CN207177873U - 一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，属于煤矿安全生产技术领域。该装置包括制冷循环装置、煤岩体受载装置、液压***、温控***、声发射***和数据采集处理***。煤岩体受载装置的上压帽、上压头、样品缸、下压帽和下压头组成一个密闭空腔，上压头第一通孔与制冷循环装置相连接；上压头上第二通孔与声发射***相连接；声发射***与数据采集处理***相连接；在上压帽通孔与温控***相连接；下压头通孔与制冷循环装置相连接；在样品缸四周均匀设置有多个红外加热板，与温控***连接；液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机中进行集中处理。该装置能利用高低温温度突变实现煤岩体的致裂，为提高天然气的开采效率提供一种参考。

Description

一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置

技术领域

本实用新型属于煤矿安全生产技术领域，特别涉及一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置。

背景技术

随着我国煤矿资源开采逐渐向深部发展，煤体内瓦斯含量逐渐增加，煤体渗透性能和瓦斯解吸能力降低，造成瓦斯抽放难度急剧增大，积聚在煤层中的煤层气严重影响煤矿安全生产。

为了合理的进行瓦斯抽放，目前多采用钻孔、注热、水力压裂等常规方法。钻孔的方法通过增加煤层钻孔的数量和密度，可一定程度上提高瓦斯抽放量；采用注热措施，能够增强煤体渗透性能。水力压裂的方法能够沟通煤层中的原油裂隙，从而沟通煤层气的产气通道，提高煤层气产量。以上方法虽然可以对煤岩体有一定的致裂效果，进一步达到增加煤体渗透性的目的，但是以上方法成本较高，并且对天然气的开采效率也有一定的制约。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，该装置通过红外加热装置将处于围压状态的煤岩体试样进行加热至某一预设温度，然后向处于高温状态的煤岩体试样中心贯穿孔注入液氮，使煤岩体试样持续处于在所述冷热交替***中，直至破坏。利用声发射***收集煤岩体破裂损伤信号，从而得到关于煤岩体在高低温循环状态下的的致裂特性和裂纹扩展规律。本实用新型方法利用高低温温度突变实现煤岩体的致裂，为提高天然气的开采效率提供一种可参考的方法。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，包括制冷循环装置、煤岩体受载装置、液压***、温控***、声发射***和数据采集处理***；

所述的制冷循环装置包括液氮输出罐、第一调压阀、输出罐压力表、液氮储存罐、第二调压阀、储存罐压力表和液氮制备装置；

所述的煤岩体受载装置包括上压帽、上压头、样品缸、下压帽、下压头和样品缸底座；

所述的液压***包括液压装置、围压压力表和围压调压阀；

所述的温控***包括红外加热板、热电偶和多通道温控表；

所述的声发射***包括声发射传感器和声发射数据采集仪；

所述的数据采集处理***包括多通道数据采集器和计算机；

煤岩体受载装置的上压帽、上压头、样品缸、下压帽和下压头组成一个密闭空腔，用于放置煤岩体试样，下压帽与样品缸底座相连接，对整个装置起到固定制成的作用。

煤岩体受载装置中的上压头中心设置有一个贯通小孔，为上压头第一通孔，该上压头第一通孔依次与输出罐压力表、第一调压阀、液氮输出罐通过管道相连接；

在上压头上还设置有另一贯通小孔，为上压头第二通孔，在上压头下表面安装有声发射传感器并通过导线由上压头第二通孔接出与声发射数据采集仪相连接；声发射数据采集仪与数据采集处理***的多通道数据采集器相连接；

在上压帽上设置有一贯通小孔，为上压帽通孔，与多通道温控表相连接的热电偶安装在上压帽通孔内，热电偶的探头深入样品缸内与煤岩体试样相接触；

在下压头中心设置有一个贯通小孔，为下压头通孔，该下压头通孔与液氮制备装置通过管道相连接，液氮制备装置依次与储存罐压力表、第二调压阀、液氮储存罐通过管道相连接；

在下压帽或下压头上设置有一个贯通小孔，为液压***通孔，该液压***通孔依次与围压压力表、围压调压阀、液压装置通过管道相连接；

在样品缸四周均匀设置有多个红外加热板，红外加热板之间并联连接，通过并联电路与多通道温控表相连接；多通道温控表与多通道数据采集器相连接；

通过多通道数据采集器与计算机相连接，液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机中进行集中处理。

作为优选，所述的上压头第一通孔、上压帽通孔、下压头通孔和液压***通孔均为圆形通孔。

作为优选，所述的上压头第二通孔设置在上压头下表面靠近上压头第一通孔一侧。

所述的液氮输出罐和液氮储存罐可设置为同一个罐。

所述的红外加热板为曲面，所述的多个红外加热板至少为2个。

所述的液压***起到为煤岩试样提供围压的作用。

所述的温控***起到为煤岩样品提供热载的作用。

所述的数据采集处理***为调节监测液压、温度和声发射数据的处理***。

所述的煤岩体受载体的样品缸上方设置有上压头和上压帽，下方设置有下压头和下压帽。

所述的煤岩体受载装置中的上压帽为“倒凹字”形，上压帽中心设置有通孔，为上压帽贯穿通孔；上压头为“凸字”形，上压头中心设置有圆柱型凸起，上压帽贯穿通孔与上压头圆柱型凸起相匹配；上压帽下表面与上压头上表面相接触；

上压头竖直方向设置有上压头外螺纹，样品缸与上压头接触的内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸与上压帽接触的外侧设置有样品缸外螺纹，上压帽竖直方向的内侧设置有上压帽内螺纹；上压头与样品缸接触处通过螺纹连接，上压帽与样品缸接触处通过螺纹连接，上压头与上压帽竖直方向接触处通过螺纹连接。

所述的煤岩体受载装置中的下压帽为“凹字”形，下压帽中心设置有通孔，为下压帽贯穿通孔；下压头为“倒凸字”形，下压头中心设置有圆柱型凸起，下压帽贯穿通孔与下压头圆柱型凸起相匹配；下压帽下表面与下压头下表面相接触；

下压头竖直方向设置有下压头外螺纹，样品缸与下压头接触的内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸与下压帽接触的外侧设置有样品缸外螺纹，下压帽竖直方向的内侧设置有下压帽内螺纹；下压头与样品缸接触处通过螺纹连接，下压帽与样品缸接触处通过螺纹连接，下压头与下压帽竖直方向接触处通过螺纹连接。

所述上压帽与上压头之间，上压帽与样品缸之间，下压帽与下压头之间，下压帽与样品缸之间均用密封圈进行密封。

上压帽通孔内侧设置有内螺纹，热电偶与上压帽接触处设置有外螺纹，热电偶和上压帽接触处通过螺纹连接。

本实用新型的一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的方法，采用上述装置，具体包括以下步骤：

步骤一：制备煤岩体试样并进行组装

取煤岩体试样，并在煤岩体试样中心贯穿一通孔，将有贯通孔的煤岩体试样装入样品缸中，密封；

步骤二：对煤岩体试样施加围压

打开液压***中的液压装置的围压调压阀，向样品缸中持续通入液压油，使煤岩体试样所受围压到15～70MPa，关闭液压装置的围压调压阀，煤岩体试样所受围压保持稳定值；

步骤三：收集声发射信号

打开声发射***中的声发射数据采集仪，采集声发射信号，对煤岩体试样变形破坏进行实时观测；

步骤四：为煤岩体试样施加高温热载

打开温控***，在多通道温控表的操作界面输入需要输出的温度值，然后接通红外加热板，对煤岩体试样进行持续加热，使煤岩体试样整体达到设定的温度；

步骤五：对处于高温环境中的煤岩体试样进行制冷

打开制冷***中的第一调压阀、第二调压阀和液氮制备装置，将储存于液氮输出罐中的液氮从上压头流入样品缸，经由煤岩体试样贯通孔流至下压头处，此时，液氮汽化为氮气，氮气从下压头经过管道流至液氮制备装置，重新制成液氮，收集至液氮储存罐中，从而实现液氮的循环利用。

步骤六：采集信号，分析处理

重复步骤四和步骤五多次，并通过多通道数据采集器将液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机中，对计算机采集的数据进行集中处理，从而得出在高低温循环下煤岩体破坏损伤的规律。

所述的步骤一中，所述的取煤岩体试样，具体操作为，用取芯机在煤岩中取得的煤岩体试样，煤岩体试样的大小同装置中的样品缸大小相同，优选为Φ100mm×100mm。

所述的步骤四中，设定的温度值根据煤岩体的不同设置不同的温度。

本实用新型的一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置和方法，与其他煤岩体致裂技术相比，其有益效果在于：

1.本实用新型的装置通过红外加热装置和液氮制冷装置形成高低温循环***，对处于围压状态中的煤岩体进行加载，从而得到关于煤岩体在高低温循环状态下的的致裂特性和裂纹扩展规律。为提高天然气的开采效率提供一种可参考的方法。

2.本实用新型的装置其制冷介质，液氮能循环使用，成本低，经济效益好。

3.本实用新型方法利用高低温温度突变实现煤岩体的致裂，以往技术均是通过高温致裂或者是低温冻裂等单一致裂方法，而在本实用新型方法中将这两种致裂技术进行了了有机结合；从而大大挺高了致裂效果，节约了成本，提高了天然气开采的效率。

附图说明

图1是本实用新型的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置的结构示意图；

图2是本实用新型的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置上部的结构示意图；

图中，1-上压帽，2-上压头，3-红外加热板，4-样品缸，5-下压帽，6-样品缸底座，7-声发射传感器，8-下压头，9-液氮输出罐，10-输出罐压力表，11-第一调压阀，12-液氮储存罐，13-储存罐压力表，14-第二调压阀，15-液氮制备装置，16-液压装置，17-围压压力表，18-围压调压阀，19-多通道温控表，20-声发射数据采集仪，21-计算机，22-热电偶，23-煤岩体试样，24-多通道数据采集器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

实施例1

一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其结构示意图见图1，该装置包括制冷循环装置、煤岩体受载装置、液压***、温控***、声发射***和数据采集处理***；

所述的制冷循环装置包括液氮输出罐9、第一调压阀11、输出罐压力表10、液氮储存罐12、第二调压阀14、储存罐压力表13和液氮制备装置15；

所述的煤岩体受载装置包括上压帽1、上压头2、样品缸4、下压帽5、下压头8和样品缸底座6；

所述的液压***包括液压装置16、围压压力表17和围压调压阀18；

所述的温控***包括红外加热板3、热电偶22和多通道温控表19；

所述的声发射***包括声发射传感器7和声发射数据采集仪20；

所述的数据采集处理***包括多通道数据采集器24和计算机21；

煤岩体受载装置的上压帽1、上压头2、样品缸4、下压帽5和下压头8组成一个密闭空腔，用于放置煤岩体试样23，下压帽1与样品缸底座6相连接，对整个装置起到固定制成的作用。

煤岩体受载装置中的上压头2中心设置有一个贯通小孔，为上压头第一通孔，该上压头第一通孔依次与输出罐压力表10、第一调压阀11、液氮输出罐9通过管道相连接；

在上压头2上还设置有另一贯通小孔，为上压头第二通孔，在上压头2下表面安装有声发射传感器7并通过导线由上压头第二通孔接出与声发射数据采集仪20相连接；声发射数据采集仪20与数据采集处理***的多通道数据采集器24相连接；

在上压帽1上设置有一贯通小孔，为上压帽通孔，与多通道温控表19相连接的热电偶22安装在上压帽通孔内，热电偶22的探头深入样品缸内与煤岩体试样23相接触；

煤岩体受载装置中的在下压头8中心设置有一个贯通小孔，为下压头通孔，该下压头通孔与液氮制备装置15通过管道相连接，液氮制备装置15依次与储存罐压力表13、第二调压阀14、液氮储存罐12通过管道相连接；

煤岩体受载装置中的在下压帽1上设置有一个贯通小孔，为液压***通孔，该液压***通孔依次与围压压力表17、围压调压阀18、液压装置16通过管道相连接；

煤岩体受载装置中的在样品缸4外侧均匀设置有四个曲面红外加热板3，红外加热板3之间并联连接，通过并联电路与多通道温控表19相连接；多通道温控表19与多通道数据采集器24相连接；

通过多通道数据采集器24与计算机21相连接，液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机中进行集中处理。

作为优选，所述的上压头第一通孔、上压帽通孔、下压头通孔和液压***通孔均为圆形通孔。

作为优选，所述的上压头第二通孔设置在上压头下表面靠近上压头第一通孔一侧。

所述的液氮输出罐9和液氮储存罐12可设置为同一个罐。

所述的液压***起到为煤岩试样提供围压的作用。

所述的温控***起到为煤岩样品提供热载的作用。

所述的数据采集处理***为调节监测液压、温度和声发射数据的处理***。

所述的煤岩体受载体的样品缸4上方设置有上压头2和上压帽1，下方设置有下压头8和下压帽5。

所述的煤岩体受载装置中的上压帽1为“倒凹字”形，上压帽1中心设置有通孔，为上压帽贯穿通孔；上压头2为“凸字”形，上压头2中心设置有圆柱型凸起，上压帽贯穿通孔与上压头圆柱型凸起相匹配；上压帽1下表面与上压头2上表面相接触；

上压头2竖直方向设置有上压头外螺纹，样品缸4与上压头接触的内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸4与上压帽接触的外侧设置有样品缸外螺纹，上压帽1竖直方向的内侧设置有上压帽内螺纹；上压头2与样品缸4接触处通过螺纹连接，上压帽1与样品缸4接触处通过螺纹连接，上压头2与上压帽1竖直方向接触处通过螺纹连接。其连接方式的结构示意图见图2。

所述的煤岩体受载装置中的下压帽5为“凹字”形，下压帽5中心设置有通孔，为下压帽贯穿通孔；下压头8为“倒凸字”形，下压头8中心设置有圆柱型凸起，下压帽贯穿通孔与下压头圆柱型凸起相匹配；下压帽5下表面与下压头8下表面相接触；

下压头8竖直方向设置有下压头外螺纹，样品缸4内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸4外侧设置有样品缸外螺纹，下压帽5竖直方向的内侧设置有下压帽内螺纹；下压头8与样品缸4接触处通过螺纹连接，下压帽5与样品缸4接触处通过螺纹连接，下压头8与下压帽5竖直方向接触处通过螺纹连接。

所述上压帽1与上压头2之间，上压帽1与样品缸4之间，下压帽5与下压头8之间，下压帽5与样品缸4之间均用密封圈进行密封。

上压帽1通孔内侧设置有内螺纹，热电偶22与上压帽1接触处设置有外螺纹，热电偶22和上压帽1接触处通过螺纹连接。

一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的方法，采用上述装置，具体包括以下步骤：

步骤一：制备煤岩体试样23并进行组装

用取芯机在煤岩中取Φ100mm×100mm煤岩体试样23，并在煤岩体试样23中心贯穿一通孔，将有贯通孔的煤岩体试样23装入样品缸4中，密封；

步骤二：对煤岩体试样23施加围压

打开液压***中的液压装置16的围压调压阀18，向样品缸4中持续通入液压油，使煤岩体试样23所受围压到70MPa，关闭液压装置16的围压调压阀18，煤岩体试样所受围压保持稳定值；

步骤三：收集声发射信号

打开声发射***中的声发射数据采集仪20，采集声发射信号，对煤岩体试样变形破坏进行实时观测；

步骤四：为煤岩体试样施加高温热载

打开温控***，在多通道温控表19的操作界面输入需要输出的温度值，然后接通红外加热板3，对煤岩体试样23进行持续加热，使煤岩体试样整体达到设定的温度；

其中，设定的温度值根据煤岩体的不同设置不同的温度。

步骤五：对处于高温环境中的煤岩体试样进行制冷

打开制冷***中的第一调压阀11、第二调压阀14和液氮制备装置15，将储存于液氮输出罐9中的液氮从上压头2流入样品缸4，经由煤岩体试样23贯通孔流至下压头8处，此时，液氮汽化为氮气，氮气从下压头8经过管道流至液氮制备装置15，重新制成液氮，收集至液氮储存罐12中，从而实现液氮的循环利用。

步骤六：采集信号，分析处理

重复步骤四和步骤五多次，并通过多通道数据采集器24将液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机21中，对计算机采集的数据进行集中处理，从而得出在高低温循环下煤岩体破坏损伤的规律。

Claims (6)

1.一种利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，该利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置包括制冷循环装置、煤岩体受载装置、液压***、温控***、声发射***和数据采集处理***；

所述的制冷循环装置包括液氮输出罐、第一调压阀、输出罐压力表、液氮储存罐、第二调压阀、储存罐压力表和液氮制备装置；

所述的煤岩体受载装置包括上压帽、上压头、样品缸、下压帽、下压头和样品缸底座；

所述的液压***包括液压装置、围压压力表和围压调压阀；

所述的温控***包括红外加热板、热电偶和多通道温控表；

所述的声发射***包括声发射传感器和声发射数据采集仪；

所述的数据采集处理***包括多通道数据采集器和计算机；

煤岩体受载装置的上压帽、上压头、样品缸、下压帽和下压头组成一个密闭空腔，下压帽与样品缸底座相连接；

煤岩体受载装置中的上压头中心设置有一个贯通小孔，为上压头第一通孔，该上压头第一通孔依次与输出罐压力表、第一调压阀、液氮输出罐通过管道相连接；

在上压头上还设置有另一贯通小孔，为上压头第二通孔，在上压头下表面安装有声发射传感器并通过导线由上压头第二通孔接出与声发射数据采集仪相连接；声发射数据采集仪与数据采集处理***的多通道数据采集器相连接；

在上压帽上设置有一贯通小孔，为上压帽通孔，与多通道温控表相连接的热电偶安装在上压帽通孔内，热电偶的探头深入样品缸内与煤岩体试样相接触；

在下压头中心设置有一个贯通小孔，为下压头通孔，该下压头通孔与液氮制备装置通过管道相连接，液氮制备装置依次与储存罐压力表、第二调压阀、液氮储存罐通过管道相连接；

在下压帽或下压头上设置有一个贯通小孔，为液压***通孔，该液压***通孔依次与围压压力表、围压调压阀、液压装置通过管道相连接；

在样品缸四周均匀设置有多个红外加热板，红外加热板之间并联连接，通过并联电路与多通道温控表相连接；多通道温控表与多通道数据采集器相连接；

通过多通道数据采集器与计算机相连接，液压信号、温度信号与声发射信号统一采集到计算机中进行集中处理。

2.如权利要求1所述的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，所述的液氮输出罐和液氮储存罐可设置为同一个罐。

3.如权利要求1所述的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，所述的红外加热板为曲面，所述的多个红外加热板至少为2个。

4.如权利要求1所述的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，所述的煤岩体受载体的样品缸上方设置有上压头和上压帽，下方设置有下压头和下压帽；

所述的煤岩体受载装置中的上压帽为“倒凹字”形，上压帽中心设置有通孔，为上压帽贯穿通孔；上压头为“凸字”形，上压头中心设置有圆柱型凸起，上压帽贯穿通孔与上压头圆柱型凸起相匹配；上压帽下表面与上压头上表面相接触；

上压头竖直方向设置有上压头外螺纹，样品缸与上压头接触的内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸与上压帽接触的外侧设置有样品缸外螺纹，上压帽竖直方向的内侧设置有上压帽内螺纹；上压头与样品缸接触处通过螺纹连接，上压帽与样品缸接触处通过螺纹连接，上压头与上压帽竖直方向接触处通过螺纹连接；

所述的煤岩体受载装置中的下压帽为“凹字”形，下压帽中心设置有通孔，为下压帽贯穿通孔；下压头为“倒凸字”形，下压头中心设置有圆柱型凸起，下压帽贯穿通孔与下压头圆柱型凸起相匹配；下压帽下表面与下压头下表面相接触；

下压头竖直方向设置有下压头外螺纹，样品缸与下压头接触的内侧设置有样品缸内螺纹，样品缸与下压帽接触的外侧设置有样品缸外螺纹，下压帽竖直方向的内侧设置有下压帽内螺纹；下压头与样品缸接触处通过螺纹连接，下压帽与样品缸接触处通过螺纹连接，下压头与下压帽竖直方向接触处通过螺纹连接。

5.如权利要求1所述的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，所述上压帽与上压头之间，上压帽与样品缸之间，下压帽与下压头之间，下压帽与样品缸之间均用密封圈进行密封。

6.如权利要求1所述的利用高低温循环提高煤岩体致裂效果的装置，其特征在于，上压帽通孔内侧设置有内螺纹，热电偶与上压帽接触处设置有外螺纹，热电偶和上压帽接触处通过螺纹连接。