[發明專利]煤巖多物理場耦合作用測試裝置及其使用方法

有效

• 申請號: 201210268641.6
• 申請日: 2012-07-18
• 公開（公告）號: CN102809574A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 王春光;蔣宇靜;譚云亮;王剛;馮吉利
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N23/04
• 分類號: G01N23/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種滿足巖石宏細觀結構變化的測試裝置，尤其涉及煤巖多物理場耦合作用測試裝置。

背景技術

在深部煤炭資源開采過程中深部地層的高地應力、高溫度和高孔隙壓力是影響煤礦安全開采的主要因素，特別是處于采動區域巖體總是受到溫度場、滲流場和應力場耦合作用影響。具體表現為煤體從三向受力狀態轉化為雙向受力、煤體的孔隙率、滲透率、熱傳導能力隨之發生變化。同時開挖后煤層瓦斯會向采動區域流動，不僅改變煤層初始孔隙壓力，還改變煤層孔隙結構。此外瓦斯滲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，同時又會影響瓦斯滲流場。值得注意的是，煤中的復雜孔隙結構還吸附大量氣體，環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，這一過程不僅使煤基質表面物理化學性質變化，還導致孔隙壓力重新升高，更進一步影響煤孔隙結構、也能改變游離瓦斯滲流場。深部采煤必然破壞煤層瓦斯滲流場、地溫場與地應力場組成的動態平衡體系，只有在一定時間和空間范圍內通過質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平衡。

因此，研究深部煤層在復雜地質環境中多場耦合效應下表現出的特殊力學行為，認清開挖損傷區煤體物理力學性質與開挖過程的相互關系及其時空演化規律，分析開挖煤層損傷區的多物理場耦合效應致災響應，是解決深部開采中煤與瓦斯突出事故的核心問題。

目前，大多數研究方法通常是評價物理耦合作用過程中煤試件外表面變形量與宏觀滲透率變化。僅通過煤的宏觀物理性質是很難闡釋煤巖各向異性變形規律，尤其是對于煤基質局部區域中裂隙的張開與閉合。近年來CT技術憑借無損傷檢測特點能夠定量重構掃描物體細觀結構等優點，已經廣泛用于研究煤炭安全開采以及煤層氣工業領域中的巖石-流體耦合問題。不難發現這些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構影響。工作面處于采動影響煤體應力狀態變化以及煤層瓦斯滲流場和溫度場分布區域轉移變化，都將顯著影響到煤的力學性質。因此設計一種合理利用CT掃描技術，在實驗室內實現模擬煤層開挖卸載、瓦斯運移過程中煤體細觀結構損傷演化、以及提取相關信息是本發明要解決的主要問題。

發明內容

本發明目的是發明一種煤巖多物理場耦合作用測試裝置，該裝置在盡可能貼近工況條件下合理利用CT掃描技術，能夠測試煤-瓦斯系統在溫度場、滲流場和應力場耦合作用下，煤體細觀結構變化過程，滿足煤-氣系統變化過程中多物理參量數據的采集功能。

一種煤巖多物理場耦合作用測試裝置，其特征在于，它是由頂蓋、筒體和底盤組成一個密閉的筒體；所述頂蓋內設有柱腔，柱腔內安裝一個用于對煤試件施加軸向壓力的柱塞，在筒體內部對稱布置四個壓力槽，每個壓力槽內部均設置一個氣囊和一個凸形橡膠活塞；四個氣囊均設有與外部高壓氣源連接的氣體管線；柱塞內設有用于向筒體充氣的氣體管線；所述橡膠活塞的兩端設有孔洞，孔洞內安裝有聲發射傳感器，聲發射傳感器的導線連接底盤上的數據端口傳輸到外置的聲發射采集系統；所述底盤上設排氣口，排氣口上安裝排空氣閥，并連接氣體壓差變送器、氣體質量流量計和氣體數據采集儀；底盤內布置電熱絲；此外，在頂蓋內設置有溫度傳感器；頂蓋和底盤外表面設有保溫層。

以上所述的筒體和筒體內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。

為了能使柱塞能自行補償筒體內圍壓升高導致的不平衡力，上述柱塞的結構由上、中、下三個變直徑圓柱體組成，柱塞中段直徑大于上段和下段直徑。其中，柱塞下段的橫截面積等于中段截面積減去上段截面積后剩余的環形截面積，中段部分在柱腔中形成活塞，使柱腔形成上、下兩個環狀空間，簡稱上環腔和下環腔；柱腔的下部直徑和上部直徑分別與柱塞的下段直徑和上段直徑配合，柱塞軸線位置上設有連通筒體內腔與第二高壓氣源的氣體管線，在圓柱體上設有使圓柱體的下段底面與上環腔相通的通氣道，該通氣道連通筒體的內腔與上環腔；另外，還有管線貫穿柱塞中段和下段，連通筒體內腔與上環腔。

為了便于安裝，頂蓋上柱腔直徑與柱塞中段直徑相等，裝入柱塞后在柱腔上部安裝一個環套。柱塞置入頂蓋柱腔后，將一個環套嵌套在柱塞上段，并固定在頂蓋上柱腔。

為了保證頂蓋與柱塞的氣密性，在柱塞中部、環套和下柱腔壁上設有密封圈。

上述煤巖多物理場耦合作用測試裝置的使用方法是：