[實用新型]一種液氮浸沒煤樣裂紋時空演化及力學參數(shù)測試實驗裝置

有效

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• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN214895264U
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設計）人: 嚴敏;羅榮衛(wèi);李博濤;王裴;成連華;劉鵬;李紹蓉;魏宗勇;李磊明;陳晨;于涵旭
• 申請（專利權(quán)）人: 西安科技大學;西安達碩安全科技有限公司
• 主分類號: G01N33/22
• 分類號: G01N33/22;G01N29/14;G01N1/28;G01N1/44;G01D21/02
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 馬騰飛

本實用新型公開了一種液氮浸沒煤樣裂紋時空演化及力學參數(shù)測試實驗裝置，其特征在于：包括煤樣真空干燥系統(tǒng)、煤樣水浴恒溫系統(tǒng)、煤樣飽水系統(tǒng)、液氮注入系統(tǒng)、液氮浸融反應系統(tǒng)、監(jiān)測采集處理系統(tǒng)。所述液氮浸融反應系統(tǒng)包括波導桿傳感器耦合腔、液氮反應釜，所述液氮反應釜包括傳感器卡槽、隔音罩、廢液腔、廢液出口、試樣放置臺、電磁閥、排氣孔、反應釜底座、支撐架，所述各部分之間固定連接，所述試樣放置臺下方有均布小孔以及凸棱。可以實現(xiàn)實時對液氮浸沒煤樣整個過程的實驗數(shù)據(jù)監(jiān)測，實時的監(jiān)測煤樣在液氮作用下的微細觀結(jié)構(gòu)變化，動態(tài)分析液氮致裂煤樣時，煤體損傷變形破裂的規(guī)律和效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及煤樣實驗設備領(lǐng)域，具體涉及一種液氮浸沒煤樣裂紋時空演化及力學參數(shù)測試實驗裝置。

背景技術(shù)

我國一次能源消費結(jié)構(gòu)以煤炭為主，伴隨我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，對煤炭需求量也隨之增加，煤炭已成為我國工業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展的重要資源基礎。目前我國大部分煤礦生產(chǎn)的方式是井工開采，而且隨著淺部煤炭開采時間的推移和對能源的需要，潛藏資源日益枯竭，導致我國礦井開采逐漸進入深部開采階段。礦井進入深部開采，煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量急劇增大，尤其在高地應力、高地溫等特殊條件下，瓦斯超限、煤與瓦斯突出等現(xiàn)象愈加頻繁，已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)主要因素之一，隨著淺部地層溫度常簡稱為地溫,它隨著深度的增加而增高,大約埋深每增加33米,地溫增高1度。

煤是一種天然地質(zhì)體，具有微裂紋、孔隙與低強度等缺陷結(jié)構(gòu)。我國大部分礦區(qū)瓦斯儲層存在“三高兩低”的賦存特征(三高：煤層高瓦斯含量、高可塑性結(jié)構(gòu)、高吸附瓦斯能力，兩低：煤層滲透率低、強化措施下煤層常規(guī)破裂裂隙占比低)，據(jù)統(tǒng)計，我國高瓦斯礦井在我國礦井中占37％以上，其中95％的開采煤層屬于低滲透性煤層，因此，如何提高低滲煤層滲透率是我國瓦斯抽采和瓦斯災害防治的關(guān)鍵之一，煤體的微裂隙擴展以及新裂隙萌生會直接影響煤的滲透性能。

液氮對環(huán)境無污染，容易制備且成本低廉，有極低的溫度(-196℃)，煤體在注入低溫液氮后，可使煤體凍結(jié)損傷弱化、原生微裂隙擴展以及產(chǎn)生新裂隙，形成凍融致裂帶。在煤層有限的空間中，液氮氣化后體積迅速膨脹，產(chǎn)生巨大膨脹力致裂煤層，在21℃時1m3液氮氣化體積膨脹約696倍，形成氣化高壓致裂帶，同時高壓氮氣能驅(qū)趕、分壓置換煤層瓦斯，促進瓦斯解吸滲流，尤其是液氮循環(huán)凍融，重復凍融致裂煤層，對提高煤層滲透性效果更顯著，同時液氮揮發(fā)需要吸收熱量會對煤層降溫起到一定作用。

瓦斯是導致煤礦瓦斯事故的主要因素，同時也是強溫室氣體，其對臭氧層的破壞及產(chǎn)生的溫室效應分別達到CO2的7倍和21倍。與災害性相對，瓦斯是煤層中可利用的潔凈能源，具有廣闊的開發(fā)前景，我國埋深2000m以淺瓦斯資源量約36.8萬億m3，開采價值顯著。因此，進行煤與瓦斯資源安全高效共采，不僅可以有效防治瓦斯的災害，對大氣污染減少，而且將瓦斯作為清潔能源利用，可實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)、環(huán)境保護與新能源供給等目的。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，為解決以往煤層增透中技術(shù)不足的問題，對煤層瓦斯進行高效預抽利用，預防瓦斯事故與降低環(huán)境污染問題，獲得經(jīng)濟效益最大化，以液氮等超低溫流體作為壓裂流體的無水壓裂技術(shù)逐漸受到重視。

為提高煤層滲透率，國內(nèi)外相關(guān)學者提出了預裂爆破，氣體爆破等爆破增透技術(shù)，此類技術(shù)操作會相對復雜，易發(fā)生次生危害。還有水力壓裂、高壓注水、水力割縫等方法，其中壓裂液會對環(huán)境有一定污染，存在水鎖效應，耗水量大等問題。隨著科技發(fā)展，許多新的技術(shù)被專家學者提出，如：超聲波激勵法、溶劑萃取法、微生物發(fā)酵法、電化學法等迅猛發(fā)展，然而，技術(shù)工藝的復雜、昂貴的成本，使得這些技術(shù)難以得到推廣或應用。

由于煤層賦存情況復雜，天然煤層中含有水分并且因埋藏深度和圍巖透氣性等原因使煤層有不同溫度，液氮在這種情況下凍融煤體，使得致裂增滲及瓦斯驅(qū)替效果更加明顯，更有利于瓦斯高效抽采。如何在實驗室模擬實驗煤樣與賦存煤樣性質(zhì)的一致性，為液氮對煤層增透抽采瓦斯的現(xiàn)場應用提供有效的依據(jù)和理論還是目前仍需完善的。同時目前實驗室只能觀測液氮作用煤體前后的變化，而不能對液氮凍融煤體全過程進行有效監(jiān)測。

實用新型內(nèi)容