CN215218624U - 一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，包括压力室、煤储机构、瓦斯注入***、抽真空***、循环制冷***、轴压加载装置、围压加载装置和多参数监测***，煤储机构用于储存煤样、且放置在轴压承受台上，压力柱上设置有与第一供气通道连通的第二供气通道，第二供气通道通过第一管路分别与瓦斯注入***和抽真空***相连通，围压加载装置包括进油管、出油管和油泵，进油管和出油管均与压力室相连通，油泵与进油管相连通用于为压力室内供油，循环制冷***与压力室相互连通用于为压力室制冷，监测仪分别与温度传感器和压力传感器数据连接；本实用新型为含瓦斯煤体冻胀效应测试提供了一个快速、简单的途径，对探索冷冻法防治煤与瓦斯突出机理具有重要意义。

Description

一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置

技术领域

本实用新型涉及煤体力学试验技术领域，特别是一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置。

背景技术

当下煤与瓦斯突出防治措施的大部分方向是降低煤层储能，而通过提高煤体强度达到防突的措施很少，不光如此，有些煤与瓦斯防突措施甚至是通过牺牲煤体强度来降低煤层储能。因此，降低煤体储能并同时提高煤体强度是破解石门揭煤区和地质构造带煤与瓦斯突出防治难题的技术关键。所以这就考虑到了在进行煤层瓦斯抽采和煤体注水后，通过冷冻石门揭煤区和地质构造带来增加煤体强度，首先，由于温度的降低，一方面煤体及煤中瓦斯会发生体积收缩，具有提高煤体强度的效应，其次水属于一种胶粘剂其本身对煤体具有胶粘作用，最后当水结冰时对煤体起到了固化作用。现国内外研究对岩体冷冻研究较多，极少研究含瓦斯煤体冷冻，现有成果回答不了冷冻能否用于防突的问题，原因在于：冷冻温度场与瓦斯的耦合效应鲜有报道并且现有模型难以描述含瓦斯煤体强度与冻胀效应关系 ，最后含瓦斯煤体的冷冻响应特性知之甚少。但是用水冷冻来增加煤体强度又存在一个问题：在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。但是当水的温度低于4℃后，会出现反常膨胀的现象。在温度由-7℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。水在-7℃至4℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀，反膨胀作用可能会造成煤体破坏，所以含水煤体在经过-7℃-4℃冷冻后对煤体强度的改变究竟是增强还是减弱，需要通过实验来证明。

发明内容

为了克服上述不足，本实用新型的目的是要提供一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，使煤对瓦斯达到吸附平衡，对含瓦斯煤样加载轴压和围压，灵活控制温度，还能对煤体冻胀后的相关值的变化规律进行观测。本实用新型专利为含瓦斯煤体冻胀效应测试提供了一个快速、简单的途径，对探索冷冻法防治煤与瓦斯突出机理具有重要意义。

为达到上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：

一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，包括压力室、煤储机构、瓦斯注入***、抽真空***、循环制冷***、轴压加载装置、围压加载装置和多参数监测***，所述压力室由密闭钢化玻璃制成，所述压力室的底部固定有轴压承受台，所述煤储机构用于储存煤样、且放置在轴压承受台上，所述煤储机构包括上压片、橡胶套和下压片，所述橡胶套内放置待测量型煤或圆柱状煤芯，所述上压片和下压片均与橡胶套粘接固定，所述上压片的顶部设置有外螺纹，所述上压片上还设置有贯通的第一供气通道，所述轴压加载装置为压力机，所述压力室放置在压力机的工作台上，所述压力机的压力柱的底部设置有内螺纹，所述上压片与压力柱螺纹连接，所述压力柱上设置有与第一供气通道连通的第二供气通道，所述第二供气通道的一端与第一供气通道连通、另一端通过第一管路分别与瓦斯注入***和抽真空***相连通，所述第一管路上设置有第一阀门，所述压力柱与压力室密封连接，所述围压加载装置包括进油管、出油管和油泵，本申请采用耐低温油，在保证围压的同时，不影响冻胀效应所需的冷冻环境，所述进油管和出油管均与压力室相连通，所述油泵与进油管相连通用于为压力室内供油，所述循环制冷***与压力室相互连通用于为压力室制冷，所述多参数监测***包括监测仪、温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均安装在待测型煤或圆柱状煤芯的侧壁上，所述监测仪分别与温度传感器和压力传感器数据连接；

进一步的，所述瓦斯注入***包括瓦斯注入管道、储气机构、气体增压泵、压力表、参考罐、第一注入阀门、第二注入阀门、压力流量监测器和第三注入阀门，所述瓦斯注入管道与第一管路连通，所述储气机构、气体增压泵2、参考罐、压力流量检测器依次通过瓦斯注入管道相互连通，所述压力表、第一注入阀门、第二注入阀门、第三注入阀门均设置在瓦斯注入管道上，所述第一注入阀门位于储气机构与气体增压泵之间，所述压力表位于气体增压泵与参考罐之间，所述第二注入阀门位于参考罐与压力流量监测器之间，所述第三注入阀门位于压力流量监测器的后端；

进一步的，所述储气机构包括甲烷罐、二氧化碳罐、氮气罐和氦气罐，所述甲烷罐、二氧化碳罐、氮气罐和氦气罐均通过分流阀门与瓦斯注入管道相连通；

进一步的，所述循环制冷***包括冷凝盘管、循环管路和制冷压缩机，所述冷凝盘管位于压力室内，所述冷凝盘管通过循环管路与制冷压缩机连通；

进一步的，所述进油管上设置有进油阀门和进油量表，所述出油管上设置有出油量表和出油阀门。

与现有技术相比，本实用新型的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置具备以下有益效果：

本实用新型设置了瓦斯注入***，对煤样注入瓦斯气体，待煤样瓦斯吸附平衡后，对煤样施加围压和轴压，轴压通过压力机施加，围压通过进油管、出油管和油泵向压力室内供油，从而对煤样施加均匀围压，同时通过循环制冷***对压力室内的油进行制冷，灵活控制煤样周围温度，可监测到煤样冻胀后的相关值变化规律，为含瓦斯煤体冻胀效应测试提供了一个快速、简单的途径，对探索冷冻法防治煤与瓦斯突出机理具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的煤储机构的结构示意图；

图3为本实用新型的压力柱结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步描述，在此实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1-3所示的一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，包括压力室24、煤储机构17、瓦斯注入***、抽真空***、循环制冷***、轴压加载装置、围压加载装置和多参数监测***，所述压力室24由密闭钢化玻璃制成，所述压力室24的底部固定有轴压承受台18，所述煤储机构17用于储存煤样、且放置在轴压承受台18上，如图1所示，所述煤储机构包括上压片171、橡胶套172和下压片173，所述橡胶套172内放置待测量型煤或圆柱状煤芯，所述上压片171和下压片173均与橡胶套172粘接固定，所述上压片171的顶部设置有外螺纹174，所述上压片171上还设置有贯通的第一供气通道175，所述轴压加载装置为压力机20，所述压力室24放置在压力机20的工作台上，如图3所示，所述压力机20的压力柱201的底部设置有内螺纹202，所述上压片171与压力柱201螺纹连接，所述压力柱201上设置有与第一供气通道175连通的第二供气通道203，所述第二供气通道203的一端与第一供气通道175连通、另一端通过第一管路25分别与瓦斯注入***和抽真空***相连通，所述第一管路25上设置有第一阀门8，所述压力柱201与压力室24密封连接，在本实施例中，在压力柱201外壁上套设多个橡胶密封圈204，所述围压加载装置包括进油管26、出油管27和油泵19，本申请采用耐低温油，在保证围压的同时，不影响冻胀效应所需的冷冻环境，所述进油管26和出油管27均与压力室24相连通，所述油泵19与进油管26相连通用于为压力室24内供油，所述循环制冷***与压力室24相互连通用于为压力室24制冷，所述多参数监测***包括监测仪15、温度传感器28和压力传感器29，所述温度传感器28和压力传感器29均安装在待测型煤或圆柱状煤芯的侧壁上，所述监测仪15分别与温度传感器28和压力传感器29数据连接。

如图1所示，在本实施例中，所述瓦斯注入***包括瓦斯注入管道30、储气机构、气体增压泵2、压力表1、参考罐4、第一注入阀门3、第二注入阀门5、压力流量监测器6和第三注入阀门7，所述瓦斯注入管道30与第一管路25连通，所述储气机构、气体增压泵2、参考罐4、压力流量检测器6依次通过瓦斯注入管道30相互连通，所述压力表1、第一注入阀门3、第二注入阀门5、第三注入阀门7均设置在瓦斯注入管道30上，所述第一注入阀门3位于储气机构与气体增压泵2之间，所述压力表1位于气体增压泵2与参考罐4之间，所述第二注入阀门5位于参考罐4与压力流量监测器6之间，所述第三注入阀门7位于压力流量监测器6的后端；

如图1所示，在本实施例中，所述储气机构包括甲烷罐31、二氧化碳罐32、氮气罐33和氦气罐34，所述甲烷罐31、二氧化碳罐32、氮气罐33和氦气罐34均通过分流阀门35与瓦斯注入管道30相连通。

如图1所示，在本实施例中，所述循环制冷***包括冷凝盘管36、循环管路37和制冷压缩机14，所述冷凝盘管36位于压力室24内，所述冷凝盘管36通过循环管路37与制冷压缩机14连通。

如图1所示，在本实施例中，所述进油管26上设置有进油阀门21和进油量表22，所述出油管27上设置有出油量表9和出油阀门10。

本实用新型的具体工作原理：

（1）首先将现场采集的煤样加工成型煤或圆柱状煤芯，侧面粘贴温度传感器和压力应变片，用橡胶套将煤样包裹，保证煤样与橡胶套完全贴合，然后利用硅胶将上压片与下压片粘接在橡胶套上，将上压片与压力机的压力柱螺纹连接后放置于压力室的轴压承受台上。

（2）将瓦斯注入***、抽真空***通过第一管路与煤储机构相连通，先对煤样进行抽真空，使之处于真空状态，而后关掉真空泵和抽真空阀门，利用瓦斯注入***使煤样吸附瓦斯气体，参考罐起到一个中间转换作用，先将瓦斯气体充入到参考罐，稳定后，再将气体从参考罐充入煤样中。参考罐也有定量补气作用，通过补气前后的压力差控制补偿的气体量。

（3）待吸附平衡后（吸附平衡是有压力表监测，压力连续几个小时不变化，代表吸附平衡），打开与压力室相连通的油泵，向压力室内注入油，直至出油管路出油，接着关掉油泵打开循环制冷***设置压力室内温度，施加轴压观察到煤样破裂时停止，也可以在施加轴压以上步骤完成后关掉出油孔阀门，打开油泵并缓慢均匀的给压力室里面注油，增加围压，直至观察到煤样破裂。

（4）监测施加围压、轴压以及不同温度下的煤样破裂状态参数。

本实用新型设置了瓦斯注入***，对煤样注入瓦斯气体，待煤样瓦斯吸附平衡后，对煤样施加围压和轴压，轴压通过压力机施加，围压通过进油管、出油管和油泵向压力室内供油，从而对煤样施加均匀围压，同时通过循环制冷***对压力室内的油进行制冷，灵活控制煤样周围温度，可监测到煤样冻胀后的相关值变化规律，为含瓦斯煤体冻胀效应测试提供了一个快速、简单的途径，对探索冷冻法防治煤与瓦斯突出机理具有重要意义。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，包括压力室、煤储机构、瓦斯注入***、抽真空***、循环制冷***、轴压加载装置、围压加载装置和多参数监测***，所述压力室由密闭钢化玻璃制成，所述压力室的底部固定有轴压承受台，所述煤储机构用于储存煤样、且放置在轴压承受台上，所述煤储机构包括上压片、橡胶套和下压片，所述橡胶套内放置待测量型煤或圆柱状煤芯，所述上压片和下压片均与橡胶套粘接固定，所述上压片的顶部设置有外螺纹，所述上压片上还设置有贯通的第一供气通道，所述轴压加载装置为压力机，所述压力室放置在压力机的工作台上，所述压力机的压力柱的底部设置有内螺纹，所述上压片与压力柱螺纹连接，所述压力柱上设置有与第一供气通道连通的第二供气通道，所述第二供气通道的一端与第一供气通道连通、另一端通过第一管路分别与瓦斯注入***和抽真空***相连通，所述第一管路上设置有第一阀门，所述压力柱与压力室密封连接，所述围压加载装置包括进油管、出油管和油泵，所述进油管和出油管均与压力室相连通，所述油泵与进油管相连通用于为压力室内供油，所述循环制冷***与压力室相互连通用于为压力室制冷，所述多参数监测***包括监测仪、温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均安装在待测型煤或圆柱状煤芯的侧壁上，所述监测仪分别与温度传感器和压力传感器数据连接。

2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，所述瓦斯注入***包括瓦斯注入管道、储气机构、气体增压泵、压力表、参考罐、第一注入阀门、第二注入阀门、压力流量监测器和第三注入阀门，所述瓦斯注入管道与第一管路连通，所述储气机构、气体增压泵2、参考罐、压力流量检测器依次通过瓦斯注入管道相互连通，所述压力表、第一注入阀门、第二注入阀门、第三注入阀门均设置在瓦斯注入管道上，所述第一注入阀门位于储气机构与气体增压泵之间，所述压力表位于气体增压泵与参考罐之间，所述第二注入阀门位于参考罐与压力流量监测器之间，所述第三注入阀门位于压力流量监测器的后端。

3.根据权利要求2所述的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，所述储气机构包括甲烷罐、二氧化碳罐、氮气罐和氦气罐，所述甲烷罐、二氧化碳罐、氮气罐和氦气罐均通过分流阀门与瓦斯注入管道相连通。

4.根据权利要求1所述的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，所述抽真空***包括抽真空管路、真空集水器和真空泵，所述抽真空管路与第一管路相连通，所述真空集水器、真空泵通过抽真空管路相连通，所述真空集水器与真空泵之间设置有抽真空阀门。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，所述循环制冷***包括冷凝盘管、循环管路和制冷压缩机，所述冷凝盘管位于压力室内，所述冷凝盘管通过循环管路与制冷压缩机连通。

6.根据权利要求5所述的含瓦斯煤冻胀效应的测试装置，其特征在于，所述进油管上设置有进油阀门和进油量表，所述出油管上设置有出油量表和出油阀门。

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