附、解吸变形的技术和装置。这些装置虽然专门为测量煤体的吸附、解吸变形所研制，但在实验条件上往往不能满足要求。如现有设备吸附平衡时间较短，绝大多数实验的平衡时间都在60小时以内，而吸附变形测试块状煤样不同于颗粒状煤样，尤其是在用原煤做实验时，煤体的吸附平衡时间要长得多，有的要几百个小时才能达到平衡，现有设备受到稳定性的制约，不能达到这一要求；利用现有设备开展的吸附、解吸变形试验气体压力大多数在5. OMPa以内，而煤体在高压下，往往表现出不同于低压时的特性，因此需要能实现高压吸附变形的测试装置(O 10. OMPa);在进行解吸变形试验时，根据实际工程状况，需要测试不同压力梯度下煤样的变形值，因此，需要为含瓦斯煤的解吸提供一个可控的环境压力。同样，在利用不同气体与014之间的竞争吸附作用进行CO2煤层封存、煤层气注气增采等试验时，也需要提供一个气体混合和置换的压力环境，这些都是现有的试验装置不能实现的；此外，现有容量法测试设备在计算吸附量时，都忽略了煤体的吸附、解吸变形对自由空间体积的影响，因而测得的吸附量与真实吸附量之间存在一定的误差。因此，本领域技术人员致力于开发一种使煤体吸附、解吸瓦斯气体过程中变形规律分析结果可靠性更高的测试装置和测试方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种使煤体吸 附、解吸瓦斯气体过程中变形规律分析结果可靠性更高的测试装置和测试方法。为实现本发明第一层面的目的，本发明提供了一种煤体吸附解吸瓦斯气体过程变形测试装置，包括变形测试系统、高压吸附解吸罐和气体控制系统；所述变形测试系统包括彼此连接的电阻应变片和电阻应变仪；所述电阻应变仪与综合处理终端连接；所述综合处理终端连接有压力采集卡；所述高压吸附解吸罐包括罐体和设置在所述罐体上方的顶盖；所述罐体与所述顶盖之间设置有密封垫；所述罐体的上部设置有径向凸缘；所述罐体和顶盖通过紧固卡箍扣
合；所述紧固卡箍包括彼此分离、结构对称的第--^箍部和第二卡箍部；所述第--^箍部
和第二卡箍部通过外圆设置的喉箍抱紧；所述紧固卡箍的下端设置有内凸的卡环；所述卡环可卡入所述径向凸缘的底面；所述紧固卡箍的上端设置有内凸的压环；所述压环与卡箍顶部间隔设置；所述卡箍顶部与所述压环在圆周方向均布有压紧螺钉；所述顶盖包括一体的基部和接口安装部；所述接口安装部穿出所述紧固卡箍；所述接口安装部上设置有与罐体内腔连通的气体接口、气体压力传感器接口和应力应变测量接口 ；所述应力应变测量接口包括第一通孔螺柱；所述第一通孔螺柱的下端与所述顶盖螺纹配合，上端与第一锁紧螺帽配合；所述第一通孔螺柱的顶部与所述第一锁紧螺帽之间设置有多孔挡板；所述第一通孔螺柱内通过环氧树脂封装有第一导线；所述第一导线的上端穿过所述多孔挡板和第一锁紧螺帽后与所述电阻应变仪连接；所述第一导线的下端伸入所述罐体内，并可与所述电阻应变片连接；所述气体压力传感器接口与第一气体压力传感器连接；所述气体控制系统包括高压蓄气瓶；所述高压蓄气瓶的出口端连接有第二气体压力传感器；所述第二气体压力传感器与第一针型阀连接；所述第一针型阀与所述气体接口连接；所述高压蓄气瓶的进口端与第一四通接头连接；所述第一四通接头的第一气路依次连接有气体放散口、真空泵、第一单向阀和第一针型阀；所述第一四通接头的第二气路依次连接有流量计、第二单向阀、第二针型阀；所述第一四通接头的第三气路与第二四通接头连接；所述第二四通接头的第一气路依次连接有高压甲烷瓶、甲烷减压阀、第三针型阀；所述第二四通接头的第二气路依次连接有高压氦气瓶、氦气减压阀和第四针型阀；所述第二四通接头的第三气路依次连接有高压二氧化碳瓶、二氧化碳减压阀和第五针型阀。为进一步提高密封效果，所述顶盖面向所述罐体一侧设置有环槽；所述罐体设置有与所述环槽配合的轴向凸缘；所述密封垫设置所述轴向凸缘的顶部。为精确控制试验的温度条件，所述罐体外设置有第一加热套；所述高压蓄气瓶外设置有第二加热套；所述第二加热套上设置有热电偶；所述综合处理终端连接有温度控制器。较佳的，所述喉箍为T型螺栓喉箍。
为实现本发明第二层面的目的，本发明提供了一种对煤体吸附、解吸瓦斯过程中动态变形特征测试的方法，具体步骤如下(a)测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的体积首先，在高压吸附解吸罐空置的情况下，对高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐进行抽真空至真空度达到4. OPa以下；其次，将O. 2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；测量高压蓄气瓶内的压力值Pr和高压吸附解吸罐内的压力值Ps ；再次，将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐内的平衡压力值Pe ;释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等；最后，将已知体积为Vn的实心金属标准试块放入高压吸附解吸罐内，重复上述操作，并分别读取向高压吸附解吸罐内充气前高压蓄气瓶内的压力值P/，高压吸附解吸罐内的压力值匕‘和高压吸附解吸罐内充气后的平衡压力Pe ‘；如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力Ps和Ps ‘均小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态，则根据以下方程组计算高压蓄气瓶及其管路，高压吸附解吸罐及其管路的体积
权利要求
1.一种煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法，其特征是包括以下步骤 (1)测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的空置体积 11)在高压吸附解吸罐空置的情况下，对高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐进行抽真空至真空度达到4. OPa以下； 12)将O.2MPa的He气冲入高压蓄气瓶内；压力稳定后停止充气；测量高压蓄气瓶内的压力值Pr和高压吸附解吸罐内的压力值Ps ; 13)将He充入高压吸附解吸罐内，待压力稳定后测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐内的平衡压力值Pe ;释放高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的He气，使高压吸附解吸罐、高压蓄气瓶以及管路中的压力与外界压力相等； 14)将已知体积为Vn的实心金属标准试块放入高压吸附解吸罐内，重复上述操作，并分别读取向高压吸附解吸罐内充气前高压蓄气瓶内的压力值P/，高压吸附解吸罐内的压力值Ps ‘和高压吸附解吸罐内充气后的平衡压力Pe ‘； 如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力Ps和Ps ‘均大于4Pa，则重复步骤11)至14);如果两次压力平衡前高压吸附解吸罐内的压力Ps和Ps ‘均小于4Pa，则忽略高压吸附解吸罐内的残存气体，认为其为真空状态，则根据以下方程组计算高压蓄气瓶及其管路，高压吸附解吸罐及其管路的体积
2.如权利要求1所述的煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法，其特征是在以上(4)、(5)、(7)步骤的进行过程中，将系统控制在恒定的温度内，并通过压力采集卡和气体压力传感器实时记录和显示各测点的压力；通过电阻应变仪实时显示和记录煤体表面的应力和应变。
全文摘要
本发明公开了一种煤体吸附解吸过程中动态变形特征测试方法，包括以下步骤(1)测量高压蓄气瓶和高压吸附解吸罐的空置体积；(2)试样安装；(3)测量吸附解吸罐的自由空间体积；(4)进行瓦斯等温定容吸附过程中煤体动态演化过程测试；(5)进行瓦斯等温定压吸附过程中煤体动态演化过程测试；(6)进行瓦斯定容变温条件下吸附-解吸动态演化过程测试；(7)进行瓦斯竞争性吸附过程中煤体动态演化过程测试；(8)瓦斯解吸过程中煤体动态演化过程测试。本发明操作简单，测试结果的准确性高。
文档编号G01N7/04GK103018132SQ20121055889
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者刘延保, 文光才, 张志刚, 周厚权, 杨慧明, 金洪伟, 王波, 苗法田, 程波, 刘国庆, 张宪尚, 郭平 申请人:中煤科工集团重庆研究院