用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统的制作方法
【专利摘要】一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，属于岩土工程领域。该系统包括气源罐、第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、真空泵、气体稳压增温控制装置、具有试件的MTS围压腔、第一压力计、第二压力计、第一流量计、第二流量计；所述气体稳压增温控制装置包括气体增压泵、气体加热控制器、第一气体加热器、高压储气反应釜、空气压缩机、压力表、第六阀门、第七阀门。本系统能够准确测试采动过程中卸荷煤岩体渗透率，适用于煤层开发。
【专利说明】用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于岩土工程领域，具体涉及一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透 率的系统。
【背景技术】
[0002] 随着浅部煤炭资源保有量的不断减少和经济发展对能源需求的不断增加，煤炭资 源开采强度和深度与日俱增，灾害事故也不断发生。而煤层气作为影响地下煤矿安全和高 效开采的主要风险之一，也正作为一种气体资源在美国、澳大利亚、中国等国家被广泛利 用。采矿过程中，煤岩体的渗透率演化规律，对煤层气资源化利用及煤层整体稳定性和强 度，煤层破坏进程和灾害事故的发生都有非常重要的影响。
[0003] 许多学者针对渗透率这一表征煤岩体渗流特性的重要参数本身及其在煤岩体加 载变形过程中的演化规律进行了各具特色的研宄。试验研宄表明，在恒定温度和应力条件 下，因煤岩体吸附膨胀，吸附性气体（如CH 4, CO2)在煤岩体中的渗透率明显低于非吸附性 气体（Ar、N2);恒定温度条件下，围压对煤岩体渗透率有显著影响；煤岩体渗透率随孔隙压 力的升高而下降。根据试验研宄得到的观测结果，学者们在设定理想条件和假设煤体结构 的基础上，提出了许多基于应力的煤岩渗透率模型用于分析预测煤层变形及渗透率演化规 律。大量相关研宄显示煤岩体渗流能力具有极强的应力相关性，因此在分析煤岩体的渗透 率演化规律时，应该认真考虑煤岩体所处的真实采动应力环境的相关影响。
[0004] 深部煤炭资源开采过程中，因井巷掘进及工作面推进，临空面附近应力场重分布， 煤岩体常处于轴向加载，环向卸载的应力状态；现有关于煤岩体渗透率演化规律的研宄多 数通过常规三轴测试进行，而常规三轴测试仅能反应煤岩体材料层面的本征渗透率演化过 程，不能反应煤岩体在真实采动过程中的渗透率演化规律。虽然有部分学者开展了卸荷应 力状态的煤岩渗透率研宄，但是仅仅对试验条件本身对渗透率的研宄加以阐述，并没有与 煤岩体开采所处的真实采动应力环境相匹配，因此为探宄煤岩体在真实采动应力环境中的 渗透率演化规律，需要对煤岩体在采动过程中卸荷条件下的渗透率演化规律展开研宄。另 夕卜，煤岩体卸荷过程中，开采条件的差异会造成轴向荷载单位增量的差异；有关研宄也表明 轴向加载速率不同，卸荷煤岩体的力学特性、破坏特征及声发射时空演化规律都会有显著 的差异。同时，现有技术中的系统无法很好的完成相关测试和数据的同步记录工作。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于克服现有技术中并不存在测试采动过程中卸荷应力状态 下的渗透率演化规律系统的不足，提供一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统。
[0006] 本实用新型采用如下技术方案：
[0007] -种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，包括气源罐、第一减压阀、第二 减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、真空泵、气体稳压增温控制装 置、具有试件的MTS围压腔、第一压力计、第二压力计、第一流量计、第二流量计；所述气体 稳压增温控制装置包括气体增压泵、气体加热控制器、第一气体加热器、第一气体加热器、 高压储气反应釜、空气压缩机、压力表、第六阀门、第七阀门；
[0008] 其中，真空泵与第一阀门的一端相连，第一阀门的另一端通过第一减压阀和气源 罐相连，同时真空泵通过第一阀门分别与第二阀门的一端及第三阀门的一端相连，第三阀 门的另一端与第四阀门的一端及第七阀门的一端相连，第二阀门的另一端分别与气体增压 泵的两端相连，第四阀门另一端通过管路依次与第二减压阀、第一流量计和MTS围压腔中 试件的底部相连，MTS围压腔中试件的顶部通过管路依次与第二流量计和第五阀门相连，第 一压力计设置于第一流量计和MTS围压腔之间的管路上，第二压力计设置于MTS围压腔和 第二流量计之间的管路上；
[0009] 第一气体加热器与第二气体加热器分别与气体加热控制器相连，第一气体加热器 与第二气体加热器并联后的一端与气体增压泵的一端相连，且二者并联后的另一端依次与 第六阀门、高压储气反应釜及压力表相连，同时高压储气反应釜通过管路与第七阀门的另 一端相连，气体增压泵与空气压缩机相连。
[0010] 所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述第一减压阀、第二 减压阀为先导式减压阀。
[0011] 所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述第一压力计、第二 压力计为压阻式电子压力计。
[0012] 所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述管路为金属细管。
[0013] 本实用新型的有益效果是：本系统易于实现，能够在MTS岩石力学测试系统准确 控制煤岩体加载、记录应力和变形数据的基础上，实现外部气体稳压恒温渗流条件的施加， 实现采动过程中卸荷煤岩体渗透率的稳定准确测试，分析煤岩体在真实采动卸荷条件下的 渗透率演化规律及轴向加载速率对煤岩体渗流特性的影响，也可以为其他气体渗流相关测 试提供硬件支持；很好地成相关测试和数据的同步记录工作，提高煤炭资源开采的安全性。 本实用新型适用于煤层开发与挖掘中。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0015] 图2为米动卸荷试验应力路径图；
[0016] 图3为峰值应力对应应变随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；
[0017] 图4为峰值应力及其对应围压随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；
[0018] 图5为峰值渗透率和初始渗透率随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；
[0019] 图6为时间与低轴向加载速率卸荷试件的轴向应力、应力比及渗透率关系图；
[0020] 图7为时间与中轴向加载速率卸荷试件的试件轴向应力、应力比及渗透率关系 图；
[0021] 图8为时间与高轴向加载速率卸荷试件的试件轴向应力、应力比及渗透率关系 图；
[0022] 其中，1为气源罐，2-1为第一减压阀，2-2为第二减压阀，3-1为第一阀门，3-2为第 二阀门，3-3为第二阀门，3-4为第四阀门，3-5为第五阀门，3-6为第六阀门，3-7为第七阀 门，4为真空泵，5为气体稳压增温控制装置，6为MTS围压腔，6-1为试件，7-1为第一压力 计，7-2为第二压力计，8-1为第一流量计，8-2为第二流量计，9为气体增压泵，10为气体加 热控制器，11-1为第一气体加热器，11-2为第二气体加热器，12-高压储气反应釜，13为空 气压缩机，14为压力表。
【具体实施方式】
[0023] 下面通过实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0024] 如图1所示，本实用新型是一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，包 括气源罐1、第一减压阀2-1、第二减压阀2-2、第一阀门3-1、第二阀门3-2、第三阀门3-3、 第四阀门3-4、第五阀门3-5、真空泵4、气体稳压增温控制装置5、具有试件6-1的MTS围压 腔6、第一压力计7-1、第二压力计7-2、第一流量计8-1、第二流量计8-2 ;所述气体稳压增 温控制装置5包括气体增压泵9、气体加热控制器10、第一气体加热器11-1、第一气体加热 器11-2、高压储气反应釜12、空气压缩机13、压力表14、第六阀门3-6、第七阀门3-7 ;
[0025] 其中，真空泵4与第一阀门3-1的一端相连，第一阀门3-1的另一端通过第一减压 阀2-1和气源罐1相连，同时真空泵4通过第一阀门3-1分别与第二阀门3-2的一端及第 三阀门3-3的一端相连，第三阀门3-3的另一端与第四阀门3-4的一端及第七阀门3-7的 一端相连，第二阀门3-2的另一端分别与气体增压泵9的两端相连，第四阀门3-4另一端通 过管路依次与第二减压阀2-2、第一流量计8-1和MTS围压腔6中试件6-1的底部相连，MTS 围压腔6中试件6-1的顶部通过管路依次与第二流量计8-2和第五阀门3-5相连，第一压 力计7-1设置于第一流量计8-1和MTS围压腔6之间的管路上，第二压力计7-2设置于MTS 围压腔6和第二流量计8-2之间的管路上；
[0026] 第一气体加热器11-1与第二气体加热器11-2分别与气体加热控制器10相连，第 一气体加热器11-1与第二气体加热器11-2并联后的一端与气体增压泵9的一端相连，且 二者并联后的另一端依次与第六阀门3-6、高压储气反应釜12及压力表14相连，同时高压 储气反应釜12通过管路与第七阀门3-7的另一端相连，气体增压泵9与空气压缩机13相 连。
[0027] 本实用新型所述MTS围压腔由高刚度金属制成，系MTS815岩石力学测试系统的主 要组成部分，用于对岩石或煤试件提供围压，即提供三轴加载环境，完成对采动卸荷煤岩体 渗透率的测试工作。
[0028] 为了提高稳压精度，即提高提高对阀芯控制的灵敏度，所述第一减压阀2-1及第 二减压阀2-2采用先导式减压阀。
[0029] 由于压阻式电子压力计的高准确度、高复现性和高可信度，因此本实用新型中的 第一压力计7-1及第二压力计7-2为压阻式电子压力计。
[0030] 基于成本及使用效果考虑，所述管路的管材为金属细管。
[0031] 实施例
[0032] 本例中的煤样取自四川芙蓉集团白皎矿，均为无烟煤。经XRD及XRF分析显示煤 样主要由碳、方解石、高岭土三种矿物组成，其中碳占70. 77%，方解石占5. 39%，高岭土占 5. 78%。在实验室轴向加载应变率为KT4的条件下，煤样平均单轴抗压强度为10. IMPa， 25MPa围压条件下常规三轴测试平均强度为96. 6MPa。参考ASTM标准（D4543-08)的相 关规定（具体可参见 Standard Practices for Preparing Rock Core Specimens and Determining Dimensional and Shape Tolerances)，将试件加工为 C>50mmXH100mm 的标 准尺寸。
[0033] 本次试验使用改进的MTS815Flex test GT岩石力学测试系统进行相关测试和数 据记录工作，该测试系统轴向最大压缩荷载为4600kN ;三轴轴向引伸计量程-2. 5?5. 0mm， 环向引伸计量程-2. 5?8. Omm ;围压0?140MPa。在原测试系统的基础上，自主设计组装 了气体渗流装置，可施加气体孔隙压力范围为0. 1?20MPa，外部气源加温温度范围为室 温?70°C，所述室温也称为常温或者一般温度，一般定义为25摄氏度，有时会设为300K (约 27°C )，以利于使用绝对温度的计算。测试系统如图1所示。
[0034] 采矿过程中煤岩体普遍经历了从原岩应力，到轴向应力（O1-O3)升高而围压 (σ 3)递减（卸载），直到破坏的完整应力变化过程。为模拟真实的采动应力环境条件，探宄 不同轴向加载速率卸荷煤岩体力学特性、渗透率及其演化过程，针对上述应力变化过程，特 拟定如图2所示试验方案，试验分为三个阶段：（1)静水压力阶段：以3MPa/min的加载速率 施加静水围压至25MPa，即图2中OA段；（2)第一卸载阶段：岩样均由A点开始卸载，围压卸 荷速率为IMPa/min，同时以2. 25MPa/min的偏应力加载速率加载至B点（σ 1= 37. 5MPa， 〇 3= 15MPa) ; (3)第二卸载阶段：岩样均由B点继续卸载，围压卸荷速率仍为IMPa/min，同 时分别以4. 75MPa/min (E)，3. 5MPa/min (D)和2. 25MPa/min (C)的偏应力加载速率分别加载 至试件破坏，分别对应图2中BE段、BD段、BC段。测试达到峰值荷载后，为保证试验设备安 全，不再降低围压，继续加载至试件出现残余强度后停止试验。
[0035] 试验过程中，首先对安放完毕经过胶膜密封的试件及压头施加一个初始应力，固 定在压力机上。在充油和施加围压之后，对整个管路抽真空约60min。施加围压后，通过气 体增压泵向进气管路充入压力为2MPa的甲烷气体，并稳定气压120min后开始按照既定试 验方案加载。加载全程使用高精度的第一流量计8-1及第二流量计8-2和第一压力计7-1 及第二压力计7-2,对进出口流量和孔隙压力数据进行测试。假设瓦斯渗流通过试样是各向 等温过程，且满足理想气体状态方程，则可以根据试验中测得的流量数据，利用可压缩气体 水平线性稳定渗流达西公式计算不同时段试件渗透率，如下式：
【权利要求】
1. 一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于，包括气源罐（1)、第 一减压阀（2-1)、第二减压阀（2-2)、第一阀门（3-1)、第二阀门（3-2)、第三阀门（3-3)、第 四阀门（3-4)、第五阀门（3-5)、真空泵（4)、气体稳压增温控制装置（5)、具有试件（6-1) 的MTS围压腔（6)、第一压力计（7-1)、第二压力计（7-2)、第一流量计（8-1)、第二流量计 (8-2);所述气体稳压增温控制装置（5)包括气体增压泵（9)、气体加热控制器（10)、第一气 体加热器（11-1)、第二气体加热器（11-2)、高压储气反应釜（12)、空气压缩机（13)、压力表 (14)、第六阀门（3-6)、第七阀门（3-7); 其中，真空泵（4)与第一阀门（3-1)的一端相连，第一阀门（3-1)的另一端通过第一减 压阀（2-1)和气源罐（1)相连，同时真空泵（4)通过第一阀门（3-1)分别与第二阀门（3-2) 的一端及第三阀门（3-3)的一端相连，第三阀门（3-3)的另一端与第四阀门（3-4)的一端 及第七阀门（3-7)的一端相连，第二阀门（3-2)的另一端分别与气体增压泵（9)的两端相 连，第四阀门（3-4)另一端通过管路依次与第二减压阀（2-2)、第一流量计（8-1)和MTS围 压腔（6)中试件（6-1)的底部相连，MTS围压腔（6)中试件（6-1)的顶部通过管路依次与第 二流量计（8-2)和第五阀门（3-5)相连，第一压力计（7-1)设置于第一流量计（8-1)和MTS 围压腔（6)之间的管路上，第二压力计（7-2)设置于MTS围压腔（6)和第二流量计（8-2) 之间的管路上； 第一气体加热器（11-1)与第二气体加热器（11-2)分别与气体加热控制器（10)相连， 第一气体加热器（11-1)与第二气体加热器（11-2)并联后的一端与气体增压泵（9)的一端 相连，且二者并联后的另一端依次与第六阀门（3-6)、高压储气反应釜（12)及压力表（14) 相连，同时高压储气反应釜（12)通过管路与第七阀门（3-7)的另一端相连，气体增压泵（9) 与空气压缩机（13)相连。
2. 根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于， 所述第一减压阀（2-1)及第二减压阀（2-2)为先导式减压阀。
3. 根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于， 所述第一压力计（7-1)及第二压力计（7-2)为压阻式电子压力计。
4. 根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于， 所述管路为金属细管。
【文档编号】G01N15/08GK204165873SQ201420694371
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】张茹, 张泽天, 高明忠, 徐晓炼, 李果, 谢晶, 刘建锋 申请人:四川大学