[发明专利]一种三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统及方法

权利要求书

1.一种三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，包括恒温水浴箱、样品室、参比室和测量控制仪器；所述样品室和参比室安装于恒温水浴箱内，恒温水浴箱内装有加热装置和温度传感器；

其特征在于，还包括应力加载装置，所述应力加载装置安装在样品室的缸体密封盖上，应力加载装置包括伺服动作器、压杆和压座，压杆后端连接伺服动作器，前端穿过缸体密封盖与样品室内的压座连接，压座前端与样品接触，为样品提供轴压加载；

所述样品室为密封腔室，设有进气口和出气口，进气口通过高压密封管与参比室连接，从参比室输入测试过程中需要的吸附气体，出气口通过密封管连接气体回收系统；参比室与样品室之间的高压密封管上装有平衡阀；所述样品室装有压力传感器；

所述参比室也为密封腔室，密封盖上外接有压力传感器，参比室设有抽气口和充气口，分别连接抽气系统和充气系统，通过抽气系统抽出系统内空气，使系统处于真空状态，通过充气系统充入吸附气体，使吸附气体达到超临界状态；

所述应力加载装置、压力传感器、加热装置、温度传感器通过导线与测量控制仪器连接；

所述温度传感器将恒温水浴箱内的温度信号传递给测量控制仪器的温度控制模块，控制加热器工作，实时监测水浴箱内温度，实现精准控温的目的；

所述压力传感器的信号由计算机通过自动控制系统采集、处理并储存；

所述测量系统由应力加载装置为样品提供轴压加载，吸附气体充当围压，模拟煤岩体在深部环境下的吸附膨胀变化；所述测量系统的测试压力范围为0-35MPa。

2.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：还包括应变仪，应变仪与样品室内样品上的应变片连接，获取数据，并将数据传递给测量控制仪器。

3.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述恒温水浴箱内设有升降机构，样品室和参比室安装在升降机构顶部的升降台上，通过控制升降机构上升，使样品室和参比室脱离水浴系统。

4.根据权利要求3所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述升降机构为液压或气压式升降机构。

5.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述抽气系统包括通过管路连接的真空压力表、真空控制阀和真空泵。

6.根据权利要求1和2所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述充气系统包括通过管路连接的气体控制阀、增压泵、增温装置、气体压力表和高压气源瓶。

7.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述气体回收系统包括管路连接的固液气三相分离器、CO₂回收罐、压缩机、冷却机和增压泵，经增压泵增压后可循环使用。

8.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述恒温水浴箱为上端开口下端封闭的腔体，恒温水浴箱上端装有玻璃密封盖，恒温水浴箱的底部装有排水管。

9.根据权利要求1所述的三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量系统，其特征在于：所述测量控制仪器包括数据采集处理单元、自动控制单元和显示输出单元，实时采集压力、温度、变形量等数值，并控制系统工作。

10.一种三轴应力、高温条件下煤岩吸附膨胀测量方法，其特征在于，采用权利要求1-9所述的测量系统，包括如下测量步骤：

(1)测试煤岩样品的准备：

首先将待测煤岩加工成圆柱型的柱状样品，进行切割打磨确保样品上下端面平整且光滑，然后将煤岩样品进行干燥处理，准确测量煤岩样品的高度L，并准备称取煤岩样品的重量G；

(2)测试煤岩样品的安装：

将煤岩样品装入恒温水浴箱内的样品室，控制应力加载装置，使压座接触煤岩样品上表面，密封连接样品室与压座；

(3)测试前工作准备：

根据实验方案，设定实验所需温度T，通过加热器对恒温水浴箱进行加热，待恒温水浴箱到达预定温度T时，启动抽气系统抽取参比室和样品室以及整个测量系统内部空气，使样品室和参比室以及测量系统内部处于真空状态；

(4)自由空间体积测定：

向系统中充入氦气，打开进气阀，向参比室充入氦气，调节参比室压力至目标压力，关闭进气阀，待压力稳定以后，记录此时参比室内部压力P₁和样品室内部压力P₂，然后打开参比室与样品室之间的平衡阀，使氦气从参比室进入样品室，待参比室和样品室内部压力稳定平衡后，记录此时压力P₃，此时得到一组数据T、P₁、P₂和P₃，通过公式计算即可得到放置煤岩样品后的样品室内部自由空间体积V_F；

自由空间体积测定完以后，再次对参比室和样品室以及测量系统抽真空；

(5)吸附膨胀量：

启动应力加载装置对样品加载，使煤岩样品达到预定应力状态下；打开充气系统的高压CO₂气源瓶阀门，启动高压气体增压泵，启动增温装置，使CO₂达到SC-CO₂状态，打开进气阀，向参比室充入测试气体，调节参比室压力至目标压力，待压力稳定后，记录此时参比室内部压力P₄和样品室内部压力P₅；然后打开参比室与样品室之间的平衡阀，使测试气体从参比室进入样品室，待参比室和样品室压力稳定平衡后，记录此时的平衡压力P₆，得到T、P₄、P₅和P₆，通过公式计算可得到吸附膨胀量；

(6)吸附膨胀平衡以后，关闭平衡阀门，再次打开高压CO₂气源瓶阀门，启动高压气体增压泵，启动增温装置，使CO₂再次达到SC-CO₂状态，打开进气阀，向参比室内部继续充入测试气体，调节参比室压力至下一目标压力，重复(5)步骤，进行下一个实验压力点吸附量和吸附膨胀量的测试，就这样从低到高依次进行各个压力点的实验，直至实验结束，即可得到不同平衡压力下的吸附量和吸附膨胀量；

(7)改变恒温水浴箱温度，测量不同温度下吸附等温线和吸附膨胀等温线，从而实现三轴应力、高温条件下煤岩体吸附膨胀量的测试。