本发明涉及采矿试验装置，特别是一种用于含瓦斯煤岩受载破裂过程中吸附/解吸瓦斯量的测定装置及方法。
背景技术：
煤矿开采过程中，煤与瓦斯突出是造成煤矿人身和财产安全的重大事故。研究表明，含瓦斯煤在受载破裂过程中发生瓦斯吸附和解吸现象是导致煤与瓦斯突出的主要原因之一，目前对这一现象的发生规律尚不明确。
为了研究含瓦斯煤岩受载破裂过程中吸附和解吸瓦斯的规律，需要对煤岩受载破裂过程中吸附和解吸瓦斯的量进行测定。
申请号为201510055670.8的中国专利文献公开了一种恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置。该装置是在煤样吸附一定瓦斯量后，排出煤样周围的游离瓦斯，然后用排水法或容量法测定煤体在不同受载情况下的瓦斯解吸量。这种方法与地下含瓦斯煤在原游离瓦斯环境下受载破坏吸附/解吸瓦斯的实际情况不符，用其测得的数据作为研究地下含瓦斯煤在原游离瓦斯环境下受载破坏吸附/解吸瓦斯的规律也就不够准确。
另外，该试验装置在对煤样加载过程中虽然考虑到了恒容加载(为避免加载过程中因加载轴进入加载空间使加载空间体积减小，改变加载空间内瓦斯压力，造成实验误差)，但其恒容系统中的补容室与加载室为平行分立，结构不但复杂，而且补容室极易产生偏心，导致气体泄露；同时补容室容积增大与加载室容积减小易出现不同步情况，影响试验数据的准确性。
再有，该试验装置在位移加载过程中无位移逐级限位机构，因煤岩具有一定的弹性，在对煤岩加载过程中，当煤岩弹性无法支撑加载所施加力时，煤岩试件会突然屈服破坏，煤岩失稳，此时无限位机构，加载所施加位移无法定量控制，加载轴会突然下降，使煤岩试件破裂过程失控，导致实验失败。
还有，该试验装置采取用瓦斯气瓶直接对加载室注气，无法精准地确定瓦斯的注气量和煤样初始吸附瓦斯量，由此产生的误差使试验数据不准确。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可真实模拟地下含瓦斯煤在原游离瓦斯环境下受载破坏吸附/解吸瓦斯情况、加载装置的恒容系统结构简单可靠、位移加载过程中位移可逐级限位、能精确测得煤岩初始吸附瓦斯量的用于煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量的测定装置及利用该装置进行煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量的测定方法。
本发明提供的煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量测定装置，包括：恒容加载系统、注气系统、恒温控制系统和数据实时采集系统；
所述恒容加载系统包括上端件、中间件、下端件和传力压头；上端件、中间件和下端件分别通过螺栓b和螺栓c相互固定连接成一体，上端件和中间件套接，通过密封圈d密封，中间件和下端件通过密封圈a密封形成加载室，加载室的下部有进气口，加载室的上部安装航插，加载室底部中心处有嵌入下端件开设的定位凹槽中的试件定位垫片；所述中间件的上部内孔直径大于上端件的内孔直径，下部内孔直径与上端件内孔直径相同；所述传力压头置于上端件和中间件的内孔中，传力压头的上部与上端件的内孔孔壁密封滑动连接；传力压头的中部直径大于上部直径，与中间件的上部内孔孔壁密封滑动连接；传力压头的下部与中间件的下部内孔孔壁密封滑动连接；在传力压头中部的上部形成环形补容室，补容室的横截面面积与传力压头伸入加载室部分的横截面面积相同，补容室通过纵向开设在中间件一侧侧壁中的通气道与所述加载室连通，由补容室、通气道和加载室共同构成恒容系统；在传力压头中部的下部有传力压头行程空间，传力压头行程空间通过横向开设在中间件另一侧侧壁中的排气孔(40)与大气相通；所述传力压头的上端有与其固定连接的控板；在所述上端件的上端有与上端件螺纹连接的限位螺母，在控板按位移向下加载过程中，通过手动旋转限位螺母在上端件螺纹上的升降可对控板加载位移进行逐级限位；
所述注气系统包括气瓶、真空泵和定量瓶；气瓶通过管线、针型阀a和针型阀b与三通阀a的一端相接，真空泵通过管线和针型阀c与三通阀a的另一端相接，三通阀a的第三端通过管线与三通阀b的一端相接，三通阀b的另一端通过管线和针型阀d与定量瓶相接，三通阀b的第三端通过管线与三通阀c的一端相接，三通阀c的另一端通过管线和针型阀e与所述加载室下部的进气口相接；从而构成可由真空泵分别对气瓶和恒容系统抽真空、由气瓶向定量瓶充瓦斯气体和定量瓶向恒容系统注入瓦斯的注气系统；
所述恒温控制系统包括水箱、加热线和温控仪；加热线沿水箱的内壁均匀布置，上端与温控仪相接；水箱底部有分别放置所述定量注气系统的定量瓶和恒容加载系统的下端件的中空底座a和中空底座b；
所述数据实时采集系统包括数据记录仪、声发射采集仪、防水绝对式压力传感器、声发射探头和位移计；数据记录仪通过导线分别与防水绝对式压力传感器和位移计相接；防水绝对式压力传感器通过管线与所述三通阀c的第三端相接；位移计下端置于安装在上端件侧部上端的位移计卡槽中，位移计上端与所述控板相接触；声发射采集仪通过导线和安装在加载室上部的航插与声发射探头相接，声发射探头粘结在煤岩试件的侧面上。
利用上述煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量测定装置进行煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量的测定方法，包括以下步骤：
步骤1：按以下顺序组装装置
1)将水箱置于反力架底板中心位置；
2)将中空底座置于水箱中；
3)将定量瓶和下端件分别置于中空底座上；
4)将试件定位垫片置于下端件底面的定位凹槽中；
5)把与煤岩试件形状和体积相同的不锈钢标准件竖直放在试件定位垫片上；
6)连接声发射探头导线到航插插头；
7)把装好密封圈的中端件通过螺栓c固定在下端件上；
8)将所有密封圈都安装到所属位置；
9)安装传力压头，并使其底面与不锈钢标准件相接触；
10)用螺栓b把上端件固定到中端件上；
11)将限位螺母装配在上端件的上部；
12)通过螺栓a将控板安装在传力压头的上端；
13)把用于位移加载的机械千斤顶置于控板上，使之可通过配合顶部的反力架对控板施加位移加载；
14)把位移计安装在中间件侧面的定位槽中，上端接触控板；
15)连接位移计导线到数据记录仪，连接防水绝对式压力传感器导线到数据记录仪，连接声发射探头导线到声发射采集仪；
16)防水绝对式压力传感器通过管线与三通阀c第三端连接；
17)连接好加热线和温控仪；
18)向水箱加水至水位高出补容室；
19)开启温控仪电源开关对水加热，并保持水温恒定；
步骤2：利用步骤1组装好的装置测定恒容系统容积
1)通过测量定量瓶尺寸和与定量瓶相连接的一截管线的内径及长度，计算出定量瓶及其管线的容积v1；
2)操作相关针型阀，使真空泵只对定量瓶抽真空；
3)开启真空泵，对定量瓶抽真空；
4)8小时后，关闭真空泵；
5)缓慢开启气瓶，对定量瓶注气，注入一定量后，关闭气瓶；
6)等待8小时，待充入定量瓶的气体温度稳定后，读取数据记录仪此时防水绝对式压力传感器的压力值f1；
7)关闭控制定量瓶的阀门；
8)由计算出的定量瓶及其管线的容积v1和数据记录仪记录的防水绝对式压力传感器的压力值f1，根据实际气体状态方程计算出定量瓶及其连接管线中的气体物质的量m1；
9)开启连接真空泵的针形阀，排出与真空泵相接管线中的剩余气体；
10)操作相关针形阀，使加载室与真空泵接通；
11)开启真空泵，对恒容系统抽真空；
12)8小时后，关闭与真空泵相连管线的阀门；
13)操作相关阀门，使定量瓶接通加载室，定量瓶中的气体注入到恒容系统中；
14)待数据记录仪记录的防水绝对式压力传感器压力值稳定后，记录此时压力值f2；
15)通过上述8)测得的气体物质的量m1和14)记录的气体压力值f2，根据实际气体状态方程计算出此时气体所在环境的容积v2；
16)用容积值v2减去固定容积值v1，得到恒容系统的容积v＝v2-v1；
步骤3：按以下方法对恒容系统进行注气
1)先用煤岩试件替换下步骤1所用不锈钢标准件，并将声发射探头通过耦合剂粘接在煤岩试件的表面，用导线与航插相接；
2)用真空泵按步骤2方法重新对定量瓶抽真空后充瓦斯气体至一定量，测得其压力值f1，由步骤2测得的固定容积值v1和f1计算出此时定量瓶及其管线中气体的量m1；
3)利用真空泵将恒容系统抽真空；然后使定量瓶与恒容系统连通，使定量瓶中的瓦斯气体向恒容系统注入，煤岩试件同时吸附瓦斯气体；
4)待数据记录仪记录的防水绝对式压力传感器压力值稳定后，记录此时定量瓶和恒容系统中瓦斯气体的压力值f2；
5)然后使定量瓶与加载室断开，根据f2和v1计算出此时定量瓶及其管线中剩余瓦斯气体的量m2，定量瓶向恒容系统注入瓦斯气体的总量m＝m1-m2；
步骤4：对煤岩试件进行加载吸附/解吸瓦斯实验
1)根据步骤3测得的f2和步骤2中的恒容系统容积v计算出恒容系统中游离瓦斯气体的量m3，得出煤岩试件吸附瓦斯气体的量m平衡＝m-m3
2)然后按预先制定的加载方案，利用限位螺母对煤岩试件进行位移控制加载；每次加载后通过测量恒容系统中瓦斯气体的压力值即可求出恒容系统中游离气体的量mi，从而计算出煤岩试件每次加载后吸附/解吸的瓦斯气体量mj＝m平衡-(m-mi)，mj>0为解吸，mj<0为吸附；
3)根据煤岩试件每次加载后数据实时采集系统测定的压力、位移和声发射振铃的数据绘制出煤岩试件在整个受载破裂过程中吸附/解吸瓦斯量与压力、位移和声发射振铃的关系图，作为研究煤岩在原游离气体中受载破坏吸附/解吸瓦斯规律的依据；
步骤5：泄压拆分装置
试验结束后，先拆掉真空泵；然后通过与真空泵相连管线排出恒容系统和定量瓶中的瓦斯气体；再按照步骤1组装顺序逆向操作，对各个构件进行拆卸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以真实地模拟地下含瓦斯煤在原游离瓦斯环境下受载破坏吸附/解吸瓦斯情况，用其获得的测试数据作为研究含瓦斯煤岩受载破裂过程中吸附/解吸规律的依据真实可靠。
2、本发明加载系统中的补容室由传力压头与上端件和中间件构成的环形空间构成，与加载装置成一体，结构简单紧凑，密封性能好，不会发生气体泄露。
3、本发明加载系统中补容室的横截面面积与传力压头伸入加载室部分的横截面面积相同，在加载过程中，传力压头伸入加载室引起的加载室容积减小与补容室容积增大可同步进行，可确保恒容加载，提高试验测定的准确性。
4、本发明采用限位螺母可实现位移加载过程中位移逐级限位，避免煤岩试件在失稳情况下加载轴突然下降，发生失控破裂现象。
5、本发明利用定量瓶配合真空泵和气瓶组成的注气系统可精确地计算出瓦斯的注气量和煤岩试件初始瓦斯吸附量，从而使测得的煤岩试件在后续受载破裂过程中吸附/解吸瓦斯的量更加精准。
附图说明
图1是本发明测试装置的结构示意图；
图2是图1中传力压头的纵向剖视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图1中上端件的纵向剖面图；
图5是图4的俯视图；
图6是图1中中间件的纵向剖面图；
图7是图6的俯视图；
图8是图1中下端件的纵向剖面图；
图9是图8的俯视图；
图10是图1中定量瓶的纵向剖面图；
图11是图10的俯视图。
图中符号说明：1-气瓶，2-针型阀a，3-反力架，4-水箱，5-温控仪，6-加热线，7-定量瓶，8-真空泵，9-数据记录仪，10-针型阀b，11-针型阀c，12-三通阀a，13-三通阀b，14-针型阀d，15-中空底座a，16-针型阀e，17-中空底座b，18-进气口，19-三通阀c，20-加载室，21-煤岩试件，22-密封圈a，23-通气道，24-传力压头行程空间，25-位移计卡槽，26-防水绝对式压力传感器，27-密封圈b，28-补容室，29-密封圈c，30-位移计，31-螺栓a，32-控板，33-声发射采集仪，34-限位螺母，35-传力压头，36-螺栓b，37-密封圈d，38-上端件，39-中间件，40-排气孔，41-螺栓c，42-密封圈e，43-航插，44-声发射探头，45-试件定位垫片，46-定位凹槽，47-下端件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量测定装置作进一步说明。
结合图1至图11，本发明煤岩受载破裂过程吸附/解吸瓦斯量测定装置，包括：恒容加载系统、注气系统、恒温控制系统和数据实时采集系统。
所述恒容加载系统包括上端件38、中间件39、下端件47、传力压头35；上端件、中间件和下端件分别通过螺栓b36和螺栓c41相互固定连接成一体，上端件和中间件套接，通过密封圈d37密封，中间件和下端件通过密封圈a22密封形成加载室20，加载室的下部有进气口18，加载室的上部安装航插43，加载室底部中心处有嵌入下端件开设的定位凹槽46中的试件定位垫片45，供煤岩试件21定位放置；所述中间件的上部内孔直径大于上端件的内孔直径，下部内孔直径与上端件内孔直径相同；所述传力压头置于上端件和中间件的内孔中，传力压头的上部与上端件的内孔孔壁滑动连接，通过密封圈c29密封；传力压头的中部直径大于上部直径(如图2和图3所示)，与中间件的上部内孔孔壁滑动连接，通过密封圈b27密封；传力压头的下部与中间件的下部内孔孔壁滑动连接，通过密封圈e42密封；在传力压头中部的上部形成环形补容室28，补容室的横截面面积与传力压头伸入加载室部分的横截面面积相同，补容室通过纵向开设在中间件39一侧侧壁中的通气道23与所述加载室20连通，由补容室、连通气道和加载室共同构成恒容系统，因补容室的横截面面积与传力压头伸入加载室部分的横截面面积相同，传力压头下行时，伸入加载室使加载室容积的减少量与补容室容积的增加量相等，确保恒容；在传力压头中部的下部有传力压头行程空间24，传力压头行程空间通过横向开设在中间件另一侧侧壁中的排气孔40与大气相通，传力压头下行时、传力压头行程空间中的气体可从排气孔中排出；所述传力压头的上端有通过螺栓a31与其固定连接的控板32；在所述上端件的上端有与上端件螺纹连接的限位螺母34，在控板按位移向下逐级加载过程中，通过手动旋转限位螺母在上端件螺纹上的升降可对控板加载位移进行逐级限位。
所述注气系统包括气瓶1、真空泵8和定量瓶7；气瓶通过管线、针型阀a2和针型阀b10与三通阀a12的一端相接，真空泵通过管线和针型阀c11与三通阀a的另一端相接，三通阀a的第三端通过管线与三通阀b的一端相接，三通阀b的另一端通过管线和针型阀d14与定量瓶相接，三通阀b的第三端通过管线与三通阀c19的一端相接，三通阀c的另一端通过管线和针型阀e16与所述加载室下部的进气口18相接；从而构成可由真空泵分别对气瓶和恒容系统抽真空、由气瓶向定量瓶注入瓦斯气体和定量瓶向恒容系统注入瓦斯的注气系统。
所述恒温控制系统包括水箱4、加热线6和温控仪5；水箱置于反力架3的框架内，加热线沿水箱的内壁均匀布置，上端与温控仪相接；水箱底部有分别放置所述定量注气系统的定量瓶和恒容加载系统的下端件的中空底座a15和中空底座b17。
所述数据实时采集系统包括数据记录仪9、声发射采集仪33、防水绝对式压力传感器26、声发射探头44和位移计30；数据记录仪通过导线分别与防水绝对式压力传感器和位移计相接；防水绝对式压力传感器通过管线与所述三通阀c的第三端相接；位移计下端置于安装在上端件侧部上端的位移计卡槽25中，位移计上端与所述控板相接触；声发射采集仪33通过导线和安装在加载室上部的航插43与声发射探头相接，声发射探头粘结在试件21的侧面上。