多通道混合煤岩体渗流试验装置及方法

本发明属于试验技术领域，涉及一种岩石力学性质试验装置及方法，具体地说是一种多通道混合煤岩体渗流试验装置及方法。

背景技术：

目前为研究煤岩体内部的渗流特性，目前可以进行的渗透试验有：标准煤岩体渗流加载破坏中的渗流试验、破裂后煤岩体的渗流试验、散体状态的煤岩体渗流试验。

上述试验的试验装置普遍具有一定缺陷。首先，上述试验装置中通过橡胶圈将试样密封，一旦密封不彻底，使气体沿缸筒壁流动，会给试验结果带来极大的误差，影响试验的准确性。其次，上述试验装置都无法研究煤岩体渗流通道的串联、并联及混联条件下的渗透特性，具有一定的局限性。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种多通道混合煤岩体渗流试验装置及方法，以达到能够对煤岩体渗流通道的串联、并联及混联条件下的渗透特性进行研究，并且避免密封不彻底带来的试验误差。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种多通道混合煤岩体渗流试验装置，包括至少两个用于放置试样的密封包壳，所述密封包壳具有侧壁、底壁和顶壁，其中侧壁为密封结构，使所述试样的侧壁密封，底壁和顶壁为透气结构，并在底壁下端设置有下压块，在顶壁上端设置有上压块，所述下压块和上压块分别开设有用于使测试气体进入密封包壳的进气通道和用于使测试气体流出密封包壳的出气通道。

作为对本发明的限定：所述密封包壳设置有四个。

作为对本发明的限定：所述密封包壳的侧壁采用玻璃化转变温度为50～100℃的高分子聚合物制成，所述每个密封包壳外均套设有一级加热缸。

作为对本发明的限定：所述一级加热缸包括管状缸体，所述缸体壁中设置有一级加热管。

作为对本发明的限定：所述一级加热缸通过渗流主缸套设在密封包壳外，所述渗流主缸包括套接于一级加热缸内的管状缸体，所述管状缸体的两个端部均向外延伸，形成用于定位一级加热缸的凸缘，使一级加热缸固定于渗流主缸的两个凸缘之间。

作为对本发明的限定：所述多个下压块为一体结构，形成覆盖所有密封包壳底壁的下压板，所述下压板通过渗流主缸相应的凸缘与渗流主缸相连。

作为对本发明的限定：所述上压块通过上盖板将渗流主缸密封。

作为对本发明的限定：所述多个一级加热缸均套设于一个二极加热缸内，所述二极加热缸包括管状缸体，所述缸体壁中埋设有二级加热管。

本发明还公开了一种多通道混合煤岩体渗流试验方法，包括以下步骤：

制备试样：根据试验需要，制备与多通道混合煤岩体渗流试验装置大小相符的标准试样或多级串联试样，其中多级串联试样的总大小与标准试样的大小一致；

组装：将试样以串联、并联或混联的放置方式，放置在多通道混合煤岩体渗流试验装置中，并将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行组装；其中，串联放置指将一个多级串联试样放入相应的密封包壳中，并联放置指将至少两个标准试样分别放入相应的密封包壳中，混联放置指将至少一个多级串联试样，和至少一个标准试样分别放入相应的密封包壳中；

连接：将管路连接在放有试样的进气通道和出气通道上，根据试验需要选择串联、并联或混联的连接方式；其中，串联的连接方式指将管路连接在放置多级串联试样的进气通道和出气通道上，并联的连接方式指将管路连接在放置标准试样的进气通道和出气通道上，并将管路分别首首相连、尾尾相连，混联的连接方式指将管路连接在放置多级串联试样和标准试样的进气通道和出气通道上，并将管路分别首首相连、尾尾相连；

试验：根据试验设定压力，进行通气，并读取参数。

作为对本发明的限定：所述组装步骤后连接步骤前，或连接步骤后试验步骤前，还包括加热步骤，所述加热步骤为：将相应的一级加热管和二极加热管接入加热电路，控制相应的一级加热缸、二级加热缸、渗流主缸升温至70～90℃，保持30～60min，使所述密封包壳的侧壁融化，从而密闭试样侧壁的缝隙，关闭加热电路，冷却至室温后开始下一步骤。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果在于：

（1）本发明设置有多个用于放置试样的密封包壳，即在试验装置中设置有多个试验通道，通过分段组合试样的方法实现了不同渗透路径的串联渗流，通过在不同的试验通道放置试样，采用四路渗流主缸的方式，实现了不同渗透路径的并联渗流，通过单缸串联、多缸并联的方法，实现了混联渗流，能够更加精确地反映混合煤岩体中非均匀介质渗流特性；

（2）本发明设置有侧壁能够在高温下融化的密封包壳，并在密封包壳外设置一级加热缸，能够使密封包壳的侧壁融化，既能够密封串联试样，又能够密封试样与渗流主缸之间的空隙，减少气体沿壁渗流的现象发生，使密封更加彻底，使试验结果更加精确；进一步的，在一级加热缸外还设置有二级加热缸，能够缓解一级加热缸的热量流失，保证密封壳体能够完全融化，稳定性好。

综上所述，本发明实现了不同渗透路径的串联、并联、混联渗流，并且使密封更加彻底，稳定性好，使试验结果更加精确，适用于所有煤岩体渗流试验。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例1的立体结构示意图一；

图2为本发明实施例1的立体结构示意图二；

图3为本发明实施例1的内部结构示意图；

图4为本发明实施例1图3中a-a的剖面图；

图5为本发明实施例1的俯视图；

图6为本发明实施例1中下压板的结构示意图。

图中：10-密封包壳，101-侧壁，102-底壁，103-顶壁，20-渗流主缸，30-一级加热缸，40-一级加热管，50-上压块，60-一级密封圈，70-出气通道，80-上盖板，90-二级密封圈，100-下压板，110-渗流主缸安装孔，120-三级密封圈，130-进气通道，140-二级加热缸，150-二级加热管，160-固定台基座，170-安装片,180-标准试样，190-多级串联试样。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的多通道混合煤岩体渗流试验装置及方法为优选实施例，仅用于说明和解释本发明，并不构成对本发明的限制。

本发明所述的“上”“下”“左”“右”等方位用词或位置关系，是基于本发明说明书附图的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗指的装置或元件必须具有的特定的方位、为特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护的内容的限制。

实施例1多通道混合煤岩体渗流试验装置

本实施例如图1～图6所示，为一种多通道混合煤岩体渗流试验装置，包括至少两个用于放置试样的密封包壳10，并在密封包壳10外设置有用于使测试气体进入的进气通道130和用于使测试气体流出的出气通道70，通过进气通道130和出气通道70连接管路，进行渗流试验。密封包壳10至少设置有两个，能够根据需要选择将试样串联、并联或混联。为了便于理解，图3为试样混联放置在装置中状态的示意图，其中多级串联试样190的总大小与标准试样180的大小一致。本实施例中，设置有四个相互平行的密封包壳10，当然，也可以根据需要设置其他数量的密封包壳10。

密封包壳10为中空的圆柱形腔体结构，包括圆管形状的具有密封结构的侧壁101，侧壁101采用玻璃化转变温度为50～100℃的高分子聚合物制成，本实施例中，侧壁101采用聚乳酸（pla）材料制成，使侧壁101能够在高温条件下融化。当然，侧壁101也可以使用如聚氯乙烯(pvc)、赛璐珞纤维素等其他玻璃化转变温度为50～100℃的高分子聚合物。侧壁101的下开口设置有底壁102，侧壁101的上开口设置有顶壁103，底壁102和顶壁103为多孔的透气圆板结构，这种多孔结构能够疏导由进气通道和出气通道中的气体，使气体更为均匀地通过试样，底壁102和顶壁103圆板结构的横截面的大小与侧壁101的内壁相适应，使底壁102和底壁102能够塞进侧壁101的两端，形成用于容纳试样的腔体。

在每个密封包壳10的外侧，依次套接有与密封包壳10外径相匹配的渗流主缸20和与渗流主缸20外径相匹配的一级加热缸30。一级加热缸30包括由两半圆环状壳体拼接而成的管状缸体，缸体采用导热系数λ＞50w/m▪k的金属材质制成，在缸体内壁上通过一级加热预留道呈螺旋状地设置有一级加热管40，本实施例中的一级加热管为铜管。渗流主缸20包括套接于一级加热缸30内的管状主缸体，主缸体的上下两个端部均沿直径方向向外延伸，形成用于定位一级加热缸30的凸缘，使一级加热缸30固定于渗流主缸20的上下两个凸缘之间，即一级加热缸30通过渗流主缸20套设在密封包壳10外。组装时，先将一级加热管10缠绕于渗流主缸20上，再将两个半圆环状壳体拼接扣合在渗流主缸20上。当然，也可以将一级加热缸30设置为一体结构，相应的省去渗流主缸20上端的凸缘，安装时直接从上部将一级加热缸30套在渗流主缸20上即可。一级加热缸30的设置，能够使密封包壳10的侧壁101预热融化，既能够密封多级串联试样190，又能够密封多级串联试样190、标准试样180与渗流主缸20之间的空隙，减少气体沿壁渗流的现象发生，使密封更加彻底。渗流主缸20是渗流现象产生的主要场所，渗流主缸20的设置，能够限制渗流过程中的渗流方向，使渗流沿主缸轴线方向，避免加热后融化的密封包壳10侧壁101附着在一级加热缸30的内壁，试验完成后，清理渗流主缸20上附着的残留物即可，并且能够限制试样的形变。

为了使密封包壳10的上端密封，在密封包壳10的顶壁103上端设置有圆柱形的上压块50。渗流主缸20和一级加热缸30的高度大于密封包壳10，使套接有渗流主缸20和一级加热缸30的密封包壳10形成内凹，由于本实施例中设置有四个密封包壳10，因此上压块50也相应的设置有四个，分别插入在每个内凹结构中，使密封包壳10的上端通过上压块50压紧，并在渗流主缸20的内壁上端设置有用于将渗流主缸20与上压块50之间密封的一级密封圈60。为了保证密封效果，一级密封圈60沿渗流主缸20的高度方向设置有两个。为了在试验过程中向密封包壳10中的试样抽气，在上压块50中开设有用于使测试气体流出密封包壳10的出气通道70。本实施例中的上压块50高度大于密封包壳10和渗流主缸20形成的内凹的深度，使上压块50插入内凹区域后仍能够凸出于其表面。因此，本实施例中的出气通道70包括沿竖直方向设置于上压块50底部的竖向通道，和与竖向通道连通的、沿水平方向设置的横向通道，使上压块50中的出气通道70整体呈倒“l”形状，进一步的，如图5中所示，图中虚线为出气通道70的设置位置，为了便于试验过程中管路的连接，本实施例中四个出气通道70的横向通道均朝向试验装置的中心。

为了进一步固定渗流主缸20和一级加热缸30，在渗流主缸20上，还设置有圆环形的上盖板80，上盖板80的内径等于上压块50的外径，使用时将上盖板80穿过上压块50，并通过螺纹连接依次将上盖板80、渗流主缸20的凸缘、一级加热缸30相连，并在每个上盖板80与每个渗流主缸20的凸缘之间均设置有二级密封圈90。

为了使密封包壳10的下端密封，在密封包壳10的底壁102下端设置有下压块，为了将试样两端加以区分，下压块的结构区别于上压块50。本实施例中，四个下压块为一体结构，形成能够覆盖所有密封包壳10底壁102的圆形下压板100。在下压板100上设置有呈圆周分布的渗流主缸安装孔110（为了表达更加清楚，图6中的虚线为渗流主缸20的位置示意），每个渗流主缸20下端的凸缘均通过渗流主缸安装孔110与下压板100螺纹连接，并在每个渗流主缸20下端的凸缘与下压板100之间设置有三级密封圈120。为了在试验过程中向密封包壳10中的试样通气，在下压块上开设有用于使测试气体进入密封包壳10的进气通道130。本实施例中的进气通道130为开设在下压块上的、与试样位置相对的通孔。

为了缓解一级加热缸30的热量流失，在四个一级加热缸30外还套设有二级加热缸140。二级加热缸140包括圆柱形缸体，缸体采用导热系数λ＞50w/m▪k的金属材质制成，圆柱形的缸体中，开设有用于放置四个一级加热缸30的通孔，在缸体壁中通过二级加热预留道埋设有二级加热管150，本实施例中的二级加热管为铜管。其中，下压板100直径等于二级加热缸140的外径，使二级加热缸140通过螺纹连接与下压板100相连。

为了便于实验过程中气体通过下压板100进入试样，在下压板100的下端固设有固定台基座160。固定台基座160的主体为外径与下压板100直径一直的圆环结构，在主体结构的上端面周向固设有圆形的安装片170，安装片170上设置有通孔，使固定台基座160通过圆形的安装片170与下压板100螺纹连接。

需要说明的是，本实施例中的一种多通道混合煤岩体渗流试验装置，不仅能够用于进行气体渗流试验，也可以进行液体渗流试验，适用范围广。

实施例2多通道混合煤岩体渗流试验方法

本实施例为一种多通道混合煤岩体渗流试验方法，使用实施例1中的多通道混合煤岩体渗流试验装置完成，包括以下步骤：

制备试样：根据试验需要，制备与多通道混合煤岩体渗流试验装置大小相符的标准试样或多级串联试样，为了便于理解，图3为试样混联放置在装置中状态的示意图，其中多级串联试样190的总大小与标准试样180的大小一致。本实施例进行混联渗流试验，包括一个多级串联试样和三个标准试样。

组装：将试样以混联的放置方式，放置在多通道混合煤岩体渗流试验装置中，本实施例取一个串联试样和三个标准试样180，将密封包壳10的顶壁103或底壁102从侧壁101中拆下，将相应的试样分别放入相应的密封包壳10中，再将拆下的顶壁103或底壁102装入侧壁101，使侧壁101完全包裹顶壁103、试样和底壁102，并将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行组装。其中，将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行组装包括以下步骤：

步骤一：通过一级加热预留道将螺旋状的一级加热管40分别穿入每个一级加热缸30；

步骤二：将组装好的一级加热缸30套于渗流主缸20外，使一级加热缸30固定于渗流主缸20的上下两个凸缘之间；

步骤三：在渗流主缸20下端的凸缘上安装三级密封圈120，利用固定螺栓，将渗流主缸20下端的凸缘密封固定于下压板100上；

步骤四：通过二级加热管预留道将二级加热管150穿入二级加热缸140，利用固定螺栓将二级加热缸140安装并固定于下压板100上；

步骤五：将步骤四得到的组件放置于固定台基座160上，并用螺栓将二者的连接固定；

步骤六：将一级密封圈60安装在渗流主缸20的内壁，并在渗流主缸20的内凹结构中插入上压块50；

步骤七：在每个渗流主缸20的凸缘上放置二级密封圈90，利用上盖板80密封每一个渗流通道，并用螺栓将上盖板80固定；

步骤八：将试验装置放置于压力机上，利用压力机对上压块50施加压力，使渗流主缸20内的组件紧密接触。

连接：将管路连接在放有试样的进气通道130和出气通道70上，根据试验需要选择串联、并联或混联的连接方式；本实施例进行混联渗流试验，通过出气通道70分别连接出气管路，并在每一个出气管路上设置流量计和压力机，以测定每一通道的气体运动参数；利用五通阀门将每一通道的出气管路并联，即使管路尾尾相连汇集，在汇集后的管路上设置流量计和压力机，以测定总的气体运动参数，并将汇集后的管路统一接入抽气泵；通过进气通道130分别连接进气管路，利用五通阀门将每一通道的进气管路并联，即使管路首首相连汇集，并将汇集后的管路统一接入需要进行试验的气体压力环境中。

加热：将相应的一级加热管40和二极加热管150接入加热电路，控制相应的一级加热缸30、二级加热缸140、渗流主缸20升温至70℃，保持50min，使密封包壳10的侧壁101融化，从而密闭试样侧壁的缝隙，关闭加热电路，冷却至室温。

试验：根据试验设定压力，开启抽气泵进行通气，并读取每一通道及总通道的气体流量、压力参数，渗透完毕后，关闭抽气泵、五通阀门，将试验装置拆分。其中，将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行拆分主要包括以下步骤：

步骤一：拆卸上压块50、上盖板80，利用一级加热管40和二级加热管150控制一级加热缸30和二级加热缸140，将渗流主缸20升温，使密封包壳10的侧壁101软化，并保持其软化状态将试样取出，并清理渗流主缸20上的密封包壳10残留；

步骤二：关闭加热电路，待试样冷却至室温后，依次拆卸固定台基座160、二级加热缸140、一级加热缸30，并拆卸渗流主缸20。

需要注意的是，仅在初次试验时需要将一级加热管40和二级加热管150穿入每个一级加热缸30和二级加热缸140，一级加热管40和二级加热管150在初次试验后无需拆卸，下次试验时直接使用即可。

混联的连接方式指将至少一个多级串联试样和至少一个标准试样并联，本实施例中的混联包括一个多级串联试样和三个标准试样，在试验中可以根据需要调整串联试样和标准试样的数量，如在实施例1中具有四个通道的情况下，可以放置两个多级串联试样和两个标准试样，也可以放置三个多级串联试样和一个标准试样。当然，也可以只利用四个通道中的两个或三个，放置一个多级串联试样和一个标准试样，也可以放置一个多级串联试样和两个标准试样，或其他满足至少一个多级串联试样和至少一个标准试样的放置方式。当试验装置中的通道总数量改变时，操作相同。当连接方式改变时，相应的将五通阀门调整为四通阀门、三通阀门等满足连接需要的阀门即可。

实施例3多通道混合煤岩体渗流试验方法

本实施例为一种多通道混合煤岩体渗流试验方法，使用实施例1中的多通道混合煤岩体渗流试验装置完成，本实施例与实施例2的步骤大致相同，不同之处在于试样的连接方式，以及试验过程中的部分顺序和参数，下面主要针对不同之处进行说明，本实施例进行并联渗流试验，包括以下步骤：

制备试样：本实施例进行并联渗流试验，制备四个与多通道混合煤岩体渗流试验装置大小相符的标准试样。

组装：将试样以并联的放置方式，放置在多通道混合煤岩体渗流试验装置中，本实施例取四个标准试样分别放入相应的密封包壳10中，并将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行组装，本实施例的中试样的放置步骤和试验装置的组装步骤均与实施例1相同。

加热：将相应的一级加热管40和二极加热管150接入加热电路，控制相应的一级加热缸30、二级加热缸140、渗流主缸20升温至90℃，保持30min，使密封包壳10的侧壁101融化，从而密闭试样侧壁的缝隙，关闭加热电路，冷却至室温。

连接：将管路连接在放有试样的进气通道130和出气通道70上，根据试验需要选择串联、并联或混联的连接方式；本实施例进行并联渗流试验，在四个试样均为标准试样180的基础上，将管路分别首首相连、尾尾相连，与实施例2中的连接步骤相同。

试验：本实施例中的试验步骤以及拆分步骤与实施例1相同。

并联的连接方式指将至少两个标准试样并联的连接方式，本实施例中的并联包括四个标准试样，在试验中可以根据需要调整标准试样的数量，如在实施例1中具有四个通道的情况下，可以只利用四个通道中的两个或三个，放置两个或三个并联的标准试样。当试验装置中的通道总数量改变时，操作相同。当连接方式改变时，相应的将五通阀门调整为四通阀门、三通阀门等满足连接需要的阀门即可。

实施例4多通道混合煤岩体渗流试验方法

本实施例为一种多通道混合煤岩体渗流试验方法，使用实施例1中的多通道混合煤岩体渗流试验装置完成，本实施例与实施例2的步骤大致相同，不同之处在于试样的连接方式，以及试验过程中的部分顺序和参数，下面主要针对不同之处进行说明，本实施例进行串联渗流试验，包括以下步骤：

制备试样：本实施例进行串联渗流试验，制备与多通道混合煤岩体渗流试验装置大小相符的多级串联试样，多级串联试样的总大小与试验装置的密封包壳10的腔体相匹配。

组装：将试样以串联的放置方式，放置在多通道混合煤岩体渗流试验装置中，本实施例取多级串联试样放入相应的密封包壳10中，并将多通道混合煤岩体渗流试验装置进行组装。本实施例的组装步骤与实施例1大体相同，不同之处在于，由于串联渗透试验的完成只需要一个通道，因此仅将相应的一级加热缸30与二级加热缸140安装并固定即可。

连接：将管路连接在放有试样的进气通道130和出气通道70上，根据试验需要选择串联、并联或混联的连接方式；本实施例进行串联渗流试验，将管路连接在放置多级串联试样的进气通道130和出气通道70上。与实施例1的不同之处在于，由于串联连接不涉及每个通道和汇集通道的区别，因此五通阀门替换为普通阀门，并在连接时仅在出气管路设置一组流量计和压力计即可。

加热：将相应的一级加热管40和二极加热管150接入加热电路，控制相应的一级加热缸30、二级加热缸140、渗流主缸20升温至80℃，保持60min，使密封包壳10的侧壁101融化，从而密闭试样侧壁的缝隙，关闭加热电路，冷却至室温。

试验：本实施例中的试验步骤以及拆分步骤与实施例1相同，不同之处仅在于渗流通道的数量及阀门的类型。

串联的连接方式指将多级串联式样连接在试验装置中的连接方式，可以将多级串联试样放置在任意一个通道中，针对该通道进行试验即可。多级串联试样的组成数量，每个组成部分的厚度可以根据需要进行调整，只需使多级串联试样的总大小与标准试样的大小保持一致，使叠加后的多级串联试样能够与试验装置相匹配即可。当试验装置中的通道总数量改变时，操作相同。