水冰相变冻胀作用多维参数测试装置、测试方法
阅读说明：本技术 水冰相变冻胀作用多维参数测试装置、测试方法 (Multi-dimensional parameter testing device and method for water ice phase change frost heaving effect ) 是由 秦雷 王平 马超 林海飞 杨二豪 龙航 闫冬洁 白杨 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水冰相变冻胀作用多维参数测试装置、测试方法,该装置包括液氮供给机构、压力测试系统、信号采集系统、数据处理系统,所述液氮供给机构的出口通过管道连接压力测试系统内的试验煤体,所述压力测试系统、信号采集系统的信号输出端分别连接数据处理系统。该方法是将液氮注入置于压力测试系统内的试验煤体的钻孔内,利用压力测试系统、信号采集系统对液氮冻结试验煤体冻胀压力、试验煤体形变、试验煤体表面温度分布梯度及液氮流量进行信息采集,数据处理系统利用所采集的信息得到不同液氮流量试验煤体水冰相变冻胀参数。该装置能够有效测量液氮冻结试验煤体水冰相变冻胀作用多维参数；该测量方法则能够有效确定最优液氮流量,为工程实践提供借鉴；本发明的测试装置能够对任意试验煤体进行测量。(The invention discloses a multidimensional parameter testing device and a testing method for a water ice phase change frost heaving effect. Injecting liquid nitrogen into a drill hole of a test coal body arranged in a pressure test system, utilizing the pressure test system and a signal acquisition system to acquire information of frost heaving pressure of the liquid nitrogen freezing test coal body, deformation of the test coal body, surface temperature distribution gradient of the test coal body and liquid nitrogen flow, and utilizing the acquired information by a data processing system to acquire water-ice phase change frost heaving parameters of the test coal body with different liquid nitrogen flow. The device can effectively measure multidimensional parameters of the liquid nitrogen freezing test coal body water ice phase change frost heaving effect; the measuring method can effectively determine the optimal liquid nitrogen flow, and provides reference for engineering practice; the testing device can measure any test coal body.)
技术领域
本发明属于煤炭开采领域，涉及一种多维参数测试装置，具体地说是涉及一种水冰相变冻胀作用多维参数测试装置，本发明还提供了一种水冰相变冻胀作用多维参数的测试方法。
背景技术
瓦斯作为清洁能源，能改善能源现状，优化能源结构，缓解化石燃料带来的环境污染。但由于我国地质构造复杂，煤层渗透率低、孔隙发育不完整，导致瓦斯抽采效果不理想，极易发生瓦斯灾害，而瓦斯灾害作为制约煤炭行业发展的重要因素，会造成人员伤亡、设备损坏和矿井停产。
为此，近些年，大量煤层致裂技术被应用到煤层瓦斯抽采领域，例如水力压裂、水利割缝、保护层开采、爆破法、高能震爆法等一系列致裂方法在煤层增透领域得到了应用，促进了煤层瓦斯抽采。而随着技术进步和生产要求提高，以CO2和液氮为代表的无水致裂技术逐渐发展起来，特别是液氮，具有易制取（利用氮气制取）、无污染（产物为氮气）、超低温（-196℃）和高体积膨胀率（1L液氮汽化为696L氮气）等优点，受到越来越多关注。
而为定量探究液氮冻结过程水冰相变对试验煤体作用效果，需要设计一种液氮冻结试验煤体水冰相变冻胀作用多维参数测试装置，以实现观测液氮流量对试验煤体水冰相变多维参数改造规律，确定最优液氮流量，为工程实践提供借鉴。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种水冰相变冻胀作用多维参数测试装置，实现对液氮冻结水冰相变冻胀压力、试验煤体形变测量；观察试验煤体表面温度分布梯度，统一水冰相变试验煤体冻胀形变、冻胀压力和表面温度分布梯度；同时实现测量液氮流量，观测液氮流量对试验煤体水冰相变多维参数改造规律。
本发明的另一目的是，提供一种水冰相变冻胀作用多维参数的测试方法，该方法能够有效测量液氮冻结水冰相变冻胀压力、试验煤体形变、试验煤体表面温度分布梯度。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种水冰相变冻胀作用多维参数测试装置，它包括液氮供给机构，用于对试验煤体进行压力测试的压力测试系统，用于对试验煤体的表面温度、冻结中试验煤体形变监测的信号采集系统，以及用于对采集信号进行处理的数据处理系统，所述液氮供给机构的出口通过管道连接压力测试系统内的试验煤体，且管道上设有控制液氮流量的控制阀；所述压力测试系统、信号采集系统的信号输出端分别连接数据处理系统。
对于本发明的限定：所述信号采集系统包括测量管道内液氮压力的压力表、测量注入试验煤体液氮流量的流量传感器、对试验煤体的表面温度进行采集的红外热成像设备，以及对冻结中试验煤体形变进行监测的形变监测设备，其中形变监测设备与压力测试系统共同设于光学平台上，且压力测试系统固设于光学平台上，形变监测设备通过导轨设于光学平台上。
对于本发明的进一步限定：所述压力测试系统包括设于光学平台上、顶端具有开口的外壳，在外壳内设置有顶端具有开口、用于放置试验煤体的反应室，所述反应室与外壳之间设有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器与温度传感器的信号输出端连接数据处理系统；还包括用于密封反应室、外壳开口及试验煤体钻孔的封口机构，所述封口机构上设有用于将液氮引入试验煤体的液氮注入管。
对于本发明中形变检测设备的限定：所述形变监测设备包括设于光学平台上的光源机构、反射机构、图像采集机构，其中反射机构与图像采集机构分别通过导轨设于光学平台上。
对于本发明中光源机构、图像采集结构的限定：所述光源机构包括通过支架设于光学平台上的照射灯，所述反射机构包括设于导轨上的位移台，位移台上固设有反光镜组件，位移台的顶端固设有电控旋转头；
所述图像采集机构包括二维平移台，所述二维平移台上设有CCD，CCD上设有镜头。
本发明还提供了一种水冰相变冻胀作用多维参数的测试方法，该方法是将液氮注入置于压力测试系统内的试验煤体的钻孔内，利用压力测试系统、信号采集系统对液氮冻结试验煤体冻胀压力、试验煤体形变、试验煤体表面温度分布梯度及液氮流量进行信息采集，并通过控制阀调节液氮流量，数据处理系统利用所采集的信息得到不同液氮流量试验煤体水冰相变冻胀参数。
作为对水冰相变冻胀作用多维参数的测试方法的限定：
其包括依次进行的以下步骤：
一、对试验煤体打孔，放入压力测试系统内密封；
二、打开控制阀，液氮通过管道注入试验煤体，试验煤体的水冰相变冻胀压力、液氮流量、试验煤体表面温度分布、试验煤体形变特征分别传送至数据处理系统；
三、通过数据处理系统记录液氮冻结试验煤体水冰相变冻胀作用下多维参数数据；通过控制阀调整液氮流量，测量液氮流量对液氮冻结试验煤体水冰相变多维参数影响。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
利用本发明的水冰相变冻胀作用多维参数测试装置能够对液氮冻结试验煤体水冰相变冻胀作用多维参数测试，可测量液氮流量、水冰相变冻胀压力、水冰相变试验煤体形变和试验煤体表面温度分布梯度，得到液氮冻结过程水冰相变对试验煤体的作用机制。利用水冰相变冻胀作用多维参数测试装置的测试方法能够统一试验煤体水冰相变冻胀应力与试验煤体表面温度，探究液氮注入过程最优液氮流量。
综上所述，本发明的装置能够有效测量液氮冻结试验煤体水冰相变冻胀作用多维参数；本发明的测量方法则能够有效确定最优液氮流量，为工程实践提供借鉴；本发明的水冰相变冻胀作用多维参数的测试装置能够对任意试验煤体进行测量。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1中压力测试系统的结构示意图。
图中：1、液氮罐，2、控制阀，3、压力表，4、管道，5、流量传感器，6、压力测试系统，6-1、液氮注入管，6-2、定位柱，6-3、固定螺母，6-4、垫片，6-5、顶盖，6-6、顶板，6-7、压力传感器，6-8、温度传感器，6-9、封孔器，6-10、试验煤体，6-11、反应室，6-12、外壳，7、光学平台，8、反射镜组件，9、位移台，10、电控旋转头，11、镜头，12、CCD，13、二维平移台，14、导轨，15-数据传输线，16-红外热成像仪，17-可伸缩支架，18-数据处理系统，19-照射灯。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例 水冰相变冻胀作用多维参数测试装置、测试法方法
本实施例中所述的“前”“后”“左”“右”均是为了方便描述而定义，不构成对本发明保护范围的限制。
本实施例提供一种水冰相变冻胀作用多维参数测试装置，如图1、图2所示，包括：
一）液氮供给机构，用于为试验煤体6-10注入液氮。本实施中的液氮供给机构采用现有技术中的液氮罐1，所述液氮罐1通过管道4连接后续的压力测试系统6，所述液氮罐1的出口处设有用于调节液氮流量的控制阀2。
二）压力测试系统6，用于提供试验环境，对试验煤体进行压力测试。本实施例中的压力测试系统6设于光学平台7上，如图2所示，包括顶端具有开口的外壳6-12，在外壳6-12内设置有用于放置试验煤体6-10的反应室6-11，所述反应室6-11也顶端具有开口，所述反应室6-11与外壳6-12之间设有压力传感器6-7和温度传感器6-8。所述压力传感器6-7与温度传感器6-8的信号输出端连接数据处理系统；还包括用于密封反应室6-11、外壳6-12开口及试验煤体6-10钻孔的封口机构，所述封口机构上设有用于将液氮引入试验煤体的液氮注入管6-1。
所述封口机构包括用于密封反应室6-11封口的顶板6-6、用于密封外壳6-12封口的顶盖6-5，以及用于密封试验煤体6-10钻孔的封孔器6-9，所述液氮注入管6-1依次贯通顶板6-6、顶盖6-5、封孔器6-9至试验煤体6-10的钻孔内，且顶板6-6延伸出外壳6-12的两侧分别穿过定位柱6-2，通过固定螺母6-3进行固定，为保证稳固性，于螺母6-3与顶盖6-5之间设有垫片6-4。
三）信号采集系统，用于对试验煤体的表面温度、冻结中试验煤体形变监测。所述信号采集系统包括测量管道4内液氮压力的压力表3、测量注入试验煤体6-10液氮流量的流量传感器5、对试验煤体6-10的表面温度进行采集的红外热成像设备，以及对冻结中试验煤体6-10形变进行监测的形变监测设备，其中形变监测设备设于光学平台7上。
本实施中的形变监测设备如图1所示，包括设于光学平台7上的光源机构、反射机构、图像采集机构，其中光源机构采用现有技术中的照射灯19，其直接置于光学平台7上；而反射机构与图像采集机构分别通过导轨14设于光学平台7上。
本实施例中的反射机构包括于导轨14上的位移台9，位移台9上固设有反光镜组件8，位移台9的顶端固设有电控旋转头10。
所述图像采集机构包括二维平移台13，所述二维平移台13上设有CCD12，CCD12上设有镜头11。
所述红外热成像设备采用现有技术中的红外热成像仪16，所述红外热成像仪16固设于可伸缩支架17上。
四）数据处理系统18，用于对压力表3、流量传感器5、压力传感器6-7、温度传感器6-8、CCD12、红外热成像仪16所采集到的信息进行处理，上述压力表3、流量传感器5、压力传感器6-7、温度传感器6-8、CCD12、红外热成像仪16的信号输出端分别通过数据传输线15连接数据处理系统18。
本实施例的工作方法为：
一、对试验煤体6-10打孔，放入压力测试系统6内密封。
本步骤具体过程为：对试验煤体6-10钻孔，钻孔的试验煤体6-10放入压力测试系统6的反应室6-11内，然后利用封口器6-9对钻孔进行封孔，之后依次利用顶板6-6、顶盖6-5分别密封反应室6-11、外壳6-12的开口，将定位柱6-2穿过顶盖6-5，通过固定螺母6-3进行固定，最后连接管路与信号传输线即可。
二、打开控制阀2，液氮通过管道4注入试验煤体6-10，试验煤体6-10的水冰相变冻胀压力、液氮流量、试验煤体表面温度分布、试验煤体形变特征分别传送至数据处理系统18。
本步骤进行前首先打开数据处理系统18，检查管路和信号线是否正确连接，打开控制阀2，液氮通过管道4和液氮管注入6-1进入试验煤体6-10，试验煤体6-10的水冰相变冻胀压力由压力传感器6-8经数据传输线传送至数据处理系统18，液氮流量、试验煤体表面温度分布、试验煤体形变特征分别通过流量传感器5、红外热成像仪（16）、CCD10通过数据传输线传输至数据处理系统18。
三、通过数据处理系统18记录液氮冻结试验煤体6-10水冰相变冻胀作用下多维参数数据；通过控制阀2调整液氮流量，测量液氮流量对液氮冻结试验煤体水冰相变多维参数影响。通过本实施例的装置统一煤体水冰相变冻胀应力与煤体表面温度，最终探究液氮注入过程最优液氮流量。
四、上述三个步骤完成后，关闭控制阀2，打开压力测试系统6，取出试验煤样6-10，清理实验装置即可。
上述描述仅是对本实施例的最佳描述，并不构成对本发明保护范围的限定。
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