一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法
阅读说明：本技术 一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法 (A kind of coal containing methane gas friction-adsorption/desorption experimental rig and test method ) 是由 周爱桃 胡嘉英 王凯 张蒙 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法,该装置主要包括含瓦斯煤摩擦装置系统、注气/加压管路以及数据实时采集系统,本发明中摩擦装置系统与注气/加压管路可实现煤体的摩擦滑移行为与吸附/解吸的耦合进行,同时利用数据实时采集系统对摩擦滑移状态及吸附解吸特征进行数据监测、采集,本发明可以很好地描述考虑煤样在构造应力环境下动态破坏的吸附解吸特征,与实际情况更为接近,为研究诱发煤矿瓦斯灾害的瓦斯膨胀能的形成机理,以及含瓦斯煤摩擦滑移失稳诱发突出机理奠定理论基础。(The invention discloses a kind of coal containing methane gas friction-adsorption/desorption experimental rig and test methods, the device mainly includes coal containing methane gas rubbing device systems, gas injection/pressure pipeline and data real-time collecting system, rubbing device system and gas injection/pressure pipeline can realize that the frictional slip behavior of coal body and the coupling of adsorption/desorption carry out in the present invention, data monitoring is carried out to frictional slip state and Adsorption and desorption characteristics using data real-time collecting system simultaneously, acquisition, the present invention can describe to consider the Adsorption and desorption characteristics of coal sample dynamic failure under tectonic stress environment well, it is more close with actual conditions, the formation mechenism of the gas flow patterns of coal mine gas disaster is induced for research, and coal containing methane gas frictional slip unstability induces prominent mechanism based theoretical.)
技术领域
本发明属于采矿及岩石力学领域，具体涉及一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法。
背景技术
在地质力学相关领域中，对诱发地震的断层滑移以及水力压裂所产生的裂隙剪切滑移等方面基于摩擦学理论进行了广泛的研究；而对于构造应力场影响下的含瓦斯煤体，无论是大尺度上的断层或者小尺度上的被贯通裂隙切割且具有滑移倾向的不连续煤体，这些都是煤与瓦斯突出事故的高发区，摩擦效应对含瓦斯煤体的破坏失稳特征同样有着重要影响，含瓦斯煤体的摩擦滑移稳定性分析对于煤与瓦斯突出防治是非常重要的研究课题。
含瓦斯煤体的物性参数是研究其摩擦滑移过程中瓦斯运移及其滑移失稳的基础，由于煤体中小孔和微孔的存在，瓦斯在煤层中的赋存方式主要以吸附态为主，占瓦斯总含量的80％～90％。对于含瓦斯煤体，吸附瓦斯不仅会产生膨胀应力及应变，还会造成非力学作用如侵蚀效应等影响，导致煤体机械强度的降低，尤其是解吸瓦斯产生的瓦斯膨胀能对诱发煤体破坏失稳、突出发生有着重要推动作用，短时间内快速解吸是发生突出的必要条件。因此，在含瓦斯煤体的摩擦滑移过程中，对瓦斯吸附/解吸特性尤其是释放瓦斯膨胀能的研究是非常必要的。
目前对含瓦斯煤体的吸附解吸特征研究广泛，但现有设备或试验方法大多仅能对含瓦斯煤进行单一、稳态的吸附/解吸瓦斯特性试验，且试验中通常采用煤粉作为试验样品，其测得含瓦斯煤的吸附解吸特性与所研究煤体对象的应力应变特征不能较好地对应，其分析结果说服力不强，更无法真实反应含瓦斯煤受构造应力场影响下的吸附解吸，无法适用于含瓦斯煤摩擦滑移-吸附/解吸规律的分析。
综上所述，含瓦斯煤的“摩擦-吸附解吸”规律研究对煤体摩擦滑移失稳及突出灾害控制机理具有重要的意义，其通过分析由于断层或者贯通裂缝摩擦滑移对快速解吸释放瓦斯膨胀能的推动作用以及摩擦滑移状态特征，可以很好地描述构造应力场影响下含瓦斯煤摩擦滑移所导致的动态及非线性吸附/解吸规律，为研究含瓦斯煤摩擦滑移过程中的瓦斯运移特征及摩擦失稳诱发突出机理做铺垫。目前尚缺乏可有效描述含瓦斯煤“摩擦-吸附解吸”规律的试验装置，无法真实模拟含瓦斯煤在摩擦滑动过程与瓦斯吸附解吸特征的耦合作用效果。因此，有必要克服现有的技术缺陷，设计一种可以描述含瓦斯煤体摩擦滑移-吸附解吸耦合作用规律的试验装置及试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法,其通过分析断层/裂缝摩擦滑移对快速解吸释放瓦斯膨胀能的推动作用以及摩擦滑移状态特征，很好地描述了含瓦斯煤摩擦滑移与瓦斯吸附解吸特性的耦合作用效果，操作简单，可实施性强。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法，包括含瓦斯煤摩擦装置系统、注气/加压管路以及数据实时采集处理系统；其主体部分为含瓦斯煤摩擦装置系统，系统内部包括第一腔室和第二腔室，第一腔室位于系统内部前侧，内设有施加轴压的液压缸，液压缸外接液压泵，第二腔室位于系统内部后侧，腔室外部设有恒温箱体，第二腔室在阀门全闭时为密闭空间，腔室中部放置由上下两夹具固定的两块含瓦斯煤体，其中上部夹具可滑动，下部夹具固定，上下夹具周围由乳胶膜密封包裹，乳胶膜外部围压腔连通围压管路，第二腔室最尾端开设渐缩喷口管路。
所述的试验操作方法包括以下步骤：
S1：检查摩擦装置第二腔室气密性，保证其在阀门全闭时为密闭空间；
S2：煤矿现场切取质地均匀、面尺寸为1.5*3cm的块状煤样，煤样界面均使用60粒度碳化硅抛光以增加粗糙度，用尼龙胶带将煤样包裹仅将其滑动摩擦面露出，将两块包裹好的煤样分别置于夹具中，然后将上下夹具用乳胶膜包裹密封，。
S3：打开真空泵抽真空8～10h，然后将装置放入设定为煤层温度的恒温箱体中。
S4：关闭真空泵，施加预定的围压，打开注气管路球阀，通过调节减压阀充入预设瓦斯压力的瓦斯，在与恒温环境中，使煤样吸附瓦斯8h。
S5：开启计算机数据采集系统，关闭进气阀，打开并调节轴压液压泵施加轴压，渐缩喷口外接开关阀瞬间打开，设定滑动速度为1μm/s，滑动过程中不断记录各时刻测定的剪切应力、滑动位移以及瓦斯压力。
S6：选取相同尺寸的铁块重复上述步骤，以消去摩擦装置内由于死空间及推动煤块空间变化影响下涌出的瓦斯的影响。
S7：计算得到煤样摩擦滑移过程中的瓦斯膨胀能；继续选用相同的煤样，通过改变充入气体种类如选用非吸附性气体以及改变滑移速度来探究摩擦滑移状态与吸附/解吸特性的相互作用规律。
所述的第一腔室的液压缸运动杆的外杆端头设有线性差动变压器，运动杆的内杆端头设有轻触开关。
所述的第二腔室气体渐缩喷口管路外接电磁开关阀和压力传感器；所述的上部夹具内部设有注气管路，注气管路外接高压气泵及真空泵，上部夹具在所固定煤体两端附近位置处设出气口；所述的注气/加压管路上每个管路都设有电磁减压阀和球阀，真空泵支路只设有球阀。
注气/加压管路通过球阀控制通断，通过电磁减压阀来控制注入气体压力、围压以及轴压。
所述的第二腔室气体渐缩喷口外接的电磁开关阀和所述的轻触开关通过线路连接，轻触开关动作控制电磁开关阀通断。
所述的轻触开关置于上部夹具侧端的凹槽中，凹槽深度为轻触开关凸起高度减去轻触开关触发所需位移的临界值。
轻触开关触发压力极小，一般小于5N，且与之连接的电磁开关阀响应时间极短，而且上部夹具侧端设置的凹槽可以保证液压缸触发开关动作的瞬间立刻对含瓦斯煤样施加相应的剪应力使其摩擦滑移，同时保证触发开关不会因受力过大而损坏；因此当第一腔室内液压杆碰到触发开关瞬间即开始推动煤样滑移瞬间，第二腔室渐缩喷口同时打开，保证了含瓦斯煤摩擦滑移与解吸同时进行。
所述的数据实时采集处理系统，数据实时采集处理系统中PC与线性差动变压器以及各路各压力传感器连接，数据采集时间间隔为1.6ms。
渐缩喷口打开瞬间短时间内瓦斯解吸速率极高，且其随时间变化明显，因此，选用时间间隔为1.6ms的数据采集系统可以更完整准确地记录数据。
本发明产生的有益效果是：一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置及试验方法，其描述了考虑煤样受力作用下动态破坏的吸附/解吸特征，以及含瓦斯煤摩擦滑移和吸附解吸的互相作用规律，使煤的吸附/解吸特性与构造应力场特征(断层、裂隙贯通等构造滑动面)以试验的形式形象地表征，与实际情况更为接近；本发明可以很好地阐述诱发煤矿瓦斯灾害的瓦斯膨胀能的形成机理及摩擦滑移-吸附解吸耦合作用规律，为探究含瓦斯煤摩擦滑移失稳诱发突出机理奠定理论基础。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的注气/加压管路示意图。
图3为本发明的数据实时采集处理系统示意图。
图4为本发明的轻触开关安装结构图。
图中：1-含瓦斯煤摩擦装置系统，2-恒温箱，3-第一腔室，4-液压缸，5-第二腔室，6-围压腔，7-密封乳胶膜，8-夹具，801-上部夹具，802-下部夹具，9-含瓦斯煤样，10-轻触开关，11-注气管路出气口，12-线性差动变压器，13-PC，14-球阀，1401-轴压管路球阀，1402-注气管路球阀，1403-真空泵支路球阀，1404-围压管路球阀，15-泵，1501-轴压管路液压泵，1502-高压气泵，1503-真空泵，1504-围压管路液压泵，16-压力传感器，1601-轴压管路压力传感器，1602-注气管路压力传感器，1603-围压管路压力传感器，1604-渐缩喷口外接压力传感器，17-电磁阀，1701-轴压管路电磁减压阀，1702-注气管路电磁减压阀，1703-围压管路电磁减压阀，1704-渐缩喷口外接电磁开关阀
具体实施方式
如图1及图2所示，一种含瓦斯煤摩擦-吸附/解吸试验装置，包括含瓦斯煤摩擦装置系统、注气/加压管路以及数据实时采集处理系统；其主体部分为含瓦斯煤摩擦装置系统1，内部包括第一腔室3和第二腔室5，第一腔室3位于系统1内部前侧，内设有施加轴压的液压缸4，液压缸外接轴压管路液压泵1501，第二腔室5位于系统1内部后侧，腔室5外部设有恒温箱体2，第二腔室5在阀门全闭时为密闭空间，腔室5中部放置由上下两夹具8固定的两块含瓦斯煤体9，其中上部夹具801可滑动，下部夹具802固定，上下夹具8周围由乳胶膜7密封包裹，乳胶膜7外部围压腔6连通围压管路液压泵1504，第二腔室最尾端开设渐缩喷口管路。
所述的第一腔室3的液压缸4运动杆的外杆端头设有线性差动变压器12，运动杆的内杆端头设有轻触开关10。
所述的第二腔室5气体渐缩喷口管路外接电磁开关阀1704和压力传感器1604；所述的上部夹具801内部设有注气管路，注气管路外接高压气泵1502及真空泵1503，上部夹具在所固定煤体9两端附近位置处设出气口11；所述的注气/加压管路上每个管路都设有电磁减压阀1701、1702、1703，球阀1401、1402、1404，以及压力传感器1601、1602、1603，真空泵支路只设有球阀1403。
注气/加压管路通过球阀14控制通断，通过电磁减压阀1701、1702、1703来控制注入气体压力、围压以及轴压大小。
如图3所示，所述的第二腔室5气体渐缩喷口外接的电磁开关阀1704和所述的轻触开关10通过线路连接，轻触开关10控制电磁开关阀1704打开后，压力传感器1604采集数据并传输入数据实时采集处理系统中PC13；PC13与线性差动变压器12以及各路各压力传感器16连接，数据采集时间间隔为1.6ms。
如图4所示，所述的轻触开关10置于上部夹具801侧端的凹槽中，凹槽深度为轻触开关凸起高度减去轻触开关触发所需位移的临界值。
轻触开关10触发压力极小，一般小于5N，且与之连接的电磁开关阀1704响应时间极短，而且上部夹具801侧端设置的凹槽可以保证液压缸4触发开关动作的瞬间立刻对含瓦斯煤样9施加相应的剪应力使其摩擦滑移，同时保证触发开关10不会因受力过大而损坏；因此当第一腔室3内液压杆碰到触发开关10瞬间即开始推动煤样9滑移瞬间，第二腔室5渐缩喷口同时打开，保证了含瓦斯煤9摩擦滑移与解吸同时进行。
渐缩喷口打开瞬间短时间内瓦斯解吸速率极高，且其随时间变化明显，因此，选用时间间隔为1.6ms的数据采集系统可以更完整准确地记录数据。
试验操作方法包括以下步骤：
S1：检查摩擦装置第二腔室气密性，保证其在阀门全闭时为密闭空间；
S2：煤矿现场切取质地均匀、面尺寸为1.5*3cm的块状煤样，煤样界面均使用60粒度碳化硅抛光以增加粗糙度，用尼龙胶带将煤样包裹仅将其滑动摩擦面露出，将两块包裹好的煤样分别置于夹具中，然后将上下夹具用乳胶膜包裹密封，。
S3：打开真空泵抽真空8～10h，然后将装置放入设定为煤层温度的恒温箱体中。
S4：关闭真空泵，施加预定的围压，打开注气管路球阀，通过调节减压阀充入预设瓦斯压力的瓦斯，在与恒温环境中，使煤样吸附瓦斯8h。
S5：开启计算机数据采集系统，关闭进气阀，打开并调节轴压液压泵施加轴压，渐缩喷口外接开关阀瞬间打开，设定滑动速度为1μm/s，滑动过程中不断记录各时刻测定的剪切应力、滑动位移以及瓦斯压力。
S6：选取相同尺寸的铁块重复上述步骤，以消去摩擦装置内由于死空间及推动煤块空间变化影响下涌出的瓦斯的影响。
S7：计算得到煤样摩擦滑移过程中的瓦斯膨胀能；继续选用相同的煤样，通过改变充入气体种类如选用非吸附性气体以及改变滑移速度来探究摩擦滑移状态与吸附/解吸特性的相互作用规律。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。