一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法，所述系统包括抽真空装置、氦气供给装置、孔隙率测量装置、孔隙率变化量测量装置以及用以施加载荷的三轴伺服压力机等部分。该系统能够精确测定受载条件下煤岩孔隙率的动态变化，可以用于：1）精确测量特定载荷下煤岩试样的孔隙率；2）精确测定煤岩试样受载过程中孔隙率的动态变化规律。
【专利说明】一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于受载煤岩孔隙率测定【技术领域】，具体涉及一种用于精确测定受载煤岩 孔隙率动态变化的系统和方法，其适用于煤炭资源安全开采、煤层气开发、石油、天然气等 领域实验室测定煤岩隙率，并研究煤岩孔隙率随载荷的变化规律。
【背景技术】
[0002] 我国煤炭资源丰富，煤炭中含有大量的瓦斯，无论是把煤层瓦斯作为灾害因素加 以防治，或者将瓦斯作为一种资源进行开发利用，都必须研究煤岩中瓦斯的运移规律。煤岩 是一种典型的多孔物质，瓦斯沿着煤岩中的孔隙连通流动。在外部载荷作用下，煤岩体发生 变形，使得瓦斯流经的通道也发生相应的变形，最终导致煤岩中瓦斯的渗透特性发生改变。 研究煤岩孔隙率随外加载荷的变化规律对研究瓦斯的赋存和运移有着重要意义。
[0003] 煤岩的孔隙率就是煤岩内部孔隙体积与煤岩总体积之比，目前的研究方法有：压 汞法、三维成像法、真假密度法、液氮吸附法、排水法，等等，这些方法与其相应的系统一定 程度上推进了煤岩孔隙的研究，但是还存在着一些不足： (1)目前部分测定煤岩孔隙率方法采用水浸的方式，测量精度低，由于液态表面张力的 作用，液体无法充分浸入小孔隙，增大了测量误差。
[0004] (2)采用三维成像等方法，设备昂贵，且维护与运行条件均较高，实际测量中很少 米用。
[0005] (3)采用真假密度法测量，需要将煤岩研磨成粉末，被测试的煤岩试样不能再用于 其他诸如力学性质的测定，也存在较大的局限性。
[0006] (4)以往的煤岩孔隙率测量系统无法实现外部载荷作用下孔隙率的动态测定功 能，在生产实际中，煤岩处于重力场、构造应力场等各种应力场中，所以必须要考虑外加载 荷的影响作用才能更加真实、可靠地研究煤岩孔隙率。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于提供一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其通过 密封系统中氦气体积的变化来精确测定煤岩孔隙率。
[0008] 本发明还提供了一种利用上述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，包括三轴压力室和三轴伺服压力 机，所述三轴伺服压力机的上、下压头位于三轴压力室内，其中，上、下压头之间设有用于装 煤岩试样的热缩管；所述上压头的底端、下压头的顶端分别封堵于热缩管的顶端和底端， 上压头的底面以及下压头的顶面各设一多孔板，上、下压头内分别设有上、下通气道，上通 气道伸出三轴压力室与上压头多孔板的通气孔连通，下通气道与下压头多孔板的通气孔连 通；所述下通气道连接孔隙率变化量测量装置，该孔隙率变化量测量装置主要由第三阀门 和带刻度的玻璃管组成，玻璃管内设有与管体内壁配合滑动连接的游标；所述上通气道伸 出三轴压力室连接第二三通阀，且通过第二三通阀分为两个支路，其中一个连接抽真空装 置；另一个连接第一三通阀，第一三通阀的另两个接口分别连接孔隙率测量装置和氦气供 给装置。
[0010] 具体的，所述抽真空装置主要由顺次连接的真空计、第一阀门和真空泵组成。
[0011] 所述孔隙率测量装置主要由带刻度的筒体和位于筒体内、并与筒体内壁配合滑动 连接的活塞组成。
[0012] 所述氦气供给装置主要由顺次连接的气压表、减压阀、第二阀门和氦气瓶组成。
[0013] 一种利用上述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法，其包括如下步骤： 1) 取一个标准煤岩试样，并测定出煤岩试样的初始孔隙率
【权利要求】
1. 一种用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，包括三轴压力室和三轴伺服压 力机，所述三轴伺服压力机的上、下压头位于三轴压力室内，其特征在于，上、下压头之间设 有用于装煤岩试样的热缩管；所述上压头的底端、下压头的顶端分别封堵于热缩管的顶端 和底端，上压头的底面以及下压头的顶面各设一多孔板，上、下压头内分别设有上、下通气 道，上通气道与上压头多孔板的通气孔连通，下通气道与下压头多孔板的通气孔连通；所述 下通气道伸出三轴压力室连接孔隙率变化量测量装置，该孔隙率变化量测量装置主要由第 三阀门和带刻度的玻璃管组成，玻璃管内设有与管体内壁配合滑动连接的游标；所述上通 气道伸出三轴压力室连接第二三通阀，且通过第二三通阀分为两个支路，其中一个连接抽 真空装置；另一个连接第一三通阀，第一三通阀的另两个接口分别连接孔隙率测量装置和 氦气供给装置。
2. 如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于， 所述抽真空装置主要由顺次连接的真空计、第一阀门和真空泵组成。
3. 如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于， 所述孔隙率测量装置主要由带刻度的筒体和位于筒体内、并与筒体内壁配合滑动连接的活 塞组成。
4. 如权利要求1所述的用于精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的系统，其特征在于， 所述氦气供给装置主要由顺次连接的气压表、减压阀、第二阀门和氦气瓶组成。
5. -种利用权利要求1所述系统精确测定受载煤岩孔隙率动态变化的方法，其特征在 于，包括如下步骤： 1) 取一个标准煤岩试样，并测定出煤岩试样的初始孔隙率 為，其中，Vp为煤岩试样内部的孔隙体积，Vtl为煤岩试样的总体积； 2) 检查权1所述系统的气密性，确保系统气密性良好；将煤岩试样放入热缩管内； 3) 向孔隙率变化量测量装置内充入一定量的氮气，利用具有密封功能的游标将玻璃管 中的氦气与空气隔离，并通过第三阀门将之与下通气道连接； 4) 关闭系统管路上的所有阀门，通过第一三通阀、第二三通阀使抽真空装置与孔隙率 测量装置连接，利用抽真空装置向孔隙率测量装置抽真空，当孔隙率测量装置达到相应的 真空度要求后，关闭抽真空装置并打开氦气供给装置，向孔隙率测量装置内充入一定量的 氦气，然后关闭氦气供给装置和孔隙率测量装置； 5) 打开抽真空装置及煤岩试样所在相关管路，对受到良好密封的煤岩试样所在的三 轴压力室进行抽真空，抽真空完成后关闭抽真空装置，打开孔隙率测量装置，此时孔隙率测 量装置内的氦气被自动吸入煤岩试样及所在相关管路，待吸入稳定后，关闭孔隙率测量装 置； 6) 打开孔隙率变化量测量装置使其与煤岩试样连通，系统稳定后记录下游标所处位置 的读数a;利用三轴伺服压力机和三轴压力室对煤岩试样施加一个初始静水压力c1=a3， 其中i为轴压，（73为围压，观察玻璃管中游标的位置变化情况，当游标的位置稳定后，记 下游标所处位置的读数b;煤岩试样在施加初始载荷后的孔隙率通过下式计算得到：
式中:r为玻璃管的内径；我为煤岩试样在初始载荷条件下的孔隙 率； 7)再次记录好施加载荷前后游标所处位置的读数a和b，根据上述公式就能得到不同 载荷条件下煤岩试样的孔隙率大小。
【文档编号】G01N7/10GK104266951SQ201410500215
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】王登科, 魏建平, 李志强, 夏玉玲, 刘勇, 彭明, 付启超, 王洪磊 申请人:河南理工大学