CN113156079A - 一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置 - Google Patents
一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***、液氮注入***、液氮浸融反应***、监测采集处理***。所述液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，所述各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱。监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集分***。可以实现实时对液氮浸没煤样整个过程的实验数据监测，实时的监测煤样在液氮作用下的微细观结构变化，动态分析液氮致裂煤样时，煤体损伤变形破裂的规律和效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤样实验设备领域，具体涉及一种液氮浸没煤样裂纹时空演 化及力学参数测试实验装置。
背景技术
我国一次能源消费结构以煤炭为主，伴随我国经济的稳步发展，对煤炭 需求量也随之增加，煤炭已成为我国工业、经济发展的重要资源基础。目前 我国大部分煤矿生产的方式是井工开采，而且随着浅部煤炭开采时间的推移 和对能源的需要，潜藏资源日益枯竭，导致我国矿井开采逐渐进入深部开采 阶段。矿井进入深部开采，煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，尤其在高 地应力、高地温等特殊条件下，瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁， 已成为制约矿井安全高效生产主要因素之一，随着浅部地层温度常简称为地 温,它随着深度的增加而增高,大约埋深每增加33米,地温增高1度。
煤是一种天然地质体，具有微裂纹、孔隙与低强度等缺陷结构。我国大 部分矿区瓦斯储层存在“三高两低”的赋存特征(三高：煤层高瓦斯含量、 高可塑性结构、高吸附瓦斯能力，两低：煤层渗透率低、强化措施下煤层常 规破裂裂隙占比低)，据统计，我国高瓦斯矿井在我国矿井中占37％以上，其 中95％的开采煤层属于低渗透性煤层，因此，如何提高低渗煤层渗透率是我国 瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的关键之一，煤体的微裂隙扩展以及新裂隙萌生会 直接影响煤的渗透性能。
液氮对环境无污染，容易制备且成本低廉，有极低的温度(-196℃)， 煤体在注入低温液氮后，可使煤体冻结损伤弱化、原生微裂隙扩展以及产生 新裂隙，形成冻融致裂带。在煤层有限的空间中，液氮气化后体积迅速膨胀， 产生巨大膨胀力致裂煤层，在21℃时1m3液氮气化体积膨胀约696倍，形成 气化高压致裂带，同时高压氮气能驱赶、分压置换煤层瓦斯，促进瓦斯解吸 渗流，尤其是液氮循环冻融，重复冻融致裂煤层，对提高煤层渗透性效果更 显著，同时液氮挥发需要吸收热量会对煤层降温起到一定作用。
瓦斯是导致煤矿瓦斯事故的主要因素，同时也是强温室气体，其对臭氧 层的破坏及产生的温室效应分别达到CO2的7倍和21倍。与灾害性相对，瓦 斯是煤层中可利用的洁净能源，具有广阔的开发前景，我国埋深2000m以浅 瓦斯资源量约36.8万亿m3，开采价值显著。因此，进行煤与瓦斯资源安全高 效共采，不仅可以有效防治瓦斯的灾害，对大气污染减少，而且将瓦斯作为 清洁能源利用，可实现矿井安全生产、环境保护与新能源供给等目的。
随着科学技术的发展，为解决以往煤层增透中技术不足的问题，对煤层 瓦斯进行高效预抽利用，预防瓦斯事故与降低环境污染问题，获得经济效益 最大化，以液氮等超低温流体作为压裂流体的无水压裂技术逐渐受到重视。
为提高煤层渗透率，国内外相关学者提出了预裂***，气体***等*** 增透技术，此类技术操作会相对复杂，易发生次生危害。还有水力压裂、高 压注水、水力割缝等方法，其中压裂液会对环境有一定污染，存在水锁效应， 耗水量大等问题。随着科技发展，许多新的技术被专家学者提出，如：超声 波激励法、溶剂萃取法、微生物发酵法、电化学法等迅猛发展，然而，技术 工艺的复杂、昂贵的成本，使得这些技术难以得到推广或应用。
由于煤层赋存情况复杂，天然煤层中含有水分并且因埋藏深度和围岩透 气性等原因使煤层有不同温度，液氮在这种情况下冻融煤体，使得致裂增渗 及瓦斯驱替效果更加明显，更有利于瓦斯高效抽采。如何在实验室模拟实验 煤样与赋存煤样性质的一致性，为液氮对煤层增透抽采瓦斯的现场应用提供 有效的依据和理论还是目前仍需完善的。同时目前实验室只能观测液氮作用 煤体前后的变化，而不能对液氮冻融煤体全过程进行有效监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试 实验装置，具有的优点，解决了现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液氮浸没煤样裂纹时 空演化及力学参数测试实验装置，包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温系 统、煤样饱水***、液氮注入***、液氮浸融反应***、监测采集处理***。
液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔28、电磁阀开关29、液氮反 应釜31，所述液氮反应釜包括传感器卡槽31-1、隔音罩31-2、废液腔31-3、 底座固定孔31-4、试样放置台31-5、废液出口31-6、耐超低温电磁阀31-7、 排气孔31-8、反应釜底座31-9、支撑架31-10，所述各部分之间固定连接， 耐超低温电磁阀31-7控制实验后液氮从废液出口31-6流出；电磁阀开关29 与耐超低温电磁阀31-7电性连接。
由上述结构可知，废液腔31-3用于盛放实验结束后原本浸泡煤样的液氮， 为了更好控制浸泡时间，便于煤样从液氮脱离；隔音罩31-2是为了隔绝外界 声音对实验的影响；底座固定孔31-4利于实验装置固定。
所述试样放置台31-5下方有均布小孔以及凸棱。有利于增加试样底部与 液氮直接接触面积，其中心有孔洞是为了便于安放压力传感器。可以实现煤 样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直接接触相比，煤样各 面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响，减小了实验误差。
监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集 分***。
进一步地，样煤真空干燥***包括真空干燥箱7、密封门5、抽真空泵2、 温度设置区3、放气旋钮4。由上述结构可知，在操作时，打开密封门5将煤 样14放入真空干燥箱7，密封门5的内测设有密封圈，将放气旋钮4旋转至 闭合状态通过抽真空泵2将真空干燥箱7进行真空处理，使用温度设置区3 的按键设置真空干燥时需要的温度；干燥时间根据实验需要决定；真空干燥 箱7放于实验室实验桌6上方；煤样干燥完成后将放气旋钮4旋转缓慢旋转 至半开放状态放气一段时间再完全打开，避免压差过大对仪器产生损伤。
进一步地，煤样水浴恒温***包括水浴箱主体13、水浴封盖9、放水开 关8、温度显示屏10、水浴开关11、温度设置按钮12。由上述结构可知，在 操作时，首先向水浴箱中加入适量水，通过温度设置按钮12打开；温度显示 屏10实时显示水浴温度；通过温度设置按钮12设置所需温度，温度范围为 室温～100℃；然后盖上水浴封盖9；恒温水浴结束通过放水开关8将废水排出； 水浴箱的不同加热室可以设置不同温度。
进一步地，煤样饱和***包括样品罐22、加压装置19、真空加压饱和装 置20、压力显示21-1、真空显示21-2。由上述结构可知，在操作时，将煤样 14放入22样品罐，重新将罐密封并且抽真空21-2真空显示需要数值停止； 通过19手动加压装置进行加压21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过 程中压力恒定。
进一步地，液氮注入***包括自增压液氮罐1、超低温流量计32、超低 温保温管33、自增压液氮罐阀门34、调压阀门35、压力表36、进液阀门37。 由上述结构可知，在操作时，液氮由自增压液氮罐1注入定制反应釜中；超 低温流量计32可以实时监测输送到反应釜中的液氮流量；34自增压液氮罐阀 门控制液氮输送开关；35调压阀门控制注入液氮时的压力。
进一步地，反应釜31各部分外贴保温隔热材料。避免液氮在输送途中挥 发。
进一步地，应变测试分***包括超低温应变片16、耐低温信号传输线 16-1、USB数据线24、电脑23、应变测试仪30。超低温应变片16贴在煤样 14表面，信号传输线使用耐低温材料，避免因温度过低而失灵。
进一步地，超低温应变片为3个，分布在煤样表面的竖向、横向和斜向。 由上述结构可知，竖向、横向、斜向的分布可以完整测出煤样在力学变化过 程中的各个方向的应力表现。
进一步地，压力监测分***包括超低温压力传感器15、耐低温信号传输 线15-1、压力接收装置25、数据线24、电脑23。
进一步地，声发射采集分***由波导杆17、声发射信号放大器18、声发 射处理器26、声发射接收线27、声发射传感器27-1、波导杆传感器耦合腔 28、电脑23。
在上述结构中，超低温压力传感器15、超低温应变片16、波导杆17与 煤样14之间需要粘合处理；声发射传感器27-1在与波导杆与实验台壳体接 触端17-2对接交界面需涂抹耦合剂，并在波导杆与传感器耦合腔28完成耦 合；波导杆17六根的波导杆与煤样接触端17-1与电脑设置位置相对应波导 杆17焊接在反应釜上，用于煤样被液氮浸融弹性波释放传导信号至声发射传 感器，一端紧贴煤样一端紧贴传感器，交界面皆需耦合剂；各面波导杆与煤 样接触端17-1位置共线，且各连线互不共面，可以得到煤样声发射能量、振 铃计数同时对原煤经液氮浸没过程产生的声发射事件进行实时的三维空间定 位；耐低温信号传输线15-1、耐低温信号传输线16-1均为FEP导线，涂层材 料使用耐低温材料。
整个实验设备在使用过程中，
首先是不同因素煤样的制备：
单因素完全干燥煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7 真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥所需温度，干 燥时间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全 打开，取出煤样放进试样袋密封备用，若煤样湿度过大，在干燥过程中5密 封门上布满水珠，需打开真空干燥箱用毛巾将内部水珠擦去，再进行干燥。
单因素初始温度煤样制备：将完全干燥煤样取出，此时煤样因为室温， 将14煤样进行隔水处理、打开9水浴封盖将煤样放入，关闭8放水开关后加 适量水没过4煤样，打开11水浴开关10温度显示屏显示实时水浴温度与设 置温度，使用12温度设置按钮设置所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温 水浴结束通过8放水开关将废水排出。
单因素完全饱水煤样制备：打开22样品罐将14煤样放入再旋转22样品 罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真空可以在 21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1压力显 示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品罐将煤 样取出，放置在盛满水的器皿备用。
不同含水率煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7真空 干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵将内 部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时间结 束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开，取 出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再旋 转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真 空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1 压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品 罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠再进行称重，记录为m，则 含水率
此时算的含水率为14煤样最大含水率，然后再把14 煤样放入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算得到不同含水率 
不同预制温度含水煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入 7真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时 间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开， 取出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再 旋转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽 真空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到 21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22 样品罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠，然后再把14煤样放 入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算含水率，得到含水率煤样以 后使用保鲜膜将14煤样完全包裹，再套上防水袋，、打开9水浴封盖将14 煤样放入水浴室，关闭8放水开关后加适量水没过14煤样，打开11水浴开 关10温度显示屏显示实时水浴温度与设置温度，使用12温度设置按钮设置 所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温加热至少24h。
煤样不同浸融时间：液氮注入***将液氮注入31液氮反应釜，将没14 煤样完全浸没开始计时，到达浸没时间后操作29电磁阀开关打开31-7耐超 低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，使得14煤样浸融时间 被控制。
再次，是实验数据的检测：
将15超低温压力传感器、16超低温应变片按图3所示用耐超低温树脂胶 水贴在制备好的14煤样表面，一端连接15-1耐低温信号传输线、16-1耐低 温信号传输线，三个16超低温应变片在同一面，避免影响17波导杆在煤样 表面的17-1波导杆与煤样接触端，将17-1波导杆与煤样接触端涂上耦合剂， 将贴好传感器的14煤样按对应位置放到31-5试样放置台，将27-1声发射传 感器表面涂抹耦合剂按入28波导杆与传感器耦合腔完成耦合，打开23电脑、 26声发射处理器、30应变测试仪、25压力接收装置，通过23电脑打开声发 射监测软件，同时打开压力监测软件与应变监测软件，再通过29电磁阀开关 关闭31-7耐超低温电磁阀，关闭1自增压液氮罐上的37进液阀门，打开34 自增压液氮罐阀门通过35调压阀门调节压力，可在36压力表看具体压力值， 使得液氮迅速经过32超低温流量计由33超低温保温管注入反应釜，直至液 氮浸没14煤样，调节35调压阀门使得液氮缓慢注入保证14煤样完全浸没， 煤样破裂是信号经17-1波导杆与煤样接触端通过17波导杆传输到17-2波导 杆与实验台壳体接触端被27-1声发射传感器接收，经27声发射接收线导入 18声发射信号放大器后经26声发射处理器对信号参数、能量、波形、位置进 行处理在23电脑软件生成数据；14煤样表面骨架产生应变由16超低温应变 片接收，通过16-1耐低温信号传输线传输到30应变测试仪预处理，再经24USB 数据线传输23电脑软件；14煤样表面收到的环境压力被15超低温压力传感 器接收，通过15-1耐低温信号传输线传输到25压力接收装置经24USB数据 线到达23电脑软件；浸融时间将要结束时关闭1自增压液氮罐上35调压阀 门与34自增压液氮罐阀门，在23电脑上停止测试，并通过29电磁阀开关打 开31-7耐超低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，液氮挥发 从31-8排气孔排出。31-2隔音罩将液氮浸融反应***全程罩在其中，可以减 少外界环境噪音对内部14煤样破裂声信号接收产生影响，以便能得到更加稳 定准确的数据。
实验装置通过上述过程可以在煤样浸融的时间变化过程中实时监测裂纹 产生次数、能量以及在煤样空间裂纹产生、扩展的位置，得到液氮浸没煤体 裂纹时空演化规律，动态分析浸融过程中液氮致裂煤样效果，同时监测煤样 表面受环境压力情况结合应变以及通过应变计算的弹性模量分析液氮浸没过 程中煤样表面裂隙受力形变破裂规律。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)提供了一套完整的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实 验装置。
(2)可在实验室制备不同因素的液氮样煤，***研究煤体液氮低温冻融 致裂增透效应。
(3)可以实现实时对液氮浸没煤样整个过程的实验数据监测，实时的监 测煤样在液氮作用下的微细观结构变化，动态分析液氮致裂煤样时，煤体损 伤变形破裂的规律和效果。
(4)基于声发射的煤样液氮浸融全过程的弹性波释放次数、强度、能量、 波形获取的基础上，实现三维空间定位。
(5)可以实现煤样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直 接接触相比，煤样各面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响， 减小了实验误差。
(6)结合煤样表面压力与表面形变量、泊松比，得到液氮冻融特征参数 与力学参数以及破裂变形三者的关系。
附图说明
图1为本发明的整体结构连接图。
图2为波导杆与传感器耦合腔放大图。
图3为煤样表面传感器与波导杆接触端布置图。
图4为反应釜与煤样位置放大图。
图5为波导杆安装俯视切面图。
图中：1自增压液氮罐、2抽真空泵、3温度设置区、4放气旋钮、5密封门、6实验 桌、7真空干燥箱、8放水开关、9水浴封盖、10温度显示屏、11水浴开关、12温度设置 按钮、13水浴箱主体、14煤样、15超低温压力传感器、15-1耐低温信号传输线、16超低 温应变片、16-1耐低温信号传输线、17波导杆、17-1波导杆与煤样接触端、17-2波导杆 与实验台壳体接触端、18声发射信号放大器、19手动加压装置、20真空加压饱和装置、 21-1压力显示、21-2真空显示、22样品罐、23电脑、24USB数据线、25压力接收装置、 26声发射处理器、27声发射接收线、27-1声发射传感器、28波导杆与传感器耦合腔、29 电磁阀开关、30应变测试仪、31液氮反应釜、31-1传感器卡槽、31-2隔音罩、31-3废液 腔、31-4底座固定孔、31-5试样放置台、31-6废液出口、31-7耐超低温电磁阀、31-8排 气孔、31-9反应釜底座、31-10支撑架、32超低温流量计、33超低温保温管、34自增压 液氮罐阀门、35调压阀门、36压力表、37进液阀门
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1、2，一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装 置，包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***、液氮注入 ***、液氮浸融反应***、监测采集处理***。
液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔28、电磁阀开关29、液氮反 应釜31，所述液氮反应釜包括传感器卡槽31-1、隔音罩31-2、废液腔31-3、 底座固定孔31-4、试样放置台31-5、废液出口31-6、耐超低温电磁阀31-7、 排气孔31-8、反应釜底座31-9、支撑架31-10，所述各部分之间固定连接， 耐超低温电磁阀31-7控制实验后液氮从废液出口31-6流出；电磁阀开关29 与耐超低温电磁阀31-7电性连接。
由上述结构可知，废液腔31-3用于盛放实验结束后原本浸泡煤样的液氮， 为了更好控制浸泡时间，便于煤样从液氮脱离；隔音罩31-2是为了隔绝外界 声音对实验的影响；底座固定孔31-4利于实验装置固定。
所述试样放置台31-5下方有均布小孔以及凸棱。有利于增加试样底部与 液氮直接接触面积，其中心有孔洞是为了便于安放压力传感器。可以实现煤 样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直接接触相比，煤样各 面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响，减小了实验误差。
监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集 分***。
使用过程：
用煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***制作出所需的 不同因素的样煤；
根据煤样不同浸融时间：液氮注入***将液氮注入31液氮反应釜，将没 14煤样完全浸没开始计时，到达浸没时间后操作29电磁阀开关打开31-7耐 超低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，使得14煤样浸融时 间被控制。
监测采集处理***在煤样浸融的时间变化过程中实时监测裂纹产生次 数、能量以及在煤样空间裂纹产生、扩展的位置，得到液氮浸没煤体裂纹时 空演化规律，动态分析浸融过程中液氮致裂煤样效果，同时监测煤样表面受 环境压力情况结合应变以及通过应变计算的弹性模量分析液氮浸没过程中煤 样表面裂隙受力形变破裂规律。
实施例二：
请参照附图1-5，一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装 置，包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***、液氮注入 ***、液氮浸融反应***、监测采集处理***。
液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔28、电磁阀开关29、液氮反 应釜31，所述液氮反应釜包括传感器卡槽31-1、隔音罩31-2、废液腔31-3、 底座固定孔31-4、试样放置台31-5、废液出口31-6、耐超低温电磁阀31-7、 排气孔31-8、反应釜底座31-9、支撑架31-10，所述各部分之间固定连接， 耐超低温电磁阀31-7控制实验后液氮从废液出口31-6流出；电磁阀开关29 与耐超低温电磁阀31-7电性连接。
由上述结构可知，废液腔31-3用于盛放实验结束后原本浸泡煤样的液氮， 为了更好控制浸泡时间，便于煤样从液氮脱离；隔音罩31-2是为了隔绝外界 声音对实验的影响；底座固定孔31-4利于实验装置固定。
所述试样放置台31-5下方有均布小孔以及凸棱。有利于增加试样底部与 液氮直接接触面积，其中心有孔洞是为了便于安放压力传感器。可以实现煤 样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直接接触相比，煤样各 面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响，减小了实验误差。
监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集 分***。
进一步地，样煤真空干燥***包括真空干燥箱7、密封门5、抽真空泵2、 温度设置区3、放气旋钮4。由上述结构可知，在操作时，打开密封门5将煤 样14放入真空干燥箱7，密封门5的内测设有密封圈，将放气旋钮4旋转至 闭合状态通过抽真空泵2将真空干燥箱7进行真空处理，使用温度设置区3 的按键设置真空干燥时需要的温度；干燥时间根据实验需要决定；真空干燥 箱7放于实验室实验桌6上方；煤样干燥完成后将放气旋钮4旋转缓慢旋转 至半开放状态放气一段时间再完全打开，避免压差过大对仪器产生损伤。
进一步地，煤样水浴恒温***包括水浴箱主体13、水浴封盖9、放水开 关8、温度显示屏10、水浴开关11、温度设置按钮12。由上述结构可知，在 操作时，首先向水浴箱中加入适量水，通过温度设置按钮12打开；温度显示 屏10实时显示水浴温度；通过温度设置按钮12设置所需温度，温度范围为 室温～100℃；然后盖上水浴封盖9；恒温水浴结束通过放水开关8将废水排出； 水浴箱的不同加热室可以设置不同温度。
进一步地，煤样饱和***包括样品罐22、加压装置19、真空加压饱和装 置20、压力显示21-1、真空显示21-2。由上述结构可知，在操作时，将煤样 14放入22样品罐，重新将罐密封并且抽真空21-2真空显示需要数值停止； 通过19手动加压装置进行加压21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过 程中压力恒定。
进一步地，液氮注入***包括自增压液氮罐1、超低温流量计32、超低 温保温管33、自增压液氮罐阀门34、调压阀门35、压力表36、进液阀门37。 由上述结构可知，在操作时，液氮由自增压液氮罐1注入定制反应釜中；超 低温流量计32可以实时监测输送到反应釜中的液氮流量；34自增压液氮罐阀 门控制液氮输送开关；35调压阀门控制注入液氮时的压力。
进一步地，反应釜31各部分外贴保温隔热材料。避免液氮在输送途中挥 发。
使用过程：
首先是不同因素煤样的制备：
单因素完全干燥煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7 真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥所需温度，干 燥时间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全 打开，取出煤样放进试样袋密封备用，若煤样湿度过大，在干燥过程中5密 封门上布满水珠，需打开真空干燥箱用毛巾将内部水珠擦去，再进行干燥。
单因素初始温度煤样制备：将完全干燥煤样取出，此时煤样因为室温， 将14煤样进行隔水处理、打开9水浴封盖将煤样放入，关闭8放水开关后加 适量水没过4煤样，打开11水浴开关10温度显示屏显示实时水浴温度与设 置温度，使用12温度设置按钮设置所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温 水浴结束通过8放水开关将废水排出。
单因素完全饱水煤样制备：打开22样品罐将14煤样放入再旋转22样品 罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真空可以在 21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1压力显 示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品罐将煤 样取出，放置在盛满水的器皿备用。
不同含水率煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7真空 干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵将内 部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时间结 束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开，取 出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再旋 转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真 空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1 压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品 罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠再进行称重，记录为m，则 含水率
此时算的含水率为14煤样最大含水率，然后再把14 煤样放入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算得到不同含水率 
不同预制温度含水煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入 7真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时 间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开， 取出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再 旋转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽 真空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到 21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22 样品罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠，然后再把14煤样放 入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算含水率，得到含水率煤样以 后使用保鲜膜将14煤样完全包裹，再套上防水袋，、打开9水浴封盖将14 煤样放入水浴室，关闭8放水开关后加适量水没过14煤样，打开11水浴开 关10温度显示屏显示实时水浴温度与设置温度，使用12温度设置按钮设置 所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温加热至少24h。
煤样不同浸融时间：液氮注入***将液氮注入31液氮反应釜，将没14 煤样完全浸没开始计时，到达浸没时间后操作29电磁阀开关打开31-7耐超 低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，使得14煤样浸融时间 被控制。
监测采集处理***在煤样浸融的时间变化过程中实时监测裂纹产生次 数、能量以及在煤样空间裂纹产生、扩展的位置，得到液氮浸没煤体裂纹时 空演化规律，动态分析浸融过程中液氮致裂煤样效果，同时监测煤样表面受 环境压力情况结合应变以及通过应变计算的弹性模量分析液氮浸没过程中煤 样表面裂隙受力形变破裂规律。
实施例三：
请参照附图1-5，一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装 置，包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***、液氮注入 ***、液氮浸融反应***、监测采集处理***。
液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔28、电磁阀开关29、液氮反 应釜31，所述液氮反应釜包括传感器卡槽31-1、隔音罩31-2、废液腔31-3、 底座固定孔31-4、试样放置台31-5、废液出口31-6、耐超低温电磁阀31-7、 排气孔31-8、反应釜底座31-9、支撑架31-10，所述各部分之间固定连接， 耐超低温电磁阀31-7控制实验后液氮从废液出口31-6流出；电磁阀开关29 与耐超低温电磁阀31-7电性连接。
由上述结构可知，废液腔31-3用于盛放实验结束后原本浸泡煤样的液氮， 为了更好控制浸泡时间，便于煤样从液氮脱离；隔音罩31-2是为了隔绝外界 声音对实验的影响；底座固定孔31-4利于实验装置固定。
所述试样放置台31-5下方有均布小孔以及凸棱。有利于增加试样底部与 液氮直接接触面积，其中心有孔洞是为了便于安放压力传感器。可以实现煤 样六个面皆被液氮直接作用，与以往底面不能与液氮直接接触相比，煤样各 面实验环境相同，避免个面作用不同产生的破裂影响，减小了实验误差。
监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集 分***。
进一步地，样煤真空干燥***包括真空干燥箱7、密封门5、抽真空泵2、 温度设置区3、放气旋钮4。由上述结构可知，在操作时，打开密封门5将煤 样14放入真空干燥箱7，密封门5的内测设有密封圈，将放气旋钮4旋转至 闭合状态通过抽真空泵2将真空干燥箱7进行真空处理，使用温度设置区3 的按键设置真空干燥时需要的温度；干燥时间根据实验需要决定；真空干燥 箱7放于实验室实验桌6上方；煤样干燥完成后将放气旋钮4旋转缓慢旋转 至半开放状态放气一段时间再完全打开，避免压差过大对仪器产生损伤。
进一步地，煤样水浴恒温***包括水浴箱主体13、水浴封盖9、放水开 关8、温度显示屏10、水浴开关11、温度设置按钮12。由上述结构可知，在 操作时，首先向水浴箱中加入适量水，通过温度设置按钮12打开；温度显示 屏10实时显示水浴温度；通过温度设置按钮12设置所需温度，温度范围为 室温～100℃；然后盖上水浴封盖9；恒温水浴结束通过放水开关8将废水排出； 水浴箱的不同加热室可以设置不同温度。
进一步地，煤样饱和***包括样品罐22、加压装置19、真空加压饱和装 置20、压力显示21-1、真空显示21-2。由上述结构可知，在操作时，将煤样 14放入22样品罐，重新将罐密封并且抽真空21-2真空显示需要数值停止； 通过19手动加压装置进行加压21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过 程中压力恒定。
进一步地，液氮注入***包括自增压液氮罐1、超低温流量计32、超低 温保温管33、自增压液氮罐阀门34、调压阀门35、压力表36、进液阀门37。 由上述结构可知，在操作时，液氮由自增压液氮罐1注入定制反应釜中；超 低温流量计32可以实时监测输送到反应釜中的液氮流量；34自增压液氮罐阀 门控制液氮输送开关；35调压阀门控制注入液氮时的压力。
进一步地，反应釜31各部分外贴保温隔热材料。避免液氮在输送途中挥 发。
进一步地，应变测试分***包括超低温应变片16、耐低温信号传输线 16-1、USB数据线24、电脑23、应变测试仪30。超低温应变片16贴在煤样 14表面，信号传输线使用耐低温材料，避免因温度过低而失灵。
进一步地，超低温应变片为3个，分布在煤样表面的竖向、横向和斜向。 由上述结构可知，竖向、横向、斜向的分布可以完整测出煤样在力学变化过 程中的各个方向的应力表现。
进一步地，压力监测分***包括超低温压力传感器15、耐低温信号传输 线15-1、压力接收装置25、数据线24、电脑23。
进一步地，声发射采集分***由波导杆17、声发射信号放大器18、声发 射处理器26、声发射接收线27、声发射传感器27-1、波导杆传感器耦合腔 28、电脑23。
在上述结构中，超低温压力传感器15、超低温应变片16、波导杆17与 煤样14之间需要粘合处理；声发射传感器27-1在与波导杆与实验台壳体接 触端17-2对接交界面需涂抹耦合剂，并在波导杆与传感器耦合腔28完成耦 合；波导杆17六根的波导杆与煤样接触端17-1与电脑设置位置相对应波导 杆17焊接在反应釜上，用于煤样被液氮浸融弹性波释放传导信号至声发射传 感器，一端紧贴煤样一端紧贴传感器，交界面皆需耦合剂；各面波导杆与煤 样接触端17-1位置共线，且各连线互不共面，可以得到煤样声发射能量、振 铃计数同时对原煤经液氮浸没过程产生的声发射事件进行实时的三维空间定 位；耐低温信号传输线15-1、耐低温信号传输线16-1均为FEP导线，涂层材 料使用耐低温材料。
使用过程：
首先是不同因素煤样的制备：
单因素完全干燥煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7 真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥所需温度，干 燥时间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全 打开，取出煤样放进试样袋密封备用，若煤样湿度过大，在干燥过程中5密 封门上布满水珠，需打开真空干燥箱用毛巾将内部水珠擦去，再进行干燥。
单因素初始温度煤样制备：将完全干燥煤样取出，此时煤样因为室温， 将14煤样进行隔水处理、打开9水浴封盖将煤样放入，关闭8放水开关后加 适量水没过4煤样，打开11水浴开关10温度显示屏显示实时水浴温度与设 置温度，使用12温度设置按钮设置所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温 水浴结束通过8放水开关将废水排出。
单因素完全饱水煤样制备：打开22样品罐将14煤样放入再旋转22样品 罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真空可以在 21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1压力显 示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品罐将煤 样取出，放置在盛满水的器皿备用。
不同含水率煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入7真空 干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵将内 部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时间结 束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开，取 出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再旋 转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽真 空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到21-1 压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22样品 罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠再进行称重，记录为m，则 含水率
此时算的含水率为14煤样最大含水率，然后再把14 煤样放入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算得到不同含水率 
不同预制温度含水煤样制备：打开真空干燥箱的5密封门将14煤样放入 7真空干燥箱，紧闭密封门后将4放气旋钮旋转至闭合状态，打开2抽真空泵 将内部抽真空后关闭2抽真空泵，通过3温度设置区设置干燥温度，干燥时 间结束后将4放气旋钮旋转缓慢旋转至半开放状态放气一段时间再完全打开， 取出14煤样放在电子秤上称重，记录为m0，打开22样品罐将14煤样放入再 旋转22样品罐上端密封、打开煤样饱水***的2抽真空泵将22样品罐内抽 真空可以在21-2真空显示，转动19手动加压装置对22样品罐进行加压直到 21-1压力显示需要压力为止，并确保保水过程中压力恒定，保水结束打开22 样品罐将14煤样取出，用湿毛巾擦拭14煤样表面水珠，然后再把14煤样放 入7真空干燥箱干燥不同时间称重得到mn，计算含水率，得到含水率煤样以 后使用保鲜膜将14煤样完全包裹，再套上防水袋，、打开9水浴封盖将14 煤样放入水浴室，关闭8放水开关后加适量水没过14煤样，打开11水浴开 关10温度显示屏显示实时水浴温度与设置温度，使用12温度设置按钮设置 所需试样温度后将9水浴封盖盖上，恒温加热至少24h。
煤样不同浸融时间：液氮注入***将液氮注入31液氮反应釜，将没14 煤样完全浸没开始计时，到达浸没时间后操作29电磁阀开关打开31-7耐超 低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，使得14煤样浸融时间 被控制。
再次，是实验数据的检测：
将15超低温压力传感器、16超低温应变片按图3所示用耐超低温树脂胶 水贴在制备好的14煤样表面，一端连接15-1耐低温信号传输线、16-1耐低 温信号传输线，三个16超低温应变片在同一面，避免影响17波导杆在煤样 表面的17-1波导杆与煤样接触端，将17-1波导杆与煤样接触端涂上耦合剂， 将贴好传感器的14煤样按对应位置放到31-5试样放置台，将27-1声发射传 感器表面涂抹耦合剂按入28波导杆与传感器耦合腔完成耦合，打开23电脑、 26声发射处理器、30应变测试仪、25压力接收装置，通过23电脑打开声发 射监测软件，同时打开压力监测软件与应变监测软件，再通过29电磁阀开关 关闭31-7耐超低温电磁阀，关闭1自增压液氮罐上的37进液阀门，打开34 自增压液氮罐阀门通过35调压阀门调节压力，可在36压力表看具体压力值， 使得液氮迅速经过32超低温流量计由33超低温保温管注入反应釜，直至液 氮浸没14煤样，调节35调压阀门使得液氮缓慢注入保证14煤样完全浸没， 煤样破裂是信号经17-1波导杆与煤样接触端通过17波导杆传输到17-2波导 杆与实验台壳体接触端被27-1声发射传感器接收，经27声发射接收线导入 18声发射信号放大器后经26声发射处理器对信号参数、能量、波形、位置进 行处理在23电脑软件生成数据；14煤样表面骨架产生应变由16超低温应变 片接收，通过16-1耐低温信号传输线传输到30应变测试仪预处理，再经24USB 数据线传输23电脑软件；14煤样表面收到的环境压力被15超低温压力传感 器接收，通过15-1耐低温信号传输线传输到25压力接收装置经24USB数据 线到达23电脑软件；浸融时间将要结束时关闭1自增压液氮罐上35调压阀 门与34自增压液氮罐阀门，在23电脑上停止测试，并通过29电磁阀开关打 开31-7耐超低温电磁阀控制液氮从31-6废液出口到31-3废液腔，液氮挥发 从31-8排气孔排出。31-2隔音罩将液氮浸融反应***全程罩在其中，可以减 少外界环境噪音对内部14煤样破裂声信号接收产生影响，以便能得到更加稳 定准确的数据。
实验装置通过上述过程可以在煤样浸融的时间变化过程中实时监测裂纹 产生次数、能量以及在煤样空间裂纹产生、扩展的位置，得到液氮浸没煤体 裂纹时空演化规律，动态分析浸融过程中液氮致裂煤样效果，同时监测煤样 表面受环境压力情况结合应变以及通过应变计算的弹性模量分析液氮浸没过 程中煤样表面裂隙受力形变破裂规律。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多 种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：包括煤样真空干燥***、煤样水浴恒温***、煤样饱水***、液氮注入***、液氮浸融反应***、监测采集处理***；
所述液氮浸融反应***包括波导杆传感器耦合腔、液氮反应釜，所述液氮反应釜包括传感器卡槽、隔音罩、废液腔、废液出口、试样放置台、电磁阀、排气孔、反应釜底座、支撑架，所述各部分之间固定连接，所述试样放置台下方有均布小孔以及凸棱；
监测采集处理***包括应变测试分***、压力监测分***、声发射采集分***。
2.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述样煤真空干燥***包括真空干燥箱、密封门、抽真空泵、温度设置区、放气旋钮。
3.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述煤样水浴恒温***包括水浴箱主体、水浴封盖、放水开关、温度显示屏、水浴开关、温度设置按钮。
4.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述煤样饱和***包括样品罐、加压装置、真空加压饱和装置、压力显示、真空显示。
5.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述液氮注入***包括自增压液氮罐、超低温流量计、超低温保温管、自增压液氮罐阀门、调压阀门、压力表、进液阀门。
6.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述反应釜各部分外贴保温隔热材料。
7.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述应变测试分***包括超低温应变片、耐低温信号传输线、USB数据线、电脑、应变测试仪。
8.根据权利要求7所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述超低温应变片为3个，分布在煤样表面的竖向、横向和斜向。
9.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述压力监测分***由超低温压力传感器、耐低温信号传输线、压力接收装置、数据线、电脑组成。
10.根据权利要求1所述的液氮浸没煤样裂纹时空演化及力学参数测试实验装置，其特征在于：所述声发射采集分***由波导杆、声发射信号放大器、声发射处理器、声发射接收线、声发射传感器、波导杆传感器耦合腔、电脑。
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