深部采動變形煤體氧化特性測試裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及深部采動變形煤體氧化特性測試裝置，具體涉及高應(yīng)力、高溫度、高氣體流動壓力、氣體濃度和流量及高強度采動變形的多重復(fù)雜環(huán)境下煤炭自燃氧化特性測試裝置。所述裝置由圓形腔體、液壓控制系統(tǒng)、氣源控制系統(tǒng)和氣體采集系統(tǒng)組成。其特征在于，圓形腔體外部與液壓控制系統(tǒng)、氣源控制系統(tǒng)和氣體采集系統(tǒng)連接，實驗時將制備完好的煤樣放入圓形腔體中，調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的壓力和溫度，使腔體內(nèi)實驗煤樣符合實際煤層的賦存環(huán)境，然后調(diào)節(jié)氣源系統(tǒng)的氣體濃度、流量和壓力，打開進氣閥門向?qū)嶒灻簶犹峁┰O(shè)定的氣源，打開出氣閥門并采集釋放氣體和溫度情況，以及實驗煤樣內(nèi)部溫度變化和應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，為此分析采動變形煤體的氧化特性。
【專利說明】深部采動變形煤體氧化特性測試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深部采動變形煤體氧化特性測試裝置，該裝置為煤礦災(zāi)害防治領(lǐng)域，具體涉及高應(yīng)力、高溫度、高氣體流動壓力和高強度采動變形的多重復(fù)雜環(huán)境下煤炭自燃氧化特性測試。

【背景技術(shù)】
[0002]煤炭工業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占70%左右。目前我國煤礦開采的總局勢淺度的儲存量偏少，而在千米以上的深度總儲量占得比較多，據(jù)資料調(diào)查，深度的儲藏量約占總量的70%以上。隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，向深部開采已成為趨勢。據(jù)相關(guān)資料，我國煤礦深部資源開采的深度定界為80(Tl500m。我國深部開采發(fā)展趨勢自1980年我國煤礦開采的平均深度為288m，1995年達到428m，20世紀末煤礦開采深度已經(jīng)近500m，2005年開采深度平均已經(jīng)達到700m，且煤礦開采深度以每年10?20m的速度增加，目前煤礦開采中我國很多礦井已進入800m到1500m深度的深部開采。深部開采所處復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，煤巖體均處于高地應(yīng)力、高地溫、高孔隙壓力和高強度擾動的狀態(tài)中，致易深部煤炭自燃火災(zāi)日趨嚴重。再者，我國淺部煤層發(fā)生自燃發(fā)火一直以來都非常嚴重，據(jù)統(tǒng)計，我國國有重點煤礦中具有易自然發(fā)火危險煤層的礦井約占56%，煤炭自燃是導(dǎo)致礦井火災(zāi)的主要因素，90%以上的礦井火災(zāi)是由煤炭自燃引起的，煤炭自燃成為礦井的主要災(zāi)害。然而隨著開采深度增加，地溫、地壓均線性增加，煤巖體的破碎度和塑性增大，煤巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，煤體中孔隙將發(fā)育、發(fā)展、變形與貫通，氣體的滲流擴散增強，煤的吸氧特性，熱量的積聚釋放規(guī)律和蓄熱環(huán)境將發(fā)生顯著變化，致使深部開采過程煤炭自燃特性明顯有別于淺部開采煤層，且自燃過程、氧化特性和防治技術(shù)將變得更加復(fù)雜。
[0003]目前，針對深部開采過程煤炭自燃呈現(xiàn)出的復(fù)雜問題，未有相關(guān)的實驗裝置能滿足深部開采復(fù)雜條件下煤炭自燃特性的測試，無法適應(yīng)深部煤炭開采的實際情況。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是實現(xiàn)深部開采過程中煤炭自燃特性測試方法，提供一種手段可靠，結(jié)構(gòu)合理，方法簡便，測量準確，數(shù)據(jù)可視化，測試效果好的滿足深部煤層賦存條件和開采過程中的采動變形煤體氧化特性的測試裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
本發(fā)明的深部采動變形煤體氧化特性測試裝置，該裝置由圓形腔體、液壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣源控制系統(tǒng)和氣體采集系統(tǒng)組成。其特征在于:圓形腔體是將制備后的煤樣放入腔體中，煤樣內(nèi)部預(yù)埋光纖溫度傳感器和光纖應(yīng)變傳感器，對煤樣和多孔墊板套上熱縮管，并安上應(yīng)變片，然后安置于圓形腔體內(nèi)，蓋上腔體蓋，按照實驗設(shè)定方案參數(shù)開始向腔體內(nèi)注入液壓油，調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)控制腔體內(nèi)的壓力，通過溫度控制系統(tǒng)控制腔體內(nèi)的溫度，使得腔體內(nèi)的實驗煤樣符合深部開采煤層的賦存環(huán)境，同時調(diào)節(jié)氣源系統(tǒng)所控制的空氣流量和氣體壓力參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集煤樣實驗過程中釋放的C0、02、CH4、C02、C2H4等參數(shù)和溫度變化情況，以及實驗煤樣內(nèi)部溫度變化和應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)分析和研究深部采動煤體變形過程中煤體氧化特性。
[0006]所述的圓形腔體為具有密閉和抗壓性能，腔體由主體腔體和腔體蓋組成，腔體內(nèi)部底座為下多孔墊板，多孔墊板上設(shè)置了一定數(shù)量的氣體通道，并與進氣管相連通；腔體內(nèi)部上部也存在上多孔墊板，與出氣管路路相連通。下多孔墊板通過固定栓固定，測試煤樣安置于上下多孔墊板之間，煤樣內(nèi)部預(yù)置光纖應(yīng)變傳感器和光纖溫度傳感器，煤樣外部及多孔墊板套熱縮管密封。
[0007]所述的液壓控制系統(tǒng)是將液壓油通過進油管路注入圓形腔體內(nèi)，為煤樣施加煤層賦存環(huán)境所需的應(yīng)力，其大小由壓力表獲??；同時卸壓時液壓油通過回油管路回流而降低圓形腔體內(nèi)的壓力。
[0008]所述的溫度控制系統(tǒng)是在圓形腔體外邊套上加熱圈，根據(jù)腔體內(nèi)部反饋的溫度值，通過溫度控制系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，獲得實驗所需的溫度。
[0009]所述的氣源控制系統(tǒng)是為實驗煤樣提供所需要的氧氣濃度、氣體壓力和流量大小，其通過精密流量計按照設(shè)定的實驗條件進行控制，為實驗煤樣提供所設(shè)定的條件。
[0010]所述的氣體采集系統(tǒng)是對采動變形煤樣升溫氧化后釋放出氣體進行監(jiān)測，主要監(jiān)測指標為CO、02、CH4、C02、C2H4等參數(shù)和溫度情況，其自動采集，為對比分析不同設(shè)定的實驗條件下氣體釋放特性和規(guī)律，并與實驗煤樣變形特性之間關(guān)系作更深入研究分析。
[0011]本發(fā)明的深部采動變形煤體氧化特性測試方法:
a、將制備好的原煤樣進行內(nèi)部預(yù)置光纖應(yīng)變傳感器和溫度傳感器，并安置于上下兩個多孔墊板之間，然后將熱縮管把煤樣進行密封嚴實，根據(jù)實驗需要在試樣外部貼上應(yīng)變片，然后安置于圓形腔體內(nèi)，固定底座的多孔墊板，安上圓形腔體封蓋，并密封完好。
[0012]b、通過液壓控制系統(tǒng)向圓形腔體內(nèi)注入液壓油，壓力表監(jiān)控腔體內(nèi)的壓力大小，當(dāng)達到實驗方案所設(shè)定的應(yīng)力值時，關(guān)閉進油閥門，使煤樣置于相應(yīng)的應(yīng)力環(huán)境。
[0013]C、調(diào)節(jié)圓形腔體外圍加熱圈，并通過溫度控制系統(tǒng)獲得腔體內(nèi)部所設(shè)定的溫度大小，使煤樣置于相應(yīng)的溫度環(huán)境。
[0014]d、根據(jù)所設(shè)定的實驗方案，調(diào)節(jié)好精密流量計所需的流量和壓力大小，同時啟動氣體采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)。
[0015]e、當(dāng)所有控制系統(tǒng)都調(diào)試好后，啟動采集系統(tǒng)，打開進氣閥門和出氣閥門，并在實驗過程中按照實驗設(shè)定的要求增加或降低腔體內(nèi)應(yīng)力，使煤體發(fā)生不同程度的變形，并氧化自燃。
[0016]f、根據(jù)實驗需要，開展不同應(yīng)力、不同溫度環(huán)境、不同氣體壓力條件下煤體變形和氧化測試實驗，根據(jù)采集的氣體成分和濃度、煤體內(nèi)部溫度和變形、排放氣體溫度等參數(shù)進行分析，研究深部開采環(huán)境下煤體變形和氧化特性。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
由上所述，本發(fā)明裝置是實現(xiàn)深部采動煤層變形過程中煤體氧化特性的測試，通過對圓形腔體內(nèi)的壓力和溫度設(shè)定，并置煤樣于其中，通過進氣管上的精密流量儀控制氣體流量和壓力，改變腔體內(nèi)液壓油的壓力獲得煤體應(yīng)力應(yīng)變及變形破斷程度，在不同變形過程中煤體出現(xiàn)的裂隙演化與不同壓力、不同濃度氧氣相互作用，釋放出的指標氣體成分和濃度將各有差異，通過對所監(jiān)測的參數(shù)進行分析，獲取深部煤層賦存環(huán)境下采動過程中煤體氧化規(guī)律，揭示深部采動煤體內(nèi)部變形、裂隙演化特征及其對氧氣吸附滲流規(guī)律，從而為深部開采煤層自燃的防治提供理論指導(dǎo)。
[0018]因而本發(fā)明裝置完全可以滿足深部開采采動煤層變形過程中煤體氧化特性的測試要求，創(chuàng)新性地提出測試裝置，填補在研究深部煤自燃過程中對實驗裝置的需求。該裝置結(jié)構(gòu)合理，操作容易，測試方法簡便，技術(shù)可靠，測量精度高，方法易掌握，數(shù)據(jù)自動采集和可視化，成本低，具有廣泛的適用性和推廣應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中有氣源控制系統(tǒng)1、進氣管路控制閥門2、精密流量計3、進氣管路4、進氣管路接頭5、進氣接嘴6、圓形腔體7、應(yīng)變片8、液壓油9、加熱圈10、腔體接口 11、腔體蓋12、上多孔墊板13、出氣接嘴14、出氣管路接頭15、出氣管路控制閥門16、氣體米集系統(tǒng)17、光纖應(yīng)力傳感器18、密閉熱縮管19、實驗煤樣20、光纖溫度傳感器21、熱電偶22、壓力表23、溫度控制系統(tǒng)24、進油控制閥門25、回油控制閥門26、下多孔墊板27、固定栓28、進油管路29、回油管路30、液壓控制系統(tǒng)31、數(shù)據(jù)采集卡32。
[0020]

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的深部采動變形煤體氧化特性測試裝置的實施例作進一步的描述:
本發(fā)明的深部采動變形煤體氧化特性測試裝置，根據(jù)實驗裝置制得標準圓柱型原煤樣(050mmX 100 mm)，對原煤樣進行預(yù)置光纖應(yīng)變傳感器和溫度傳感器的處理和加工，然后把煤樣安置在底座的多孔墊板(050mm)上，在煤樣和多孔墊板均套上熱縮管，在安放上部多孔墊板，利用電吹風(fēng)對熱縮管進行收縮處理，使熱縮管緊緊地把煤樣進行密封嚴實，實驗煤樣外部安上應(yīng)變片，并按圓形腔體內(nèi)部的固定栓位置把煤樣安置于腔體內(nèi)，蓋上圓形腔體的封蓋，并檢查整個腔體內(nèi)部的氣密性，保證密封完好。啟動液壓控制系統(tǒng)的液壓泵，打開進油閥門，開始向腔體內(nèi)注入液壓油，當(dāng)壓力表監(jiān)控腔體內(nèi)的壓力達到實驗所需的壓力值時，關(guān)閉進油閥門，使實驗煤樣處于設(shè)定的壓力值環(huán)境中，煤體將受壓縮而變形。然后啟動圓形腔體外圍的加熱圈，調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)所設(shè)定的溫度值，并一直恒定該溫度，使實驗煤樣處于設(shè)定的溫度值環(huán)境中，煤體因受熱將發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的變化。隨后啟動氣源控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)好精密流量計所需的流量和壓力大小，并調(diào)試所有的采集系統(tǒng)，可以通過兩種方式開展實驗，其一:恒定腔體內(nèi)的壓力和溫度，打開進氣閥門和出氣閥門，開展此條件下的煤體氧化實驗；其二，卸除腔體內(nèi)的壓力獲得煤體卸壓變形、裂隙產(chǎn)生、貫通和破斷，或根據(jù)實驗需要改變腔體內(nèi)的溫度，在打開氣源系統(tǒng)的進氣閥門和排氣閥門。實驗時間可以根據(jù)設(shè)定的實驗方案進行，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得實驗煤樣變形前后的CO、02、CH4、C02、C2H4、溫度和應(yīng)力、應(yīng)變的變形變化規(guī)律，通過一系列的實驗，最后對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析、作圖對比分析，獲得不同應(yīng)力、不同溫度環(huán)境、不同氣體壓力、氣體濃度和流量條件下煤體變形和升溫氧化規(guī)律，根據(jù)采集的氣體成分和濃度、煤體內(nèi)部溫度和變形、排放氣體溫度等參數(shù)進行研究深部開采環(huán)境下采動煤體變形和氧化特性，從而為深部開采煤層自燃的防治技術(shù)和早期自燃識別方法提供理論依據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.深部采動變形煤體氧化特性測試裝置，該裝置由圓形腔體(7)、液壓控制系統(tǒng)(31)、溫度控制系統(tǒng)(24 )、氣源控制系統(tǒng)(I)和氣體采集系統(tǒng)(17)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:圓形腔體(7)是將制備后的煤樣放入腔體中，煤樣內(nèi)部預(yù)埋光纖溫度傳感器和光纖應(yīng)變傳感器，并將套上密閉熱縮管(19)后安上應(yīng)變片(8)，然后安置于圓形腔體(7)內(nèi)，蓋上腔體蓋(12)，按照實驗設(shè)定方案由液壓控制系統(tǒng)(31)向腔體內(nèi)部注入液壓油(9)并控制腔體內(nèi)的壓力，通過溫度控制系統(tǒng)(24)控制腔體內(nèi)的溫度，使得腔體內(nèi)的實驗煤樣符合深部開采煤層的賦存環(huán)境，氣源控制系統(tǒng)(I)調(diào)試氣體流量和壓力參數(shù)，通過氣體采集系統(tǒng)(17)采集煤樣實驗過程中釋放氣體成分和、濃度和溫度變化情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述的圓形腔體(7)由主體腔體和腔體蓋(12)組成，并通過腔體接口( 11)連接，腔體上有進氣管路(4)和壓力表(23)，腔體內(nèi)部底座上有固定栓(25)，并與下多孔墊板(27)相接應(yīng)，下多孔墊板為圓形，尺寸為直徑0 50_，厚度根據(jù)實驗需要設(shè)定，氣內(nèi)部根據(jù)需要設(shè)置有一定數(shù)量的流動通道，并設(shè)有進氣接嘴(6)，與進氣管路相連通；腔體內(nèi)部上部也存在上多孔墊板(13)，出氣接嘴(14)與出氣管路接頭(15)相連，上、下多孔墊板之間間距為100mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:實驗煤樣安置于多孔墊板之間，煤樣內(nèi)部預(yù)置光纖應(yīng)變傳感器(18)和光纖溫度傳感器(21)，煤樣外部及多孔墊板受密閉熱縮管(19)密封，并安設(shè)有應(yīng)變片(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述的液壓控制系統(tǒng)(31)是將液壓油(9)通過進油管路(29)注入圓形腔體(7)內(nèi)，為煤樣施加受力所需的環(huán)境，其大小由壓力表(23)讀取；同時液壓油(9)通過回油管路(30)回流而改變圓形腔體(7)內(nèi)壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述的溫度控制系統(tǒng)(24)是在圓形腔體(7)外邊套上加熱圈(10)，根據(jù)腔體內(nèi)部熱電偶(22)反饋的溫度值進行自動調(diào)節(jié)，獲得實驗所需的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述的氣源控制系統(tǒng)(I)是為實驗煤樣提供所需要的氧氣濃度、氣體壓力和流量大小，其通過精密流量計(3)進行控制，為實驗煤樣提供所設(shè)定的條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述的氣體采集系統(tǒng)(17)是根據(jù)液壓控制系統(tǒng)(31)獲得變形煤樣后，對實驗煤樣升溫氧化所釋放出的氣體進行監(jiān)測，主要監(jiān)測指標為CO、02、CH4、C02、C2H4和溫度等參數(shù)。
【文檔編號】G01N33/22GK104316668SQ201410625651
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】潘榮錕, 余明高, 鄭立剛, 路長, 黃麗慧, 賈海林, 褚廷湘, 王健 申請人:河南理工大學(xué)