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一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，所述裝置包括加載系統(tǒng)、溫控加熱系統(tǒng)、聲發(fā)射測量系統(tǒng)、氣體采樣系統(tǒng)、絕緣與密封結構和冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明能夠同時實時測量高溫高壓作用下三軸煤巖試樣的表面溫度、軸向載荷、軸向應變、聲發(fā)射信號和實時采集高溫高壓下煤巖試樣的相變氣體產(chǎn)物，對研究高溫高壓下三軸煤巖的變形特性、裂紋萌生、擴展和斷裂規(guī)律以及煤巖的相變氣體產(chǎn)生量提供了有效的實驗設備及有效依據(jù)；同時可以考察溫度、軸向壓力和圍壓對煤巖變形特性、裂紋萌生、擴展和斷裂特性的影響規(guī)律，探索溫度、軸向壓力、圍壓和煤巖變形對煤巖相變氣體產(chǎn)生量的影響規(guī)律，這對定量表征高溫高壓下三軸煤巖力學特性和物理化學性能提供了有效的實驗裝備。
【專利說明】一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，用以研究高溫高壓下三軸煤巖的變形特性、裂紋萌生和擴展規(guī)律，還有煤巖的相變氣體產(chǎn)生量及其與煤巖變形的關系規(guī)律。
【背景技術】
[0002]在人類對深部采礦、煤層氣開采、地熱資源開采、煤炭地下液化與氣化以及深部油氣開采等深部資源能源開發(fā)過程中，迫切需要探索高溫高壓作用下巖體的特性。在煤炭開采過程中，煤是一種對溫度、壓力和構造應力都十分敏感的有機巖，在高溫高壓作用下，煤的變形特性、斷裂特性以及煤變形發(fā)生的氣體產(chǎn)生和突出現(xiàn)象影響煤炭開采的安全，比如，煤礦開采過程中經(jīng)常發(fā)生因巖體斷裂、垮落等引起的冒頂現(xiàn)象以及瓦斯突出事故。因此，模擬地殼深部巖石的三軸受力性態(tài)，提供一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，揭示高溫高壓下煤巖的變形特性、裂紋萌生和擴展規(guī)律以及煤巖的熱解反應，對煤田地質(zhì)和礦井瓦斯預測與防治具有重要的理論指導意義。
[0003]目前，常用的高溫高壓煤巖試驗裝置及方法有:專利號為CN201110267767公開的一種含有機質(zhì)巖體的高溫高壓三軸試驗裝置及方法，僅研究高溫高壓下大塊有機質(zhì)巖體的熱解產(chǎn)物；專利號為CN201320138995公開的一種型煤高溫高壓氣化特性評價裝置，考察反應溫度、氣化壓力、氣化劑流量對型煤氣化后氣體組成、焦油產(chǎn)率、氣化反應性、飛灰?guī)С鑫铩⒒以鼱顟B(tài)等的影響，只能對高溫高壓下型煤的氣化特性進行評價；專利申請?zhí)枮镃N201310121184公開的一種覆壓加溫下煤巖孔滲電聲應力應變聯(lián)測裝置，研究高溫高壓三軸作用下煤巖樣品的孔隙度、氣水相對滲透率、應力應變曲線、電阻率和聲波速度，未探討煤巖樣品的斷裂特性和熱解反應；專利申請?zhí)枮镃N201310220946和CN201310220947公開的一種高溫高壓熱解反應的試驗裝置及方法，只提供研究高溫高壓下油頁巖和低變質(zhì)煤熱解反應的三軸試驗裝置及方法。但是，對于實驗過程中，能同時研究高溫高壓下煤巖的變形特性、裂紋萌生、擴展和斷裂規(guī)律以及煤巖熱解反應的多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法還沒有。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，是一種功能齊全、方法簡便、易操作的高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，可以用以研究高溫高壓下煤巖的變形特性、裂紋萌生和擴展規(guī)律，還有煤巖的相變氣體產(chǎn)生量及其與煤巖變形的關系規(guī)律。
[0005]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0006]一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置，包括加載系統(tǒng)、溫控加熱系統(tǒng)、聲發(fā)射測量系統(tǒng)、氣體采樣系統(tǒng)、絕緣與密封結構和冷卻系統(tǒng):
[0007]所述加載系統(tǒng)包括基架、下加載單元、圍壓加載單元和上加載單元；[0008]所述基架包括底座、對稱設置在底座上的兩個支撐立柱、水平固定在兩個支撐立柱下部的支架、水平固定在兩個支撐立柱上部的承載梁；所述支架中部開設有通孔；
[0009]所述下加載單元包括帶有位移傳感器的液壓升降臺、設置在液壓升降臺上的下壓縮盤、設置在下壓縮盤上的加載塊、設置在加載塊上的T型塊、設置在T型塊上的下壓頭，所述液壓升降臺設置在底座的中部，所述加載塊的上表面設置有與T型塊大的下端相適配的定位結構；
[0010]所述圍壓加載單元包括筒體、設置在筒體內(nèi)部下端的環(huán)形圓盤、設置在環(huán)形圓盤上端的A葉蠟石粉層、設置在A葉蠟石粉層上端的鹽環(huán)、設置在鹽環(huán)上端的B葉蠟石粉層、設置在B葉蠟石粉層上端的環(huán)形螺紋套，煤巖試樣設置在筒體內(nèi)；
[0011]所述上加載單元包括上壓頭、設置在上壓頭上的A圓柱壓塊、設置在A圓柱壓塊上的凸型塊、與凸型塊相適配的壓蓋，設置在凸型塊上的B中間壓塊、設置在B中間壓塊上的上壓縮盤；
[0012]所述環(huán)形圓盤的外截面、A葉石蠟粉層的外截面、鹽環(huán)的外截面和B葉石蠟粉層的外截面與筒體相應位置處的內(nèi)截面形狀相同；支架中部的通孔形狀、T型塊小的上端的橫截面、下壓頭的橫截面、煤巖試樣的橫截面、上壓頭的橫截面、環(huán)形圓盤的內(nèi)截面、A葉石蠟粉層的內(nèi)截面、鹽環(huán)的內(nèi)截面、B葉石蠟粉層的內(nèi)截面形狀相同；所述T型塊小的上端依次穿過支架中部的通孔、環(huán)形圓盤中部的通孔和A葉石蠟粉層中部的通孔，所述的下壓頭、煤巖試樣、上壓頭和A圓柱壓塊由下至上依次疊放在T型塊的小端面上，并置于由下至上依次疊放的A葉石蠟粉層、鹽環(huán)、B葉石蠟粉層和環(huán)形螺紋套共同形成的通道內(nèi)，所述的煤巖試樣包括中部的煤巖和煤巖周圍包裹的組合套件，所述組合套件由內(nèi)至外依次為紫銅皮、云母板、電阻合金片和云母板，其中電阻合金片上下兩端分別與上壓頭和下壓頭接觸；所述的A葉石蠟粉層、鹽環(huán)、B葉石蠟粉層和A圓柱壓塊置于筒體內(nèi)，所述的環(huán)形螺紋套外部與筒體上端通過螺紋連接；所述筒體的下端與支架固定，所述凸型塊大的下端蓋住筒體的上端口，并通過壓蓋固定在筒體上，所述上壓縮盤與承載梁固定；所述承載梁上設置有拉壓傳感器；
[0013]所述溫控加熱系統(tǒng)包括加熱電極板、組合套件中的電阻合金片、鹽環(huán)、設置在鹽環(huán)內(nèi)的熱電偶計、智能化溫控儀和雙向可控硅；所述加熱電極板置于加載塊與下壓縮盤之間，并與加載塊底面接觸，與下壓縮盤之間隔有耐高溫絕緣板；所述熱電偶計的輸出信號接入智能化溫控儀，所述智能化溫控儀上的雙向可控硅對加熱電極板進行控制；
[0014]所述聲發(fā)射測量系統(tǒng)包括設置在加載塊側面的聲發(fā)射傳感器；
[0015]所述氣體采樣系統(tǒng)包括耐高溫不銹鋼管、氣體采樣器、安裝在氣體采樣器上的氣體采樣袋，所述耐高溫不銹鋼管設置在壓蓋上，高溫高壓作用下煤巖相變產(chǎn)生的氣體依次通過上壓頭上的通孔、上壓頭和A圓柱壓塊接觸面之間的縫隙、A圓柱壓塊中部的通孔、與A圓柱壓塊中部的通孔相連通的凸型塊大的端面徑向孔、凸型塊和壓蓋接觸面之間的縫隙、壓蓋上的通孔而進入耐高溫不銹鋼管內(nèi)，并將其引出至氣體采樣器；
[0016]所述絕緣與密封結構包括設置在凸型塊和B中間壓塊之間的A云母板、設置在下壓縮盤和加熱電極板之間的耐高溫絕緣板、設置在凸型塊和壓蓋臺階面之間的A紫銅墊、設置在壓蓋和筒體接觸面之間的B紫銅墊、設置在T型塊和下壓頭接觸面之間的C紫銅墊、設置在支架和筒體接觸面之間的D紫銅墊、設置在支架和T型塊之間的耐高溫高壓YX型密封圈；
[0017]所述冷卻系統(tǒng)包括纏繞在耐高溫不銹鋼管外側的A冷卻水管和纏繞在筒體外側的B冷卻水管。
[0018]優(yōu)選的，所述筒體的下端通過A沉頭螺釘與支架固定，所述壓蓋通過B沉頭螺釘與筒體固定，在凸型塊和壓蓋臺階面接觸邊緣、A沉頭螺釘和B沉頭螺釘?shù)念^部均涂有耐高溫絕緣膠。
[0019]優(yōu)選的，所述液壓升降臺為WEW-600微機控制屏顯萬能材料試驗機的液壓升降臺。
[0020]一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗方法，包括如下步驟:
[0021](I)將支架安裝在兩個支撐立柱上，T型塊穿過安裝有耐高溫高壓YX型密封圈的支架，T型塊大的下端置于加載塊上并通過定位結構定位；所述加載塊置于下壓縮盤上，在加載塊和下壓縮盤之間設置加熱電極板和耐高溫絕緣板；將聲發(fā)射傳感器置于加載塊的側面；
[0022](2)將環(huán)形圓盤套在T型塊上，將C紫銅墊和下壓頭依次放置于T型塊上，通過A沉頭螺釘將筒體固定在支架上，所述A沉頭螺釘?shù)念^部均涂有耐高溫絕緣膠，在筒體和支架之間墊有D紫銅墊；將A葉石蠟粉放入筒體與下壓頭之間的環(huán)形間隙內(nèi)；將煤巖試樣放置于下壓頭上，然后將鹽放入筒體與煤巖試樣之間的環(huán)形間隙內(nèi)，并將熱電偶計埋入鹽環(huán)，將鹽環(huán)壓實并引出熱電偶計的導線；將上壓頭放置于煤巖試樣上，然后將B葉石蠟粉放入筒體與上壓頭之間的環(huán)形間隙內(nèi)；通過扭矩扳手將環(huán)形螺紋套旋入筒體，直至壓縮B葉蠟石粉層至一定深度，預設煤巖圍壓大小可通過扭矩轉(zhuǎn)換計算得到，然后將A圓柱壓塊放入環(huán)形螺紋套內(nèi)孔中；
[0023](3)將凸型塊置于筒體上部端面上，壓蓋套在凸型塊上，并通過B沉頭螺釘固定于筒體上，所述B沉頭螺釘?shù)念^部均涂有耐高溫絕緣膠；在凸型塊和壓蓋臺階面之間設置A紫銅墊，在筒體和壓蓋接觸面之間設置B紫銅墊，在凸型塊和B中間壓塊之間設置A云母板；
[0024](4)將熱電偶計的引出導線接至智能化溫控儀上，通過雙向可控硅控制加熱電極板上電流的大??；將高溫高壓作用下煤巖相變產(chǎn)生的氣體通過耐高溫不銹鋼管引出，經(jīng)由氣體采樣器和氣體采樣袋采集；在筒體的外側纏繞B冷卻水管，在耐高溫不銹鋼管的外側纏繞A冷卻水管；
[0025](5)通過液壓升降臺移動下壓縮盤，使煤巖試樣受壓至初始設定軸向載荷，煤巖變形量和軸向載荷值大小分別通過位移傳感器和拉壓傳感器記錄；
[0026](6)通過溫控加熱系統(tǒng)對煤巖試樣加熱，當達到設定溫度時,煤巖試樣保溫,增大煤巖試樣軸向載荷至不同設定軸向載荷值，當達到最大設定軸向載荷值時，停止實驗；通過聲發(fā)射傳感器測量煤巖試樣壓縮過程中的聲發(fā)射信號，運用氣體采樣系統(tǒng)采集一定預設圍壓下不同軸向載荷值時對應的煤巖試樣相變產(chǎn)物。
[0027]有益效果:本發(fā)明提供的多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置及方法，相比現(xiàn)有技術，能夠同時實時測量高溫高壓作用下煤巖試樣的環(huán)境溫度、軸向載荷、軸向應變、聲發(fā)射信號和實時采集高溫高壓下煤巖試樣的相變氣體產(chǎn)物，對研究高溫高壓下煤巖的變形特性、裂紋萌生、擴展和斷裂規(guī)律，煤巖的相變氣體產(chǎn)生量提供了有效的實驗設備及有效依據(jù)；同時可以考察溫度、圍壓和軸向壓力對煤巖變形特性、裂紋萌生、擴展和斷裂特性的影響規(guī)律，探索溫度、圍壓、軸向壓力和煤巖變形對煤巖相變氣體產(chǎn)生量的影響規(guī)律，這對定量表征高溫高壓下煤巖力學特性和物理化學性能提供了有效的實驗裝備；其結構簡單、操作簡便、功能齊全、效果好，在本【技術領域】內(nèi)具有廣泛的實用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0029]其中:1-支撐立柱，2-承載梁，3-B中間壓塊，4-上壓縮盤，5_耐高溫不銹鋼管，6-A紫銅墊，7-A冷卻水管，8-B紫銅墊，9-A圓柱壓塊，IO-B冷卻水管，11-鹽環(huán)，12-組合套件(紫銅皮、云母板、電阻合金片、云母板)，13-氣體米樣器，14-氣體米樣袋，15-支架，16-D紫銅墊，17-A沉頭螺釘，18-加熱電極板，19-耐高溫絕緣板，20-加載塊，21-底座，22-液壓升降臺，23-下壓縮盤，24-T型塊，25-聲發(fā)射傳感器，26-耐高溫高壓YX型密封圈，27-環(huán)形圓盤，28-C紫銅墊，29-A葉蠟石粉層，30-下壓頭，31-筒體，32-熱電偶計，33-煤巖試樣，34-B葉蠟石粉層，35-上壓頭，36-環(huán)形螺紋套，37-B沉頭螺釘，38-壓蓋，39-凸型塊，40-A云母板，41-智能化溫控儀，42-雙向可控硅。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0031]如圖1所示為一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置，包括加載系統(tǒng)、溫控加熱系統(tǒng)、聲發(fā)射測量系統(tǒng)、氣體采樣系統(tǒng)、絕緣與密封結構和冷卻系統(tǒng)。
[0032]所述加載系統(tǒng)包括基架、下加載單元、圍壓加載單元和上加載單元。
[0033]所述基架包括底座21、對稱設置在底座21上的兩個支撐立柱1、水平固定在兩個支撐立柱I下部的支架15、水平固定在兩個支撐立柱I上部的承載梁2 ;所述支架15中部開設有通孔。
[0034]所述下加載單元包括帶有位移傳感器的WEW-600微機控制屏顯萬能材料試驗機(最大壓縮力600kN)的液壓升降臺22、設置在液壓升降臺22上的下壓縮盤23、設置在下壓縮23上的加載塊20、設置在加載塊20上的T型塊24、設置在T型塊24上的下壓頭30，所述液壓升降臺22設置在底21的中部，所述加載塊20的上表面設置有與T型塊24大的下端相適配的定位結構。
[0035]所述圍壓加載單元包括筒體31、設置在筒體31內(nèi)部下端的環(huán)形圓盤27、設置在環(huán)形圓盤27上端的A葉蠟石粉層29 (葉蠟石粉具有化學惰性、熔點高、耐高溫高壓和傳溫、傳壓均勻性等特征)、設置在A葉蠟石粉層29上端的鹽環(huán)11、設置在鹽環(huán)11上端的B葉蠟石粉層34、設置在B葉蠟石粉層34上端的環(huán)形螺紋套36，煤巖試樣33設置在筒體31內(nèi)。
[0036]所述上加載單元包括上壓頭35、設置在上壓頭35上的A圓柱壓塊9、設置在A圓柱壓塊9上的凸型塊39、與凸型塊39相適配的壓蓋38，設置在凸型塊39上的B中間壓塊
3、設置在B中間壓塊3上的上壓縮盤4。
[0037]所述環(huán)形圓盤27的外截面、A葉石蠟粉層29的外截面、鹽環(huán)11的外截面和B葉石蠟粉層34的外截面與筒體31相應位置處的內(nèi)截面形狀相同；支架15中部的通孔形狀、T型塊24小的上端的橫截面、下壓頭30的橫截面、煤巖試樣33的橫截面、上壓頭35的橫截面、環(huán)形圓盤27的內(nèi)截面、A葉石蠟粉層29的內(nèi)截面、鹽環(huán)11的內(nèi)截面、B葉石蠟粉層34的內(nèi)截面形狀相同；所述T型塊24小的上端依次穿過支架15中部的通孔、環(huán)形圓盤27中部的通孔和A葉石蠟粉層29中部的通孔，所述的下壓頭30、煤巖試樣33、上壓頭35和A圓柱壓塊由下至上依次疊放在T型塊24的小端面上，并置于由下至上依次疊放的A葉石蠟粉層29、鹽環(huán)11、B葉石蠟粉層34和環(huán)形螺紋套36共同形成的通道內(nèi)，所述的煤巖試樣33包括中部的煤巖和煤巖周圍包裹的組合套件12，所述組合套件12由內(nèi)至外依次為紫銅皮、云母板(最高工作溫度800°C)、電阻合金片和云母板，確保電阻合金片與紫銅皮之間的絕緣，其中電阻合金片上下兩端分別與上壓頭35和下壓頭30接觸；所述的A葉石蠟粉層29、鹽環(huán)11、B葉石蠟粉層34和A圓柱壓塊9置于筒體31內(nèi)，所述的環(huán)形螺紋套36外部與筒體31上端通過螺紋連接；所述筒體31的下端與支架15固定，所述凸型塊39大的下端蓋住筒體31的上端口，并通過壓蓋38固定在筒體31上，所述上壓縮盤4與承載梁2固定；所述的筒體31呈厚壁圓筒狀，采用熱塑模具鋼(H13)加工制作，該鋼材相變溫度為800°C ;所述承載梁2上設置有拉壓傳感器，所述拉壓傳感器用于測量壓縮過程中煤巖承受的軸向載荷和煤巖變形量。
[0038]所述溫控加熱系統(tǒng)包括加熱電極板18、組合套件12中的電阻合金片、鹽環(huán)11、設置在鹽環(huán)11內(nèi)的熱電偶計32、智能化溫控儀41和雙向可控硅42 ;所述加熱電極板18置于加載塊20與下壓縮盤23之間，并與加載塊20底面接觸，與下壓縮盤23之間隔有耐高溫絕緣板19 ;所述熱電偶計32的輸出信號接入智能化溫控儀41，所述智能化溫控儀41上的雙向可控硅42對加熱電極板18進行控制。
[0039]所述聲發(fā)射測量系統(tǒng)包括設置在加載塊20側面的聲發(fā)射傳感器25，在加載塊20側面和聲發(fā)射傳感器25之間涂有耦合劑。
[0040]所述氣體采樣系統(tǒng)包括耐高溫不銹鋼管5、氣體采樣器13、安裝在氣體采樣器上的氣體采樣袋14，所述耐高溫不銹鋼管5設置在壓蓋38上，高溫高壓作用下煤巖相變產(chǎn)生的氣體依次通過上壓頭35上的通孔、上壓頭35和A圓柱壓塊9接觸面之間的縫隙、A圓柱壓塊9中部的通孔、與A圓柱壓塊9中部的通孔相連通的凸型塊39大的端面徑向孔、凸型塊39和壓蓋38接觸面之間的縫隙、壓蓋38上的通孔而進入耐高溫不銹鋼管5內(nèi)，并將其引出至氣體采樣器13。
[0041]所述絕緣與密封結構包括設置在凸型塊39和B中間壓塊3之間的A云母板40、設置在下壓縮盤23和加熱電極板18之間的耐高溫絕緣板19、設置在凸型塊39和壓蓋38臺階面之間的A紫銅墊6、設置在壓蓋38和筒體31接觸面之間的B紫銅墊8、設置在T型塊24和下壓頭30接觸面之間的C紫銅墊28、設置在支架15和筒體31接觸面之間的D紫銅墊16、設置在支架15和T型塊24之間的耐高溫高壓YX型密封圈26 ;其中云母板和耐高溫絕緣板19起到絕緣作用，紫銅墊和密封圈起到密封作用，為了防止高溫高壓作用下煤巖發(fā)生相變產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物自由擴散。
[0042]所述冷卻系統(tǒng)包括纏繞在耐高溫不銹鋼管5外側的A冷卻水管6和纏繞在筒體25外側的B冷卻水管8。
[0043]一種多功能高溫高壓單軸煤巖試驗方法，包括如下步驟:
[0044](I)將支架15安裝在兩個支撐立柱I上，T型塊24穿過安裝有耐高溫高壓YX型密封圈的支架15，T型塊24大的下端置于加載塊20上并通過定位結構定位；所述加載塊20置于下壓縮盤23上，在加載塊20和下壓縮盤23之間設置加熱電極板18和耐高溫絕緣板19 ;將聲發(fā)射傳感器25置于加載塊20的側面；
[0045](2)將環(huán)形圓盤27套在T型塊24上，將C紫銅墊28和下壓頭30依次放置于T型塊24上，通過A沉頭螺釘17將筒體31固定在支架15上，所述A沉頭螺釘17的頭部均涂有耐高溫絕緣膠，在筒體31和支架15之間墊有D紫銅墊16 ;將A葉石蠟粉29放入筒體31與下壓頭30之間的環(huán)形間隙內(nèi)；將煤巖試樣33放置于下壓頭30上，然后將鹽11放入筒體31與煤巖試樣33之間的環(huán)形間隙內(nèi)，并將熱電偶計32埋入鹽環(huán)11，將鹽環(huán)，11壓實并引出熱電偶計32的導線；將上壓頭35放置于煤巖試樣33上，然后將B葉石蠟粉34放入筒體31與上壓頭35之間的環(huán)形間隙內(nèi)；通過扭矩扳手將環(huán)形螺紋套36旋入筒體31，直至壓縮B葉蠟石粉層34至一定壓縮量(O?10mm)，預設煤巖圍壓大小可通過扭矩轉(zhuǎn)換計算得到，然后將A圓柱壓塊9放入環(huán)形螺紋套36內(nèi)孔中；
[0046](3)將凸型塊39置于筒體31上部端面上，壓蓋38套在凸型塊39上，并通過B沉頭螺釘37固定于筒體31上，所述B沉頭螺釘37的頭部均涂有耐高溫絕緣膠；在凸型塊39和壓蓋38臺階面之間設置A紫銅墊6，在筒體31和壓蓋38接觸面之間設置B紫銅墊8，在凸型塊39和B中間壓塊3之間設置A云母板40 ；
[0047](4)將熱電偶計32的引出導線接至智能化溫控儀41上，通過雙向可控硅42控制加熱電極板18上電流的大?。粚⒏邷馗邏鹤饔孟旅簬r相變產(chǎn)生的氣體通過耐高溫不銹鋼管5引出，經(jīng)由氣體采樣器13和氣體采樣袋14采集；在筒體31的外側纏繞B冷卻水管10，在耐高溫不銹鋼管5的外側纏繞A冷卻水管7 ；
[0048](5)通過液壓升降臺22移動下壓縮盤23，使煤巖試樣33受壓至初始設定軸向載荷，煤巖變形量和軸向載荷值大小分別通過位移傳感器和拉壓傳感器記錄；
[0049](6)通過溫控加熱系統(tǒng)對煤巖試樣33加熱(加熱速率為10°C /h),當達到設定溫度時(常溫；50°C -600°C,間隔50°C),煤巖試樣33保溫,增大煤巖試樣軸向載荷(軸向載荷增量為20KN)至不同設定軸向載荷值，當達到最大設定軸向載荷值時，停止實驗；通過聲發(fā)射傳感器25測量煤巖試樣33壓縮過程中的聲發(fā)射信號，運用氣體采樣系統(tǒng)采集一定預設圍壓下不同軸向載荷值時對應的煤巖試樣33相變產(chǎn)物。
[0050]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置，其特征在于:包括加載系統(tǒng)、溫控加熱系統(tǒng)、聲發(fā)射測量系統(tǒng)、氣體采樣系統(tǒng)、絕緣與密封結構和冷卻系統(tǒng): 所述加載系統(tǒng)包括基架、下加載單元、圍壓加載單元和上加載單元； 所述基架包括底座(21)、對稱設置在底座(21)上的兩個支撐立柱(1)、水平固定在兩個支撐立柱(1)下部的支架(15)、水平固定在兩個支撐立柱(1)上部的承載梁(2);所述支架(15)中部開設有通孔； 所述下加載單元包括帶有位移傳感器的液壓升降臺(22)、設置在液壓升降臺(22)上的下壓縮盤(23)、設置在下壓縮盤(23)上的加載塊(20)、設置在加載塊(20)上的T型塊(24 )、設置在T型塊(24 )上的下壓頭(30 )，所述液壓升降臺(22 )設置在底座(21)的中部，所述加載塊(20)的上表面設置有與T型塊(24)大的下端相適配的定位結構； 所述圍壓加載單元包括筒體(31)、設置在筒體(31)內(nèi)部下端的環(huán)形圓盤(27)、設置在環(huán)形圓盤(27 )上端的A葉蠟石粉層(29 )、設置在A葉蠟石粉層(29 )上端的鹽環(huán)(11 )、設置在鹽環(huán)(11)上端的B葉蠟石粉層(34)、設置在B葉蠟石粉層(34)上端的環(huán)形螺紋套(36)，煤巖試樣(33)設置在筒體(31)內(nèi)； 所述上加載單元包括上壓頭(35)、設置在上壓頭(35)上的A圓柱壓塊(9)、設置在A圓柱壓塊(9)上的凸型塊(39)、與凸型塊(39)相適配的壓蓋(38)，設置在凸型塊(39)上的B中間壓塊(3)、設置在B中間壓塊(3)上的上壓縮盤(4)； 所述環(huán)形圓盤(27)的外截面、A葉石蠟粉層(29)的外截面、鹽環(huán)(11)的外截面和B葉石蠟粉層(34)的外截面與筒體(31)相應位置處的內(nèi)截面形狀相同；支架(15)中部的通孔形狀、T型塊(24)小的上端的橫截面、下壓頭(30)的橫截面、煤巖試樣(33)的橫截面、上壓頭(35)的橫截面、環(huán)形圓盤(27)的內(nèi)截面、A葉石蠟粉層(29)的內(nèi)截面、鹽環(huán)(11)的內(nèi)截面、B葉石蠟粉層(34)的內(nèi)截面形狀相同；所述T型塊(24)小的上端依次穿過支架(15)中部的通孔、環(huán)形圓盤(27)中部的通孔和A葉石蠟粉層(29)中部的通孔，所述的下壓頭(30)、煤巖試樣(33)、上壓頭(35)和A圓柱壓塊由下至上依次疊放在T型塊(24)的小端面上，并置于由下至上依次疊放的A葉石蠟粉層(29)、鹽環(huán)(11)、B葉石蠟粉層(34)和環(huán)形螺紋套(36)共同形成的通道內(nèi)，所述的煤巖試樣(33)包括中部的煤巖和煤巖周圍包裹的組合套件(12)，所述組合套件(12)由內(nèi)至外依次為紫銅皮、云母板、電阻合金片和云母板，其中電阻合金片上下兩端分別與上壓頭(35)和下壓頭(30)接觸；所述的A葉石蠟粉層(29)、鹽環(huán)(11)、B葉石蠟粉層(34)和A圓柱壓塊(9)置于筒體(31)內(nèi)，所述的環(huán)形螺紋套(36)外部與筒體(31)上端通過螺紋連接；所述筒體(31)的下端與支架(15)固定，所述凸型塊(39)大的下端蓋住筒體(31)的上端口，并通過壓蓋(38)固定在筒體(31)上，所述上壓縮盤(4)與承載梁(2)固定；所述承載梁(2)上設置有拉壓傳感器； 所述溫控加熱系統(tǒng)包括加熱電極板(18)、組合套件(12)中的電阻合金片、鹽環(huán)(11)、設置在鹽環(huán)(11)內(nèi)的熱電偶計(32)、智能化溫控儀(41)和雙向可控硅(42);所述加熱電極板(18)置于加載塊(20)與下壓縮盤(23)之間，并與加載塊(20)底面接觸，與下壓縮盤(23)之間隔有耐高溫絕緣板(19);所述熱電偶計(32)的輸出信號接入智能化溫控儀(41)，所述智能化溫控儀(41)上的雙向可控硅(42)對加熱電極板(18)進行控制； 所述聲發(fā)射測量系統(tǒng)包括設置在加載塊(20)側面的聲發(fā)射傳感器(25)； 所述氣體采樣系統(tǒng)包括耐高溫不銹鋼管(5)、氣體采樣器(13)、安裝在氣體采樣器上的氣體采樣袋(14)，所述耐高溫不銹鋼管(5)設置在壓蓋(38)上，高溫高壓作用下煤巖相變產(chǎn)生的氣體依次通過上壓頭(35)上的通孔、上壓頭(35)和A圓柱壓塊(9)接觸面之間的縫隙、A圓柱壓塊(9)中部的通孔、與A圓柱壓塊(9)中部的通孔相連通的凸型塊(39)大的端面徑向孔、凸型塊(39)和壓蓋(38)接觸面之間的縫隙、壓蓋(38)上的通孔而進入耐高溫不銹鋼管(5)內(nèi)，并將其引出至氣體采樣器(13)； 所述絕緣與密封結構包括設置在凸型塊(39)和B中間壓塊(3)之間的A云母板(40)、設置在下壓縮盤(23)和加熱電極板(18)之間的耐高溫絕緣板(19)、設置在凸型塊(39)和壓蓋(38)臺階面之間的A紫銅墊(6)、設置在壓蓋(38)和筒體(31)接觸面之間的B紫銅墊(8)、設置在T型塊(24)和下壓頭(30)接觸面之間的C紫銅墊(28)、設置在支架(15)和筒體(31)接觸面之間的D紫銅墊(16 )、設置在支架(15 )和T型塊(24)之間的耐高溫高壓YX型密封圈(26)； 所述冷卻系統(tǒng)包括纏繞在耐高溫不銹鋼管(5)外側的A冷卻水管(7)和纏繞在筒體(31)外側的B冷卻水管(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置，其特征在于:所述筒體(31)的下端通過A沉頭螺釘(17)與支架(15)固定，所述壓蓋(38)通過B沉頭螺釘(36)與筒體(31)固定，在凸型塊(39)和壓蓋(38)臺階面接觸邊緣、A沉頭螺釘(17)和B沉頭螺釘(36)的頭部均涂有耐高溫絕緣膠。
3.根據(jù)權利要求1所述的多功能高溫高壓三軸煤巖試驗裝置，其特征在于:所述液壓升降臺為WEW-600微機控制屏顯萬能材料試驗機的液壓升降臺。
4.一種多功能高溫高壓三軸煤巖試驗方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將支架(15)安裝在兩個支撐立柱(I)上，T型塊(24)穿過安裝有耐高溫高壓YX型密封圈的支架(15)，T型塊(24)大的下端置于加載塊(20)上并通過定位結構定位；所述加載塊(20 )置于下壓縮盤(23 )上，在加載塊(20 )和下壓縮盤(23 )之間設置加熱電極板(18 )和耐高溫絕緣板(19);將聲發(fā)射傳感器(25)置于加載塊(20)的側面； (2)將環(huán)形圓盤(27)套在T型塊(24)上，將C紫銅墊(28)和下壓頭(30)依次放置于T型塊(24)上，通過A沉頭螺釘(17)將筒體(31)固定在支架(15)上，所述A沉頭螺釘(17)的頭部均涂有耐高溫絕緣膠，在筒體(31)和支架(15)之間墊有D紫銅墊(16);將A葉石蠟粉(29)放入筒體(31)與下壓頭(30)之間的環(huán)形間隙內(nèi)；將煤巖試樣(33)放置于下壓頭(30)上，然后將鹽(11)放入筒體(31)與煤巖試樣(33)之間的環(huán)形間隙內(nèi)，并將熱電偶計(32)埋入鹽環(huán)(11)，將鹽環(huán)(11)壓實并引出熱電偶計(32)的導線；將上壓頭(35)放置于煤巖試樣(33)上，然后將B葉石蠟粉(34)放入筒體(31)與上壓頭(35)之間的環(huán)形間隙內(nèi)；通過扭矩扳手將環(huán)形螺紋套(36 )旋入筒體(31)，直至壓縮B葉蠟石粉層(34 )至一定深度，預設煤巖圍壓大小可通過扭矩轉(zhuǎn)換計算得到，然后將A圓柱壓塊(9)放入環(huán)形螺紋套(36)內(nèi)孔中； (3 )將凸型塊(39 )置于筒體(31)上部端面上，壓蓋(38 )套在凸型塊(39 )上，并通過B沉頭螺釘(37)固定于筒體(31)上，所述B沉頭螺釘(37)的頭部均涂有耐高溫絕緣膠；在凸型塊(39)和壓蓋(38)臺階面之間設置A紫銅墊(6)，在筒體(31)和壓蓋(38)接觸面之間設置B紫銅墊(8 )，在凸型塊(39 )和B中間壓塊(3 )之間設置A云母板(40 ); (4)將熱電偶計(32)的引 出導線接至智能化溫控儀(41)上，通過雙向可控硅(42)控制加熱電極板(18)上電流的大?。粚⒏邷馗邏鹤饔孟旅簬r相變產(chǎn)生的氣體通過耐高溫不銹鋼管(5)引出，經(jīng)由氣體采樣器(13)和氣體采樣袋(14)采集；在筒體(31)的外側纏繞B冷卻水管(10)，在耐高溫不銹鋼管(5)的外側纏繞A冷卻水管(7)； (5 )通過液壓升降臺(22 )移動下壓縮盤(23 )，使煤巖試樣(33 )受壓至初始設定軸向載荷，煤巖變形量和軸向載荷值大小分別通過位移傳感器和拉壓傳感器記錄； (6)通過溫控加熱系統(tǒng)對煤巖試樣(33)加熱，當達到設定溫度時，煤巖試樣(33)保溫，增大煤巖試樣軸向載荷至不同設定軸向載荷值，當達到最大設定軸向載荷值時，停止實驗；通過聲發(fā)射傳感器(25)測量煤巖試樣(33)壓縮過程中的聲發(fā)射信號，運用氣體采樣系統(tǒng)米集一定預設圍壓下不同 軸向載荷值時對應的煤巖試樣(33)相變產(chǎn)物。
【文檔編號】G01N29/14GK103884604SQ201410138432
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權日:2014年4月8日
【發(fā)明者】王琳琳, 姜波, 王大剛, 茅獻彪 申請人:中國礦業(yè)大學