一種煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種凍融試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，尤其是一種煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高瓦斯礦井和有瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井占到了全國(guó)礦井總數(shù)量的30%左右，而重、特大惡性瓦斯事故的高發(fā)生頻率并沒(méi)有得到根本性的解決，這將嚴(yán)重阻礙著未來(lái)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢(shì)在必行。但我國(guó)煤層多為高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽采難度大，瓦斯抽采濃度較低，大部分低于20%。目前多采用水力壓裂、水力割縫和預(yù)裂爆破等方法來(lái)增大煤層透氣性，隨著礦井深度和開采強(qiáng)度的不斷增加，常規(guī)煤層增透抽采瓦斯方法致裂增透范圍小，煤體無(wú)法形成大范圍瓦斯抽采裂隙網(wǎng)，使得瓦斯抽采率低，瓦斯治理效果不理想。提出一種高效增透煤層抽采瓦斯方法是加快破解深部煤炭開采災(zāi)害防治的重點(diǎn)。
[0003]凍融現(xiàn)象是自然界中一種常見的物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象，尤其出現(xiàn)在溫差變化比較大的物體構(gòu)造中，如青藏高原、北方地區(qū)的公路和建筑物。凍融侵蝕是由于土壤及其母質(zhì)孔隙中或巖石裂縫中的水分在凍結(jié)時(shí)，體積膨脹，使裂隙隨之加大、增多所導(dǎo)致整塊土體或巖石發(fā)生碎裂，消融后其抗蝕穩(wěn)定性大為降低，在重力作用下巖土順坡向下方產(chǎn)生位移的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)件表面和內(nèi)部所含水分的凍結(jié)和融化的交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)。凍融循環(huán)的反復(fù)出現(xiàn)，造成物體構(gòu)造的嚴(yán)重破壞。
[0004]在常壓下，液氮溫度可達(dá)一 196°C，汽化潛熱為5.56kJ/mol, Im3的液氮可以膨脹為696m3的21°C純氣態(tài)氮，汽化時(shí)可吸收周圍大量熱量。液氮具有制備簡(jiǎn)單、原料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在煤體凍融循環(huán)中液氮可作為一種高效的制冷和增透介質(zhì)。
[0005]針對(duì)目前抽采瓦斯技術(shù)的不足，可以通過(guò)液氮的相變對(duì)煤層進(jìn)行循環(huán)凍融致裂，為高瓦斯煤層提供一種更加高效的煤層增透方法，提出一種基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透煤層抽采瓦斯方法，煤體在水相變凍脹力、液氮?dú)饣蛎浟σ约拔⒖滓后w流動(dòng)滲透壓共同作用下，促使低滲透煤層中宏觀裂隙和微觀裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，溝通瓦斯抽采裂隙網(wǎng)，增加煤層透氣性。由于液氮循環(huán)凍融增透煤層抽采瓦斯方法受諸多因素影響，如何在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種影響因素對(duì)煤巖體增透的規(guī)律的研究，為液氮循環(huán)凍融增透煤層抽采瓦斯工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，以及確定各影響變量的最佳值是目前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，旨在為液氮循環(huán)凍融增透煤層抽采瓦斯的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:一種煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括凍融裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和煤巖樣品，所述凍融裝置包括液氮凍融試驗(yàn)箱和自增壓液氮罐，煤巖樣品放置在液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)，液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)有加熱器和液位傳感器，加熱器通過(guò)溫控器連接線連接溫度控制器，溫度控制器連接計(jì)算機(jī)，液位傳感器與設(shè)置在液氮凍融試驗(yàn)箱外側(cè)的液位顯示器連接，液氮凍融試驗(yàn)箱頂部設(shè)有液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋，液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋上設(shè)有安全泄壓閥、低溫壓力表和排空閥，液氮凍融試驗(yàn)箱底部通過(guò)液氮供給管路連接自增壓液氮罐；
[0008]所述液氮供給管路包括三通接頭，三通接頭第一端連接液氮凍融試驗(yàn)箱底部，三通接頭第二端設(shè)有進(jìn)液閥/排液閥，三通接頭第三端設(shè)有增壓閥，自增壓液氮罐設(shè)有液氮罐截止閥，液氮罐截止閥通過(guò)耐低溫金屬軟管連接進(jìn)液閥/排液閥，在液氮凍融試驗(yàn)箱外側(cè)設(shè)有液氮增壓管，液氮增壓管上端與液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)部連通，液氮增壓管下端連接增壓閥；
[0009]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括高頻壓力傳感器、低溫應(yīng)變片和溫度傳感器探頭，低溫應(yīng)變片和溫度傳感器探頭分別布置在煤巖樣品不同位置，低溫應(yīng)變片通過(guò)應(yīng)變儀連接線連接應(yīng)變儀，溫度傳感器探頭通過(guò)溫度傳感器連接線連接溫度傳感器，應(yīng)變儀和溫度傳感器均連接計(jì)算機(jī)，高頻壓力傳感器布置在液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)側(cè)，高頻壓力傳感器通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)。
[0010]進(jìn)一步的，所述液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋一側(cè)通過(guò)鉸鏈與液氮凍融試驗(yàn)箱連接，液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋另一側(cè)設(shè)有密封蓋把手和緊固螺栓，在液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋底面與液氮凍融試驗(yàn)箱頂部相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有密封槽。
[0011]進(jìn)一步的，所述液氮凍融試驗(yàn)箱含有聚氨酯絕熱層。
[0012]本發(fā)明的煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)方法:液氮凍融試驗(yàn)中，首先打開進(jìn)液閥/排液閥和液氮罐截止閥，液氮由耐低溫金屬軟管注入液氮凍融試驗(yàn)箱，通過(guò)液位顯示器控制注入液氮量，當(dāng)凍融凍融試驗(yàn)箱內(nèi)壓力超過(guò)額定壓力時(shí)，安全泄壓閥自動(dòng)泄壓，保證試驗(yàn)的安全性，煤巖樣品在液氮中凍結(jié)一定時(shí)間后，打開進(jìn)液閥/排液閥排出液氮，由溫度控制器設(shè)定融化溫度后經(jīng)過(guò)加熱器加熱，煤巖樣品開始融化，完成一次液氮凍融循環(huán)；隨后多次重復(fù)上述液氮凍融循環(huán)，考察不同凍融變量條件下對(duì)煤巖樣品的應(yīng)變和溫度影響規(guī)律，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)處理分析。
[0013]進(jìn)一步的，在考察不同凍融變量條件下對(duì)煤巖樣品的應(yīng)變和溫度影響規(guī)律時(shí)，首先通過(guò)設(shè)置不同液氮凍結(jié)時(shí)間、不同融化溫度、不同樣品含水率、不同液氮膨脹壓和不同循環(huán)次數(shù)，以獲取多個(gè)不同凍融變量下增透致裂的煤巖樣品，然后把各個(gè)煤巖樣品進(jìn)行編號(hào)，通過(guò)三軸/單軸壓縮試驗(yàn)及扭剪試驗(yàn)測(cè)得各個(gè)煤巖樣品的力學(xué)特征變化規(guī)律，通過(guò)核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、電鏡掃描技術(shù)、CT掃描技術(shù)測(cè)試各個(gè)煤巖樣品的巖體孔隙特征和微觀形態(tài)變化規(guī)律，最后通過(guò)對(duì)各個(gè)煤巖樣品的力學(xué)特征變化規(guī)律、巖體孔隙特征和微觀形態(tài)變化規(guī)律定量分析，找出最佳的液氮凍結(jié)時(shí)間和融化溫度以及樣品含水率和液氮凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)液氮凍融增透煤巖體過(guò)程中的影響規(guī)律。
[0014]進(jìn)一步的，試驗(yàn)過(guò)程中，液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)液氮膨脹壓力由增壓閥、液氮增壓管和低溫壓力表聯(lián)合控制，控制過(guò)程如下:首先打開增壓閥，液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)的液氮進(jìn)入液氮增壓管，液氮增壓管為單層導(dǎo)熱銅管，液氮在其中吸熱急速膨脹汽化為氮?dú)?，氮?dú)膺M(jìn)入液氮凍融試驗(yàn)箱，由低溫壓力表顯示壓力值聯(lián)合控制增壓閥的開關(guān)，來(lái)控制液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)的液氮膨脹壓，液氮凍融試驗(yàn)箱內(nèi)液氮膨脹壓力通過(guò)液氮施加在煤巖樣品上，即試驗(yàn)過(guò)程中煤巖樣品所受圍壓大小。
[0015]有益效果:本發(fā)明可模擬液氮循環(huán)凍融增透煤體或巖體的過(guò)程，為液氮循環(huán)凍融增透煤巖體抽采瓦斯或頁(yè)巖氣提供了一種可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可定量研究液氮凍融增透煤巖體的基本參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)液氮凍融實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；
[0017]圖2是液氮凍融箱立體圖；
[0018]圖3是煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)方法流程圖。
[0019]圖中:1 一計(jì)算機(jī)，2 —溫度控制器，21 —加熱器，22 —溫控器連接線，3 —高頻壓力傳感器，31 - USB數(shù)據(jù)線，4 一應(yīng)變儀，41 一低溫應(yīng)變片，42 —應(yīng)變儀連接線，5 —溫度傳感器，51 —溫度傳感器探頭，52 —溫度傳感器連接線，6 —液氮凍融試驗(yàn)箱，61 —安全卸壓閥，62 —低溫壓力表，63 —排空閥，64 —凍融箱密封蓋，65 —密封槽，66 —密封蓋把手，67 —緊固螺栓，68 —液位顯示器，69 —液位傳感器，610 —液氮增壓管，611 —增壓閥，612 一三通接頭，613 —進(jìn)液閥/排液閥，7 —自增壓液氮罐，71 —液氮罐截止閥，72 —耐低溫金屬軟管，8 —煤巖試樣。
【具體實(shí)施方式】
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[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0021]如圖1和2所示，本發(fā)明的煤巖樣品液氮循環(huán)凍融增透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括凍融裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和煤巖樣品8。
[0022]所述凍融裝置包括液氮凍融試驗(yàn)箱6和自增壓液氮罐7，煤巖樣品8放置在液氮凍融試驗(yàn)箱6內(nèi)。所述液氮凍融試驗(yàn)箱6含有聚氨酯絕熱層，液氮凍融試驗(yàn)箱6內(nèi)有加熱器21和液位傳感器69，加熱器21通過(guò)溫控器連接線22連接溫度控制器2，溫度控制器2連接計(jì)算機(jī)1，液位傳感器69與設(shè)置在液氮凍融試驗(yàn)箱6外側(cè)的液位顯示器68連接。
[0023]液氮凍融試驗(yàn)箱6頂部設(shè)有液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64，液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64上設(shè)有安全泄壓閥61、低溫壓力表62和排空閥63，液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64 —側(cè)通過(guò)鉸鏈與液氮凍融試驗(yàn)箱6連接，液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64另一側(cè)設(shè)有密封蓋把手66和緊固螺栓67，在液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64底面與液氮凍融試驗(yàn)箱6頂部相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有密封槽65。通過(guò)緊固螺栓67閉合液氮凍融試驗(yàn)箱密封蓋64，通過(guò)密封槽65保證試驗(yàn)環(huán)境絕熱性，當(dāng)液氮凍融試驗(yàn)箱6內(nèi)壓力超過(guò)額定壓力時(shí)，安全泄壓閥61自動(dòng)泄壓，保證試驗(yàn)的安全性，當(dāng)需要帶壓取樣時(shí)，先打開排空閥63卸載氮?dú)鈮毫螅娇扇〕鰳悠贰?br>[0024]液氮凍融試驗(yàn)箱6底部通過(guò)液氮供給管路連接自增壓液氮罐7，所述液氮供給管路包括三通接頭612，三通接頭612第一端連接液氮凍融試驗(yàn)箱6底部，三通接頭612第二端設(shè)有進(jìn)液閥/排液閥613，三通接頭612第三端設(shè)有增壓閥611，自增壓液氮罐設(shè)有液氮罐截止閥71，液氮罐截止閥71通過(guò)耐