一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置论文和设计-严敏

全文摘要

本实用新型公开了一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，包括用于放置煤样的反应釜，还包括用于对反应釜加热的加热系统、用于对反应釜冷却的液氮注入系统、用于对煤样进行数据采集和分析的数据采集处理系统，煤样固定在反应釜底部。与现有技术相比，本实用新型通过可控温度的油浴热冲击和同时液氮冷冲击作用致裂煤体，并且可以实现热冷循环交替冲击实验，同时监测热冷冲击后煤孔裂隙变化，分析热冷冲击时，煤体微细观结构损伤致裂的规律和效果，定量描述裂隙位置、开度、数量等信息，为热冷冲击煤层这项新型增透技术提供理论依据和技术支撑。

主设计要求

1.一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，包括用于放置煤样的反应釜，其特征在于：还包括用于对反应釜加热的加热系统、用于对反应釜冷却的液氮注入系统、用于对煤样进行数据采集和分析的数据采集处理系统，煤样固定在反应釜底部，所述加热系统包括油浴罐、设置于油浴罐一侧的加油口、设置于油浴罐底部的排油口、设置于油浴罐内的润滑油中的加热棒以及设置于油浴罐外与加热棒连接用于控制加热棒开关的加热棒开关，反应釜下部浸没于油浴罐内的润滑油中；所述液氮注入系统包括自增压液氮罐、与自增压液氮罐的排液口连接的排液氮管路以及设置于排液氮管路上的流量计，排液氮管路的末端贯穿反应釜顶部延伸至反应釜的底部，所述反应釜顶部还设有排氮口，所述数据采集处理系统包括用于扫描煤样的CT图像的CT扫描仪以及通过数据连接线与CT扫描仪连接的用于通过图像重建将指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来，自动生成煤样内部切面的CT图的电脑。

设计方案

2.根据权利要求1所述的检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，其特征在于：所述油浴罐的加油口通过油管连接有润滑油注入系统，所述润滑油注入系统包括油罐、增压泵，油罐的出口通过压力式输油管连接增压泵的出口，压力式输油管上设有油品流量计，增压泵的出口通过油管与油浴罐的加油口连接，油管上设有阀门。

3.根据权利要求1所述的检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，其特征在于：所述煤样为直径50mm、高度100mm的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，其特征在于：所述反应釜为钢结构的双层真空杜瓦罐。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及热冷交替冲击致裂煤样的规律研究领域，特别是一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置。

背景技术

煤层气是在煤炭开采过程中形成的伴生气体，是一种导致煤矿灾害和温室效应的有毒有害气体，我国是一个煤炭资源大国，是煤炭消耗大国，煤层气储量十分丰富，数据表明，仅2017年，我国煤层气开采量就达到149亿m3，随着长期大规模开发，浅部资源日益枯竭，越来越多矿井进入深部开采阶段，深部开采煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，为保证安全开采，避免瓦斯突出等灾害，必须对瓦斯进行预抽采。而我国大部分矿区煤层瓦斯赋存具有“三高两低”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)，尤其是深部煤层渗透率低，使得采用常规钻孔预抽煤层瓦斯效果不理想，因此，如何提高低渗煤层的渗透率成为我国煤层气抽采和瓦斯灾害防治的关键。

目前国内外已先后提出了多种煤层致裂增透技术，如有水力化措施、二氧化碳爆破、高压空气爆破、电脉冲冲击波等增透技术。水力化措施主要包括水力压裂、水力割缝、高压水射流钻孔技术等，但水力化措施是把双刃剑，如水力压裂技术在顶板条件较差的情况下容易造成失稳,消耗水巨大的同时压裂液还污染地下水源，在增大煤层渗透性的同时,盲目地运用水力化措施还可能会诱发煤与瓦斯突出,造成不必要的损失；爆破增透技术由于不易控制易造成二次危害；而电脉冲击波技术缺乏一定的理论支撑，其安全性还不可知。因此，从安全性、有效性、可操作性、经济性、环保性考虑，液氮等作为压裂流体的无水压裂技术和油浴热冲击致裂煤体增透逐渐受到重视。

煤是一种天然地质体，具有割理、微裂隙及孔隙等多重缺陷结构。液氮临界气化温度为-195.8℃，容易制备且成本低，将液氮注入煤体可改变煤体孔隙和微裂隙结构，使原生微裂隙扩展以及产生新裂隙，增加煤的渗透性。但目前有研究发现，在对煤体进行热冲击的同时施加液氮冷冲击进行增透，实现热冷交替冲击可大大增加煤体的渗透率，如何在实验室进行热冷交替冲击致裂煤样的规律研究，为热冷交替冲击增透煤层瓦斯抽采应用提供科学依据和实验证据还是目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是要解决目前的实验室现有的实验装置往往只能满足对液氮增透的研究，无法实现热冷同时冲击的技术问题，提供一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置。

为达到上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：

一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，包括用于放置煤样的反应釜，还包括用于对反应釜加热的加热系统、用于对反应釜冷却的液氮注入系统、用于对煤样进行数据采集和分析的数据采集处理系统，煤样固定在反应釜底部，所述加热系统包括油浴罐、设置于油浴罐一侧的加油口、设置于油浴罐底部的排油口、设置于油浴罐内的润滑油中的加热棒以及设置于油浴罐外与加热棒连接用于控制加热棒开关的加热棒开关，反应釜下部浸没于油浴罐内的润滑油中；所述液氮注入系统包括自增压液氮罐、与自增压液氮罐的排液口连接的排液氮管路以及设置于排液氮管路上的流量计，排液氮管路的末端贯穿反应釜顶部延伸至反应釜的底部，所述反应釜顶部还设有排氮口，所述数据采集处理系统包括用于扫描煤样的CT图像的CT扫描仪以及通过通过数据连接线与CT扫描仪连接的用于通过图像重建将指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来，自动生成煤样内部切面的CT图的电脑。

作为本实用新型的技术方案的进一步改进，所述油浴罐的加油口通过油管连接有润滑油注入系统，所述润滑油注入系统包括油罐、增压泵，油罐的出口通过压力式输油管连接增压泵的出口，压力式输油管上设有油品流量计，增压泵的出口通过油管与油浴罐的加油口连接，油管上设有阀门。

作为本实用新型的优选技术方案，所述煤样为直径50mm、高度100mm的圆柱体。

作为本实用新型的优选技术方案，所述反应釜为钢结构的双层真空杜瓦罐。

与现有技术相比，本实用新型通过可控温度的油浴热冲击和同时液氮冷冲击作用致裂煤体，并且可以实现热冷循环交替冲击实验，同时监测热冷冲击后煤孔裂隙变化，分析热冷冲击时，煤体微细观结构损伤致裂的规律和效果，定量描述裂隙位置、开度、数量等信息，为热冷冲击煤层这项新型增透技术提供理论依据和技术支撑。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定实用新型。

如图1所示，本实施例的一种检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置，包括用于放置煤样的反应釜14，反应釜14为钢结构的双层真空杜瓦罐，可有效的降低液氮挥发速率，反应釜14底右上方可以设置煤样13的放入口；还包括用于对反应釜14加热的加热系统、用于对反应釜14冷却的液氮注入系统、用于对煤样13进行数据采集和分析的数据采集处理系统，煤样13固定在反应釜14底部，所述加热系统包括油浴罐11、设置于油浴罐11一侧的加油口5、设置于油浴罐11底部的排油口17、设置于油浴罐11内的润滑油中的加热棒15以及设置于油浴罐11外与加热棒15连接用于控制加热棒15开关的加热棒开关16，反应釜14下部浸没于油浴罐11内的润滑油中；所述液氮注入系统包括自增压液氮罐4、与自增压液氮罐4的排液口连接的排液氮管路7以及设置于排液氮管路7上的流量计8，排液氮管路7的末端贯穿反应釜14顶部延伸至反应釜14的底部，所述反应釜14顶部还设有排氮口12，排液氮管路7、流量计8需要能够承受液氮的低温，自增压液氮罐4可以直接从市面上购买使用，当需要向反应釜14中排入液氮时，只需关自增压液氮罐4自带的放空阀，开增压阀，观察压力表，当压力上升到0.05MPa(0.5kg\/cm^{2<\/sup>)时，打开排液阀，即可以连续向反应釜14中输入液氮；流量计8可以实时监测输送液氮的流量；排液氮管路7保证液氮输送；所述数据采集处理系统包括用于扫描煤样13的CT图像的CT扫描仪18以及通过通过数据连接线19与CT扫描仪18连接的用于通过图像重建将指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来，自动生成煤样内部切面的CT图的电脑20。}

在实际试验操作过程中，油浴罐11的加油口5通过油管6连接有润滑油注入系统，所述润滑油注入系统包括油罐2、增压泵1，油罐2的出口通过压力式输油管9连接增压泵1的出口，压力式输油管9上设有油品流量计3，增压泵1的出口通过油管6与油浴罐11的加油口5连接，油管6上设有阀门10。润滑油可以通过增压泵1通过压力式输油管9向油浴罐11输送润滑油；油品流量计3在油罐2的压力式输油管9上可以实时监测输送油的流量、压力式输油管保证油的输送；其中阀门采用耐油性阀门，用来控制油输送开关。

在实际试验操作过程中，所述煤样13为直径50mm、高度100mm的圆柱体。

利用上述实施例的检测煤样热冷冲击致裂效果实验装置进行检测煤样热冷冲击致裂效果实验时，具体操作如下：

实验开始时，先进行热冲击：打开阀门10，油罐2中储存的油在增压泵1的压力作用下通过压力式输油管9进入油浴罐11中，油品流量计3可以实时监测记录监测输送到油浴罐11中的润滑油的流量，润滑油即将充满油浴罐11时关闭阀门10，打开加热棒开关16，油浴温度加热到300±10℃，油浴对定反应釜14进行加热，进而对煤样13进行热冲击，加热持续时间根据测试试验要求进行调整；热冲击结束关闭加热棒开关16，油温自然冷却，打开油浴罐11底部的排油口17排出油渣，将排出的润滑油回收，可进行二次利用；油浴加热温度高、受热均匀不易产生局部过热。进行冷冲击：关自增压液氮罐4自带的放空阀，开增压阀，观察压力表，当压力上升到0.05MPa(0.5kg\/cm^{2<\/sup>)时，打开排液阀，即可以连续向反应釜14中输入液氮，流量计8可以实时监测记录液氮注入反应釜14的流量，液氮浸没煤样13后，关闭自增压液氮罐4的排液阀门，反应釜14为双层真空杜瓦罐，可有效的降低液氮的挥发速率，煤样13放置在反应釜的底部，底部可夹持煤样13，等到液氮与煤样13反应完毕，液氮挥发成氮气从排氮口12排出反应釜14；冷热冲击试验结束，取出煤样13进行CT扫描，通过CT扫描仪18观测冷热冲击作用煤样13裂隙条数、长度、宽度，扫描结果经过数据连接线19传输到电脑20，电脑通过图像重建，将指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来，自动生成煤样内部切面的CT图像，根据实验需要选择Z向投影图第几图幅，纵向切割2000层，X-Y向剖面图第几图幅。这是一次热冷交替冲击试验，可根据实验需要自行选择热冷交替实验次数，进行循环热冷冲击实验，在第一次热冷冲击实验结束后，待液氮挥发，重复热冷冲击实验步骤；直到循环结束，取出煤样13进行CT扫描，通过CT扫描仪18观测冷热冲击作用煤体试样裂隙条数、长度、宽度，扫描结果经过数据连接线19传输到电脑20，电脑通过图像重建，将指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来，自动生成煤样内部切面的CT图。}

本实用新型的实验装置通过上述过程可以实现试验油浴热冲击致裂煤样、液氮冷冲击致裂煤样，热冷交替冲击。观测煤样在热冷冲击致裂煤样后，煤样内部连通、不连通孔、裂隙分布情况，分析冷热冲击致裂煤样效果，进而能够为热冷冲击煤层这项新型增透技术提供理论依据和技术支撑。

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。

设计图

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主设计要求

设计方案

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