[發明專利]二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置及其測試方法

在審

• 申請號: 201910307542.6
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN109991148A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 王利;張軍勝;張新生;田林;曹運興;孟兵兵
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N3/313;G01N13/04
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務所(普通合伙) 41131
• 代理人: 朱俊峰

1.二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置，其特征在于：包括CO₂爆破沖擊試驗系統，CO₂爆破沖擊試驗系統上設置有動態應力測試系統和靜態應力測試系統；

CO₂爆破沖擊試驗系統由應力加載機構、爆破沖擊機構和氣體收集機構組成，應力加載機構包括試件應力加載件和兩個法蘭盤，兩個法蘭盤前后并排設置，應力加載件設置在兩個法蘭盤之間，兩個法蘭盤之間連接有若干根鋼制拉桿，每根鋼制拉桿的兩端部均設有外螺紋，鋼制拉桿的兩端部分別螺紋連接有緊固螺母，兩個緊固螺母分別與兩個法蘭盤頂壓配合；

應力加載件包括熱塑密封管，熱塑密封管的長度方向沿前后水平方向設置，熱塑密封管的軸線穿過法蘭盤的圓心，試驗煤樣設置在熱塑密封管內，熱塑密封管外側套有圍壓鋼管，圍壓鋼管的外壁沿軸向方向開設有缺口，缺口的長度為，的長度范圍為5-10cm，圍壓鋼管的外側套有管卡件，熱塑密封管、圍壓鋼管以及管卡件的長度相等，管卡件由兩根半圓管組成，半圓管的兩個側壁上均連接有連接板，兩根半圓管上下對稱設置，兩根半圓管的連接板之間通過若干緊固螺栓連接，緊固螺栓上設有與其配合的螺母；熱塑密封管的后端部內還設置有鋼制墊塊，鋼制墊塊位于試驗煤樣后端與后側的法蘭盤之間；

所述的爆破沖擊機構設置在前側的法蘭盤上，氣體收集機構安裝在后側的法蘭盤上。

2.根據權利要求1所述的二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置，其特征在于：爆破沖擊機構包括CO₂爆破管，CO₂爆破管同軸線固定在法蘭盤的前側面上，CO₂爆破管的前端安裝有充氣閥，CO₂爆破管內安裝有剪切片和電加熱絲，電加熱絲位于剪切片的前側，CO₂爆破管上安裝有位于剪切片后側的第一探針溫度計。

3.根據權利要求2所述的二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置，其特征在于：氣體收集機構包括導氣管，所述的鋼制墊塊的中心處開設有安裝插孔，導氣管的前端部穿過法蘭盤后插設在鋼制墊塊的安裝插孔內，導氣管上沿氣流方向依次設置有流量計和氣體收集箱，氣體收集箱上安裝有壓力表、第二探針溫度計以及排氣閥。

4.根據權利要求3所述的二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置，其特征在于：動態應力測試機構包括若干動態應變片和PVDF壓力傳感器，試驗煤樣由若干標準試樣依次連接而成，動態應變片設置在每個標準試樣上，其中兩個PVDF壓力傳感器分別設置在剪切片和鋼制墊塊上，其余的PVDF壓力傳感器分別安裝在相鄰的兩個標準試樣連接處。

5.根據權利要求4所述的二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置，其特征在于：靜態應力測試系統包括若干圍壓測壓環和軸向應變片，若干圍壓測壓環分別安裝在緊固螺栓上，在螺母作用下，圍壓測壓環壓在連接板上；若干軸向應變片分別安裝在鋼制拉桿上。

6.根據權利要求5所述的二氧化碳爆破沖擊動態監測試驗裝置的測試方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）、煤樣制作與測點布置：從目標煤層鉆取原煤進行取樣，選取完整煤樣制作標準試樣若干，然后將若干標準試樣之間采用103膠水粘接，形成大約1m長的組合試樣作為試驗煤樣，在進行粘接的同時在相鄰兩個標準試樣的連接處布置PVDF壓力傳感器，并且在每個標準試樣的表面沿軸向布置動態應變片，最后對該試驗煤樣進行熱塑保護使其表面形成熱塑密封管；

（2）、施加應力：首先施加圍壓，將經過熱塑密封的試驗煤樣裝入圍壓鋼管內，然后在用兩個半圓管包圍，通過不斷旋擰緊固螺栓和螺母，使圍壓鋼管的缺口不斷減小，從而在試驗煤樣周圍形成試件圍壓，依據彈性理論，使圍壓鋼管閉合后管內沿環向產生的拉力為：

式中分別為圍壓鋼管的內徑和外徑，E為彈性模量，μ是泊松比；

拉力P與試驗煤樣的圍壓平衡，下一步根據彈性力學厚壁圓筒理論進行試驗煤樣表面圍壓計算，同時，試驗煤樣圍壓也通過貼在試驗煤樣表面的動態應變片進行應變觀測，并經過計算得到；

接下來施加軸向應力，首先在CO₂爆破管的后端焊接在法蘭盤上，將應力加載件置于兩個法蘭盤之間，再將兩個法蘭盤通過若干根鋼制拉桿連接，同時在試驗煤巖與法蘭盤之間放置鋼制墊塊，通過調整鋼制拉桿上的緊固螺母，使鋼制拉桿受到拉力，從而在試驗煤樣的軸向施加應力，鋼制拉桿上的拉力通過貼在鋼制拉桿表面的軸向應變片測得；

（3）、連接爆破沖擊機構和氣體采集機構：將已經完成應力加載的試驗煤樣，通過前側的法蘭盤與CO₂爆破管焊接，形成爆破沖擊機構；

接著將導氣管通過鋼制墊塊上預留的安裝插孔與試驗煤樣相連通，并在導氣管的后側連通到氣體收集箱，在導氣管上安裝流量計，在氣體收集箱上依次安裝壓力表、第二探針溫度計以及排氣閥；

（4）、充裝CO₂：通過充氣閥向CO₂爆破管注入液態CO₂，通過第一探針溫度計和剪切片上的PVDF壓力傳感器測得CO₂爆破管內CO₂的溫度和壓力，以判斷它處于相變狀態；

（5）、通過電加熱絲加熱使CO₂爆破管內CO₂迅速發生膨脹相變為超臨界態高壓流體，高壓流體沖破剪切片后沖擊試驗煤樣；

（6）、應力波傳播規律觀測：CO₂高壓沖擊的時程曲線通過剪切片上的PVDF壓力傳感器測得，產生的應力波通過相鄰標準試樣接縫處的PVDF壓力傳感器記錄得到，試件動態變形通過試驗煤樣表面的動態應變片記錄得到；

（7）、CO₂流動規律觀測： 通過剪切片上的PVDF壓力傳感器記錄試件輸入端的CO₂壓力變化、相鄰標準試樣接縫處的PVDF壓力傳感器記錄試驗煤樣各截面的CO₂壓力變化、氣體收集箱上的壓力表記錄試件輸出端的壓力變化、導氣管上的流量計記錄CO₂流量，試驗結束后，將這些數據通過作圖分析，得到CO₂流動規律。