專利名稱：真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測試裝置，尤其涉及煤與瓦斯作用的測試裝置。
背景技術(shù)：
在深部煤炭資源開采過程中，煤體從三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向受力、煤體的孔隙率、滲透率、熱傳導能力隨之發(fā)生變化。因此，開挖后煤層瓦斯會向采動區(qū)域流動，不僅改變煤層初始孔隙壓力，還改變煤層孔隙結(jié)構(gòu)。此外瓦斯?jié)B流場的變化也可以影響地層熱流場，以溫度應力形式影響應力場分布，同時又會影響瓦斯?jié)B流場。另外，煤中的復雜孔隙結(jié)構(gòu)還吸附大量氣體，環(huán)境溫度的升高或者煤孔隙壓力的降低后都會使吸附瓦斯解吸成游離 態(tài)，這一過程不僅使煤基質(zhì)表面物理化學性質(zhì)變化，還導致孔隙壓力重新升高，更進一步影響煤孔隙結(jié)構(gòu)、也能改變游離瓦斯?jié)B流場。深部采煤必然破壞煤層瓦斯?jié)B流場、地溫場與地應力場組成的動態(tài)平衡體系，只有在一定時間和空間范圍內(nèi)通過質(zhì)量和能量交換過程才能使整個煤-瓦斯體系重新達多物理場之間新的動態(tài)平衡。因此，研究真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用機理，是解決深部開采中煤與瓦斯突出事故的核心問題。目前，研究煤與瓦斯作用機理，是測試煤試件外表面變形量與宏觀滲透率變化。近年來CT技術(shù)憑借無損傷檢測特點能夠定量重構(gòu)掃描物體細觀結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛用于研究煤炭安全開采以及煤層氣工業(yè)領(lǐng)域中的巖石-流體耦合問題。不難發(fā)現(xiàn)這些CT檢測裝置僅考慮煤試件在靜壓吸附氣體，未能考慮多物理耦合作用對煤結(jié)構(gòu)影響。工作面處于采動影響煤體應力狀態(tài)變化以及煤層瓦斯?jié)B流場和溫度場分布區(qū)域轉(zhuǎn)移變化，都將顯著影響到煤的力學性質(zhì)。因此很需要設(shè)計一種合理利用CT掃描技術(shù)，在實驗室內(nèi)模擬真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是設(shè)計一種真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，該裝置在盡可能貼近工況條件下合理利用CT掃描技術(shù)，能夠測試煤-瓦斯系統(tǒng)在溫度場、滲流場和應力場耦合作用下，煤體細觀結(jié)構(gòu)變化過程，滿足煤-氣系統(tǒng)變化過程中多物理參量數(shù)據(jù)的采集功能?！N真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，其特征在于，它是由頂蓋、筒體和底盤組成一個密閉的筒體；所述頂蓋內(nèi)設(shè)有柱腔，柱腔內(nèi)安裝一個用于對煤試件施加軸向壓力的柱塞，柱塞由上、中、下三個變直徑圓柱體組成，在筒體內(nèi)部對稱布置四個壓力槽，每個壓力槽內(nèi)部均設(shè)置一個氣囊和一個凸形橡膠活塞；四個氣囊均設(shè)有與外部高壓氣源連接的氣體管線；柱塞內(nèi)設(shè)有用于向筒體充氣的氣體管線；所述橡膠活塞的兩端設(shè)有孔洞，孔洞內(nèi)安裝有聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器的導線連接底盤上的數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)酵庵玫穆暟l(fā)射采集系統(tǒng)；所述底盤上設(shè)排氣口，排氣口上安裝排空氣閥，排氣口并連接氣體壓差變送器、氣體質(zhì)量流量計和氣體數(shù)據(jù)采集儀；底盤內(nèi)布置電熱絲；此外，在頂蓋內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器；頂蓋和底盤外表面設(shè)有保溫層。以上所述的筒體和筒體內(nèi)的壓力槽采用既能滿足CT掃描時X射線穿透煤試件要求、又有足夠剛度滿足力學測試的碳纖維材料。為了保證頂蓋的氣密性，在活塞中段和上下環(huán)腔均設(shè)有密封圈。使用時，將煤塊加工成長方體試件，在其表面粘貼應變片和溫度補償片，安置在四個凸形橡膠活塞組成的壓力室中，安裝好所有傳感器和儀表，連接所有測試導線和氣體管線，密封連接頂蓋與筒體，將柱塞連接到手動液壓泵；再將裝置固定在CT掃描臺，按設(shè)計的試驗布置進行測試，通過改變煤試件的應力狀態(tài)模擬開挖卸載過程，實時記錄煤體宏細觀結(jié)構(gòu)變化信息，得到真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的模擬數(shù)據(jù)。。

圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I的A-A視圖。圖中1_煤試件；2_應變片；3_橡膠活塞；4_電熱絲；5-筒體；6_壓力槽；7-聲發(fā)射傳感器；8-氣囊；9-底盤；10-氣體質(zhì)量流量計；11_氣閥；12-氣體壓差變送器；13_溫度控制器；14_密封圈；15_頂蓋；16_柱塞；17_高壓氣源；18_保溫層；19_溫度傳感器；20-溫度顯示表，21-應變數(shù)據(jù)采集儀；22_聲發(fā)射采集系統(tǒng)；23_氣體數(shù)據(jù)采集儀。
具體實施方式
如圖I所示的一種真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，它是由頂蓋15、筒體5和底盤9組成一個密閉的筒體；所述頂蓋15內(nèi)設(shè)有柱腔，柱腔內(nèi)安裝一個用于對煤試件施加軸向壓力的柱塞16,柱塞16的結(jié)構(gòu)由上、中、下三個變直徑圓柱體組成；在筒體5內(nèi)部對稱布置四個壓力槽6，每個壓力槽6內(nèi)部均設(shè)置一個氣囊8和一個凸形橡膠活塞3 ;每個氣囊8通過氣體管線連接高壓氣源17 ;如圖2所示；柱塞16內(nèi)設(shè)有用于向筒體5內(nèi)腔注氣的氣體管線；所述橡膠活塞3的兩端設(shè)有圓形孔洞，孔洞內(nèi)安裝有聲發(fā)射傳感器7，聲發(fā)射傳感器7的導線連接到底盤9的數(shù)據(jù)端口，將聲發(fā)射數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵庵玫穆暟l(fā)射采集系統(tǒng)22 ；所述底盤9的排氣口上安裝排空氣閥11，并連接氣體壓差變送器12、氣體質(zhì)量流量計10和氣體數(shù)據(jù)采集儀23 ;底盤9內(nèi)還布置有電熱絲4，電熱絲4連接外置的溫度控制器13 ;此外，在頂蓋15內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器19，溫度傳感器19連接外置的溫度顯示表20 ;頂蓋15和底盤9外表面設(shè)有保溫層18。為了保證頂蓋15的氣密性，在活塞16中段和上下環(huán)腔均設(shè)有密封圈14。以上所述的筒體5和筒體內(nèi)的壓力槽6應采用既能滿足CT掃描時X射線穿透煤試件、又有足夠剛度符合力學測試要求，例如碳纖維材料。
權(quán)利要求1.一種真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，其特征在于，它是由頂蓋、筒體和底盤組成一個密閉的筒體；所述頂蓋內(nèi)設(shè)有柱腔，柱腔內(nèi)安裝一個用于對煤試件施加軸向壓力的柱塞，柱塞由上、中、下三個變直徑圓柱體組成，在筒體內(nèi)部對稱布置四個壓力槽，每個壓力槽內(nèi)部均設(shè)置一個氣囊和一個凸形橡膠活塞；四個氣囊均設(shè)有與外部高壓氣源連接的氣體管線；柱塞內(nèi)設(shè)有用于向筒體充氣的氣體管線；所述橡膠活塞的兩端設(shè)有孔洞，孔洞內(nèi)安裝有聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器的導線連接底盤上的數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)酵庵玫穆暟l(fā)射采集系統(tǒng)；所述底盤上設(shè)排氣口，排氣口上安裝排空氣閥，排氣口并連接氣體壓差變送器、氣體質(zhì)量流量計和氣體數(shù)據(jù)采集儀；底盤內(nèi)布置電熱絲；在頂蓋內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器；頂蓋和底盤外表面設(shè)有保溫層。
2.如權(quán)利要求I所述的真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，其特征在于，在活塞中段和上下環(huán)腔均設(shè)有密封圈。
專利摘要本實用新型公開了一種真三軸狀態(tài)下煤與瓦斯作用的測試裝置，它是由頂蓋、筒體和底盤組成密的筒體；頂蓋內(nèi)設(shè)有柱腔，柱腔內(nèi)安裝有柱塞，柱塞內(nèi)設(shè)有用于氣體管線；每個壓力槽內(nèi)部設(shè)置氣囊和凸形橡膠活塞；橡膠活塞兩端設(shè)有孔洞，孔洞內(nèi)安裝有聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器導線連接底盤上數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)铰暟l(fā)射采集系統(tǒng)；底盤上設(shè)排氣口，排氣口連接氣體壓差變送器、氣體質(zhì)量流量計和氣體數(shù)據(jù)采集儀；底盤內(nèi)布置電熱絲；頂蓋內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器；頂蓋和底盤外表面設(shè)有保溫層。本實用新型不僅可以實時記錄在不同溫度、應力狀態(tài)下煤試件變形及其聲發(fā)射活動，還可以進行煤-氣吸附與解吸過程，并用CT技術(shù)定量可視化的煤試件細觀結(jié)構(gòu)特征。
文檔編號G01N23/02GK202770787SQ20122045251
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月1日
發(fā)明者王春光, 蔣宇靜, 王剛, 陳連軍, 展曉元 申請人:山東科技大學