深部采动变形煤体氧化特性测试装置

摘要

本发明涉及深部采动变形煤体氧化特性测试装置，具体涉及高应力、高温度、高气体流动压力、气体浓度和流量及高强度采动变形的多重复杂环境下煤炭自燃氧化特性测试装置。所述装置由圆形腔体、液压控制系统、气源控制系统和气体采集系统组成。其特征在于，圆形腔体外部与液压控制系统、气源控制系统和气体采集系统连接，实验时将制备完好的煤样放入圆形腔体中，调节腔体内的压力和温度，使腔体内实验煤样符合实际煤层的赋存环境，然后调节气源系统的气体浓度、流量和压力，打开进气阀门向实验煤样提供设定的气源，打开出气阀门并采集释放气体和温度情况，以及实验煤样内部温度变化和应力应变参数，为此分析采动变形煤体的氧化特性。

说明书

技术领域

 本发明涉及深部采动变形煤体氧化特性测试装置，该装置为煤矿灾害防治领域，具体涉及高应力、高温度、高气体流动压力和高强度采动变形的多重复杂环境下煤炭自燃氧化特性测试。

背景技术

煤炭工业是我国的基础产业，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占70%左右。目前我国煤矿开采的总局势浅度的储存量偏少，而在千米以上的深度总储量占得比较多，据资料调查，深度的储藏量约占总量的70%以上。随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，向深部开采已成为趋势。据相关资料，我国煤矿深部资源开采的深度定界为800~1500m。我国深部开采发展趋势自1980年我国煤矿开采的平均深度为288m，1995年达到428m，20世纪末煤矿开采深度已经近500m，2005年开采深度平均已经达到700m，且煤矿开采深度以每年10～20m的速度增加，目前煤矿开采中我国很多矿井已进入800m到1500m深度的深部开采。深部开采所处复杂的地质环境，煤岩体均处于高地应力、高地温、高孔隙压力和高强度扰动的状态中，致易深部煤炭自燃火灾日趋严重。再者，我国浅部煤层发生自燃发火一直以来都非常严重，据统计，我国国有重点煤矿中具有易自然发火危险煤层的矿井约占56％，煤炭自燃是导致矿井火灾的主要因素，90%以上的矿井火灾是由煤炭自燃引起的，煤炭自燃成为矿井的主要灾害。然而随着开采深度增加，地温、地压均线性增加，煤岩体的破碎度和塑性增大，煤岩力学性质发生改变，煤体中孔隙将发育、发展、变形与贯通，气体的渗流扩散增强，煤的吸氧特性，热量的积聚释放规律和蓄热环境将发生显著变化，致使深部开采过程煤炭自燃特性明显有别于浅部开采煤层，且自燃过程、氧化特性和防治技术将变得更加复杂。

目前，针对深部开采过程煤炭自燃呈现出的复杂问题，未有相关的实验装置能满足深部开采复杂条件下煤炭自燃特性的测试，无法适应深部煤炭开采的实际情况。

发明内容

本发明的目的是实现深部开采过程中煤炭自燃特性测试方法，提供一种手段可靠，结构合理，方法简便，测量准确，数据可视化，测试效果好的满足深部煤层赋存条件和开采过程中的采动变形煤体氧化特性的测试装置。

本发明的技术方案：

本发明的深部采动变形煤体氧化特性测试装置，该装置由圆形腔体、液压控制系统、温度控制系统、气源控制系统和气体采集系统组成。其特征在于：圆形腔体是将制备后的煤样放入腔体中，煤样内部预埋光纤温度传感器和光纤应变传感器，对煤样和多孔垫板套上热缩管，并安上应变片，然后安置于圆形腔体内，盖上腔体盖，按照实验设定方案参数开始向腔体内注入液压油，调节液压控制系统控制腔体内的压力，通过温度控制系统控制腔体内的温度，使得腔体内的实验煤样符合深部开采煤层的赋存环境，同时调节气源系统所控制的空气流量和气体压力参数，通过数据采集系统采集煤样实验过程中释放的CO、O2、CH4、CO2、C2H4等参数和温度变化情况，以及实验煤样内部温度变化和应力应变参数，根据这些参数分析和研究深部采动煤体变形过程中煤体氧化特性。

所述的圆形腔体为具有密闭和抗压性能，腔体由主体腔体和腔体盖组成，腔体内部底座为下多孔垫板，多孔垫板上设置了一定数量的气体通道，并与进气管相连通；腔体内部上部也存在上多孔垫板，与出气管路路相连通。下多孔垫板通过固定栓固定，测试煤样安置于上下多孔垫板之间，煤样内部预置光纤应变传感器和光纤温度传感器，煤样外部及多孔垫板套热缩管密封。

所述的液压控制系统是将液压油通过进油管路注入圆形腔体内，为煤样施加煤层赋存环境所需的应力，其大小由压力表获取；同时卸压时液压油通过回油管路回流而降低圆形腔体内的压力。

所述的温度控制系统是在圆形腔体外边套上加热圈，根据腔体内部反馈的温度值，通过温度控制系统进行自动调节，获得实验所需的温度。

所述的气源控制系统是为实验煤样提供所需要的氧气浓度、气体压力和流量大小，其通过精密流量计按照设定的实验条件进行控制，为实验煤样提供所设定的条件。

所述的气体采集系统是对采动变形煤样升温氧化后释放出气体进行监测，主要监测指标为CO、O2、CH4、CO2、C2H4等参数和温度情况，其自动采集，为对比分析不同设定的实验条件下气体释放特性和规律，并与实验煤样变形特性之间关系作更深入研究分析。

本发明的深部采动变形煤体氧化特性测试方法：

a、将制备好的原煤样进行内部预置光纤应变传感器和温度传感器，并安置于上下两个多孔垫板之间，然后将热缩管把煤样进行密封严实，根据实验需要在试样外部贴上应变片，然后安置于圆形腔体内，固定底座的多孔垫板，安上圆形腔体封盖，并密封完好。

b、通过液压控制系统向圆形腔体内注入液压油，压力表监控腔体内的压力大小，当达到实验方案所设定的应力值时，关闭进油阀门，使煤样置于相应的应力环境。

c、调节圆形腔体外围加热圈，并通过温度控制系统获得腔体内部所设定的温度大小，使煤样置于相应的温度环境。

d、根据所设定的实验方案，调节好精密流量计所需的流量和压力大小，同时启动气体采集系统、温度采集系统和应力应变采集系统。

e、当所有控制系统都调试好后，启动采集系统，打开进气阀门和出气阀门，并在实验过程中按照实验设定的要求增加或降低腔体内应力，使煤体发生不同程度的变形，并氧化自燃。

f、根据实验需要，开展不同应力、不同温度环境、不同气体压力条件下煤体变形和氧化测试实验，根据采集的气体成分和浓度、煤体内部温度和变形、排放气体温度等参数进行分析，研究深部开采环境下煤体变形和氧化特性。

本发明的有益效果是：

由上所述，本发明装置是实现深部采动煤层变形过程中煤体氧化特性的测试，通过对圆形腔体内的压力和温度设定，并置煤样于其中，通过进气管上的精密流量仪控制气体流量和压力，改变腔体内液压油的压力获得煤体应力应变及变形破断程度，在不同变形过程中煤体出现的裂隙演化与不同压力、不同浓度氧气相互作用，释放出的指标气体成分和浓度将各有差异，通过对所监测的参数进行分析，获取深部煤层赋存环境下采动过程中煤体氧化规律，揭示深部采动煤体内部变形、裂隙演化特征及其对氧气吸附渗流规律，从而为深部开采煤层自燃的防治提供理论指导。

因而本发明装置完全可以满足深部开采采动煤层变形过程中煤体氧化特性的测试要求，创新性地提出测试装置，填补在研究深部煤自燃过程中对实验装置的需求。该装置结构合理，操作容易，测试方法简便，技术可靠，测量精度高，方法易掌握，数据自动采集和可视化，成本低，具有广泛的适用性和推广应用价值。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图。其中有气源控制系统1、进气管路控制阀门2、精密流量计3、进气管路4、进气管路接头5、进气接嘴6、圆形腔体7、应变片8、液压油9、加热圈10、腔体接口11、腔体盖12、上多孔垫板13、出气接嘴14、出气管路接头15、出气管路控制阀门16、气体采集系统17、光纤应力传感器18、密闭热缩管19、实验煤样20、光纤温度传感器21、热电偶22、压力表23、温度控制系统24、进油控制阀门25、回油控制阀门26、下多孔垫板27、固定栓28、进油管路29、回油管路30、液压控制系统31、数据采集卡32。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的深部采动变形煤体氧化特性测试装置的实施例作进一步的描述： 

本发明的深部采动变形煤体氧化特性测试装置，根据实验装置制得标准圆柱型原煤样（?50mm×100 mm），对原煤样进行预置光纤应变传感器和温度传感器的处理和加工，然后把煤样安置在底座的多孔垫板(?50mm)上，在煤样和多孔垫板均套上热缩管，在安放上部多孔垫板，利用电吹风对热缩管进行收缩处理，使热缩管紧紧地把煤样进行密封严实，实验煤样外部安上应变片，并按圆形腔体内部的固定栓位置把煤样安置于腔体内，盖上圆形腔体的封盖，并检查整个腔体内部的气密性，保证密封完好。启动液压控制系统的液压泵，打开进油阀门，开始向腔体内注入液压油，当压力表监控腔体内的压力达到实验所需的压力值时，关闭进油阀门，使实验煤样处于设定的压力值环境中，煤体将受压缩而变形。然后启动圆形腔体外围的加热圈，调节温控系统所设定的温度值，并一直恒定该温度，使实验煤样处于设定的温度值环境中，煤体因受热将发生微观结构的变化。随后启动气源控制系统，调节好精密流量计所需的流量和压力大小，并调试所有的采集系统，可以通过两种方式开展实验，其一：恒定腔体内的压力和温度，打开进气阀门和出气阀门，开展此条件下的煤体氧化实验；其二，卸除腔体内的压力获得煤体卸压变形、裂隙产生、贯通和破断，或根据实验需要改变腔体内的温度，在打开气源系统的进气阀门和排气阀门。实验时间可以根据设定的实验方案进行，通过数据采集系统获得实验煤样变形前后的CO、O2、CH4、CO2、C2H4、温度和应力、应变的变形变化规律，通过一系列的实验，最后对数据进行系统分析、作图对比分析，获得不同应力、不同温度环境、不同气体压力、气体浓度和流量条件下煤体变形和升温氧化规律，根据采集的气体成分和浓度、煤体内部温度和变形、排放气体温度等参数进行研究深部开采环境下采动煤体变形和氧化特性，从而为深部开采煤层自燃的防治技术和早期自燃识别方法提供理论依据。