专利名称：煤岩多物理场耦合作用测试装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种满足岩石宏细观结构变化的测试装置，尤其涉及煤岩多物理场耦合作用测试装置。
背景技术：
在深部煤炭资源开采过程中深部地层的高地应力、高温度和高孔隙压力是影响煤矿安全开采的主要因素，特别是处于采动区域岩体总是受到温度场、渗流场和应力场耦合作用影响。具体表现为煤体从三向受力状态转化为双向受力、煤体的孔隙率、渗透率、热传导能力随之发生变化。同时开挖后煤层瓦斯会向采动区域流动，不仅改变煤层初始孔隙压力，还改变煤层孔隙结构。此外瓦斯渗流场的变化也可以影响地层热流场，以温度应力形式影响应力场分布，同时又会影响瓦斯渗流场。值得注意的是，煤中的复杂孔隙结构还吸附大量气体，环境温度的升高或者煤孔隙压力的降低后都会使吸附瓦斯解吸成游离态，这一过程不仅使煤基质表面物理化学性质变化，还导致孔隙压力重新升高，更进一步影响煤孔 隙结构、也能改变游离瓦斯渗流场。深部采煤必然破坏煤层瓦斯渗流场、地温场与地应力场组成的动态平衡体系，只有在一定时间和空间范围内通过质量和能量交换过程才能使整个煤-瓦斯体系重新达多物理场之间新的动态平衡。因此，研究深部煤层在复杂地质环境中多场耦合效应下表现出的特殊力学行为，认清开挖损伤区煤体物理力学性质与开挖过程的相互关系及其时空演化规律，分析开挖煤层损伤区的多物理场耦合效应致灾响应，是解决深部开采中煤与瓦斯突出事故的核心问题。目前，大多数研究方法通常是评价物理耦合作用过程中煤试件外表面变形量与宏观渗透率变化。仅通过煤的宏观物理性质是很难阐释煤岩各向异性变形规律，尤其是对于煤基质局部区域中裂隙的张开与闭合。近年来CT技术凭借无损伤检测特点能够定量重构扫描物体细观结构等优点，已经广泛用于研究煤炭安全开采以及煤层气工业领域中的岩石-流体耦合问题。不难发现这些CT检测装置仅考虑煤试件在静压吸附气体，未能考虑多物理耦合作用对煤结构影响。工作面处于采动影响煤体应力状态变化以及煤层瓦斯渗流场和温度场分布区域转移变化，都将显著影响到煤的力学性质。因此设计一种合理利用CT扫描技术，在实验室内实现模拟煤层开挖卸载、瓦斯运移过程中煤体细观结构损伤演化、以及提取相关信息是本发明要解决的主要问题。

发明内容
本发明目的是发明一种煤岩多物理场耦合作用测试装置，该装置在尽可能贴近工况条件下合理利用CT扫描技术，能够测试煤-瓦斯系统在温度场、渗流场和应力场耦合作用下，煤体细观结构变化过程，满足煤-气系统变化过程中多物理参量数据的采集功能。一种煤岩多物理场耦合作用测试装置，其特征在于，它是由顶盖、筒体和底盘组成一个密闭的筒体；所述顶盖内设有柱腔，柱腔内安装一个用于对煤试件施加轴向压力的柱塞，在筒体内部对称布置四个压力槽，每个压力槽内部均设置一个气囊和一个凸形橡胶活塞；四个气囊均设有与外部高压气源连接的气体管线；柱塞内设有用于向筒体充气的气体管线；所述橡胶活塞的两端设有孔洞，孔洞内安装有声发射传感器，声发射传感器的导线连接底盘上的数据端口传输到外置的声发射采集系统；所述底盘上设排气口，排气口上安装排空气阀，并连接气体压差变送器、气体质量流量计和气体数据采集仪；底盘内布置电热丝；此外，在顶盖内设置有温度传感器；顶盖和底盘外表面设有保温层。以上所述的筒体和筒体内的压力槽采用既能满足CT扫描时X射线穿透煤试件要求、又有足够刚度满足力学测试的碳纤维材料。为了能使柱塞能自行补偿筒体内围压升高导致的不平衡力，上述柱塞的结构由上、中、下三个变直径圆柱体组成，柱塞中段直径大于上段和下段直径。其中，柱塞下段的横截面积等于中段截面积减去上段截面积后剩余的环形截面积，中段部分在柱腔中形成活塞，使柱腔形成上、下两个环状空间，简称上环腔和下环腔；柱腔的下部直径和上部直径分别与柱塞的下段直径和上段直径配合，柱塞轴线位置上设有连通筒体内腔与第二高压气源 的气体管线，在圆柱体上设有使圆柱体的下段底面与上环腔相通的通气道，该通气道连通筒体的内腔与上环腔；另外，还有管线贯穿柱塞中段和下段，连通筒体内腔与上环腔。为了便于安装，顶盖上柱腔直径与柱塞中段直径相等，装入柱塞后在柱腔上部安装一个环套。柱塞置入顶盖柱腔后，将一个环套嵌套在柱塞上段，并固定在顶盖上柱腔。为了保证顶盖与柱塞的气密性，在柱塞中部、环套和下柱腔壁上设有密封圈。上述煤岩多物理场耦合作用测试装置的使用方法是第一步将煤块加工成设计尺寸，并且表面平整度符合国际岩石力学学会推荐标准的长方体试件；分别沿平行、垂直煤试件轴线方向在其表面粘贴应变片和温度补偿片，应变片导线连接到底盘数据接口，与外设应变数据采集仪组成1/4惠通斯电桥；将煤试件安置在底盘的中心位置，密封组装底盘与筒体；第二步连接顶盖中温度传感器与温度显示表，安装顶盖温度传感器，将其导线连接外置的温度显示仪；分别将四个气囊置入压力槽中；外设气源的管线穿过顶盖连接每个气囊；将橡胶活塞凸出端嵌套进压力槽内，并与内部的气囊接触；再将声发射传感器安装在每个凸形橡胶活塞两端的孔洞中；最后将四个压力槽对称安置在煤试件与筒体之间；第三步密封连接顶盖与筒体，将柱塞连接到手动液压泵；并在顶盖和底盘外部包裹保温层；第四步将装置固定在CT扫描台；首先沿煤试件轴线从底部到顶部的全尺寸进行CT扫描；记录扫描数据；然后再对给底盘电热丝通电，同时开启声发射系统和应变采集系统，实时采集监测煤试件变形量及其声发射活动情况；当顶盖温度传感器显示温度值与底盘温度相等时，煤试件温度达到设定值；根据煤试件体积变形情况，再对煤试件进行CT全尺寸扫描；记录扫描数据；第五步开启筒体的高压外设气源，通过调节减压阀使参考缸内气体压力达到设定值后关闭高压气源，待缸内气体状态稳定后，将参考缸内气体注入筒体；经过一段时间后，当煤试件体积变形量以及气体压力变送器监测到筒体内气压值变化平衡稳定后，说明煤试件已经处于吸附平衡状态；
第六步同时开启连接气囊的高压气源，调节减压阀分别给两组气囊注气，气囊膨胀变形后推动凸形橡胶活塞对煤试件施加两对不相等的中间主应力和最小主应力；在保持气囊压力不变的情况下，手动调节液压泵采用梯级加载方式，对煤试件施加轴向应力；待煤试件变形和筒体气体压力变化稳定后，对煤试件进行全尺寸CT扫描；记录扫描数据；第七步根据不同试验测试要求，在不同应力水平和温度条件下开启排空气阀，释放筒体内气体；在此过程中气体压差变送器和气体质量流量计实时记录气体排放过程。本发明的中心思想是根据取样区域的地质条件，对吸附瓦斯平衡后的煤试件施加对应煤储层的三向应力和温度，使其恢复到原始赋存状态，通过改变煤试件的应力状态模拟开挖卸载过程，实时记录煤体宏细观结构变化信息。本测试装置不仅可以实时记录在不同温度、应力状态下煤试件变形及其声发射活 动，还可以进行煤-气吸附与解吸过程，并用CT技术定量可视化的煤试件细观结构特征。尤其适用于模拟开挖对围岩体损伤破坏过程。


图I为本发明的结构示意图。图2为图I的A-A视图。图3为本发明的筒体内部1/4结构立体示意图。图中1_煤试件；2_应变片；3_橡胶活塞；4_电热丝；5-筒体；6_压力槽；7-声发射传感器；8-气囊；9-底盘；10-气体质量流量计；11_气阀；12-气体压差变送器；13_温度控制器；14_第一高压气源；15_减压阀；16_柱塞；17_气体参考缸；18_第二高压气源；19-温度传感器；20_温度显示表，21-应变数据采集仪；22_声发射采集系统；23_保温层；24-第三高压气源；25_顶盖；26_支架；27_气体数据采集仪；28_环套；29_密封圈。
具体实施例方式如图I所不的一种煤岩多物理场f禹合作用测试装置,它是由顶盖25、筒体5和底盘9组成一个密闭的筒体；所述顶盖25内设有柱腔，柱腔内安装一个用于对煤试件施加轴向压力的柱塞16，在筒体5内部对称布置四个压力槽6，每个压力槽6内部均设置一个气囊8和一个凸形橡胶活塞3;每个气囊8均设有与外部高压气源连接的气体管线，其中左右对称的气囊8连接第三高压气源24，前后对称的气囊8连接第一高压气源14，气源出口压力均由减压阀15控制，如图2所示；柱塞16内设有用于向筒体5内腔注气的气体管线，该气体管线与连通外部气体参考缸17和第二高压气源18 ;所述橡胶活塞3的两端设有圆形孔洞，孔洞内安装有声发射传感器7，声发射传感器7的导线连接到底盘9的数据端口，将声发射数据传输到外置的声发射采集系统22 ;所述底盘9的排气口上安装排空气阀11，并连接气体压差变送器12、气体质量流量计10和气体数据采集仪27 ;底盘9内还布置有电热丝4，电热丝4连接外置的温度控制器13 ;此外，在顶盖25内设置有温度传感器19，温度传感器19连接外置的温度显示表20 ;顶盖25和底盘9外表面设有保温层23。为了能使柱塞16能自行补偿筒体内围压升高导致的不平衡力，上述柱塞16的结构由上、中、下三个变直径圆柱体组成，柱塞中段直径大于上段和下段直径。其中，柱塞16下段的横截面积等于中段截面积减去上段截面积后剩余的环形截面积，中段部分在柱腔中形成活塞，使柱腔形成上、下两个环状空间，简称上环腔和下环腔；柱腔的下部直径和上部直径分别与柱塞16的下段直径和上段直径配合，柱塞16轴线位置上设有连通筒体5内腔与第二高压气源18的气体管线，在圆柱体上设有使圆柱体的下段底面与上环腔相通的通气道，该通气道连通筒体5的内腔与上环腔；另外，还有管线贯穿柱塞16中段和下段，连通筒体5内腔与上环腔。当第二高压气源18向筒体5内注气时，筒体5内腔和上环腔内气体压强相等，又由于柱塞16下段截面积与其中段顶端环形截面积相等，保证柱塞16处于受力平衡状态，既不会出现筒体5内气压升高将柱塞16顶出筒体5，也满足对煤试件I施加轴向压力；施加轴向压力时，在柱塞16顶端连接手动液压泵，柱塞16底面接触在煤试件I顶端。为了便于安装，将柱塞16下段嵌入顶盖25的下柱腔，在柱塞16上段安装一个环套28，密封固定在顶盖25的上柱腔壁。为了保证顶盖25的气密性，在活塞16中段和上下环腔均设有密封圈29。从图中看出，该测试装置还设有支架26，当横向水平放置在CT扫描仪上时起支撑作用。以上所述的筒体5和筒体内的压力槽6应采用既能满足CT扫描时X射线穿透煤试件、又有足够刚度符合力学测试要求，例如碳纤维材料。上述煤岩多物理场耦合作用测试装置的使用方法是第一步将煤块加工成尺寸合适、表面平整、符合国际岩石力学学会推荐的长方体试件。分别沿平行、垂直煤试件I轴线方向在其表面粘贴应变片2和温度补偿片，应变片导线通过底盘数据接口连接外设应变数据采集仪21组成1/4惠通斯电桥。将煤试件I安置在底盘9的中心位置，组装底盘9与筒体5，确保连接部位密封良好。第二步连接安装顶盖的温度传感器19，将其导线连接到外置温度显示表20。分别将四个气囊8置入压力槽6中。第一高压气源14的管线穿过顶盖25连接每个气囊8。将橡胶活塞3嵌套进压力槽6内，并与内部的气囊8接触，再将声发射传感器7安装在每个凸状橡胶活塞3两端的孔洞中。最后将四个压力槽6对称安置在煤试件I与筒体5之间。第三步密封连接顶盖25与筒体5，将柱塞16连接到手动液压泵；第四步上述部件组装完毕后，在顶盖25和底盘9外部包裹保温层23。将装置固定在CT扫描台。首先对煤试件I进行从底部到顶部的全尺寸CT扫描；然后再对电热丝4通电，同时开启声发射采集系统22和应变数据采集仪21，实时采集监测煤试件I (热膨胀)变形量与其声发射活动；当温度传感器19显示温度值与温度控制器13温度相同时，可以认为此时的煤试件I达到设定值。根据煤试件I体积变形不同阶段，再对其进行CT全尺寸扫描。第五步关闭排空气阀11，开启第二高压气源18，调节减压阀15使气体参考缸17内气体压力达到设定值后关闭第二高压气源18。将气体参考缸17气体通过柱塞16内管线注入筒体5内腔。当煤试件I体积变形量以及气体压差变送器12监测到筒体内气压值稳定后，可认为煤试件I已经处于吸附平衡状态。第六步同时开启第一高压气源14和第三高压气源24，调节减压阀15按照设定值分别给两组气囊8注气，气囊8膨胀变形后推动凸形橡胶活塞3对煤试件I施加两对不相等的中间主应力和最小主应力。保持气囊8压力不变，手动调节液压泵采用梯级加载方式,对煤试件I施加轴向应力。待煤试件I变形和筒体5气体压力变化稳定后，对煤试件I进行全尺寸CT扫描。第七步根据测试要求，可在不同应力水平和温度条件下开启排空气阀11，排出筒体5和煤试件I内部气体，气体压差变送器12和气体质量流量计10实时采集卸压过程 中气体压力和流量数据。
权利要求
1.一种煤岩多物理场耦合作用测试装置，其特征在于，它是由顶盖、筒体和底盘组成一个密闭的筒体；其中所述顶盖内设有柱腔，柱腔内安装一个用于对煤试件施加轴向压力的柱塞，在筒体内部对称布置四个压力槽，每个压力槽内部均设置一个气囊和一个凸形橡胶活塞；四个气囊均设有与外部高压气源连接的气体管线；柱塞内设有用于向筒体充气的气体管线；所述橡胶活塞的两端设有孔洞，孔洞内安装有声发射传感器，声发射传感器的导线连接底盘上的数据端口传输到外置的声发射采集系统；所述底盘上设排气口，排气口上安装排空气阀，并连接气体压差变送器、气体质量流量计和气体数据采集仪；底盘内布置电热丝；此外，在顶盖内设置有温度传感器；顶盖和底盘外表面设有保温层； 上述筒体和筒体内的压力槽采用既能满足CT扫描时X射线穿透煤试件要求、又有足够刚度满足力学测试的碳纤维材料。
2.如权利要求I所述的煤岩多物理场耦合作用测试装置，其特征在于，上述柱塞的结构由上、中、下三个变直径圆柱体组成，柱塞中段直径大于上段和下段直径；其中，柱塞下段的横截面积等于中段截面积减去上段截面积后剩余的环形截面积，中段部分在柱腔中形成活塞，使柱腔形成上、下两个环状空间，简称上环腔和下环腔；柱腔的下部直径和上部直径分别与柱塞的下段直径和上段直径配合，柱塞轴线位置上设有连通筒体内腔与第二高压气源的气体管线，在圆柱体上设有使圆柱体的下段底面与上环腔相通的通气道，该通气道连通筒体的内腔与上环腔；另外，还有管线贯穿柱塞中段和下段，连通筒体内腔与上环腔。
3.如权利要求2所述的煤岩多物理场耦合作用测试装置，其特征在于，顶盖上柱腔直径与柱塞中段直径相等，装入柱塞后在柱腔上部安装一个环套；柱塞置入顶盖柱腔后，将一个环套嵌套在柱塞上段，并固定在顶盖上柱腔。
4.如权利要求3所述的煤岩多物理场耦合作用测试装置，其特征在于，在柱塞中部、环套和下柱腔壁上均设有密封圈。
5.如权利要求1-4任一所述的测试装置的使用方法，其特征在于， 第一步将煤块加工成设计尺寸，并且表面平整度符合国际岩石力学学会推荐标准的长方体试件；分别沿平行、垂直煤试件轴线方向在其表面粘贴应变片和温度补偿片，应变片导线连接到底盘数据接口，与外设应变数据采集仪组成1/4惠通斯电桥；将煤试件安置在底盘的中心位置，密封组装底盘与筒体； 第二步连接顶盖中温度传感器与温度显示表，安装顶盖温度传感器，将其导线连接外置的温度显示仪；分别将四个气囊置入压力槽中；外设气源的管线穿过顶盖连接每个气囊；将橡胶活塞凸出端嵌套进压力槽内，并与内部的气囊接触；再将声发射传感器安装在每个凸形橡胶活塞两端的孔洞中；最后将四个压力槽对称安置在煤试件与筒体之间； 第三步密封连接顶盖与筒体，将柱塞连接到手动液压泵；并在顶盖和底盘外部包裹保温层； 第四步将装置固定在CT扫描台；首先沿煤试件轴线从底部到顶部的全尺寸进行CT扫描；记录扫描数据； 然后再对给底盘电热丝通电，同时开启声发射系统和应变采集系统，实时采集监测煤试件变形量及其声发射活动情况； 当顶盖温度传感器显示温度值与底盘温度相等时，煤试件温度达到设定值；根据煤试件体积变形情况，再对煤试件进行CT全尺寸扫描；记录扫描数据；第五步开启筒体的高压外设气源，通过调节减压阀使参考缸内气体压力达到设定值后关闭高压气源，待缸内气体状态稳定后，将参考缸内气体注入筒体；经过一段时间后，当煤试件体积变形量以及气体压力变送器监测到筒体内气压值变化平衡稳定后，说明煤试件已经处于吸附平衡状态； 第六步同时开启连接气囊的高压气源，调节减压阀分别给两组气囊注气，气囊膨胀变形后推动凸形橡胶活塞对煤试件施加两对不相等的中间主应力和最小主应力； 在保持 气囊压力不变的情况下，手动调节液压泵采用梯级加载方式，对煤试件施加轴向应力；待煤试件变形和筒体气体压力变化稳定后，对煤试件进行全尺寸CT扫描；记录扫描数据； 第七步根据不同试验测试要求，在不同应力水平和温度条件下开启排空气阀，释放筒体内气体；在此过程中气体压差变送器和气体质量流量计实时记录气体排放过程。
全文摘要
本发明公开了一种煤岩多物理场耦合作用测试装置及其使用方法，它是由顶盖、筒体和底盘组成一个密闭的筒体；顶盖内设有柱腔和温度传感器；柱腔内安装有柱塞，筒体内布置有压力槽，压力槽内部设有气囊和凸形橡胶活塞；气囊与外部高压气源连接；柱塞内设有用于向筒体充气的气体管线；橡胶活塞内安装声发射传感器，声发射传感器与外置的声发射采集系统连接；底盘上设排气口并连接气体压差变送器、气体质量流量计和气体数据采集仪；底盘内布置电热丝。本发明不仅可以实时记录在不同温度、应力状态下煤试件变形及其声发射活动，还可以进行煤-气吸附与解吸过程，并用CT技术定量可视化的煤试件细观结构特征。
文档编号G01N23/04GK102809574SQ20121026864
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者王春光, 蒋宇静, 谭云亮, 王刚, 冯吉利 申请人:山东科技大学