一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置及方法

技术领域

本发明属于煤岩渗透率测定技术领域，具体涉及一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置及方法。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，也是煤炭消费大国，随着开采活动的进行，煤炭资源的深部开采已经成为新常态，而深部埋藏煤层瓦斯赋存丰富，同时瓦斯灾害也更加严重。据统计，我国高瓦斯矿井和有瓦斯突出危险的矿井占到了全国矿井总量的30％，重、特大瓦斯事故的高发频率并没有得到根本性的解决，这将严重阻碍我国安全生产工作的顺利进行。因此，煤矿瓦斯抽采工作，势在必行。

要做好煤矿瓦斯抽采工作，就要清楚掌握煤岩的瓦斯渗透率大小变化，然而深部开采往往伴随着频繁的冲击地压灾害，在冲击地压的作用下，煤岩裂隙不断发育，其瓦斯渗透率也逐渐发生变化，然而强烈的冲击地压可能造成猛烈的瓦斯涌出甚至煤与瓦斯突出，因此实时监测在冲击地压下煤岩渗透率的变化规律显得尤为重要，然而现有的煤岩渗透率测定装置多是静载下的。因此，需要设计一种可以模拟冲击地压下煤岩的渗透率测定装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其结构设计合理，方法步骤简便，通过围压伺服作动器和动静态伺服作动器，便于对煤样进行轴压和围压的单向加载试验以及轴压和围压的复合扰动加载试验，进而便于模拟冲击地压下煤岩的破坏情况，以获得煤岩的瓦斯渗透率变化，解决现有深地矿山冲击地压灾害下，煤岩渗透率快速变化不易监测防范的问题，能保证煤矿安全生产工作的顺利进行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：包括主体加载系统、气体供应系统、流量及应力应变监测系统和计算机；

所述主体加载系统包括恒温箱、围压伺服作动器、动静态伺服作动器以及上部开口的煤样放置盒，所述动静态伺服作动器位于恒温箱的正上方，所述煤样放置盒位于恒温箱内，所述动静态伺服作动器的承压筒由上至下伸入至恒温箱内，所述煤样放置盒的上端伸入至承压筒内；

所述气体供应系统包括用于对煤样放置盒供气的供气管路和用于对煤样放置盒抽真空的抽真空管路，所述供气管路的进气口连接有气体搅拌装置，所述气体搅拌装置上连接有多个供气瓶，所述供气管路上设置有储气罐和减压阀，所述抽真空管路的出气口设置有真空泵，所述抽真空管路上设置有排气管，所述供气管路上靠近煤样放置盒的一端和抽真空管路的两端均设置有开关阀；

所述流量及应力应变监测系统包括设置在煤样上的应变片、与应变片连接的应变测试仪、连接在排气管上的湿式气体流量计以及两个分别连接在供气管路和抽真空管路上的压力传感器；

所述应变测试仪、压力传感器和湿式气体流量计均与计算机连接。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述气体搅拌装置上连接有两个供气瓶，两个所述供气瓶分别通过一个输气管与气体搅拌装置的进气口连接，两个所述输气管上均设置有一个进气阀。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述排气管的进气口位于抽真空管路上的两个开关阀之间，所述排气管上设置有排气阀。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述真空泵与抽真空管路之间连接有缓冲罐，所述缓冲罐上设置有真空表。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述煤样放置盒包括底座和两个设置在底座上的弧形拼接板；

所述供气管路的出气口由下至上穿过底座与煤样放置盒的内腔相连通，所述抽真空管路的进气口与承压筒的内腔相连通。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述煤样放置盒内设置有围压套，所述围压套套设在煤样的外部，所述围压套为环形柔性套筒，所述围压套上设置有进液口，所述围压伺服作动器与围压套的进液口之间连接有液压管路。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述承压筒与煤样放置盒呈同轴布设，所述承压筒内设置有用于给煤样加载的撞击杠，所述撞击杠与承压筒呈同轴布设，所述撞击杠上靠近煤样的一端安装有位移传感器。

上述的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：所述恒温箱内设置有温度传感器。

同时，本发明还公开了一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、实验准备：制作一个尺寸与所述煤样放置盒的尺寸相匹配的煤样，在煤样的侧面布设多个应变片，将煤样的周侧进行密封处理，并将多个应变片与应变测试仪连接；

在密封处理好的煤样的外部套设一个围压套，并将带有围压套的煤样放入煤样放置盒内，设定恒温箱的工作温度；

步骤二、煤样吸附实验，具体过程如下：

步骤201、通过围压伺服作动器对煤样施加围压，同时通过动静态伺服作动器上的承压筒内的撞击杠对煤样施加静载轴压；

步骤202、关闭供气管路上的开关阀和排气管上的排气阀，打开抽真空管路上的两个开关阀，通过真空泵开始抽真空，当煤样已被抽真空后，关闭真空泵和抽真空管路上的两个开关阀；

步骤203、通过多个所述供气瓶向气体搅拌装置供气，多个供气瓶内的气体通过气体搅拌装置充分混合后，经气体搅拌装置充分混合后的气体通过减压阀进入储气罐，当储气罐内的气压达到设定压力值时，停止向气体搅拌装置供气；

步骤204、打开供气管路上的开关阀，储气罐内的气体进入煤样，煤样开始吸附气体，当供气管路上的气体压力传感器测量到的气体压力在设定时间内不发生变化时，表明煤样吸附饱和；

步骤三、静载下的渗流实验：打开排气阀和抽真空管路的进气口处的开关阀，并通过多个所述供气瓶向气体搅拌装置供气进行渗流实验，通过两个气体压力传感器分别测量煤样的进气口压力和出气口压力，同时通过湿式气体流量计测量单位时间内通过排气管的气体流量，当煤样的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管的气体流量均不发生变化时，记录此时煤样的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管的气体流量，根据达西定律计算静载下煤样的渗透率；

步骤四、动载下的渗流实验，具体过程如下：

步骤401、将动静态伺服作动器的静载轴压改为动载轴压，设定初始冲击载荷，给煤样一个冲击载荷继续进行渗流实验；

步骤402、通过两个气体压力传感器分别测量煤样的进气口压力和出气口压力，通过承压筒内的撞击杠上安装的位移传感器获取煤样的高程变化，通过应变测试仪测量煤样的应变，当煤样的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管的气体流量均不发生变化时，记录此时煤样的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管的气体流量，根据达西定律计算动载冲击下煤样的渗透率；

步骤403、提高冲击载荷并多次重复步骤402，得到多次动载冲击下煤样的渗透率；

步骤五、结果分析：对比分析静载下煤样的渗透率和多次动载冲击下煤样的渗透率，得到煤样渗透率的变化规律；根据多次动载冲击下设定的冲击载荷和煤样的应变绘制应力应变曲线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的装置，通过将煤样放置盒设置在恒温箱内，可以通过控制恒温箱的温度，来控制煤样周围的环境温度，进而便于测定不同温度下煤岩渗透率的变化。

2、本发明采用的装置，通过设置围压伺服作动器和动静态伺服作动器，便于对煤样进行轴压和围压的单向加载试验以及轴压和围压的复合扰动加载试验，进而便于模拟冲击地压下煤岩的破坏情况，以获得煤岩的瓦斯渗透率变化，解决现有深地矿山冲击地压灾害下，煤岩渗透率快速变化不易监测防范的问题。

3、本发明采用的装置，通过在供气管路的进气口连接气体搅拌装置，并在气体搅拌装置上连接多个供气瓶，能够通过在供气瓶内装入不同的气体，可以模拟不同气体成分下煤岩的渗透率变化，便于得到不同气体成分对煤岩渗透率的影响。

4、本发明采用的方法，通过先将煤样进行抽真空处理，然后再向煤样内通入混合气体直至煤样吸附饱和，能模拟煤矿开采时煤岩内部气体成分含量，进而能够为煤岩渗透率模拟实验提供一定的实验依据。

5、本发明采用的方法，通过先进行静载下的渗流实验，然后逐渐提高冲击载荷，再进行多次动载下的渗流实验，能够模拟煤矿深部开采伴随着的频繁的冲击地压灾害，进而清楚掌握煤岩的瓦斯渗透率大小变化，进而保证煤矿安全生产工作的顺利进行。

综上所述，本发明结构设计合理，方法步骤简便，通过围压伺服作动器和动静态伺服作动器，便于对煤样进行轴压和围压的单向加载试验以及轴压和围压的复合扰动加载试验，进而便于模拟冲击地压下煤岩的破坏情况，以获得煤岩的瓦斯渗透率变化，解决现有深地矿山冲击地压灾害下，煤岩渗透率快速变化不易监测防范的问题，能保证煤矿安全生产工作的顺利进行。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明煤岩渗透率测定装置的结构示意图。

图2为本发明方法的流程框图。

附图标记说明:

1—恒温箱； 2—动静态伺服作动器； 3—围压伺服作动器；

4—承压筒； 5—煤样放置盒； 5-1—底座；

5-2—弧形拼接板； 6—四立柱加载主机； 7—应变片；

8—围压套； 9—三通阀； 10—供气瓶；

11—气体搅拌装置； 12—供气管路； 13—抽真空管路；

14—储气罐； 15—排气管； 16—真空泵；

17—缓冲罐； 18—真空表； 19—输气管；

20—进气阀； 21—开关阀； 22—煤样；

23—温度传感器； 24—压力传感器； 25—湿式气体流量计；

26—排气阀； 27—减压阀。

具体实施方式

如图1所示的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定装置，其特征在于：包括主体加载系统、气体供应系统、流量及应力应变监测系统和计算机；

所述主体加载系统包括恒温箱1、围压伺服作动器3、动静态伺服作动器2以及上部开口的煤样放置盒5，所述动静态伺服作动器2位于恒温箱1的正上方，所述煤样放置盒5位于恒温箱1内，所述动静态伺服作动器2的承压筒4由上至下伸入至恒温箱1内，所述煤样放置盒5的上端伸入至承压筒4内；

所述气体供应系统包括用于对煤样放置盒5供气的供气管路12和用于对煤样放置盒5抽真空的抽真空管路13，所述供气管路12的进气口连接有气体搅拌装置11，所述气体搅拌装置11上连接有多个供气瓶10，所述供气管路12上设置有储气罐14和减压阀27，所述抽真空管路13的出气口设置有真空泵16，所述抽真空管路13上设置有排气管15，所述供气管路12上靠近煤样放置盒5的一端和抽真空管路13的两端均设置有开关阀21；

所述流量及应力应变监测系统包括设置在煤样22上的应变片7、与应变片7连接的应变测试仪、连接在排气管15上的湿式气体流量计25以及两个分别连接在供气管路12和抽真空管路13上的压力传感器24；

所述应变测试仪、压力传感器24和湿式气体流量计25均与计算机连接。

实际使用时，通过将煤样放置盒5设置在恒温箱1内，可以通过控制恒温箱1的温度，来控制煤样22周围的环境温度，进而便于测定不同温度下煤岩渗透率的变化。

需要说明的是，围压伺服作动器3和动静态伺服作动器2的设置，便于对煤样22进行轴压和围压的单向加载试验以及轴压和围压的复合扰动加载试验，进而便于模拟冲击地压下煤岩的破坏情况，以获得煤岩的瓦斯渗透率变化，解决现有深地矿山冲击地压灾害下，煤岩渗透率快速变化不易监测防范的问题。

具体实施时，通过使煤样放置盒5的顶部开口，便于动静态伺服作动器2对煤样放置盒5内的煤样22施加由上至下的轴压和冲击载荷。

实际使用时，通过在供气管路12的进气口连接气体搅拌装置11，并在气体搅拌装置11上连接多个供气瓶10，能够通过在供气瓶10内装入不同的气体，可以模拟不同气体成分下煤岩的渗透率变化，便于得到不同气体成分对煤岩渗透率的影响，这对于矿井煤岩增透有一定的意义。

需要说明的是，通过在煤样放置盒5上连接抽真空管路13，并在抽真空管路13的出气口连接真空泵16，能够通过真空泵16先将煤样22中的空气抽走，进而能有效提高实验结果的可靠性。

具体实施时，动静态伺服作动器2通过四立柱加载主机6安装在恒温箱1的正上方，围压伺服作动器3位于恒温箱1的一侧，供气管路12上设置有一个供储气罐14连接的三通阀9，所述供气管路12的压力传感器24连接在三通阀9上，所述减压阀27连接在供气管路12上靠近气体搅拌装置11的一端，在供气管路12上，所述三通阀9位于开关阀21和减压阀27之间；抽真空管路13上的压力传感器24位于煤样放置盒5与开关阀21之间。

实际使用时，应变片7的数量为多个，多个应变片7均匀布设在煤样22的周侧。

本实施例中，所述气体搅拌装置11上连接有两个供气瓶10，两个所述供气瓶10分别通过一个输气管19与气体搅拌装置11的进气口连接，两个所述输气管19上均设置有一个进气阀20。

本实施例中，所述排气管15的进气口位于抽真空管路13上的两个开关阀21之间，所述排气管15上设置有排气阀26。

本实施例中，所述真空泵16与抽真空管路13之间连接有缓冲罐17，所述缓冲罐17上设置有真空表18。

实际使用时，缓冲罐17连接在真空泵16与抽真空管路13的出气口端的开关阀21之间。

本实施例中，所述煤样放置盒5包括底座5-1和两个设置在底座5-1上的弧形拼接板5-2；

所述供气管路12的出气口由下至上穿过底座5-1与煤样放置盒5的内腔相连通，所述抽真空管路13的进气口与承压筒4的内腔相连通。

实际使用时，两个弧形拼接板5-2扣设在一起形成一个空心圆柱形结构，底座5-1上开设的进气口与所述空心圆柱形结构的内腔相连通，底座5-1为圆形底座，底座5-1的直径略小于所述空心圆柱形结构的内径。

本实施例中，所述供气管路12的出气口与底座5-1的上端面相平齐，当煤样22放入煤样放置盒5内后，煤样22将供气管路12的出气口压住。

本实施例中，所述煤样放置盒5内设置有围压套8，所述围压套8套设在煤样22的外部，所述围压套8为环形柔性套筒，所述围压套8上设置有进液口，所述围压伺服作动器3与围压套8的进液口之间连接有液压管路。

实际使用时，围压伺服作动器3可通过液压管路向围压套8的密闭腔体内注入液压油，进而使围压套8膨胀对煤样放置盒5内的煤样22施加围压。

本实施例中，所述承压筒4与煤样放置盒5呈同轴布设，所述承压筒4内设置有用于给煤样22加载的撞击杠，所述撞击杠与承压筒4呈同轴布设，所述撞击杠上靠近煤样22的一端安装有位移传感器。

实际使用时，承压筒4的内壁与煤样放置盒5的外壁之间密封处理，撞击杠的大小能够保证撞击杠刚好能伸入至煤样放置盒5内对煤样22施加轴压。

需要说明的是，不管动静态伺服作动器2施加静载还是动载时，撞击杠都需要紧贴煤样22的上端面布设，因此在撞击杠上设置位移传感器就可以监测煤样22的高度变化。

本实施例中，所述恒温箱1内设置有温度传感器23。

实际使用时，温度传感器23的设置能够实时监测恒温箱1内的温度，进而便于使恒温箱1的温度维持在一定范围内。

如图2所示的一种模拟冲击地压条件下的煤岩渗透率测定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、实验准备：制作一个尺寸与所述煤样放置盒5的尺寸相匹配的煤样22，在煤样22的侧面布设多个应变片7，将煤样22的周侧进行密封处理，并将多个应变片7与应变测试仪连接；

在密封处理好的煤样22的外部套设一个围压套8，并将带有围压套8的煤样22放入煤样放置盒5内，设定恒温箱1的工作温度；

实际使用时，当应变片7安装好之后，在煤样22的周侧缠胶带密封，使煤样22的周侧裸露部分及应变片7与煤样22之前的连接缝隙全部通过胶带密封，保证供气管路12内的气体由煤样22的底部向上流动，而不会从煤样22的侧面渗出。

需要说明的是，恒温箱1的工作温度根据实验要求进行设定。

步骤二、煤样吸附实验，具体过程如下：

步骤201、通过围压伺服作动器3对煤样22施加围压，同时通过动静态伺服作动器2上的承压筒4内的撞击杠对煤样22施加静载轴压；

实际使用时，通过围压伺服作动器3对煤样22施加的围压的大小为0.5MPa，通过动静态伺服作动器2对煤样22施加的静载轴压的大小为1MPa。

步骤202、关闭供气管路12上的开关阀21和排气管15上的排气阀26，打开抽真空管路13上的两个开关阀21，通过真空泵16开始抽真空，当煤样22内部已被抽真空后，关闭真空泵16和抽真空管路13上的两个开关阀21；

实际使用时，抽真空时，两个进气阀20均关闭。

需要说明的是，当缓冲罐17上的真空表18显示为零时，表明缓冲罐17已被抽真空，进而表明抽真空管路13和煤样22内部均已被抽真空。

步骤203、打开两个进气阀20，通过多个所述供气瓶10向气体搅拌装置11供气，多个供气瓶10内的气体通过气体搅拌装置11充分混合后，调节减压阀27使其出口压力为1MPa，经气体搅拌装置11充分混合后的气体通过减压阀27进入储气罐14，当储气罐14内的气压达到1MPa时，关闭两个进气阀20，停止向气体搅拌装置11供气；

实际使用时，储气罐14的体积为1000mL。

需要说明的是，多个供气瓶10内的气体可以是同一种也可以为不同气体，供气瓶10内的气体一般为氮气、氦气和甲烷。

步骤204、打开供气管路12上的开关阀21，储气罐14内的气体进入煤样22，煤样22开始吸附气体，当供气管路12上的气体压力传感器24测量到的气体压力在设定时间内不发生变化时，表明煤样22吸附饱和；

实际使用时，随着煤样22的吸附，储气罐14中的气压逐渐减小，当煤样22吸附饱和时，储气罐14内的气压基本不发生变化。

具体实施时，通过先将煤样22进行抽真空处理，然后再向煤样22内通入混合气体直至煤样吸附饱和，能模拟煤矿开采时煤岩内部气体成分含量，进而能够为煤岩渗透率模拟实验提供一定的实验依据。

步骤三、静载下的渗流实验：打开排气阀26和抽真空管路13的进气口处的开关阀21，并通过多个所述供气瓶10向气体搅拌装置11供气进行渗流实验，通过两个气体压力传感器24分别测量煤样22的进气口压力和出气口压力，同时通过湿式气体流量计25测量单位时间内通过排气管15的气体流量，当煤样22的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管15的气体流量均不发生变化时，记录此时煤样22的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管15的气体流量，根据达西定律计算静载下煤样22的渗透率；

实际使用时，根据达西定律可知，煤样22的渗透率通过公式

需要说明的是，静载下的渗流实验可以模拟不存在冲击地压时，煤矿开采下煤岩的渗透率测量。

步骤四、动载下的渗流实验，具体过程如下：

步骤401、将动静态伺服作动器2的静载轴压改为动载轴压，设定初始冲击载荷，给煤样22一个冲击载荷继续进行渗流实验；

实际使用时，设定的初始冲击载荷为5MPa。

需要说明的是，当煤样22受到冲击载荷破坏后，煤样22内部裂隙再发育，此时进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管15的气体流量均发生变化，同时煤样22受到破坏将应变片7拉伸。

步骤402、通过两个气体压力传感器24分别测量煤样22的进气口压力和出气口压力，通过承压筒4内的撞击杠上安装的位移传感器获取煤样22的高程变化，通过应变测试仪测量煤样22的应变，当煤样22的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管15的气体流量均不发生变化时，记录此时煤样22的进气口压力、出气口压力和单位时间内通过排气管15的气体流量，根据达西定律计算动载冲击下煤样22的渗透率；

步骤403、提高冲击载荷并多次重复步骤402，得到多次动载冲击下煤样22的渗透率；

实际使用时，由于冲击地压不止会来一次，煤岩的破坏会叠加，因此需要在原有煤样22的基础上继续设定不同的冲击载荷，且设定的冲击载荷逐渐增大，如7MPa、9MPa等重复以上操作，就可以得到多次冲击下煤样22渗透率的变化规律。

需要说明的是，通过先进行静载下的渗流实验，然后逐渐提高冲击载荷，再进行多次动载下的渗流实验，能够模拟煤矿深部开采伴随着的频繁的冲击地压灾害，进而清楚掌握煤岩的瓦斯渗透率大小变化，进而保证煤矿安全生产工作的顺利进行。

步骤五、结果分析：对比分析静载下煤样22的渗透率和多次动载冲击下煤样22的渗透率，得到煤样22渗透率的变化规律；根据多次动载冲击下设定的冲击载荷和煤样22的应变绘制应力应变曲线。

实际使用时，绘制静载和不同冲击载荷下煤样22渗透率的变化曲线，将绘制好的应力应变曲线与煤样22渗透率的变化曲线做对比，分析应力应变大幅度变化对渗透率的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。