煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法

摘要

本发明公开了一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法，包括：沿煤试样表面轴向和径向粘贴测量应变片，并在其相邻位置安设相同规格的温度补偿片，然后分别连接两个测量应变片与补偿片组成两个惠通斯电桥电路；将煤试样装入解吸罐后置入水浴槽，梯级升高水浴温度实时监测从解吸罐中排放气体流量及其组分浓度、以及煤试样体积应变数据，得到煤试样在吸热和热平衡阶段的体积变形量及其吸附气体解吸量；根据不同恒温条件下煤试样的体积变形量和解吸气体量，分析计算得出对煤试样的热膨胀系数和解吸收缩系数，从而实现量化评价热环境中煤的变形特性，为高温热害矿井的煤层稳定性研究提供重要的试验依据。

说明书

技术领域

本发明属于煤的物理检测方法，具体涉及一种评价煤在高温环境下变形特征 参数的方法。

背景技术

在深部煤层开采环境中，高地温已经成为影响煤层稳定性不可忽视的主要 因素。一般认为岩石介质普遍具有热胀冷缩特性，但是由于煤体内存在的双重 孔隙结构因而具有较强的吸附特性。升高的温度除了能引起煤体热膨胀之外， 还能从煤孔隙结构中释放出大量解吸气体。当吸附气体解吸脱离煤表面后，由 于煤表面能的增加会使煤基质出现向内部收缩趋势。这种在高温环境下先膨胀 后收缩的变形过程会对煤体结构产生复杂的不可逆的热损伤，会显著改变煤体 的力学强度。因此，通过获取煤体在热环境下变形特征参数对深入研究高温环 境中煤体变形演化规律，进一步认识深部热害矿井致灾机理能够起到关键作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法，包括以下步骤：

第一步，将煤试样加工成圆柱体，在圆柱状煤试样圆周面轴向和径向位置 上分别粘贴径向测量应变片和轴向测量应变片，在两个测量应变片的临近位置 分别设置相同规格的应变片作为轴向与径向测量应变片的温度补偿应变片，温 度补偿应变片不固定在煤样表面；轴向测量应变片和径向测量应变片分别与各 自的温度补偿应变片按照半桥方式连接组成两个惠通斯电桥半桥结构；

第二步，把上述带有惠通斯电桥半桥结构的煤试样置于解吸罐底座上；将 两个惠通斯电桥半桥结构的导线通过解吸罐体上的数据接口连接到外置的应变 采集仪；

第三步，将解吸罐的一个气路接口接通带有气阀的保护气源，另一路气路 接口依次连接气体流量计和气相色谱仪；将解吸罐内置入温度传感器，温度传 感器与外部温度采集仪接通；组装完毕后，检测解吸罐的气密性；

第四步，将解吸罐置入水浴槽；开启保护气源的气阀，气源向解吸罐内注 入氦气，注满氦气后，罐内多余的气体会流经气体流量计和气相色谱仪排放到 外界环境；当气体流量计监测气体流量平稳、气相色谱仪检测气体浓度值接近 100%后，说明解吸罐和煤试样中残存空气已经被完全排出，关闭气阀；

第五步：将水浴槽内水温升至设定温度，温度采集仪实时记录解吸罐内的 温度T；应变采集仪实时记录煤试样的轴向应变εa和径向应变εr两个方向的应 变数据，得到不同温度下煤试样的体积应变量εv；气体流量计实时记录解吸罐 中排出的解吸气体量V；气相色谱仪检测解吸罐中排出气体的成分和浓度；

第六步：通过设定不同的水浴温度使解吸罐内温度升高ΔT，得到在对应温 度条件下煤试样从初始状态到热平衡过程中煤试样的体积应变量εv与解吸气体 量V。利用两者之间数学物理关系，可以求得对应温度条件下的煤试样热膨胀系 数γ与解吸收缩系数K，并对所有温度条件下的测试结果进行统计分析，从而 获得较为精确的煤热膨胀系数及其解吸气体收缩系数。具体方法如下：

第6.1步：计算煤试样体积应变量εv

对于弹性变形的煤的体积应变量εv可以表达为式(1):

εv=εa+2·εr  (1)

式（1）中：εa代表轴向应量，εr代表径向应变量；

测量应变片监测煤的体积应变量εv是煤的热膨胀应变量ε_T抵消气体解吸导 致煤基质收缩应变量ε_d后的有效应变量ε_e，即式(2)

εv=εe=εa+2ε_r=ε_T-εd  (2)

第6.2步：计算煤基质收缩应变量ε_d

从煤中解吸气体量V与煤基质收缩应变量ε_d成正相关：

εd∝V

在恒温环境下观测的煤排出解吸气体量V是热平衡时间t的函数即V=V(t)； 所以煤基质收缩应变量ε_d与解吸气体量V关系可以表达为εd=K·V(t)，其中K 为煤基质收缩系数。

第6.3步：计算总的解吸气体量V

利用气相色谱仪分析排出的解吸气体组分及其对应的浓度Ci，其中i为吸 附气体类别；

根据排出气体量V与不同气体的浓度，计算出各类解吸气体量Vi=V·Ci， 那么解吸气体总体积量为V=∑V·Ci。

第6.4步：获取煤试样体积应变量εv与解吸气体量V关系

煤的热膨胀系数γ是常数，煤的热膨胀应变量ε_T可以表达为ε_T=γ·ΔT， 由此可以得出式(3)

εv=εa+2εr=εT-εd=γ·ΔT-K·V(t)  (3)

式中：ΔT代表在某一恒定水浴温度条件下解吸罐内温度升高值。

第6.5步：计算不同恒温条件下煤的体积膨胀系数γ和煤基质收缩系数K

通过升高水浴槽温度得到不同恒温条件下煤的体积应变量εv_j、解吸罐内温 度升高值ΔT_j、解吸气体量V_j，其中j为对应的温度，从而得出不同恒温条件 下煤的体积膨胀系数γ和煤基质收缩系数K，即

εv_j=γ·ΔT_j–K·V_j  (4)

εv_j+1=γ·ΔT_j+1–K·V_j+1  (5)

分别联立式(4)与(5)得：

γ=(εv_j·V_j+1–εv_j+1·V_j)/(ΔT_j·V_j+1–ΔT_j+1·V_j)

K=(εv_j·ΔT_j+1–εv_j+1·ΔT_j)/(ΔT_j·V_j+1–ΔT_j+1·V_j)。

本发明的积极效果是：根据不同恒温条件下煤试样的体积变形量和解吸气 体量，计算得出对煤试样的热膨胀系数和解吸收缩系数，从而实现量化评价热 环境中煤的变形特性，为高温热害矿井的煤层稳定性研究提供重要的测试手段， 同时还对获取煤层气抽采以及二氧化碳地质封存过程中储层物理性质参数变化 起到关键技术支持。

附图说明

图1为本发明测量方法的示意图。

图例说明：1-温度采集仪；2-应变采集仪；3-气体流量计；4-气相色谱仪； 5-温度传感器；6-温度补偿片；7-径向测量应变片；8-轴向测量应变片；9-水 浴槽；10-气阀；11-保护气气源；12-煤试样；13-解吸罐，14-三通阀。

具体实施方式

如图1所示，一种测试煤试样热膨胀过程中煤基质收缩参数的测试方法， 包括以下步骤：

第一步，首先取圆柱状煤试样12，在圆柱状煤试样12圆周面轴向和径向位 置上分别粘贴径向测量应变片7和轴向测量应变片8，并在径向测量应变片7和 轴向测量应变片8的相邻位置分别布置与各自测量应变片规格相同的温度补偿 片6；将轴向测量应变片8和径向测量应变片7分别与各自的温度补偿片6电联 接，组成两个惠通斯电桥半桥结构；

第二步，把上述带惠通斯电桥半桥结构的煤试样12装入解吸罐13中，将 两个惠通斯电桥半桥结构的导线通过解吸罐体上的数据接口连接到外置的应变 采集仪2；

第三步，将解吸罐13顶端的气路接口用三通阀14分成两路，其中一路接 带有气阀10的保护气气源11，另一路依次连通气体流量计3和气相色谱仪4； 将温度传感器5置入解吸罐13内，温度传感器5与外部温度采集仪1接通；组 装完毕后，检测解吸罐13的气密性；

第四步，将解吸罐13置入水浴槽9；开启气阀10，气源11向解吸罐13内 注入氦气，注满氦气后，解吸罐13内多余的气体会流经气体流量计3和气相色 谱仪4排放到外界环境；当气体流量计3监测气体流量平稳，气相色谱仪4检 测气体浓度值接近100%后，说明解吸罐13和煤试样12中残存空气已经被完全 排出，关闭气阀10；

第五步：将水浴槽9内水温升至设定温度，温度采集仪1实时记录解吸罐 13内的温度T；应变采集仪2实时记录煤试样12的轴向应变εa和径向应变εr 两个方向的应变数据，得到不同温度下煤试样12的体积应变量εv；气体流量计 3实时记录解吸罐13中排出的解吸气体量V；气相色谱仪4检测解吸罐13中排 出气体的成分和浓度；

第六步：通过设定不同的水浴温度使解吸罐13内温度升高ΔT，得到在对 应温度条件下煤试样12从初始状态到热平衡过程中煤试样12的体积应变量εv 与解吸气体量V；利用εv与V两者之间数学物理关系，可以求得对应温度条件 下的煤试样热膨胀系数γ与解吸收缩系数K，并对所有温度条件下的测试结果进 行统计分析，从而获得较为精确的煤热膨胀系数及其解吸气体收缩系数。具体 方法如下：

第6.1步：计算煤试样12的体积应变量εv

对于弹性变形的煤的体积应变量εv可以表达为式(1):

εv=εa+2·εr  (1)

式（1）中：εa代表轴向应变量，εr代表径向应变量；

测量应变片监测煤的体积应变量εv是煤的热膨胀应变量ε_T抵消气体解吸导 致煤基质收缩应变量ε_d后的有效应变量ε_e，即式(2)

εv=εe=εa+2ε_r=ε_T-εd  (2)

第6.2步：计算煤基质收缩应变量ε_d

从煤中解吸气体量V与煤基质收缩应变量ε_d成正相关：

εd∝V

由于煤体中复杂孔隙结构影响，解吸气体从脱离煤基质表面，流入煤的裂 隙网，最后离开煤孔隙结构需要一定时间。因此，在恒定环境温度下观测到的 煤的解吸气体量V是时间t的函数即V=V(t)。煤基质收缩量εd与解吸气体量V 关系可以表达为εd=K·V(t)，其中K为煤基质解吸收缩系数。

第6.3步：计算总的解吸气体量V

从解吸罐13中排出气体是混合物，利用气相色谱仪4检测到不同吸附气体 组分及其对应的浓度Ci，其中i为吸附气体种类；根据排出气体总量V与不同 气体的浓度，计算出各种解吸气体排出量Vi=V·Ci，那么解吸气体总的体积量 为V=∑V·Ci。

第6.4步：获取煤试样体积应变量εv与解吸气体量V关系

煤的热膨胀系数γ是常数，煤的热膨胀应变量ε_T可以表达为ε_T=ε·ΔT， 由此可以得出式(3)

εv=εa+2εr=εT-εd=γ·ΔT-K·V(t)  (3)

式中：ΔT代表在某一恒定水浴温度条件下解吸罐内温度升高值。

第6.5步：计算不同恒温条件下煤的体积膨胀系数ε和煤基质收缩系数K

通过梯级升高水浴槽9温度得到不同恒温条件下煤的体积应变量εv_j、解吸 罐13内温度升高值ΔT_j、解吸气体量V_j，其中j为对应的温度，从而得出不同 恒温条件下煤的体积膨胀系数ε和煤基质收缩系数K，即

εv_j=γ·ΔT_j–K·V_j  (4)

εv_j+1=γ·ΔT_j+1–K·V_j+1  (5)

分别联立式(4)与(5)得：

γ=(εv_j·V_j+1–εv_j+1·V_j)/(ΔT_j·V_j+1–ΔT_j+1·V_j)

K=(εv_j·ΔT_j+1–εv_j+1·ΔT_j)/(ΔT_j·V_j+1–ΔT_j+1·V_j)。