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原文传递一种三轴煤样模型实验方法

专利名称：	一种三轴煤样模型实验方法
摘要：	一种三轴煤样模型实验方法，包括煤样制备装置以及煤样吸附解吸测试装置，所述煤样制备装置先在煤粉中预制导热管和温度传感器，然后压制成煤样，方便在煤样吸附解吸测试装置中控制煤样的温度，使得煤样吸附解吸测试装置具有围向加压、轴向加压以及温度控制功能，满足煤样吸附解吸测试的需求。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河北;13
申请人：	华北科技学院
发明人：	杨涛;陈鹏;陈学习;聂百胜;刘金海;褚廷湘;叶秋生;顾勇攀;刘梦杰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201910440326.9
公开号：	CN110082497A
代理机构：	广州文衡知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李丽
分类号：	G01N33/22(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	065000 河北省廊坊市三河市学院大街467号
主权项：	1.一种三轴煤样模型实验方法，其特征是：包括以下步骤： (1)参照煤样制作标准，使用煤样制作装置制作煤样，所述煤样连接有导热管和温度传感器； (2)检查吸附解吸测试装置的气密性，所述吸附解吸测试装置包括围压加压机构和轴向加压机构； (3)计算煤样装入吸附解吸测试装置后吸附解吸测试装置内的自由体积，所述自由体积指吸附解吸测试装置中除煤样实体以外，包括煤颗粒内孔隙、颗粒间空隙、附解吸测试装置的残余空间和通径体积的总和； (4)进行吸附实验和解吸实验。 2.根据权利要求1所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：所述煤样制备装置包括筒体(31)，所述筒体(31)的下部滑动连接有顶压模板(33)，所述筒体(31)的上部固定连接有固定模板(32)，所述筒体(31)内还设置有导热管(9)，所述导热管(9)的下端设置在顶压模板(33)上，所述导热管(9)的上部贯穿固定模板(32)，所述导热管(9)与固定模板(32)滑动配合，所述顶压模板(33)与固定模板(32)之间的空腔内设置有温度传感器(10)；所述顶压模板(33)的下方设置有驱动顶压模板(33)向上移动的顶压机构，所述煤样制备装置制作出的煤样(2)连接有导热管(9)和温度传感器(10)，所述导热管(9)内可放置对煤样(2)加热的加热材料；优选的，所述顶压机构包括轴向加压油缸Ⅰ，所述轴向加压油缸Ⅰ包括缸体Ⅰ(34)以及与缸体Ⅰ(34)固定连接的缸盖Ⅰ(35)，所述缸体Ⅰ(34)内设置有活塞Ⅰ(36)，所述活塞Ⅰ(36)的上部贯穿缸盖Ⅰ(35)，所述活塞Ⅰ(36)与缸盖Ⅰ(35)滑动配合，所述活塞Ⅰ(36)与缸体Ⅰ(34)之间设置有密封机构Ⅰ(37)，所述缸体Ⅰ(34)上连接有轴向加压接头Ⅰ(38)，所述轴向加压接头Ⅰ(38)连接有轴向加压油泵Ⅰ(39)。 3.根据权利要求2所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：所述煤样吸附解吸测试装置包括围压筒(1)，所述围压筒(1)内由下至上设置有煤样下支撑机构以及煤样上压机构，所述煤样制备装置制作的煤样(2)可放置在煤样下支撑机构于煤样上压机构之间，所述围压筒(1)与煤样(2)之间设置有间隙，所述围压筒(1)上设置有与间隙连通的围压加压接头(12)，所述围压加压接头(12)连接有围压加压气泵(21)，所述煤样下支撑机构连接有轴向加压机构，所述煤样上压机构在轴向上固定设置，所述轴向加压机构可通过煤样下支撑机构对煤样(2)轴向加压；优选的，所述煤样上压机构包括上压帽(4)、上堵头(3)以及上锥度套(5)，所述上压帽(4)设置在上堵头(3)上部的外围，所述上锥度套(5)设置在上堵头(3)下部的外围；优选的，所述煤样下支撑装置包括下压帽(7)、下堵头(6)以及下锥度套(8)，所述下压帽(7)设置在下堵头(6)下部的外围，所述下锥度套(8)设置在下堵头(6)上部的外围，所述煤样(2)设置在上堵头(5)和下堵头(6)之间；优选的，所述上锥度套(5)和下锥度套(8)之间设置有胶套(11)，所述胶套(11)设置在围压筒(1)与煤样(2)之间，所述胶套(11)连接有与外界连通的气体接头(19)，所述气体接头(19)连接有充气机构、抽气机构和出气机构；所述充气机构包括充气管(23)以及与充气管(23)连接的气源(25)，所述充气管(23)上设置有充气阀(24)以及参考罐(26)，所述参考罐(26)与充气管(23)之间设置有控制阀(27)；所述抽气机构包括抽气管(30)以及与抽气管(30)连接的真空泵(29)，所述抽气管(30)上设置有抽气阀(28)；所述出气机构包括出气管(40)，所述出气管(40)上设置有出气阀(41)和流量计(42)；优选的，所述轴向加压机构包括轴向加压油缸Ⅱ，所述轴向加压油缸Ⅱ包括缸体Ⅱ(13)以及与缸体Ⅱ(13)固定连接的缸盖Ⅱ(16)，所述缸体Ⅱ(13)内滑动设置有活塞Ⅱ(15)，所述活塞Ⅱ(15)的上部贯穿缸盖Ⅱ(16)，所述活塞Ⅱ(15)与缸体Ⅱ(13)之间设置有密封机构Ⅱ(17)，所述缸体Ⅱ(13)上连接有轴向加压接头Ⅱ(14)，所述轴向加压接头Ⅱ(14)连接有轴向加压油泵Ⅱ(22)；优选的，所述缸盖Ⅱ(13)与围压筒(1)的下端通过卡箍(18)固定连接；优选的，所述上压帽(4)与围压筒(1)固定连接，所述上锥度套(5)与围压筒(1)密封连接，所述导热管(9)的上部贯穿上堵头(3)，所述导热管(9)与上堵头(3)密封连接；优选的，所述上压帽(4)与上堵头(3)固定连接；优选的，所述上堵头(3)与上锥度套(5)密封连接或者所述上堵头(3)与上压帽(4)密封连接。优选的，所述下压帽(7)与围压筒(1)固定连接或者所述下压帽(7)设置在缸盖(16)上，所述下锥度套(8)与围压筒(1)密封连接，所述下堵头(6)与下压帽(7)、下锥度套(8)均滑动配合，所述下堵头(6)与下压帽(7)之间设置有密封机构或者所述下堵头(6)与下锥度套(8)之间设置有密封机构。 4.根据权利要求3所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：为了保证测定结果的准确性，需要对吸附解吸测试装置、参考罐及其连通管线的体积进行标定，标定方法是：先通过真空泵将吸附解吸测试装置及其连通的管线的内部压力抽至l0Pa，关闭抽气阀；打开控制阀，瞬间向参考罐充入高压氮气，当压力值稳定后，记录参考罐的压力值P1参和吸附解吸测试装置的压力值P1样，然后打开充气阀，待压力值再次稳定后记录压力值P1平；然后向参考罐内放入已知体积的标准块V标，再瞬间向参考罐充入高压氮气，当压力值稳定后，记录参考罐的压力值P2参和吸附解吸测试装置的压力值P2样，然后打开充气阀，待压力值再次稳定后记录压力值P2平，按照下列公式计算吸附解吸测试装置的体积V样和参考罐的体积V参：如此重复测试5次，取其平均值。 5.根据权利要求4所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：所述自由体积的测量方法为：将装入煤样的吸附解吸测试装置，待吸附解吸测试装置的体积应力达到预设值后，抽空脱气，真空度达到4Pa后，断开真空泵；将氦气充进参考罐，初始压力为P1，然后打开充气阀，10min后记录参考罐的剩余压力P2，根据玻义尔定律计算自由空间体积：式中：V自为样品罐自由体积，cm3；P1为参考罐内氦气的初始压力，Mpa；P2为参考罐内氦气的剩余压力，Mpa；V参为参考罐及管路的体积，cm3。 6.根据权利要求4所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：所述自由体积的计算方法为：式中：V自为样品罐自由体积，cm3；V样为样品罐及管路的体积，cm3；M为煤样重量，g；Dc为煤样真比重，g/cm3。 7.根据权利要求6所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：所述吸附实验包括以下步骤： 1)充气：打开充气阀和控制阀，向吸附解吸测试装置和参考罐内充入甲烷气体，调节参考罐内的压力至目标压力； 2)数据采集：参考罐内的压力达到目标压力，且温度稳定后，启动等温吸附实验程序采集数据； 3)吸附平衡时间确定：根据实际情况确定，但不得少于12小时； 4)重复1)到3)步骤，直至最后一个压力点实验结束； 5)根据参考罐、吸附解吸测试装置的平衡压力及温度，利用以下公式计算不同平衡压力点的吸附量： PV＝nZRT 式中：P为压力，MPa；V为体积，cm3；n为摩尔数；Z为气体的压缩因子；R为气体常数；T为温度，K；可分别求出平衡前系统内气体的摩尔数(n1)和平衡后系统内气体的摩尔数(n2)，则煤样吸附气体的摩尔数(n)为： n＝n1-n2 式中：n1为平衡前系统内气体的摩尔数；n2为平衡后系统内气体的摩尔数。吸附气体的总体积(V总)： V总＝n×22.4×1000 吸附量(V)： V＝V总/M 式中：M为煤样重量，g；V总为吸附气体的总体积，cm3；V为吸附量，cm3/g。 8.根据权利要求7所述的三轴煤样模型实验方法，其特征是：解吸实验包括以下步骤： 1)无热源影响时的解吸实验：打开处于吸附平衡状态的吸附解吸测试装置的出气阀，数据采集系统自动采集记录出气量、煤体温度值、应力应变情况等数据； 2)有热源影响时的解吸实验：可将吸热完成后的无机相变储热材料(可分布选择相变温度为50℃、70℃、90℃的无机相变储热材料)，放置到导热管内，重复1)实验，可完成中心恒温热源影响条件下应力状态下型煤煤体瓦斯解吸规律，通过数据计算分析，可得到模拟原位状态条件下恒温热源放热时热响应范围、瓦斯解吸速率、应变、残存瓦斯含量等参数，可依此得到受热源影响时煤体瓦斯解吸规律。
所属类别：	发明专利