CN100570325C - 煤岩流变渗流试验装置 - Google Patents

Abstract

一种煤岩流变渗流试验装置，用于煤及中软岩石的流变力学试验及流变过程中的渗流试验，主要通过在流变试验装置的压力室内设置定心装置，该定心装置由上定心盘和下定心盘经定位螺杆连接而成，上定心盘和下定心盘的中心开有圆孔，所述上压块和下压块分别安装在上定心盘和下定心盘的中心圆孔内；所述上压块、下压块与胶套之间均设有垫块，该垫块上设有上下贯通的第一气道，垫块的一端与所述胶套相连，该垫块的另一端与相应压块的端部相连。本发明主要通过在流变试验装置的压力室内设置定心装置，使煤样放入后不会晃动，避免损坏煤样，使煤样成活率和稳定性大大提高，因而，较原来的流变试验装置，本发明所测得的试验数据更加可靠。

Description

煤岩流变渗流试验装置

技术领域

本发明涉及一种流变试验装置，具体地说，涉及用于煤及中软岩石的流变力学试验及流变过程中的渗流试验的煤岩流变渗流试验装置。

背景技术

流变特性是岩土类材料重要的力学特性之一，它对岩土材料的长期强度有很大的影响。目前，国内外对岩土类材料流变特性开展了广泛的研究工作。从实验室实验到工程分析，从经验公式到理论模型，都已经取得了一些有益成果。作为一种类岩土材料，煤岩也具有明显的流变特性。大量现场实例表明，煤与瓦斯的延迟突出现象就与含瓦斯煤的流变特性有关。

按所施加的外荷载的方式不同，可以将土的室内流变试验分为两大类，即直接法和间接法。前者是指直接施加剪切力的试验方法，包括直接剪切和扭转试验，后者则是利用单轴或三轴压缩或拉伸荷载，包括一维固结(渗透)试验和三轴剪切试验。针对不同的研究目的、研究对象和研究内容，流变试验的方法及其仪器设备也是多种多样的。

目前主要的流变试验装置均是针对土和岩石材料，对煤岩体尤其是含瓦斯煤的流变试验装置非常少见。何学秋教授研制的三轴压力室，主要由下盖体、上座和压块三部分组成。瓦斯由压块中心通道进入煤体，由底座排出。液压油由缸壁进入下盖体由上座排出。由于该装置在装卸煤样时，先将压块和底座垫通过胶套连接并密封之后放入压力室中，再紧固上座，这个过程很容易使煤样遭到破坏，使试验结果变得非常不可靠；其次，该装置的气体压力较低(小于2MPa)，不能满足现场试验条件；另外，目前的各种三轴流变仪均无法量测压力室内部试样的环向变形，只能通过外部试验仪器量测轴向变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能满足含煤岩流变渗流试验要求，且试验结果更可靠的煤岩流变渗流试验装置。

为实现上述目的，本发明针对原来流变试验装置在装卸煤样时，容易使煤样遭到破坏的缺陷，在压力室内设置定心装置，使煤样施入后不会晃动避免损坏煤样，具体技术方案如下：一种煤岩流变渗流试验装置，包括下盖体、安装在该下盖体上端的上座，所述下盖体轴向上设有开口向上的下内腔，下内腔内放置有下压块，下压块上方设有胶套，该胶套的上、下端均内套有垫块，该垫块上设有上下贯通的第一气道，所述胶套内安装有经导线与外界相通的应变计，胶套的上方设有上压块，该上压块与所述下压块分别设有进气通道和排气通道，该进气通道和排气通道的一头经所述第一气道与所述胶套内部相通，该进气通道和排气通道的另一头分别经导管与安装在所述下盖体上的进气口和排气口相通，所述下盖体和上座上分别设有进油通道和排空孔，所述上座上设有开口向下的上内腔，该上内腔与所述下内腔相通，所述上压块和胶套均位于该上内腔内，该上内腔内还设有定心装置，该定心装置由安装在所述下内腔端口的下定心盘以及经定位螺杆安装在该下定心盘上方的上定心盘组成，上定心盘和下定心盘的中心开有圆孔，所述上压块和下压块分别安装在上定心盘和下定心盘的中心圆孔内，所述上定心盘和下定心盘的圆环上均设有小孔；所述上压块上放置压头，该压头的顶端与加压活塞杆的下端相连，该加压活塞杆的上端从所述上座的中部伸出，加压活塞杆与上座之间设有密封装置。试验时，先将煤样放入胶套，然后放到定心装置中心后用管箍与垫块联接并箍紧，整个装样过程方便简单，避免了煤样的损坏；而且本发明由下盖体、上座装上的内腔共同组成压力室，这样方便试验前的安装。

作为优选例，所述上压块和下压块在与所述垫块相接的一端固定安装有气接头，该气接头上对应设有与所述第一气道相通的第二气道，并且，两气接头与所述上压块、下压块的接合处均设有腔室，所述进气通道和排气通道经该腔室与所述第二气道相通。在气接头与压块的接合处增加腔室的目的在于使从进气通道进入的气体分散后，通过第二气道及第一气道进入煤样内，流过煤样后，同样经第二气道及第一气道汇集到腔室内，经排气通道排除，有利于真实的模拟实际环境，增加实验结果的可靠性。

作为优选例，所述加压活塞杆的下端为球面弧形，所述压头的上端与该球面弧形配合的设有球面凹槽，所述加压活塞杆的下端经挂圈固定在该球面凹槽内。加压活塞杆与压头由球面万向联接，避免了煤样的偏压，实验结果更能反映煤样的真实受力情况。

作为优选例，所述下盖体上径向设有与该下盖体内腔相通的引线孔，引线孔内设有密封螺杆，该密封螺杆的中部为空心，所述导线经密封螺杆穿出液压缸之外。通过导线将内部传感器信号传出缸体之外，由应变仪接收以便监测试件在各方向的变形。

作为优选例，所述密封装置由套装在所述加压活塞杆上的导向套及该导向套上端的压盖和下端的密封圈组成，该压盖经螺钉安装在上座的顶端，该压盖的内壁安装有防尘圈。该密封装置不仅可以对反应装置起到密封作用，而且还可以对加压活塞杆起导向作用，保证了加压活塞杆稳定施压。

作为优选例，上述下压块的下端设有重力传感器，该重力传感器经穿过所述密封螺杆的导线与外界相通。通过重力传感器随时监控煤样所受的轴线压力，实验过程更加准确。

有益效果：

(1)本发明主要通过在流变试验装置的压力室内设置定心装置，使煤样放入后不会晃动，避免损坏煤样，使煤样成活率和稳定性大大提高，因而，较原来的流变试验装置，本发明所测得的试验数据更加可靠；

(2)加压活塞杆与煤样垫块之间由万向头球面联接，可以避免煤样产生偏压，增加了试验的准确性。

(3)高压密封的独立气路，使气体压力可达到6Mpa。

下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明：

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例上座9的俯视图；

图3为本发明实施例下盖体1的俯视图；

图4为本发明实施例上定心盘7的结构示意图；

图5为图4的仰视图；

图6为本发明实施例下定心盘5的结构示意图；

图7为图6的仰视图；

图8为本发明实施例固样装置与上压块20、下压块21的装配图；

图9为本发明实施例下压块21及气接头30的组合图；

图10为图9的俯视图；

图11为图9中I处的放大视图；

图12为本发明实施例垫块31的结构示意图；

图13为图12的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明实施例的结构示意图，液压缸由下盖体1和上座9经螺栓连接组成，下盖体1和上座9接合处安装有O型密封圈4，下盖体1轴向上设有开口向上的下内腔26，所述上座9上设有开口向下的上内腔25，该上内腔25与所述下内腔26相通，该上内腔25与所述下内腔26形成液压缸的压力室，该压力室的下部安装有承压柱2，承压柱2上安装有称重传感器29，在该承压柱2上方安装有上压块20、下压块21及该上压块20、下压块21之间的固样装置，如图8所示，上压块20上开有进气通道20a，该进气通道20a在上压块20壁上的端口经导管28与安装在下盖体1上的进气口22相连通，进气通道20a的另一端口设置在上压块20下端的凹槽内，如图9及图10所示，上压块20的下端焊接有气接头30，该气接头30的上端与上压块20相向地开有凹槽，气接头30上设有若干贯通气接头30且与其凹槽相通的的第二气道32，气接头30上端的凹槽与所述上压块20下端的凹槽共同形成腔室38，所述进气通道20a经该腔室38与所述第二气道32相通；下压块21与上压块20的结构相同，该下压块21上的排气通道21a在下压块21壁上的端口经导管28与安装在下盖体1上的排气口3相连通，所述导管28的两端通过双向接头33与其它部件连接；所述固样装置由胶套6及该胶套6上、下端内套的垫块31组成，胶套6的上、下端套装在垫块31上，然后经箍圈35箍紧，胶套6内盛装煤样，胶套6的内外壁均安装有应变计27，如图12、图13，垫块31上与所述气接头30上的第二气道32相对的开有上下贯通的第一气道36，该第一气道36和所述第二气道32将所述进气通道20a、排气通道21a与胶套6的内部连通，垫块31与所述气接头30接合处安装有O型密封圈37，这样，从进气口22到胶套6，然后到排气口3形成一个高压密封的独立气路，使气体压力可达到6MPa，可以向煤样内充入氮气、氧气、二氧化碳及甲烷等各种气体。

如图1、图4、图5、图6及图7，固样装置的外部套装有定心装置，该定心装置由下定心盘5、上定心盘7及定位螺杆8组成，下定心盘5的下端设有凸台，通过凸台，下定心盘5刚好盖在下内腔26的端口上，下定心盘5经定位螺杆8安装在该下定心盘5上方，上定心盘7和下定心盘5的中心开有圆孔，所述上压块20和下压块21分别安装在上定心盘7和下定心盘5的中心圆孔内，所述上定心盘7和下定心盘5的圆环上均匀地开有8个小孔，该小孔不仅可以穿过所述导管28，而且还可以使液压油在压力室内畅通地流动。

如图1，上压块20上放置球头座19，该球头座19上放置压头18，该压头18的上端与加压活塞杆11的下端相连，加压活塞杆11的下端为球面弧形，压头18的上端与该球面弧形配合的设有球面凹槽，所述加压活塞杆11的下端经挂圈17固定在该球面凹槽内，加压活塞杆与压头由球面万向联接，避免了煤样的偏压，实验结果更能反映煤样的真实受力情况。加压活塞杆11的上端从所述上座9的中部伸出，加压活塞杆11与上座9接触部分套装有导向套15，该导向套15的上、下端分别安装有压盖14和密封圈16，压盖14经螺钉安装在上座9的顶端，该压盖14的内壁安装有防尘圈13，加压活塞杆11的上部安装有起升螺母12；下盖体1上设有进油通道23，该进油通道23与所述液压缸的内腔室相通，进油通道23与伺服液压油泵连接，通过该进油通道23向压力室内注油，实验完成后，通过进油通道23和排空孔10将液压缸内的油排出。

如图3所示，所述下盖体1上径向设有与液压缸的下压力室相通的8个引线孔，引线孔内设有密封螺杆24，密封螺杆24的中部为空心，连接所述应变计和称重传感器上的导线经该密封螺杆24穿出液压缸之外，与监控设备相连。

本发明实施例的操作过程为：

1、先将煤样放入胶套6用电吹风机吹紧，然后放到定心装置中心后用管箍35与垫块31联接并箍紧以防漏气和漏油。

2、联接气路，在有可能漏气或漏油处均匀涂抹硅胶。

3、在煤样胶套6外布设应变片计27，并与引出线联接。

4、放下压力室上座9拧紧密封螺丝。

5、自然干燥24小时。

5、起动自行装置，将压力室送至岛津实验机下，起动供油***，待压力室内空气排空后关闭排油排气阀。

6、增加围压，同时起动岛津实验机增加轴压到一定压力下，进入流变过程。

7、起动供气装置，保持一定的瓦斯压力。此时压力室中煤样即处于一种流变渗流状态。

Claims (6)

1.一种煤岩流变渗流试验装置，包括下盖体(1)、安装在该下盖体(1)上端的上座(9)，所述下盖体(1)轴向上设有开口向上的下内腔(26)，下内腔(26)内放置有下压块(21)，下压块(21)上方设有胶套(6)，该胶套(6)的上、下端均内套有垫块(31)，该垫块(31)上设有上下贯通的第一气道(36)，所述胶套(6)内安装有经导线与外界相通的应变计(27)，胶套(6)的上方设有上压块(20)，该上压块(20)与所述下压块(21)分别设有进气通道(20a)和排气通道(21a)，该进气通道(20a)和排气通道(21a)的一头经所述第一气道(36)与所述胶套(6)内部相通，该进气通道(20a)和排气通道(21a)的另一头分别经导管(28)与安装在所述下盖体(1)上的进气口(22)和排气口(3)相通，所述下盖体(1)和上座(9)上分别设有进油通道(23)和排空孔(10)，其特征在于：所述上座(9)上设有开口向下的上内腔(25)，该上内腔(25)与所述下内腔(26)相通，所述上压块(20)和胶套(6)均位于该上内腔(25)内，该上内腔(25)内还设有定心装置，该定心装置由安装在所述下内腔(26)端口的下定心盘(5)以及经定位螺杆(8)安装在该下定心盘(5)上方的上定心盘(7)组成，上定心盘(7)和下定心盘(5)的中心开有圆孔，所述上压块(20)和下压块(21)分别安装在上定心盘(7)和下定心盘(5)的中心圆孔内，所述上定心盘(7)和下定心盘(5)的圆环上均设有小孔；所述上压块(20)上放置压头(18)，该压头(18)的顶端与加压活塞杆(11)的下端相连，该加压活塞杆(11)的上端从所述上座(9)的中部伸出，加压活塞杆(11)与上座(9)之间设有密封装置。

2.根据权利要求1所述的煤岩流变渗流试验装置，其特征在于：所述上压块(20)和下压块(21)在与所述垫块(31)相接的一端固定安装有气接头(30)，该气接头(30)上对应设有与所述第一气道(36)相通的第二气道(32)，并且，两气接头(30)与所述上压块(20)、下压块(21)的接合处均设有腔室(38)，所述进气通道(20a)和排气通道(21a)经该腔室(38)与所述第二气道(32)相通。

3.根据权利要求1所述的煤岩流变渗流试验装置，其特征在于：所述加压活塞杆(11)的下端为球面弧形，所述压头(18)的上端与该球面弧形配合的设有球面凹槽，所述加压活塞杆(11)的下端经挂圈(17)固定在该球面凹槽内。

4.根据权利要求1所述的煤岩流变渗流试验装置，其特征在于：所述下盖体(1)上径向设有与该下盖体(1)下内腔(26)相通的引线孔，引线孔内设有密封螺杆(24)，该密封螺杆(24)的中部为空心，所述导线经密封螺杆(24)穿出液压缸之外。

5.根据权利要求1所述的煤岩流变渗流试验装置，其特征在于：所述密封装置由套装在所述加压活塞杆(11)上的导向套(15)及该导向套(15)上端的压盖(14)和下端的密封圈(16)组成，该压盖(14)经螺钉安装在上座(9)的顶端，该压盖(14)的内壁安装有防尘圈(13)。

6.根据权利要求4所述的煤岩流变渗流试验装置，其特征在于：所述下压块(21)的下端设有重力传感器，该重力传感器经穿过所述密封螺杆(24)的导线与外界相通。

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