[发明专利]一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：包括煤岩循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，所述煤岩循环摩擦系统包括装置外壳体、第一轴向加载油缸、第二轴向加载油缸、密封橡胶膜、围压腔室、试验腔室、夹持垫块；所述的第一轴向加载油缸和第二轴向加载油缸都各有两个独立控制的油缸且分别位于装置两侧，其中第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸的内部；所述的试验腔室位于装置的正中央，所述的夹持垫块位于轴向加载油缸内侧端和试验腔室之间；所述的密封橡胶膜包裹着部分夹持垫块与试验腔室，并且密封橡胶膜与外壳体之间的空间为围压腔室；所述的注气及加压系统包括1个注气管路、1个围压加载油路和4个轴向加载油路；其中注气管路内部连通试验腔室，外接气泵；围压加载油路内部连通围压腔室，外接围压泵；轴向加载油路则包括第一轴向加载油路和第二轴向加载油路各2路；所述数据实时采集系统包括应力传感器、位移传感器、流量计和PC等。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸内部，而第一轴向加载油缸靠近外侧一端为细长中空圆柱，靠试验腔室一端为侧“凹”型结构，并且第一轴向加载油缸侧“凹”型结构内底端与内部的第二轴向加载油缸内端部之间留有滑槽空间；第一轴向加载油缸外部与外壳体之间也设有滑槽空间，前述2个滑槽最大空间距离都相等。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的夹持垫块分为第一夹持垫块和第二夹持垫块各两块，其中试验腔室左下侧和右上侧为第二夹持垫块，左上侧和右下侧为第一夹持垫块，上下夹持垫块摩擦界面处设有渗流通道；其中第一夹持垫块为长方体，其外端与同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板端部始终相接触；第二夹持垫块外端对应同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板位置设有凹槽且二者可相嵌合，其与同侧第二轴向加载油缸端部始终相接触。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的第一轴向加载油缸及第二轴向加载油缸各位置设有的滑槽最大空间距离与第二夹持垫块凹槽长度都相等。

5.根据权利要求1所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的2个第一轴向加载油路进油口分别位于外壳体的右上部和左下部，且油路内部与第一轴向加载油缸相连通；所述的2个第二轴向加载油路进油口分别位于两个第一轴向加载油缸的外侧端并从第一轴向加载油缸内部所设的空隙接入，油路内部与第二轴向加载油缸相连通；所述的4个轴向加载油路外接1个轴向加载泵。

6.根据权利要求1所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的注气管路进出气口分别位于两个第二轴向加载油缸外侧端，并且经由第二轴向加载油缸内部所设的空隙，最终与试验腔室相连通。

7.根据权利要求1-7任一项所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取试样，经过加工处理制备匹配试验仪器的煤岩块体；

在矿区获取试验所需的煤岩体；切取质地均匀、设定尺寸的块状煤、岩样，然后在煤岩样摩擦界面经过人工打磨以达到设定的粗糙度，在非摩擦界面进行光滑处理并涂抹润滑油；制作完成后，用尼龙胶带将煤样包裹仅将其接触面露出，将两块包裹好的煤、岩样置于试验腔室中；

S2：试验准备；

将其置于设置的恒温环境中，检查气密性，然后进行抽真空处理；

S3：进行试验；

首先通过围压泵对煤岩样施加预定围压，然后施加预定瓦斯压力至设定值，并保持瓦斯压力不变，使煤样充分吸附24h；然后打开出气口并开启数据采集系统，当出气口流量稳定后开始进行滑动速度为1μm/s-10μm/s-1μm/s-10μm/s的速度步长滑动试验。

S4：轴向加载油缸具体操作步骤为：第一步：右侧第一轴向加载油缸推动右下部第一夹持垫块并带动下部式样、左下部第二夹持垫块以及左侧第二轴向加载油缸向左运动滑槽最大距离，式样之间摩擦滑动距离为滑槽最大距离，此时左侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构内底端与内部的第二轴向加载油缸内端部之间滑槽距离为0；第二步：然后由左侧第一轴向加载油缸推动其他所有轴向加载油缸、夹持垫块以及两块试样整体向右运动滑槽最大距离的一半，此时轴向加载油缸关于装置中央对称；第三步：而后左侧第二轴向加载油缸推动左下部第二夹持垫块并带动下部式样、右下部第一夹持垫块以及右侧第一轴向加载油缸向右运动滑槽最大距离的一半，此时右侧第一轴向加载油缸回到初始位置；第四步：最后由右侧第二轴向加载油缸推动右上部第二夹持垫块并带动上部试样、左上侧第一夹持垫块以及左侧第一轴向加载油缸向左运动滑槽最大距离的一半，此时整个试验装置内所有结构及煤岩样回到初始位置，完成一个摩擦滑移循环，上述步骤中只有第二步式样之间没有发生摩擦滑移位移；后续则根据需要继续上述步骤完成所需的摩擦循环数，同时不断监测记录各时刻的摩擦力、滑动位移和渗流流量。

S5：一个测试周期结束后更换煤岩样，重新改变施加瓦斯压力和正应力继续进行S3、S4流程。