本發(fā)明涉及巖石工程技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù):
煤巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的研究對(duì)于巷道圍巖支護(hù)、煤層氣開采、煤與瓦斯突出等問題都有重要的意義,尤其在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域,煤巖在吸附瓦斯等吸附性氣體時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)于指導(dǎo)煤層氣生產(chǎn)有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
目前對(duì)于煤巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的獲取多采用室內(nèi)試驗(yàn)的手段,常見的應(yīng)變測(cè)量工具有位移傳感器或者應(yīng)變傳感器等。采用傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器在測(cè)量吸附狀態(tài)下的煤巖應(yīng)變狀態(tài)時(shí)采集的數(shù)據(jù)是煤巖的平均應(yīng)變,而煤巖是一種典型的非均質(zhì)材料,因此這種測(cè)量手段無法反應(yīng)煤巖內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),同時(shí)這些傳感器安裝復(fù)雜,精度較低,極易發(fā)生密封不緊、測(cè)量失敗等情況,因此急需一種簡(jiǎn)單可行能夠獲得較高精度的解、吸附狀態(tài)下的煤巖應(yīng)變測(cè)量手段。
有學(xué)者提出采用CT掃描等方法研究煤巖內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),通過CT數(shù)或灰度值反映煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的變化規(guī)律,雖然取得了一定的效果,但是仍然具有較大的局限性,這是因?yàn)檫@種方法受限于掃描頻次,無法全程跟蹤煤巖全時(shí)段的應(yīng)力應(yīng)變演化過程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供一種煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)及方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中試樣應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量只能關(guān)注測(cè)量始終狀態(tài),而無法測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的技術(shù)問題。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng),包括:氣體控制結(jié)構(gòu)、密閉觀測(cè)箱、高速相機(jī)以及數(shù)字圖像分析平臺(tái);
所述氣體控制結(jié)構(gòu)與所述密閉觀測(cè)箱相連,控制所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣體出入以及箱內(nèi)氣壓;
所述高速相機(jī)與所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)相連,拍攝所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像,并通過所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析,得到煤體試樣的形變應(yīng)變;
其中,在執(zhí)行煤體吸附變形測(cè)量時(shí),所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)填充氣體,調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓,通過所述高速相機(jī)連續(xù)拍攝煤體試樣形變應(yīng)變并通過所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析形變應(yīng)變;
當(dāng)上述煤體吸附變形測(cè)量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測(cè)量,開始釋放所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣體并同時(shí)開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應(yīng)變。
進(jìn)一步地,在執(zhí)行不同壓強(qiáng)環(huán)境的連續(xù)壓強(qiáng)測(cè)量時(shí),完成某一壓強(qiáng)條件下的煤體解、吸附測(cè)量后執(zhí)行下一壓強(qiáng)條件的測(cè)量操作。
進(jìn)一步地,在煤體解、吸附變形測(cè)量過程中,所述高速相機(jī)拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
進(jìn)一步地,所述氣體控制結(jié)構(gòu)包括:氣源、進(jìn)氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器;
所述氣源通過所述進(jìn)氣管路與所述密閉觀測(cè)箱相連,執(zhí)行氣體輸入;
所述密閉觀測(cè)箱與所述出氣管路相連,執(zhí)行氣體輸出;
所述減壓閥設(shè)置在所述進(jìn)氣管路上,實(shí)現(xiàn)所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣壓調(diào)整;
所述氣壓傳感器設(shè)置在所述密閉觀測(cè)箱上,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣壓,并回傳給所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)。
進(jìn)一步地,當(dāng)且僅當(dāng)所述減壓閥的壓強(qiáng)讀數(shù)與所述氣壓傳感器檢測(cè)的壓強(qiáng)讀數(shù)相等,且持續(xù)時(shí)間大于48小時(shí),才認(rèn)為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。
進(jìn)一步地,所述密閉觀測(cè)箱為透明箱體。
進(jìn)一步地,所述高速相機(jī)為兩臺(tái);
兩臺(tái)所述高速相機(jī)對(duì)稱設(shè)置在所述煤體試樣中心軸線兩側(cè),對(duì)準(zhǔn)所述煤體試樣。
一種煤體解、吸附變形測(cè)量方法,包括:
將煤體試樣置于一定的氣體壓強(qiáng)測(cè)量氣體環(huán)境中;
通過高速拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像;
通過數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析所述煤體試樣的圖像,得到所述煤體試樣的吸附形變應(yīng)變;
釋放所述測(cè)量氣體環(huán)境中的氣體;
通過高速連續(xù)拍攝設(shè)備拍攝所述煤體試樣的圖像;
通過數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析所述煤體試樣的圖像,得到所述煤體試樣的解吸形變應(yīng)變;
重復(fù)上述過程,測(cè)量不同壓強(qiáng)條件下的煤體試樣的解、吸附形變應(yīng)變。
進(jìn)一步地,在煤體解、吸附變形測(cè)量過程中,所述高速拍攝設(shè)備拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案,至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn):
本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)及方法,通過全過程的拍攝和圖像分析,實(shí)現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測(cè)量;實(shí)現(xiàn)了煤巖表面解、吸附變形測(cè)試的全天候觀測(cè),自動(dòng)化程度高。
進(jìn)一步地,通過氣體控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同一試樣,不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測(cè)量;系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡(jiǎn)單,可以實(shí)現(xiàn)不同煤巖的解、吸附變形測(cè)試。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本申請(qǐng)實(shí)施例通過提供一種煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)及方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中試樣應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量只能關(guān)注測(cè)量始終狀態(tài),而無法測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的技術(shù)問題;達(dá)到了實(shí)現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測(cè)量;同時(shí),不同氣體壓力的解、吸附變形的煤巖表面解、吸附變形測(cè)試的全天候精確測(cè)量的技術(shù)效果。
為了更好的理解上述技術(shù)方案,下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明,應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體特征是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的詳細(xì)的說明,而不是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的限定,在不沖突的情況下,本申請(qǐng)實(shí)施例以及實(shí)施例中的技術(shù)特征可以相互組合。
參見圖1,本發(fā)明實(shí)施例提供的一種煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng),包括:氣體控制結(jié)構(gòu)、密閉觀測(cè)箱、高速相機(jī)以及數(shù)字圖像分析平臺(tái);
所述氣體控制結(jié)構(gòu)與所述密閉觀測(cè)箱相連,控制所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣體出入以及箱內(nèi)氣壓;
所述高速相機(jī)與所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)相連,拍攝所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像,并通過所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析,得到煤體試樣的形變應(yīng)變;
其中,在執(zhí)行煤體吸附變形測(cè)量時(shí),所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)填充氣體,調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓,通過所述高速相機(jī)連續(xù)拍攝煤體試樣形變應(yīng)變并通過所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析形變應(yīng)變;
當(dāng)上述煤體吸附變形測(cè)量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測(cè)量,開始釋放所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣體并同時(shí)開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應(yīng)變。
在執(zhí)行不同壓強(qiáng)環(huán)境的連續(xù)壓強(qiáng)測(cè)量時(shí),完成某一壓強(qiáng)條件下的煤體解、吸附測(cè)量后執(zhí)行下一壓強(qiáng)條件的測(cè)量操作。
具體來說,針對(duì)待測(cè)的煤體試樣,將其置于一個(gè)氣壓可調(diào)的密閉氣體環(huán)境中,即所述密閉觀測(cè)箱中,在其發(fā)生解吸和吸附過程中,通過高速拍攝設(shè)備,即高速相機(jī)實(shí)現(xiàn),連續(xù)的拍攝試樣的圖像,而后通過成熟的數(shù)字圖像分析平臺(tái)獲得試樣表面的形變應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)技術(shù)目的。
具體的,在煤體解、吸附變形測(cè)量過程中,所述高速相機(jī)拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。實(shí)現(xiàn)全天候的觀測(cè),使得測(cè)量在可靠性大大提升,同時(shí)由于能夠全面反映整個(gè)解吸和吸附過程,使得實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)完整性大幅提升,同時(shí)完整可靠的記錄了整個(gè)解吸附過程。
本實(shí)施例提供了一種具體的準(zhǔn)告知組合,所述氣體控制結(jié)構(gòu)包括:氣源、進(jìn)氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器。
所述氣源通過所述進(jìn)氣管路與所述密閉觀測(cè)箱相連,執(zhí)行氣體輸入;
所述密閉觀測(cè)箱與所述出氣管路相連,執(zhí)行氣體輸出;
所述減壓閥設(shè)置在所述進(jìn)氣管路上,實(shí)現(xiàn)所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣壓調(diào)整;
所述氣壓傳感器設(shè)置在所述密閉觀測(cè)箱上,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述密閉觀測(cè)箱內(nèi)的氣壓,并回傳給所述數(shù)字圖像分析平臺(tái)。
為了準(zhǔn)確的得到完整的數(shù)據(jù),確定的判斷反應(yīng)過程的起始和重點(diǎn),優(yōu)選的,當(dāng)且僅當(dāng)所述減壓閥的壓強(qiáng)讀數(shù)與所述氣壓傳感器檢測(cè)的壓強(qiáng)讀數(shù)相等,且持續(xù)時(shí)間大于48小時(shí),才認(rèn)為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。
為了便于觀測(cè),所述密閉觀測(cè)箱為透明箱體。
為了提升圖像獲取的完整性和靠性,所述高速相機(jī)為兩臺(tái);兩臺(tái)所述高速相機(jī)對(duì)稱設(shè)置在所述煤體試樣中心軸線兩側(cè),對(duì)準(zhǔn)所述煤體試樣。
本實(shí)施例還提供一種測(cè)量方法。
一種煤體解、吸附變形測(cè)量方法,包括:
將煤體試樣置于一定的氣體壓強(qiáng)測(cè)量氣體環(huán)境中;
通過高速拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像;
通過數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析所述煤體試樣的圖像,得到所述煤體試樣的吸附形變應(yīng)變;
釋放所述測(cè)量氣體環(huán)境中的氣體;
通過高速連續(xù)拍攝設(shè)備拍攝所述煤體試樣的圖像;
通過數(shù)字圖像分析平臺(tái)分析所述煤體試樣的圖像,得到所述煤體試樣的解吸形變應(yīng)變;
重復(fù)上述過程,測(cè)量不同壓強(qiáng)條件下的煤體試樣的解、吸附形變應(yīng)變。
進(jìn)一步地,在煤體解、吸附變形測(cè)量過程中,所述高速拍攝設(shè)備拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。
下面將通過一個(gè)具體的系統(tǒng)實(shí)施例說明本方案。
參見圖1,一種煤體解、吸附變形光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),包括氣瓶1、減壓閥3、進(jìn)氣端氣體閥門4、氣體管路5、出氣端氣體閥門8、特制有機(jī)玻璃觀測(cè)箱7、氣壓傳感器12、三腳架13、高速相機(jī)14、數(shù)字圖像分析平臺(tái)17,其連接關(guān)系是:氣瓶1、減壓閥3、進(jìn)氣端氣體閥門4通過氣體管路5連接特制有機(jī)玻璃觀測(cè)箱7的一側(cè)開孔處,通過密封螺絲10將氣體管路5與特制有機(jī)玻璃觀測(cè)箱7連接;氣體管路5、出氣端氣體閥門4與有機(jī)玻璃觀測(cè)箱7的另一側(cè)開孔處連接;特制有機(jī)玻璃觀測(cè)箱,由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成,頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接,實(shí)現(xiàn)密封效果,頂蓋中心處有開孔,設(shè)置特制連接螺絲6,連接氣壓傳感器12,箱體7與頂蓋9材料均為透明有機(jī)玻璃,透光率高;兩臺(tái)高速相機(jī)14分別固定在三腳架13上,放置在特制有機(jī)玻璃箱體7的未開孔側(cè),與箱體7中心線成一定角度放置,氣壓傳感器12和相機(jī)14通過通訊線15連接數(shù)字圖像分析平臺(tái)17。
特制有機(jī)玻璃觀測(cè)箱7由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成,頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接,實(shí)現(xiàn)密封效果,箱體尺寸為60×40×50cm的長(zhǎng)方體,箱體材料與頂蓋材料均為有機(jī)玻璃。箱體左壁和右壁中心處設(shè)有開孔,開孔處安裝特制密封連接螺絲6,用于連接氣體管路,氣體管路直徑1/8inch,箱體的頂蓋中心處設(shè)有開孔,同樣通過特制密封連接螺絲6與氣體傳感器12連接。
數(shù)字圖像分析平臺(tái)17可以綜合分析高速相機(jī)12拍攝的煤巖圖像,并可以實(shí)時(shí)采集氣體傳感器12的氣體壓力數(shù)據(jù)。平臺(tái)采用的高速相機(jī)12是GT3400相機(jī)(分辨率為3384×2074,鏡頭焦距為80mm),氣體傳感器為KELLER傳感器,壓力值范圍0~20MPa。
試驗(yàn)前,需預(yù)先準(zhǔn)備煤巖試樣16,試樣尺寸10×2×10cm,將試樣16噴涂標(biāo)記點(diǎn),用于下一步的應(yīng)變測(cè)量。將試樣16放入特制有機(jī)玻璃箱體7中,豎立放置在特制有機(jī)玻璃箱體7中心位置,后將頂蓋9安置于特制有機(jī)玻璃箱體7上,通過密封螺絲10和墊片11連接箱體和頂蓋9,氣體管路5通過特制連接螺絲6連接箱體7。將兩臺(tái)高速相機(jī)14放置在三腳架13上,三腳架置于箱體5m遠(yuǎn)處,相機(jī)14分布于箱體前壁中心線兩側(cè),相機(jī)14鏡頭呈一定角度對(duì)準(zhǔn)試樣16。
連接系統(tǒng)各線路后,進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作。
(1)檢查系統(tǒng)氣密性。打開氣瓶1的開關(guān)閥2,打開減壓閥3和進(jìn)氣端氣體閥門4,關(guān)閉出氣端氣體閥門8。通過數(shù)字圖像分析平臺(tái)17觀測(cè)氣體壓力傳感12的讀數(shù),當(dāng)氣體壓力讀數(shù)24小時(shí)內(nèi)不再變化時(shí)可認(rèn)為氣密性良好,進(jìn)行下一步操作。
(2)1MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測(cè)量試驗(yàn)。打開氣瓶1的開關(guān)閥2,打開減壓閥3和進(jìn)氣端氣體閥門4,關(guān)閉出氣端氣體閥門8。通過調(diào)節(jié)減壓閥3讀數(shù)設(shè)定氣體壓力值,同時(shí)打開高速相機(jī)14開始拍攝煤巖試樣16的圖像,當(dāng)氣體壓力傳感器12讀數(shù)與減壓閥3壓力讀數(shù)一致并保持48小時(shí)不變時(shí),認(rèn)為此讀數(shù)壓力下煤巖達(dá)到吸附平衡,保存相機(jī)圖像,并在數(shù)字圖像分析平臺(tái)上分析應(yīng)變數(shù)據(jù),并保存記錄。關(guān)閉氣瓶1的開關(guān)閥2,打開出氣端氣體閥門8,同時(shí)打開高速相機(jī)14開始拍攝煤巖試樣16的圖像,當(dāng)氣體壓力傳感器12讀數(shù)變?yōu)榇髿鈮毫Ρ3?8小時(shí)不變時(shí)認(rèn)為此讀數(shù)壓力下煤巖達(dá)到解吸平衡,保存相機(jī)圖像,并在數(shù)字圖像分析平臺(tái)上分析應(yīng)變數(shù)據(jù),并保存記錄。
(3)2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測(cè)量試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)減壓閥4的讀數(shù)設(shè)定2、3、4、5、6MPa氣體壓力,重復(fù)上述步驟(2),進(jìn)行2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測(cè)量試驗(yàn)。
本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案,至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn):
本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的煤體解、吸附變形測(cè)量系統(tǒng)及方法,通過全過程的拍攝和圖像分析,實(shí)現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測(cè)量;實(shí)現(xiàn)了煤巖表面解、吸附變形測(cè)試的全天候觀測(cè),自動(dòng)化程度高。
進(jìn)一步地,通過氣體控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同一試樣,不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測(cè)量;系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡(jiǎn)單,可以實(shí)現(xiàn)不同煤巖的解、吸附變形測(cè)試。
最后所應(yīng)說明的是,以上具體實(shí)施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制,盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。