煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置的制作方法

本实用新型属于煤体变形应变测试技术领域，具体涉及一种煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置及方法。

背景技术：

我国大部分矿区煤层气储层具有典型的低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性，直接抽釆的难度比较大，并且随着煤炭资源的不断开釆，很多矿井已经开始逐渐向深部开采，煤层瓦斯压力也会随着开采深度的加深而加大，同时地应力也会增大，这样一来使低瓦斯含量煤层有了瓦斯突出危险的可能。煤体吸附瓦斯的膨胀变形值受多重因素影响，在相同的瓦斯气体压力下，突出煤与非突出煤的吸附膨胀变形值差别很大。因此，在对煤层是否具有突出危险性鉴定时，煤体的膨胀变形值可以作为一项重要指标。

对于瓦斯抽采技术的发展有促进作用。在瓦斯抽放的工程与科学问题中，煤的吸附解吸变形与瓦斯流动之间的耦合作用是最难解决的问题。在瓦斯渗透扩散过程中，非平衡状态下瓦斯气体的压力，浓度和组成都在不断变化，导致煤体发生膨胀或收缩变形，煤体体积的变化引起孔隙率的变化，从而改变煤体的渗透率。煤渗透系数的变化又反过来影响煤中瓦斯的渗流和扩散。因此，要了解煤层中煤的真实运移规律，不能忽略煤吸附/解吸变形的影响。研究煤体的吸附/解吸变形规律，对煤与瓦斯突出防治具有重要的指导作用，同时也是煤层气抽采的基础研究。

总结前人的研究成果，目前大多集中于对煤体吸附膨胀变形规律的研究，对于解吸收缩变形研究相对较少，在变形各向异性特征方面，大都围绕垂直层理和平行层理两个方向变形规律的研究，由于煤层中平行层理方向面割理和端割理发育程度、连通性以及裂隙张开度不同，平行层理方向上依然存在明显的各向异性。因此，煤岩吸附解吸变形各向异性特征仍有待进一步研究。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置及方法，其可以实时测量煤体在不同气压和不同温度条件下的应力应变，结构简单，操作简便直接，测试结果由数据处理系统自动记录，操作过程省事省力。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案如下。

优选的，煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置，包括吸附/解吸系统、数据采集系统、气源系统、真空系统、稳压系统和控温系统；气源系统与吸附/解吸系统连接，吸附/解吸系统设置在控温系统内部，真空系统通过真空管与吸附/解吸系统连接，稳压系统包括电磁阀和压力传感器，电磁阀设置在气源系统与吸附/解吸系统之间，压力传感器设置在吸附/解吸系统内，数据采集系统通过数据线分别与电磁阀和压力传感器连接。

优选的，数据采集系统包括电阻应变片、应变仪和计算机，计算机通过数据线与应变仪连接，电阻应变片设置有三个，三个电阻应变片分别通过一根漆包铜线与应变仪连接。

优选的，吸附/解吸系统包括吸附解吸罐，吸附解吸罐顶部设置有顶盖，顶盖与吸附解吸罐体之间采用四氟乙烯材质的平垫圈密封，顶盖与吸附解吸罐的外圆周通过u型卡扣紧密扣接为一体；为能实现应变数据的传输，在顶盖上设置有穿线管和通气管，通气管上设置有位于顶盖上方的第一压力表，三根漆包铜线穿过穿线管，三个电阻应变片设置在吸附解吸罐内，为保证气密性，穿线管内采用环氧树脂胶灌封，环氧树脂胶的适用温度在-50至+150℃；压力传感器设置在吸附解吸罐内侧部，压力传感器通过穿过顶盖的第一信号线与计算机相连接。

优选的，气源系统包括氮气瓶和氦气瓶，氦气瓶通过第一气管与通气管连接，第一气管上沿气流方向依次设置有第一阀门、第二压力表和所述的电磁阀，电磁阀通过第二信号线与计算机相连接，氮气瓶通过第二气管连接在第二压力表和电磁阀之间的第一气管上，第二气管上设置有第二阀门。

优选的，控温系统包括恒温水浴箱，吸附解吸罐放置在恒温水浴箱内。

优选的，还包括解吸集气装置，包括六个解吸量管和一个盛水槽；六个解吸量管并排设置并口朝下插设在盛水槽内的水面下，六个解吸量管的顶部通过橡皮管串联，每个橡皮管上均夹持有夹子，其中一个解吸量管的下端口通过解吸管与通气管连接，解吸管上设置有第三阀门。

优选的，真空系统包括旋叶式真空泵，旋叶式真空泵通过真空管与通气管连接，真空管上设置有第四阀门，旋叶式真空泵上连接有真空计。

采用上述技术方案，本实用新型具有的技术效果如下。

1.环氧树脂胶灌封穿线管，环氧树脂胶的适用温度一般都在-50至+150℃，具有密实、抗水、抗渗漏好、强度高，电绝缘性能好，与各种材料的粘接性能、以及其使用工艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的等特点，同时具有附着力强、常温操作、施工简便等良好的工艺性，而且价格适中。

2.应变仪能够同时测量应变、拉压力、位移三种物理量，并具有峰值测量、数据存储和数据回放等功能。该仪器共有4个通道，即最多可支持4个应变计同时监测，量程为±38000με，测量精度为0.1%，时间零点漂移≤3με/4h，温度漂移≤1με/℃。

3.恒温水浴箱无论是抽真空过程还是吸附解吸过程，恒温水浴箱始终保持工作状态。吸附解吸罐除了顶盖上方的压力表外都完全浸没于超级恒温水浴中。如果恒温水浴箱内水被蒸发，应及时补水，保证水量充足。恒温水浴箱由常州金坛精达仪器制造公司生产的hh-601型超级恒温水浴锅构成。其内部优质水泵保证实验设定水温均匀恒定，满足实验要求。超级恒温水浴锅重要性能参数如下，工作槽尺寸：400mm*300mm*200mm；控温范围：室温—99.9℃；恒温设定与测量：led数显；水泵循环速度：≥4l/min，温度浮动范围：≤0.1℃。利用恒温循环水浴控制水温来改变水浴中吸附解吸罐内温度，达到测量不同温度下煤体样品变形状况的目的。

4.真空泵选用系列为双级直联式结构2xz型旋片式真空泵，该泵具有诸多特性，如：高转速，外型小，结构紧凑，流动性工作方便等。2xz型真空泵主要由进气咀、旋片、转子和油箱等11个部件构成。本真空泵有如下性能参数：吸气口径d（mm）：16；电机功率p（kw）：0.25；极限压力≤（pa）：6×10-2；转速（rpm）：1440；抽气速率（l/s）：1。真空计选用抗干扰能力强、反应快及寿命长的zdz-52型真空计。其适用于低，中真空的测量。其性能参数有如下几个，控制方式：点控或区域控制；显示方式：数码显示（单显）；电源：ac220v±10%50hz；使用环境：-5℃～40℃、湿度≤95%；测量控制范围：1.0×10-1pa～1.0×105pa；响应时间：≤1s；控制精度：±1%。

5.解吸集气装置，盛水槽装满饱和的食盐水，先通过抽气筒把水槽中的饱和食盐水吸到量管中的设定位置。通常情况下，解吸量管内的初始液面为0刻度线。大量管与小量管之间连接转换，以及各自量管最上端都用橡皮管连通，并用夹子夹持橡皮管使橡皮管截止。在解吸过程中，当第一个大量管内液面降到最低处时，松开夹子迅速将解吸的气体切换到第二个大量管中，以此类推。根据经验，如果所做煤样解吸量不大，可以直接连接小量管进行解吸。大量管量程800ml，小量管量程200ml，其最小刻度分别为4ml和2ml。

综上所述，本实用新型所具有的优点如下。

1.本实用新型的煤体变形各向异性同步测试装置可以测定不同条件下（不同气压、不同温度）的煤体三个方向上的吸附解吸全过程变形，同时还可以测试其他岩石试件的变形情况，该测试装置组装简单，没有多余的管路连接，避免过多气体在管路中的损失。

2.吸附解吸罐内装有压力传感器，通过与计算机相连接，根据压力数据对电磁阀进行流量控制，确保罐内气体条件达到稳定状态，排除外部气体压力对煤体吸附解吸变形的影响。

3.采用环氧树脂胶灌封，适用温度一般都在-50至+150℃，具有密实、抗水、抗渗漏好、强度高，电绝缘性能好，与各种材料的粘接性能、以及其使用工艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的等特点，同时具有附着力强、常温操作、施工简便等良好的工艺性，而且价格适中。

4.本实用新型的煤体变形各向异性同步测试装置中的数据采集系统，可以将煤体样品变形应变的实际情况，通过信号转换直接显示在计算机的显示器上，使测试结果更加准确可靠；恒温水浴箱的循环水浴功能，改善了恒温水浴箱内的水受热不均匀所导致的波浪线状况，能够满足试验对温度控制的要求。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为图1中吸附解吸罐的纵剖面示意图。

图3为利用应变数据绘制的抽真空阶段应变曲线图。

图4为利用应变数据绘制的吸附阶段应变曲线图。

图5为利用应变数据绘制的解吸阶段应变曲线图。

图6为利用应变数据与解吸量数据绘制的解吸阶段体积应变与累积解吸量关系曲线图。

图中各编号技术特征如下：

1-真空管；2-电磁阀；3-压力传感器；4-电阻应变片；5-应变仪；6-计算机；7-漆包铜线；8-吸附解吸罐；9-顶盖；10-u型卡扣；11-穿线管；12-通气管；13-第一压力表；14-氮气瓶；15-氦气瓶；16-第一气管；17-第一阀门；18-第二压力表；19-第一信号线；20-第二信号线；21-第二阀门；22-恒温水浴箱；23-解吸集气装置；24-解吸管；25-第三阀门；26-旋叶式真空泵；27-第四阀门；28-真空计；29-煤体样品；30-支架；31-第二气管。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型的煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置，包括吸附/解吸系统、数据采集系统、气源系统、真空系统、稳压系统和控温系统；

气源系统与吸附/解吸系统连接，吸附/解吸系统设置在控温系统内部，真空系统通过真空管1与吸附/解吸系统连接，稳压系统包括电磁阀2和压力传感器3，电磁阀2设置在气源系统与吸附/解吸系统之间，压力传感器3设置在吸附/解吸系统内，数据采集系统通过数据线分别与电磁阀2和压力传感器3连接。

数据采集系统包括电阻应变片4、应变仪5和计算机6，计算机6通过数据线与应变仪5连接，电阻应变片4设置有三个，三个电阻应变片4分别通过一根漆包铜线7与应变仪5连接。

吸附/解吸系统包括吸附解吸罐8，吸附解吸罐8顶部设置有顶盖9，顶盖9与吸附解吸罐8体之间采用四氟乙烯材质的平垫圈密封，顶盖9与吸附解吸罐8的外圆周通过u型卡扣10紧密扣接为一体；为能实现应变数据的传输，在顶盖9上设置有穿线管11和通气管12，通气管12上设置有位于顶盖9上方的第一压力表13，三根漆包铜线7穿过穿线管11，三个电阻应变片4设置在吸附解吸罐8内，为保证气密性，穿线管11内采用环氧树脂胶灌封，环氧树脂胶的适用温度在-50至+150℃；压力传感器3设置在吸附解吸罐8内侧部，压力传感器3通过穿过顶盖9的第一信号线19与计算机6相连接。

气源系统包括氮气瓶14和氦气瓶15，氦气瓶15通过第一气管16与通气管12连接，第一气管16上沿气流方向依次设置有第一阀门17、第二压力表18和所述的电磁阀2，电磁阀2通过第二信号线20与计算机6相连接，氮气瓶14通过第二气管31连接在第二压力表18和电磁阀2之间的第一气管16上，第二气管31上设置有第二阀门21。

控温系统包括恒温水浴箱22，吸附解吸罐8放置在恒温水浴箱22内。

本实用新型还包括解吸集气装置23，解吸集气装置23包括六个解吸量管和一个盛水槽；六个解吸量管并排设置并口朝下插设在盛水槽内的水面下，六个解吸量管的顶部通过橡皮管串联，每个橡皮管上均夹持有夹子（图中未示意），其中一个解吸量管的下端口通过解吸管24与通气管12连接，解吸管24上设置有第三阀门25。

真空系统包括旋叶式真空泵26，旋叶式真空泵26通过真空管1与通气管12连接，真空管1上设置有第四阀门27，旋叶式真空泵26上连接有真空计28。

煤体吸附解吸变形各向异性同步测试装置具体实验过程如下：

步骤一，煤体样品29制备；

步骤二，将三个电阻应变片4粘接到煤体样品29表面上，在吸附解吸罐8内底部设置支架30，将煤体样品29放置到支架30上，合上顶盖9，扣紧u型卡扣10使顶盖9与吸附解吸罐8之间密封；

步骤三，检测吸附解吸罐8及相连管路的气密性：关闭第二阀门21、第三阀门25和第四阀门27，打开第一阀门17和电磁阀2，氦气瓶15内的氦气通过第一气管16、通气管12向吸附解吸罐8内中充入1mpa的氦气检测气密性，保持1mpa压力12h，期间每隔2个小时查看第一压力表13和第二压力表18，若其有效读数均为1mpa，则证明吸附解吸罐8及相连管路的气密性良好；

步骤四，将吸附解吸罐8放到恒温水浴箱22内加热；

步骤五，对吸附解吸罐8抽真空：关闭第一阀门17、电磁阀2、第二阀门21和第三阀门25，打开第四阀门27，启动旋叶真空泵通过真空管1和通气管12对吸附解吸罐8持续抽真空，待形成0.1mpa负压时，并持续抽真空2h后关闭第四阀门27，停止抽真空，抽真空阶段应变仪5开始每隔1s记录一次应变数值变化；

步骤六，打开第二阀门21和电磁阀2，氮气瓶14内的氮气向吸附解吸罐8中充入氮气，使吸附解吸罐8内的氮气达到预定气体压力，通过压力传感器3对吸附解吸罐8内气压的反映情况在计算机6上进行显示，并通过对电磁阀2进行控制调节，从而实现吸附解吸罐8内气体压力处于稳压状态，煤体样品29发生吸附膨胀变形，每隔1s记录一次电阻应变片4采集的数值变化，直到应变仪5采集数据不变时，即待计算机6上的应变曲线近似一条水平直线时，可以认为煤体样品29达到吸附平衡；

步骤七，在煤体样品29达到吸附平衡后，迅速关闭第二阀门21和电磁阀2，同时打开第三阀门25，吸附解吸罐8内的氮气通过通气管12和解吸管24进入到解吸量管内，通过应变仪5连续监测粘接到煤体样品29上的电阻应变片4监测的数值变化，待应变变化率小于2×10^-4h^-1时，可以认为达到解吸平衡，与此同时，监测解吸集气装置显示气体解吸量数值变化情况，将解吸变形量与累积解吸量进行相互关联比较，全面反映煤体解吸变形情况；

步骤八，重复步骤五-七，改变吸附解吸罐8内气体压力的设定值，测定不同压力条件下煤体样品29吸附-解吸应变。

步骤一和二的具体过程为：

根据要研究的煤体对象，采取相应的煤体样品29，用直尺测量煤块的尺寸及彩色笔划分切割路线，为满足可以一次同时测试煤层三个方向在不同气体压力下吸附解吸变形规律，因此选用立方体块状样品进行吸附膨胀变形各向异性的测试；将煤块切割加工成边长为60mm的正方体煤体样品29，煤体样品29在进行试验前，用酒精将煤体样品29表面擦拭干净，对其表面用砂纸轻轻打磨光滑，然后放入100℃的干燥箱干燥48h，冷却后用保鲜袋密封保存备用；在煤体样品29的三个侧面上选取表面无明显裂隙的地方，将三个电阻应变片4用胶水分别粘贴在三个侧面上。

如图3所示，步骤五中煤体样品29在抽真空阶段发生收缩变形，半个小时后，煤体样品29的收缩变形趋于平衡，此时煤体样品29中的空气和水分已经排尽；垂直层理方向与垂直面割理方向之间的应变差值较小，与垂直端割理方向的应变差值较大；说明在抽真空过程中煤体样品29裂隙的变形起主控作用，也说明气体主要聚集在大孔隙和裂隙内。

如图4所示，步骤六中当吸附解吸罐8内充入一定压力的氮气后，煤体样品29周围瞬间会产生较大的围压，由于煤体样品29放置在支架30上，煤体样品29的六个面均可受到围压，这时的煤体样品29吸附膨胀变形忽略不计，主要表现为压缩变形，待吸附解吸罐8内的氮气达到预定压力后，氮气气体快速的进入煤体样品29中的裂缝和孔隙中并进行渗流和扩散，吸附气体使煤体样品29的微孔隙和微裂隙表面能降低，表面层厚度增大，同时游离的气体促使微孔隙和微裂隙体积增大，从而使煤体样品29发生膨胀变形。

如图5所示，步骤七中煤体样品29在解吸氮气过程中，并不是简单的一直收缩变形，在快速排出高压气体时会出现一个瞬间的膨胀变形过程；垂直层理方向变形量较大，平行层理垂直面割理方向变形量较小，而平行层理垂直端割理方向无明显变化；伴随着煤体样品29膨胀变形后，开始弹性恢复变形阶段，该阶段持续时间极短，变形量较大；煤体样品29在解吸收缩变形阶段，随着解吸时间的不断增加，收缩变形曲线斜率逐渐减小直至最后趋近于0，煤体样品29的相对收缩变形量不断增大，最后达到一个近似稳定值。

如图6所示，步骤七中，煤体样品29εv体积应变定义为物体单位体积的改变量，大小用下式表示为：

其中，ε1、ε2、ε3分别表示为垂直层理应变、平行层理垂直面割理应变和平行层理垂直端割理应变。另外，煤体累积解吸量qt表示在解吸时刻t煤体解吸气体大小。不难看出，煤体解吸变形过程中，解吸初期，煤体解吸气体速度快于煤体变形速度，随之，煤体变形速度逐渐快于解吸气体速度。整体而言，其体积应变与气体解吸累积量存在较好的正相关关联。

图3-图5中，ε1、ε2、ε3分别表示为垂直层理应变、平行层理垂直面割理应变和平行层理垂直端割理应变；图6中，εv、qt分别表示煤体样品体积应变、累积解吸量。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。