專利名稱：煤試樣熱膨脹過程中變形特征參數(shù)的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤的物理檢測方法，具體涉及一種評價煤在高溫環(huán)境下變形特征參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
在深部煤層開采環(huán)境中，高地溫已經(jīng)成為影響煤層穩(wěn)定性不可忽視的主要因素。一般認(rèn)為巖石介質(zhì)普遍具有熱脹冷縮特性，但是由于煤體內(nèi)存在的雙重孔隙結(jié)構(gòu)因而具有較強(qiáng)的吸附特性。升高的溫度除了能引起煤體熱膨脹之外，還能從煤孔隙結(jié)構(gòu)中釋放出大量解吸氣體。當(dāng)吸附氣體解吸脫離煤表面后，由于煤表面能的增加會使煤基質(zhì)出現(xiàn)向內(nèi)部收縮趨勢。這種在高溫環(huán)境下先膨脹后收縮的變形過程會對煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的不可逆的熱損傷，會顯著改變煤體的力學(xué)強(qiáng)度。因此，通過獲取煤體在熱環(huán)境下變形特征參數(shù)對深入研究高溫環(huán)境中煤體變形演化規(guī)律，進(jìn)一步認(rèn)識深部熱害礦井致災(zāi)機(jī)理能夠起到關(guān)鍵作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種煤試樣熱膨脹過程中變形特征參數(shù)的測試方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種煤試樣熱膨脹過程中變形特征參數(shù)的測試方法，包括以下步驟:第一步，將煤試樣加工成圓柱體，在圓柱狀煤試樣圓周面軸向和徑向位置上分別粘貼徑向測量應(yīng)變片和軸向測量應(yīng)變片，在兩個測量應(yīng)變片的臨近位置分別設(shè)置相同規(guī)格的應(yīng)變片作為軸向與徑向測量應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片不固定在煤樣表面；軸向測量應(yīng)變片和徑向測量應(yīng)變片分別與各自的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片按照半橋方式連接組成兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)；第二步，把上述帶有惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的煤試樣置于解吸罐底座上；將兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線通過解吸罐體上的數(shù)據(jù)接口連接到外置的應(yīng)變采集儀；第三步，將解吸罐的一個氣路接口接通帶有氣閥的保護(hù)氣源，另一路氣路接口依次連接氣體流量計和氣相色譜儀；將解吸罐內(nèi)置入溫度傳感器，溫度傳感器與外部溫度采集儀接通；組裝完畢后，檢測解吸罐的氣密性；第四步，將解吸罐置入水浴槽；開啟保護(hù)氣源的氣閥，氣源向解吸罐內(nèi)注入氦氣，注滿氦氣后，罐內(nèi)多余的氣體會流經(jīng)氣體流量計和氣相色譜儀排放到外界環(huán)境；當(dāng)氣體流量計監(jiān)測氣體流量平穩(wěn)、氣相色譜儀檢測氣體濃度值接近100%后，說明解吸罐和煤試樣中殘存空氣已經(jīng)被完全排出，關(guān)閉氣閥；第五步:將水浴槽內(nèi)水溫升至設(shè)定溫度，溫度采集儀實時記錄解吸罐內(nèi)的溫度T ；應(yīng)變采集儀實時記錄煤試樣的軸向應(yīng)變ea和徑向應(yīng)變兩個方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到不同溫度下煤試樣的體積應(yīng)變量ε V ;氣體流量計實時記錄解吸罐中排出的解吸氣體量V ;氣相色譜儀檢測解吸罐中排出氣體的成分和濃度；
第六步:通過設(shè)定不同的水浴溫度使解吸罐內(nèi)溫度升高AT，得到在對應(yīng)溫度條件下煤試樣從初始狀態(tài)到熱平衡過程中煤試樣的體積應(yīng)變量εν與解吸氣體量V。利用兩者之間數(shù)學(xué)物理關(guān)系，可以求得對應(yīng)溫度條件下的煤試樣熱膨脹系數(shù)Y與解吸收縮系數(shù)K，并對所有溫度條件下的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而獲得較為精確的煤熱膨脹系數(shù)及其解吸氣體收縮系數(shù)。具體方法如下:第6.1步:計算煤試樣體積應(yīng)變量εν對于彈性變形的煤的體積應(yīng)變量ε V可以表達(dá)為式(I):ε V= ε a+2.ε r (I)式(I)中:ε a代表軸向應(yīng)量，εΓ代表徑向應(yīng)變量；測量應(yīng)變片監(jiān)測煤的體積應(yīng)變量ε V是煤的熱膨脹應(yīng)變量ε τ抵消氣體解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量％后的有效應(yīng)變量^，即式(2)ε V= ε e= ε a+2 ε r= ε τ- ε d (2)第6.2步:計算煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d從煤中解吸氣體量V與煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d成正相關(guān):ε d V在恒溫環(huán)境下觀測的煤排出解吸氣體量V是熱平衡時間t的函數(shù)即V=V(t);所以煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d與解吸氣體量V關(guān)系可以表達(dá)為ε d=K.να)，其中K為煤基質(zhì)收縮系數(shù)。第6.3步:計算總的解吸氣體量V利用氣相色譜儀分析排出的解吸氣體組分及其對應(yīng)的濃度Ci，其中i為吸附氣體類別；根據(jù)排出氣體量V與不同氣體的濃度，計算出各類解吸氣體量Vi=V *Ci，那么解吸氣體總體積量為V= Σ V.Ci。第6.4步:獲取煤試樣體積應(yīng)變量ε ν與解吸氣體量V關(guān)系煤的熱膨脹系數(shù)Y是常數(shù)，煤的熱膨脹應(yīng)變量ετ可以表達(dá)為ετ=Υ.AT，由此可以得出式(3)ε ν= ε a+2 ε r= ε T- ε d= Y.Δ Τ_Κ.V (t) (3)式中:Λ T代表在某一恒定水浴溫度條件下解吸罐內(nèi)溫度升高值。第6.5步:計算不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)Y和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K通過升高水浴槽溫度得到不同恒溫條件下煤的體積應(yīng)變量ε V」、解吸罐內(nèi)溫度升高值Λ Tp解吸氣體量'，其中j為對應(yīng)的溫度，從而得出不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)Y和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K，即ε Vj=Y.Δ Tj - K.Vj (4)ε vJ+1= Y.Δ TJ+1 _ K.VJ+1 (5)分別聯(lián)立式⑷與(5)得:Y = ( ε Vj.VJ+1 - ε vJ+1.Vj) / ( Δ Tj.VJ+1 _ Δ TJ+1.Vj)K= ( ε Vj.Δ TJ+1 - ε vJ+1.Δ Tj) / ( Δ Tj.VJ+1 - Δ TJ+1.Vj)。本發(fā)明的積極效果是:根據(jù)不同恒溫條件下煤試樣的體積變形量和解吸氣體量，計算得出對煤試樣的熱膨脹系數(shù)和解吸收縮系數(shù)，從而實現(xiàn)量化評價熱環(huán)境中煤的變形特性，為高溫?zé)岷ΦV井的煤層穩(wěn)定性研究提供重要的測試手段，同時還對獲取煤層氣抽采以及二氧化碳地質(zhì)封存過程中儲層物理性質(zhì)參數(shù)變化起到關(guān)鍵技術(shù)支持。


圖1為本發(fā)明測量方法的示意圖。圖例說明:1_溫度采集儀；2_應(yīng)變采集儀；3_氣體流量計；4_氣相色譜儀；5_溫度傳感器；6_溫度補(bǔ)償片；7_徑向測量應(yīng)變片；8_軸向測量應(yīng)變片；9_水浴槽；10_氣閥；11-保護(hù)氣氣源；12-煤試樣；13-解吸罐，14-三通閥。
具體實施例方式如圖1所示，一種測試煤試樣熱膨脹過程中煤基質(zhì)收縮參數(shù)的測試方法，包括以下步驟:第一步，首先取圓柱狀煤試樣12，在圓柱狀煤試樣12圓周面軸向和徑向位置上分別粘貼徑向測量應(yīng)變片7和軸向測量應(yīng)變片8，并在徑向測量應(yīng)變片7和軸向測量應(yīng)變片8的相鄰位置分別布置與各自測量應(yīng)變片規(guī)格相同的溫度補(bǔ)償片6 ;將軸向測量應(yīng)變片8和徑向測量應(yīng)變片7分別與各自的溫度補(bǔ)償片6電聯(lián)接，組成兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)；第二步，把上述帶惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的煤試樣12裝入解吸罐13中，將兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線通過解吸罐體上的數(shù)據(jù)接口連接到外置的應(yīng)變采集儀2 ；第三步，將解吸罐13頂端的氣路接口用三通閥14分成兩路，其中一路接帶有氣閥10的保護(hù)氣氣源11，另一路依次連通氣體流量計3和氣相色譜儀4 ;將溫度傳感器5置入解吸罐13內(nèi)，溫度傳感器5與外部溫度采集儀I接通；組裝完畢后，檢測解吸罐13的氣密性；第四步，將解吸罐13置入水浴槽9 ;開啟氣閥10，氣源11向解吸罐13內(nèi)注入氦氣，注滿氦氣后，解吸罐13內(nèi)多余的氣體會流經(jīng)氣體流量計3和氣相色譜儀4排放到外界環(huán)境；當(dāng)氣體流量計3監(jiān)測氣體流量平穩(wěn)，氣相色譜儀4檢測氣體濃度值接近100%后，說明解吸罐13和煤試樣12中殘存空氣已經(jīng)被完全排出，關(guān)閉氣閥10 ；第五步:將水浴槽9內(nèi)水溫升至設(shè)定溫度，溫度采集儀I實時記錄解吸罐13內(nèi)的溫度T ;應(yīng)變采集儀2實時記錄煤試樣12的軸向應(yīng)變ε a和徑向應(yīng)變ε r兩個方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到不同溫度下煤試樣12的體積應(yīng)變量ε ν ;氣體流量計3實時記錄解吸罐13中排出的解吸氣體量V ;氣相色譜儀4檢測解吸罐13中排出氣體的成分和濃度；第六步:通過設(shè)定不同的水浴溫度使解吸罐13內(nèi)溫度升高AT，得到在對應(yīng)溫度條件下煤試樣12從初始狀態(tài)到熱平衡過程中煤試樣12的體積應(yīng)變量ε ν與解吸氣體量V ；利用εν與V兩者之間數(shù)學(xué)物理關(guān)系，可以求得對應(yīng)溫度條件下的煤試樣熱膨脹系數(shù)Υ與解吸收縮系數(shù)K，并對所有溫度條件下的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而獲得較為精確的煤熱膨脹系數(shù)及其解吸氣體收縮系數(shù)。具體方法如下:第6.1步:計算煤試樣12的體積應(yīng)變量ε ν對于彈性變形的煤的體積應(yīng)變量ε V可以表達(dá)為式⑴:ε ν= ε a+2.ε r (I)式(I)中:ε a代表軸向應(yīng)變量，er代表徑向應(yīng)變量；
測量應(yīng)變片監(jiān)測煤的體積應(yīng)變量ε V是煤的熱膨脹應(yīng)變量ε τ抵消氣體解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量％后的有效應(yīng)變量^，即式(2)ε ν= ε e= ε a+2 ε r= ε τ- ε d (2)第6.2步:計算煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d從煤中解吸氣體量V與煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d成正相關(guān):ε d V由于煤體中復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)影響，解吸氣體從脫離煤基質(zhì)表面，流入煤的裂隙網(wǎng)，最后離開煤孔隙結(jié)構(gòu)需要一定時間。因此，在恒定環(huán)境溫度下觀測到的煤的解吸氣體量V是時間t的函數(shù)即V=V(t)。煤基質(zhì)收縮量ε d與解吸氣體量V關(guān)系可以表達(dá)為ed=K*V(t),其中K為煤基質(zhì)解 吸收縮系數(shù)。第6.3步:計算總的解吸氣體量V從解吸罐13中排出氣體是混合物，利用氣相色譜儀4檢測到不同吸附氣體組分及其對應(yīng)的濃度Ci，其中i為吸附氣體種類；根據(jù)排出氣體總量V與不同氣體的濃度，計算出各種解吸氣體排出量Vi=V.Ci，那么解吸氣體總的體積量為V= Σ V.Ci。第6.4步:獲取煤試樣體積應(yīng)變量ε ν與解吸氣體量V關(guān)系煤的熱膨脹系數(shù)Y是常數(shù)，煤的熱膨脹應(yīng)變量ετ可以表達(dá)為ετ=ε.AT，由此可以得出式(3)ε ν= ε a+2 ε r= ε T- ε d= Y.Δ Τ_Κ.V (t) (3)式中:AT代表在某一恒定水浴溫度條件下解吸罐內(nèi)溫度升高值。第6.5步:計算不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)ε和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K通過梯級升高水浴槽9溫度得到不同恒溫條件下煤的體積應(yīng)變量ε V」、解吸罐13內(nèi)溫度升高值Λ Tj、解吸氣體量Vj，其中j為對應(yīng)的溫度，從而得出不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)ε和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K，即ε Vj= Y.Δ Tj - K.Vj (4)ε vJ+1= Y.Δ TJ+1 _ K.VJ+1 (5)分別聯(lián)立式⑷與(5)得:Y = ( ε Vj.VJ+1 - ε vJ+1.Vj) / ( Δ Tj.VJ+1 _ Δ TJ+1.Vj)K= ( ε Vj.Δ TJ+1 _ ε vJ+1.Δ Tj) / ( Δ Tj.VJ+1 _ Δ TJ+1.Vj)。
權(quán)利要求
1.一種煤試樣熱膨脹過程中變形特征參數(shù)的測試方法，其特征在于，包括以下步驟:第一步，將煤試樣加工成圓柱體，在圓柱狀煤試樣圓周面軸向和徑向位置上分別粘貼徑向測量應(yīng)變片和軸向測量應(yīng)變片，在兩個測量應(yīng)變片的臨近位置分別設(shè)置相同規(guī)格的應(yīng)變片作為軸向與徑向測量應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片不固定在煤樣表面；軸向測量應(yīng)變片和徑向測量應(yīng)變片分別與各自的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片按照半橋方式連接組成兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)； 第二步，把上述帶有惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的煤試樣置于解吸罐底座上；將兩個惠通斯電橋半橋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線通過解吸罐體上的數(shù)據(jù)接口連接到外置的應(yīng)變采集儀； 第三步，將解吸罐的一個氣路接口接通帶有氣閥的保護(hù)氣源，另一路氣路接口依次連接氣體流量計和氣相色譜儀；將解吸罐內(nèi)置入溫度傳感器，溫度傳感器與外部溫度采集儀接通；組裝完畢后，檢測解吸罐的氣密性； 第四步，將解吸罐置入水浴槽；開啟保護(hù)氣源的氣閥，氣源向解吸罐內(nèi)注入氦氣，注滿氦氣后，罐內(nèi)多余的氣體會流經(jīng)氣體流量計和氣相色譜儀排放到外界環(huán)境；當(dāng)氣體流量計監(jiān)測氣體流量平穩(wěn)、氣相色譜儀檢測氣體濃度值接近100%后，說明解吸罐和煤試樣中殘存空氣已經(jīng)被完全排出，關(guān)閉氣閥； 第五步:將水浴槽內(nèi)水溫升至設(shè)定溫度，溫度采集儀實時記錄解吸罐內(nèi)的溫度T ;應(yīng)變采集儀實時記錄煤試樣的軸向應(yīng)變εa和徑向應(yīng)變兩個方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到不同溫度下煤試樣的體積應(yīng)變量ε V ;氣體流量計實時記錄解吸罐中排出的解吸氣體量V ;氣相色譜儀檢測解吸罐中排出氣體的成分和濃度； 第六步:通過設(shè)定不同的水浴溫度使解吸罐內(nèi)溫度升高AT，得到在對應(yīng)溫度條件下煤試樣從初始狀態(tài)到熱平衡過程中煤試樣的體積應(yīng)變量εν與解吸氣體量V。利用兩者之間數(shù)學(xué)物理關(guān)系，可以求得對應(yīng)溫度條件下的煤試樣熱膨脹系數(shù)Y與解吸收縮系數(shù)K，并對所有溫度條件下的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而獲得較為精確的煤熱膨脹系數(shù)及其解吸氣體收縮系數(shù)；具體 方法如下: 第6.1步:計算煤試樣體積應(yīng)變量ε V 對于彈性變形的煤的體積應(yīng)變量εν表達(dá)為式(I): ε V= ε a+2.ε r (I) 式(I)中:ε a代表軸向應(yīng)量，代表徑向應(yīng)變量； 測量應(yīng)變片監(jiān)測煤的體積應(yīng)變量εν是煤的熱膨脹應(yīng)變量、抵消氣體解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量％后的有效應(yīng)變量^，即式(2)ε V= ε e= ε a+2 ε r= ε τ- ε d (2) 第6.2步:計算煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d 從煤中解吸氣體量V與煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d成正相關(guān): ε d V 在恒溫環(huán)境下觀測的煤排出解吸氣體量V是熱平衡時間t的函數(shù)即V=V (t);所以煤基質(zhì)收縮應(yīng)變量ε d與解吸氣體量V關(guān)系能夠表達(dá)為ε d=K.V(t)，其中K為煤基質(zhì)收縮系數(shù)； 第6.3步:計算總的解吸氣體量V 利用氣相色譜儀分析排出的解吸氣體組分及其對應(yīng)的濃度Ci，其中i為吸附氣體類別； 根據(jù)排出氣體量V與不同氣體的濃度，計算出各類解吸氣體量Vi=V *Ci，那么解吸氣體總體積量為V= Σ V.Ci ; 第6.4步:獲取煤試樣體積應(yīng)變量ε V與解吸氣體量V關(guān)系 煤的熱膨脹系數(shù)Y是常數(shù)，煤的熱膨脹應(yīng)變量ε τ表達(dá)為ε τ= Υ.AT，由此得出式(3) ε V= ε a+2 ε r= ε T- ε d= Y.Δ T-K.V(t) (3) 式中:AT代表在某一恒定水浴溫度條件下解吸罐內(nèi)溫度升高值； 第6.5步:計算不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)Y和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K通過升高水浴槽溫度得到不同恒溫條件下煤的體積應(yīng)變量ε 解吸罐內(nèi)溫度升高值Δ Tj和解吸氣體量'，其中j為對應(yīng)的溫度，從而得出不同恒溫條件下煤的體積膨脹系數(shù)Y和煤基質(zhì)收縮系數(shù)K，即 ε Vj= Y.Δ Tj - K.Vj (4) ε vJ+1= Y.Δ TJ+1 - K.VJ+1 (5) 分別聯(lián)立式⑷與(5)得: Υ = ( ε Vj.VJ+1 - ε Vj+1.Vj)/(ATj.VJ+1 - Δ TJ+1.Vj) K=( ε Vj.Δ TJ+1 - ε Vj+1.Δ Tj) / ( Δ Tj.VJ+1 - Δ TJ+1.Vj)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤試樣熱膨脹過程中變形特征參數(shù)的測試方法，包括沿煤試樣表面軸向和徑向粘貼測量應(yīng)變片，并在其相鄰位置安設(shè)相同規(guī)格的溫度補(bǔ)償片，然后分別連接兩個測量應(yīng)變片與補(bǔ)償片組成兩個惠通斯電橋電路；將煤試樣裝入解吸罐后置入水浴槽，梯級升高水浴溫度實時監(jiān)測從解吸罐中排放氣體流量及其組分濃度、以及煤試樣體積應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到煤試樣在吸熱和熱平衡階段的體積變形量及其吸附氣體解吸量；根據(jù)不同恒溫條件下煤試樣的體積變形量和解吸氣體量，分析計算得出對煤試樣的熱膨脹系數(shù)和解吸收縮系數(shù)，從而實現(xiàn)量化評價熱環(huán)境中煤的變形特性，為高溫?zé)岷ΦV井的煤層穩(wěn)定性研究提供重要的試驗依據(jù)。
文檔編號G01N7/16GK103207130SQ201310138829
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者王春光, 羅莎莎, 劉琛, 趙同彬, 譚云亮 申請人:山東科技大學(xué)