[發明專利]一種全過程觀測冷沖擊致裂煤體實驗裝置

在審

• 申請號: 202210257924.4
• 申請日: 2022-03-16
• 公開（公告）號: CN114441360A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 嚴敏;林海飛;羅榮衛;白楊;王裴;丁洋;雙海清;李博濤;劉思博
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/06;G01J5/12;G01J5/48;G01J5/80;G01N33/22
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 牟月萍

本發明屬于冷沖擊致裂煤體技術領域，尤其涉及一種全過程觀測冷沖擊致裂煤體實驗裝置，包括煤樣存放系統、液氮注入系統、液氮冷沖擊系統、超聲波采集處理系統和熱成像采集處理系統；所述煤樣存放系統由恒溫恒濕箱和煤體組成，所述液氮注入系統由自增壓液氮罐、閥門、壓力表、調壓閥、超低溫流量表、超低溫保溫管、液氮冷沖擊致裂裝置組成；所述液氮冷沖擊系統包括液氮冷沖擊致裂裝置，所述液氮冷沖擊致裂裝置包括裝置殼體；本發明的有益效果為：本發明的實驗裝置可以實現煤樣快速被液氮浸沒與迅速從液氮中脫離，有效控制冷沖擊實驗中的煤體被液氮冷沖擊的時間，保證了變量冷沖擊時間的準確性。

技術領域

本發明屬于冷沖擊致裂煤體技術領域，尤其涉及一種全過程觀測冷沖擊致裂煤體實驗裝置。

背景技術

我國一次性能源消費結構以煤炭為主，伴隨我國經濟的穩步發展，對煤炭需求量也隨之增加，煤炭已成為我國工業、經濟發展的重要資源基礎。目前我國大部分煤礦生產的方式是井工開采，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、煤與瓦斯突出等現象愈加頻繁，已成為制約礦井安全高效生產主要因素之一，淺部地層溫度(常簡稱為地溫)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。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，具有廣闊的開發前景，我國埋深2000m以下的淺瓦斯資源量約36.8萬億m³，開采價值顯著。煤是一種天然地質體，具有微裂紋、孔隙與低強度等缺陷結構。我國大部分礦區瓦斯儲層存在“三高兩低”的賦存特征(三高：煤層高瓦斯含量、高可塑性結構、高吸附瓦斯能力，兩低：煤層滲透率低、強化措施下煤層常規破裂裂隙占比低)，據統計，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，可使煤體凍結損傷弱化、原生微裂隙擴展以及產生新裂隙，形成冷沖擊致裂帶。在煤層有限的空間中，液氮氣化后體積迅速膨脹，產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，同時高壓氮氣能驅趕、分壓置換煤層瓦斯，促進瓦斯解吸滲流，尤其是液氮循環冷沖擊，重復冷沖擊致裂煤層，對提高煤層滲透性效果更顯著，同時液氮揮發需要吸收熱量會對煤層降溫起到一定作用。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，可實現礦井安全生產、環境保護與新能源供給等目的。

隨著科學技術的發展，為解決以往煤層增透中技術不足的問題，對煤層瓦斯進行高效預抽利用，預防瓦斯事故與降低環境污染問題，獲得經濟效益最大化，以液氮等超低溫流體作為壓裂流體的無水壓裂技術逐漸受到重視，但是實驗室對液氮冷沖擊煤體全過程煤體的能量、結構變化缺乏觀測儀器，實驗室液氮對煤體的增透理論仍需進一步探討以期為煤層增透提供指導意義。

發明內容

本發明的目的在于針對背景技術中提出的問題，提供一種全過程觀測冷沖擊致裂煤體實驗裝置，以完善實驗室觀測液氮作用煤體前后的內部結構變化，同時對液氮冷沖擊煤體全過程進行有效監測。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種全過程觀測冷沖擊致裂煤體實驗裝置，其特征在于：包括煤樣存放系統、液氮注入系統、液氮冷沖擊系統、超聲波采集處理系統和熱成像采集處理系統。

所述煤樣存放系統由恒溫恒濕箱22和煤體7組成，所述煤體7放置在恒溫恒濕箱22內。所述煤體7按照所需實驗條件制備好以后，設置恒溫恒濕箱22的溫度、濕度，將煤體7放進去備用。所述煤體7為70×70×70mm立方體。