[发明专利]一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于实验测试装置，尤其涉及低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置及方法。

背景技术

煤炭是我国重要的战略资源，在我国能源中占比中最大。煤层的渗透性能是瓦斯抽采、煤层开发的关键参数。我国的煤层气储量巨大，但是我国的大部分煤层属于低渗透性煤层，瓦斯不易抽采，造成环境污染资源浪费。因此，研究低渗透煤层的增透方法，是煤层气高效抽采和瓦斯防治的关键问题。液氮等低温流体注入煤层，影响煤层微观孔隙结构，并改变煤层渗透性及力学性质，对煤体增透致裂来说是一种有效的途径。

很多专家学者对于液氮冲击煤体增透已经做了大量细致的研究，并取得了一定的研究成果。已公开的专利文献WO2017/016168 A1公布了一种煤岩样品液氮循环冻融增透模拟试验系统及方法，河北科技大学的郭晓康等利用自己设计的实验装置做了液氮半溶浸煤致裂增透试验研究，这些实验装置都能够研究液氮冲击后煤岩的渗透性及力学性质的研究，但是不能研究在液氮产生的超低温温度场与应力场同时作用时煤岩性质的变化，与工程实际有一定差距。也没有考虑利用CT技术观察煤岩的微观结构变化，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动化的、可视化的、操作方便的低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置。通过该装置可以模拟液氮冲击下受载煤的状态，进一步研究超低温与单轴压缩状态下煤岩的力学特性与渗透特性的变化，结合CT技术探索该过程中煤岩的微观结构变化。

为了上述目的，本发明的技术方案是：

一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置，包括液氮密封装置、加载装置、液面标高装置、红外线控制装置、液氮补给装置、工业CT扫描装置；

所述液氮密封装置包括非金属绝热套筒、绝热底座、密封盖；其中所述非金属绝热套筒设置在绝热底座的底座凹槽内，所述密封盖位于非金属绝热套筒的顶端，所述非金属绝热套筒内侧壁上开有套筒凹槽；

所述加载装置包括伺服加载仪、压头、垫片；其中所述压头穿过所述密封盖并压制在所述垫片上，所述垫片位于非金属绝热套筒内部且位于同样放置在非金属绝热套筒内部的煤样的顶端，所述伺服加载仪对压头施加的轴向压力；

所述液面标高装置位于非金属绝热套筒内部，且包括泡沫板和挡板；其中所述泡沫板的与所述套筒凹槽进行滑动连接，所述挡板固定设置在泡沫板上；

所述红外线控制装置包括红外线发射装置、红外线传感装置、PLC控制器以及导线；其中所述红外线传感装置与红外线发射装置平行相对放置，且两者均设置在所述密封盖上，所述的挡板上端穿过密封盖且浮动在红外线传感装置与红外线发射装置之间，所述红外线传感装置通过导线与PLC控制器相连；

所述液氮补给装置包括电机、齿轮、齿条杆、活塞、液氮罐、补给管路和阀门，其中电机通过导线和所述PLC控制器相连；所述电机带动位于所述液氮罐中的活塞进行运动，从而通过补给管路对所述非金属绝热套筒的内部进行液氮输送；

所述工业CT扫描装置包括X射线源、接收器和计算机；其中X射线源与接收器固定设置在所述非金属绝热套筒外部两侧并分别与非金属绝热套筒之间具有间隔；接收器的成像平面中心、煤样中心和X射线源中心位于同一条水平直线上，接收器的成像平面与该直线垂直，接收器接收到的图像存储到计算机上。

进一步，在所述的液面标高装置中，所述泡沫板的主体结构为圆弧形块状体且在其外缘中部突出形成尾部，所述泡沫板的尾部插入所述非金属绝热套筒的套筒凹槽中进行滑动连接，所述泡沫板在浮力作用下带动所述的挡板升降。

进一步，在所述的红外线控制装置中，所述红外线发射装置的框架结构为一个带有刻度的凹槽板，凹槽板上有两个可以滑动的红外线发射器，即第一红外线发射器和第二红外线发射器，可以通过煤样高度和液氮液面高度选取第一红外线发射器和第二红外线发射器的位置。

进一步，在所述液氮补给装置中，所述齿条杆与电机上齿轮紧密接触，所述齿条杆的下端连接着活塞，从而使得所述活塞与电机的工作状态同步。

进一步，所述液氮罐密闭性和绝热性良好，并且其下部侧壁与补给管路的一端连通，所述补给管路的另一端与所述非金属绝热套筒的下部侧壁连通，所述补给管路上设置有阀门。

一种利用上述的一种低温液氮冲击下的煤岩力学测试装置的测试方法，按照如下步骤进行：

步骤一，实验准备，从矿下取出煤块，钻取切割成标准煤样；