CN107764659B - 一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，其主要由液氮密封装置、加载装置、液面标高装置、红外线控制装置、液氮供给装置、工业CT扫描装置构成。液氮密封装置主要由套筒和底座构成密闭环境，减少液氮逸散。液面标高装置由泡沫板和挡板构成，红外线控制装置由两个红外线发射器和传感器构成，由于浮力的作用，泡沫板和挡板的高度随着液氮液面高度变化。挡板与红外线发射器共同作用，传感器接收信号，然后通过PLC控制器指示电机工作。通过自动化液氮补给***，该装置可以实现在液氮浸没的条件下，进行单轴压缩实验，可以研究超低温条件下煤岩的力学特性，进一步配合CT扫描技术，可以探究煤体在应力场和超低温温度场同时作用下的致裂机理。
Description
技术领域
本发明属于实验测试装置，尤其涉及低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置及方法。
背景技术
煤炭是我国重要的战略资源，在我国能源中占比中最大。煤层的渗透性能是瓦斯抽采、煤层开发的关键参数。我国的煤层气储量巨大，但是我国的大部分煤层属于低渗透性煤层，瓦斯不易抽采，造成环境污染资源浪费。因此，研究低渗透煤层的增透方法，是煤层气高效抽采和瓦斯防治的关键问题。液氮等低温流体注入煤层，影响煤层微观孔隙结构，并改变煤层渗透性及力学性质，对煤体增透致裂来说是一种有效的途径。
很多专家学者对于液氮冲击煤体增透已经做了大量细致的研究，并取得了一定的研究成果。已公开的专利文献WO2017/016168 A1公布了一种煤岩样品液氮循环冻融增透模拟试验***及方法，河北科技大学的郭晓康等利用自己设计的实验装置做了液氮半溶浸煤致裂增透试验研究，这些实验装置都能够研究液氮冲击后煤岩的渗透性及力学性质的研究，但是不能研究在液氮产生的超低温温度场与应力场同时作用时煤岩性质的变化，与工程实际有一定差距。也没有考虑利用CT技术观察煤岩的微观结构变化，具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动化的、可视化的、操作方便的低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置。通过该装置可以模拟液氮冲击下受载煤的状态，进一步研究超低温与单轴压缩状态下煤岩的力学特性与渗透特性的变化，结合CT技术探索该过程中煤岩的微观结构变化。
为了上述目的，本发明的技术方案是：
一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，包括液氮密封装置、加载装置、液面标高装置、红外线控制装置、液氮补给装置、工业CT扫描装置；
所述液氮密封装置包括非金属绝热套筒、绝热底座、密封盖；其中所述非金属绝热套筒设置在绝热底座的底座凹槽内，所述密封盖位于非金属绝热套筒的顶端，所述非金属绝热套筒内侧壁上开有套筒凹槽；
所述加载装置包括伺服加载仪、压头、垫片；其中所述压头穿过所述密封盖并压制在所述垫片上，所述垫片位于非金属绝热套筒内部且位于同样放置在非金属绝热套筒内部的煤样的顶端，所述伺服加载仪对压头施加的轴向压力；
所述液面标高装置位于非金属绝热套筒内部，且包括泡沫板和挡板；其中所述泡沫板的与所述套筒凹槽进行滑动连接，所述挡板固定设置在泡沫板上；
所述红外线控制装置包括红外线发射装置、红外线传感器、PLC控制器以及导线；其中所述红外线传感器与红外线发射装置平行相对放置，且两者均设置在所述密封盖上，所述的挡板上端穿过密封盖且浮动在红外线传感器与红外线发射装置之间，所述红外线传感器通过导线与PLC控制器相连；
所述液氮补给装置包括电机、齿轮、齿条杆、活塞、液氮罐、补给管路和阀门，其中电机通过导线和所述PLC控制器相连；所述电机带动位于所述液氮罐中的活塞进行运动，从而通过补给管路对所述非金属绝热套筒的内部进行液氮输送；
所述工业CT扫描装置包括X射线源、接收器和计算机；其中X射线源与接收器固定设置在所述非金属绝热套筒外部两侧并分别与非金属绝热套筒之间具有间隔；接收器的成像平面中心、煤样中心和X射线源中心位于同一条水平直线上，接收器的成像平面与该直线垂直，接收器接收到的图像存储到计算机上。
进一步，在所述的液面标高装置中，所述泡沫板的主体结构为圆弧形块状体且在其外缘中部突出形成尾部，所述泡沫板的尾部***所述非金属绝热套筒的套筒凹槽中进行滑动连接，所述泡沫板在浮力作用下带动所述的挡板升降。
进一步，在所述的红外线控制装置中，所述红外线发射装置的框架结构为一个带有刻度的凹槽板，凹槽板上有两个可以滑动的红外线发射器，即第一红外线发射器和第二红外线发射器，可以通过煤样高度和液氮液面高度选取第一红外线发射器和第二红外线发射器的位置。
进一步，在所述液氮补给装置中，所述齿条杆与电机上齿轮紧密接触，所述齿条杆的下端连接着活塞，从而使得所述活塞与电机的工作状态同步。
进一步，所述液氮罐密闭性和绝热性良好，并且其下部侧壁与补给管路的一端连通，所述补给管路的另一端与所述非金属绝热套筒的下部侧壁连通，所述补给管路上设置有阀门。
一种利用上述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置的测试方法，按照如下步骤进行：
步骤一，实验准备，从矿下取出煤块，钻取切割成标准煤样；
步骤二，设备安装，将煤样放在绝热底座的中心，煤样上部放上垫片；将泡沫板连同挡板放入非金属绝热套筒内，将泡沫板的尾部嵌入非金属绝热套筒的套筒凹槽中；将非金属绝热套筒的底部***底座凹槽中，在非金属绝热套筒与绝热底座的接触处涂上硅胶防止液氮逸散；加盖密封盖，密封盖上的红外线发射装置与非金属绝热套筒上的红外线传感器平行相对，并使得挡板在两者之间；然后放入压头，压头底部压制垫片；
步骤三，将通过导线将红外线传感器、PLC控制器及电机三者相连；将第一红外线发射器调至与煤样高度相同的刻度处，第二红外线发射器调至设定的液氮面最高高度的刻度处；打开第一红外线发射器和第二红外线发射器，接通电机的电源，打开阀门；
步骤四，煤样在液氮浸没过程中，启动伺服加载仪施加轴向压力，使煤样同时处于超低温温度场与轴向应力场中；同时打开X射线源发出X射线，利用接收器采集煤样的内部结构图像；
步骤五，实验结束后，关闭X射线源，利用伺服加载仪对轴向压力进行卸载；关闭红外线发射装置，关闭电机；取下压头、非金属绝热套筒和垫片，拿下煤样并保存；关闭阀门，液氮罐中剩余液氮注意密闭绝热保存。
进一步，在步骤一中，所述煤样为Φ50×100mm的标准煤样。
进一步，在步骤三中，将通过导线将红外线传感器、PLC控制器及电机三者相连；将第一红外线发射器调至与煤样高度相同的刻度100mm处，第二红外线发射器调至刻度150mm处，即第一红外线发射器所在的刻度100mm为煤样高度，液氮面超出煤样的最高高度设定为50mm；打开第一红外线发射器和第二红外线发射器，接通电机的电源，打开阀门；
并且通过红外线控制装置可以实现液氮的自动供给，红外线控制装置工作程序如下：①最初挡板在刻度100mm以下，红外线传感器接收到两个红外信号，电机转动，带动齿条杆和活塞压入液氮；随着液氮的加入，挡板不断升高；②当挡板升至刻度100mm处遮住红第一外线发射器，红外线传感器接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机继续工作，液氮继续加入；③当挡板升至刻度150mm处遮住第二红外线发射器，红外线传感器不能接收到红外信号，控制电机停止工作，液氮不再加入，液氮面下降；④当挡板刚刚降至刻度150mm以下，第二红外线发射器漏出，红外线传感器接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机不工作，液氮面继续下降；⑤当挡板降至刻度100mm以下，自动重复①-④的动作。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明将煤样放在绝热底座上，套筒***底座凹槽固定，煤样上部放上垫片，然后将套筒盖上密封盖密封，放入压头；泡沫板带动挡板随着液面的升高而升高，并通过红外线传感器控制电机，使液氮进行自动补给；与此同时对压头轴向施以一定压力，对煤样进行应力场与超低温温度场同时作用下模拟实验，并结合CT扫描装置，得到煤样内部结构的裂隙分布与发育情况，操作简单便捷。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中红外线发射装置的侧视图。
图3是本发明中泡沫板的俯视图。
图中各编号所代表的技术特征如下：
1-绝热底座；2-非金属绝热套筒；3-泡沫板；4-煤样；5-垫片；6-压头；7-X射线源；8-红外线发射装置；9-红外线传感器；10-挡板；11-底座凹槽；12-套筒凹槽；13-X射线；14-电机；15-液氮罐；16-活塞；17-伺服加载仪的轴向压力；18-密封盖；19-X射线接收器；20-导线；21-齿条杆；22-第一红外线发射器；23-第二红外线发射器；24-补给管路；25-阀门；26-PLC控制器；27-计算机；28-齿轮。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-3所示，一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置主要包括：液氮密封装置、加载装置、液面标高装置、红外线控制装置、液氮补给装置、工业CT扫描装置，本装置中的涉及的用电设备皆通过现有技术进行供电，不再赘述其具体结构和具体供电方式。
所述液氮密封装置包括非金属绝热套筒2、绝热底座1、密封盖18；所述绝热底座1为阶梯圆柱且最上部的圆台上设有圆形的底座凹槽11，非金属绝热套筒2能够相配合地***底座凹槽11中进行固定，且将套筒内部的密闭，所述密封盖8设置在所述非金属绝热套筒2的顶端；所述非金属绝热套筒2内部的侧壁上开有套筒凹槽12，且可容纳泡沫板3的尾部在其中滑动固定。
所述加载装置包括伺服加载仪（图中未画出）、压头6、垫片5；所述压头6的下部位于所述非金属绝缘非金属绝热套筒2的内部，并且其下端压在垫片5的凹槽中，所述垫片5的下部为煤样4，所述压头6的上部从密封盖8穿出而位于所述非金属绝缘非金属绝热套筒2的外部，可通过伺服加载仪精确控制并向压头6施加轴向压力17，而垫片5可以使煤样受力均匀，所述伺服加载仪为长春市朝阳实验仪器有限公司的RLW-500G试验机。
所述液面标高装置包括泡沫板3和挡板10；所述泡沫板3为圆弧形块状体且在其外缘中部突出形成尾部，如图3所示，其中泡沫板3的尾部***所述套筒凹槽12进行滑动连接，以防止泡沫板3随液氮上升或下降时受到的浮力不均匀而摇摆影响实验；同时由于液氮浮力作用，所述泡沫板3可以带动所述的挡板10升降。
所述红外线控制装置包括红外线发射装置8、红外线传感器9、导线20、PLC控制器26；其中红外线发射装置8的框架结构为一个带有刻度的凹槽板，凹槽板上有两个可以滑动的红外线发射器，即第一红外线发射器22和第二红外线发射器23，可以通过煤样高度和液氮液面高度选取第一红外线发射器22和第二红外线发射器23的位置；红外线传感器9与红外线发射装置8平行相对放置，并且两者均固定连接在密封盖上，所述的挡板10穿过密封盖且浮动于两个装置之间；所述PLC控制器26通过导线20与红外线传感器9相连。
所述液氮补给装置包括电机14、齿轮28、齿条杆21、活塞16、液氮罐15、补给管路24和阀门25；其中所述电机14通过导线20和PLC控制器26相连，所述红外线传感器9将信号传送给PLC控制器26而后根据信号PLC控制器26控制电机14运转；所述齿条杆21与电机14上齿轮28紧密接触，所述齿条杆21的下端连接着活塞16，从而使得所述活塞16与电机14的工作状态同步；所述液氮罐15密闭性、绝热性良好，并且其下部侧壁与补给管路24的一端连通，所述补给管路24的另一端与所述非金属绝热套筒2的下部侧壁连通，所述补给管路24上设置有阀门25。
所述工业CT扫描装置包括X射线源7、接收器19和计算机27；其中X射线源7与接收器19通过支架（常用技术手段，图中未画出）固定设置在非金属绝热套筒2外部两侧并分别与非金属绝热套筒2之间具有间隔；接收器19的成像平面中心、煤样4中心和X射线源7中心位于同一条水平直线上，接收器19的成像平面与该直线垂直；X射线源7通过发射X射线，并由接收器19接收，从而接收煤样4的内部结构图像，并将图像传输到计算机27进行保存。
一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试方法，利用上述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，按如下步骤进行：
步骤一，实验准备，从矿下取出煤块，钻取切割成Φ50×100mm的标准煤样4；
步骤二，将煤样4放在绝热底座1的中心，煤样4上部放上垫片5；将泡沫板3连同挡板8放入非金属绝热套筒2内，其中应将如图3泡沫板3的上部嵌入非金属绝热套筒2壁面上的套筒凹槽12中，便于泡沫板3的固定；将准备好的非金属绝热套筒2放置在绝热底座1上，其中非金属绝热套筒2的底部***底座凹槽11中，在非金属绝热套筒2与绝热底座1的接触处涂上硅胶防止液氮逸散；加盖密封盖18，密封盖18上的红外线发射装置应与非金属绝热套筒上的红外线传感器9平行相对，挡板10在两者之间；然后放入压头6，压头6底部应与垫片5上的凹槽对齐；
步骤三，将红外线传感器9上的导线20通过PLC控制器26与电机14相连；将第一红外线发射器22调至与煤样4高度相同的刻度100mm处，第二红外线发射器23调至刻度150mm处，即第一红外线发射器22所在的刻度100mm为煤样高度，液氮面超出煤样4的最高高度设定为50mm；打开第一红外线发射器22和第二红外线发射器23，接通电机14的电源，打开阀门25；
通过红外线控制装置可以实现液氮的自动供给，红外线控制装置工作程序如下：①最初挡板10在刻度100mm以下，红外线传感器9接收到两个红外信号，电机14转动，带动齿条杆21和活塞16压入液氮；随着液氮的加入，挡板10不断升高；②当挡板10升至刻度100mm处遮住第一红外线发射器22，红外线传感器9接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机14继续工作，液氮继续加入；③当挡板10升至刻度150mm处遮住第二红外线发射器23，红外线传感器9不能接收到红外信号，控制电机14停止工作，液氮不再加入，液氮面下降；④当挡板10刚刚降至刻度150mm以下，第二红外线发射器23漏出，红外线传感器9接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机14不工作，液氮面继续下降；⑤当挡板降至刻度100mm以下，自动重复①-④的动作；
步骤四，煤样4在液氮浸没过程中，启动伺服加载仪施加轴向压力17，使煤样同时处于超低温温度场与轴向应力场中；同时打开X射线源7发出X射线13，利用接收器19采集煤样4的内部结构；
步骤五，实验结束后，关闭X射线源7，利用伺服加载仪对轴向压力17进行卸载；关闭红外线发射装置，关闭电机14电源；取下压头6、非金属绝热套筒2和垫片5，拿下煤样4并保存；关闭阀门25，液氮罐15中剩余液氮注意密闭绝热保存。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，其特征在于，包括液氮密封装置、加载装置、液面标高装置、红外线控制装置、液氮补给装置、工业CT扫描装置；
所述液氮密封装置包括非金属绝热套筒（2）、绝热底座（1）、密封盖（18）；其中所述非金属绝热套筒（2）设置在绝热底座（1）的底座凹槽（11）内，所述密封盖（18）位于非金属绝热套筒的顶端，所述非金属绝热套筒内侧壁上开有套筒凹槽（12）；
所述加载装置包括伺服加载仪、压头（6）、垫片（5）；其中所述压头（6）穿过所述密封盖（18）并压制在所述垫片（5）上，所述垫片（5）位于非金属绝热套筒内部且位于同样放置在非金属绝热套筒内部的煤样（4）的顶端，所述伺服加载仪对压头（6）施加的轴向压力；
所述液面标高装置位于非金属绝热套筒内部，且包括泡沫板（3）和挡板（10）；其中所述泡沫板（3）的与所述套筒凹槽（12）进行滑动连接，所述挡板（10）固定设置在泡沫板上；
所述红外线控制装置包括红外线发射装置（8）、红外线传感器（9）、PLC控制器（26）以及导线；其中所述红外线传感器（9）与红外线发射装置（8）平行相对放置，且两者均设置在所述密封盖（18）上，所述的挡板（10）上端穿过密封盖且浮动在红外线传感器（9）与红外线发射装置（8）之间，所述红外线传感器（9）通过导线与PLC控制器（26）相连；
所述液氮补给装置包括电机（14）、齿轮（28）、齿条杆（21）、活塞（16）、液氮罐（15）、补给管路（24）和阀门（25），其中电机（14）通过导线和所述PLC控制器（26）相连；所述电机（14）带动位于所述液氮罐中的活塞（16）进行运动，从而通过补给管路（24）对所述非金属绝热套筒的内部进行液氮输送；
所述工业CT扫描装置包括X射线源（7）、接收器（19）和计算机（27）；其中X射线源（7）与接收器（19）固定设置在所述非金属绝热套筒外部两侧并分别与非金属绝热套筒之间具有间隔；接收器（19）的成像平面中心、煤样中心和X射线源中心位于同一条水平直线上，接收器的成像平面与该直线垂直，接收器接收到的图像存储到计算机（27）上；
在所述的红外线控制装置中，所述红外线发射装置（8）的框架结构为一个带有刻度的凹槽板，凹槽板上有两个可以滑动的红外线发射器，即第一红外线发射器（22）和第二红外线发射器（23），通过煤样高度和液氮液面高度选取第一红外线发射器（22）和第二红外线发射器（23）的位置；
在所述的液面标高装置中，所述泡沫板（3）的主体结构为圆弧形块状体且在其外缘中部突出形成尾部，所述泡沫板的尾部***所述非金属绝热套筒的套筒凹槽（12）中进行滑动连接，所述泡沫板（3）在浮力作用下带动所述的挡板（10）升降；
在所述液氮补给装置中，所述齿条杆（21）与电机上齿轮（28）紧密接触，所述齿条杆的下端连接着活塞（16），从而使得所述活塞与电机（14）的工作状态同步；
通过红外线控制装置实现液氮的自动供给，红外线控制装置工作程序如下：①最初挡板在刻度100mm以下，红外线传感器接收到两个红外信号，电机转动，带动齿条杆和活塞压入液氮；随着液氮的加入，挡板不断升高；②当挡板升至刻度100mm处遮住红第一外线发射器，红外线传感器接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机继续工作，液氮继续加入；③当挡板升至刻度150mm处遮住第二红外线发射器，红外线传感器不能接收到红外信号，控制电机停止工作，液氮不再加入，液氮面下降；④当挡板刚刚降至刻度150mm以下，第二红外线发射器漏出，红外线传感器接收到一个红外信号，保持原有的命令，电机不工作，液氮面继续下降；⑤当挡板降至刻度100mm以下，自动重复①-④的动作。
2.如权利要求1所述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，其特征在于，所述液氮罐（15）密闭性和绝热性良好，并且其下部侧壁与补给管路（24）的一端连通，所述补给管路（24）的另一端与所述非金属绝热套筒（2）的下部侧壁连通，所述补给管路上设置有阀门（25）。
3.一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试方法，其特征在于，利用如权利要求2所述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，按照如下步骤进行：
步骤一，实验准备，从矿下取出煤块，钻取切割成标准煤样（4）；
步骤二，设备安装，将煤样放在绝热底座（1）的中心，煤样（4）上部放上垫片（5）；将泡沫板（3）连同挡板（10）放入非金属绝热套筒内，将泡沫板的尾部嵌入非金属绝热套筒的套筒凹槽（12）中；将非金属绝热套筒的底部***底座凹槽（11）中，在非金属绝热套筒与绝热底座的接触处涂上硅胶防止液氮逸散；加盖密封盖（18），密封盖上的红外线发射装置（8）与非金属绝热套筒上的红外线传感器（9）平行相对，并使得挡板（10）在两者之间；然后放入压头（6），压头底部压制垫片（5）；
步骤三，将通过导线将红外线传感器（9）、PLC控制器（26）及电机（14）三者相连；将第一红外线发射器（22）调至与煤样（4）高度相同的刻度处，第二红外线发射器（23）调至设定的液氮面最高高度的刻度处；打开第一红外线发射器（22）和第二红外线发射器（23），接通电机的电源，打开阀门（25）；
步骤四，煤样在液氮浸没过程中，启动伺服加载仪施加轴向压力，使煤样同时处于超低温温度场与轴向应力场中；同时打开X射线源发出X射线，利用接收器采集煤样的内部结构图像；
步骤五，实验结束后，关闭X射线源（7），利用伺服加载仪对轴向压力进行卸载；关闭红外线发射装置（8），关闭电机（14）；取下压头（6）、非金属绝热套筒（2）和垫片（5），拿下煤样并保存；关闭阀门，液氮罐中剩余液氮注意密闭绝热保存。
4.如权利要求3所述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试方法，其特征在于：在步骤一中，所述煤样为Φ50×100mm的标准煤样。
5.如权利要求4所述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试方法，其特征在于：在步骤三中，将通过导线将红外线传感器（9）、PLC控制器（26）及电机（14）三者相连；将第一红外线发射器（22）调至与煤样（4）高度相同的刻度100mm处，第二红外线发射器（23）调至刻度150mm处，即第一红外线发射器（22）所在的刻度100mm为煤样高度，液氮面超出煤样的最高高度设定为50mm；打开第一红外线发射器（22）和第二红外线发射器（23），接通电机（14）的电源，打开阀门（25）。
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