一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统

1.本发明涉及液氮冻融煤体实验技术领域，特别是涉及一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统。


背景技术：

2.我国煤炭资源丰富，煤层中赋存大量煤层气。随着开采深度的增加，煤层渗透率降低，瓦斯抽采效果差，这对我国煤层气的开采提出了巨大的技术挑战。在过去的几十年中工程技术人员进行了多种技术尝试，如水力压裂技术，无水压裂技术。但是，这些技术仍然存在一些局限性。在水力压裂过程中，不仅会消耗大量的水，并且由于水的作用，粘土矿物的膨胀会阻塞渗流通道。在高压气体压裂过程中，压裂形成的裂缝很短(仅几米)，没有使用支撑剂，压裂后裂缝的封闭对渗透率的影响很小，使得瓦斯抽采率低，瓦斯治理效果不理想。液氮具有温度低(
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195.8℃)、无污染、制备简单及原料来源广泛等特点，在提高煤层的渗透性过程中可作为一种高效的压裂液，有较好的应用前景。
3.在液氮冻融煤体过程中，煤体在液氮极低的温度作用下，其内部结构会发生破坏，导致裂隙发育或新生裂隙的产生，煤体内裂隙发育的和新生裂隙产生时能量快速释放产生声发射信号。声发射可以连续、实时监测煤体冻融损伤过程中煤体内部裂隙的产生和发育，并实现对煤体损伤破坏位置的空间定位，是一种较为先进的实验方法。但现有的实验条件下对液氮冻融煤体全过程发射监测及定位方法还存在一定的不足之处，主要体现为：
4.以往的液氮冻融实验煤样需要全部浸没在液氮里，常规的反应釜敞口与空气直接接触，液氮消耗过快，需要不停的往反应釜里加液氮，只能通过肉眼观察液面情况，由于加液时因液氮气化产生白雾，需等待雾气淡化，再进行加液，造成加液时间变长，不仅费时费力，还会造成液氮浪费。在实验人员添液过程中，需要接触液氮，会存在超低温风险。另外，由于液氮极低的温度常规的声发射传感器在液氮超低温作用下会发生变形，灵密度降低导致其无法直接和煤样接触进行正常测量，目前，对液氮冻融煤体全过程的声发射监测实验研究以及相关设备的研发还未有报道。因此，有必要提出一个智能精准控制液氮加注，液氮冻融全过程声发射监测的实验系统，以满足上述技术要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统，以解决上述现有技术存在的问题，液氮加注智能精准调控，自动化程度高，操作简单，经济高效，安全性能高的液氮冻融煤体裂隙扩展测量的实验系统。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统，包括液氮冻融箱、实验台、数据接收器和智能控制终端，
7.所述液氮冻融箱放置在所述实验台上，所述实验台下方设有排液电磁阀，液氮冻融箱与排液电磁阀通过排液孔连接，排液孔贯穿实验台，所述排液电磁阀的正下方设有废液槽；
8.所述液氮冻融箱内部设有载物台和液位监测器，高度可调的载物台顶部设有铁丝网，煤样放置在所述铁丝网上；所述液位监测器通过液位连接线与所述数据接收器连接，数据接收器连接智能控制终端；
9.所述液氮冻融箱的前后侧面各水平设置一个螺纹波导杆，螺纹波导杆位于箱体前后侧面中心处，液氮冻融箱左右两侧各对称设置2个螺纹波导杆；6个螺纹波导杆均可相对于液氮冻融箱进行移动；6个螺纹波导杆的内部端面通过超低温密封胶与待测试的煤样粘合，外部端面连接声发射传感器；
10.所述液氮冻融箱的上方设有进液电磁阀，进液电磁阀通过进液控制线数与所述数据接收器连接，进液电磁阀下方设有进液软管，进液软管外连液氮罐；所述液氮冻融箱的顶部设有冻融箱密封盖。
11.优选地，所述载物台的四脚设有4个螺栓螺纹，通过调整螺栓螺纹与载物台四个支腿的连接高度来调整煤样的高度。
12.优选地，每个所述螺纹波导杆的外侧均螺纹连接有螺纹套筒，螺纹套筒水平设置并贯穿安装在所述液氮冻融箱的箱体上。
13.优选地，所述冻融箱密封盖上设有安全排气孔，冻融箱密封盖的底部与液氮冻融箱顶部设有相对应的超低温密封圈，所述液氮冻融箱和冻融箱密封盖通过密封盖卡扣和冻融箱卡槽密封闭合。
14.优选地，所述液氮冻融箱的外侧罩设有透明隔音罩，所述透明隔音罩的侧面上方开有圆孔，液位连接线和进液软管通过圆孔进入透明隔音罩内。
15.优选地，所述液氮冻融箱和冻融箱密封盖均含有聚氨酯绝热层。
16.优选地，所述螺纹波导杆和载物台均采用耐低温的304钢制成。
17.优选地，所述排液电磁阀和进液电磁阀均为耐低温电磁阀。
18.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
19.1、利用电磁阀进行精确控制加液、利用液位计进行自动控制或可视化控制，配合进液电磁阀进行液位控制。
20.2、液氮冻融箱和冻融箱密封盖含有聚氨酯绝热层，设有冻融箱密封盖和超低温密封圈，保证箱体内的隔热效果，减少液氮消耗。
21.3、远程控制，不和液氮接触，降低了超低温风险。
22.4、利用螺纹波导杆解决了声发射传感器无法直接和煤样接触问题，通过多通道声发射系统可实现液氮冻融煤样内部裂纹的扩展和演化全过程的实时监测。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统示意图；
25.图2为液氮冻融箱示意图；
26.图3为液氮冻融箱剖面图；
27.图4为载物台示意图；
28.其中，1废液槽；2排液电磁阀；3实验台；4载物台；41螺纹底座；42铁丝网；43螺栓螺纹；5测试煤样；6液氮冻融箱；61超低温密封圈；62液位监测器；63冻融箱卡槽；64进液电磁阀；65排液孔；7冻融箱密封盖；71密封盖卡扣；72安全排气孔；8透明隔音罩；9进液控制线；10液位连接线；11进液软管；12螺纹波导杆；13螺纹套筒；14排液控制线；15数据接收器；16智能控制终端；17超低温密封胶；18声发射传感器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统，以解决上述现有技术存在的问题，液氮加注智能精准调控，自动化程度高，操作简单，经济高效，安全性能高的液氮冻融煤体裂隙扩展测量的实验系统。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.如图1
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4所示，本实施例提供一种液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统，液氮冻融箱6整体放在实验台3上，实验台3下方设有排液电磁阀2，液氮冻融箱6与排液电磁阀2通过排液孔65连接，排液孔65贯穿实验台3，排液电磁阀2正下方设有废液槽1，液氮冻融箱6内部设有载物台4和液位监测器62，载物台4顶部设有铁丝网42，煤样5放置在铁丝网42上，载物台4下方设有4个螺栓螺纹43，可以通过螺栓螺纹43来调整煤样5的高度。
33.液氮冻融箱6的前后侧面各水平设置一个螺纹波导杆12，螺纹波导杆12设置在箱体前后侧面中心处，左右两侧各对角设置2个螺纹波导杆12，螺纹波导杆12外设有尺寸匹配的螺纹套筒13，二者通过螺纹连接，螺纹套筒13水平设置并贯穿液氮冻融箱6侧面箱体。螺纹波导杆12内部端面通过超低温密封胶17与待测试的煤样5粘合，螺纹波导杆12外部端面通过凡士林与声发射传感器18连接。液氮冻融箱6的4个侧面共设置6个螺纹波导杆12，螺纹套筒13固定在液氮冻融箱6的四个侧面。
34.液位监测器4通过液位连接线10与数据接收器连接15，数据接收器15连接智能控制终端16。液氮冻融箱6左侧面上方设有进液电磁阀64，进液电磁阀64通过进液控制线数9与数据接收器15连接，进液电磁阀64下方设有进液软管11，进液软管11外连液氮罐；液位监测器4可以实现实时监测液面，当液面低于设定值时，可通过智能控制终端进行自动加液。
35.液氮冻融箱6顶部设有冻融箱密封盖7，冻融箱密封盖7上设有安全排气孔72，保证实验的安全性，冻融箱密封盖7底部与液氮冻融箱6顶部设有相对应的超低温密封圈61，液氮冻融箱6和冻融箱密封盖7通过密封盖卡扣71和冻融箱卡槽63密封闭合，保证液氮冻融箱6的隔热，减少液氮挥发，液氮冻融箱6整体位于透明隔音罩8内，透明隔音罩8可以隔绝实验过程杂音保证声发射测量精度，透明隔音罩8侧面上方开有圆孔，连接线和液氮软管通过圆孔进入透明隔音罩8内。
36.本发明中的液氮冻融煤体全过程声发射监测实验系统的工作原理如下：
37.进行实验时，先将煤样5放到载物台4中心处，并通过螺栓螺纹43调节煤样5上下高度，使煤样5中心与前后螺纹波导杆12的中心高度一致，等煤样5高度调整完成后，转动螺纹波导杆12，使螺纹波导杆12的端面紧贴煤样5，并在煤样5与螺纹波导杆12连接处和螺纹套筒13与螺纹波导杆12连接处涂抹超低温密封胶17，防止测试过程中液氮渗出，煤样5装配完毕后，通过密封盖卡扣71和冻融箱卡槽63进行密封闭合。进液软管11连接液氮罐，波导杆外部与声发射传感器18通过凡士林连接。通过智能控制终端16系统中可设置液位，达到设定液位后，进液电磁阀64断电，停止加液，待液氮液位低于最低设定，进液电磁阀64打开进行自动补液。之后进行液氮冻融煤体全过程的声发射监测实验，测试完成后，关闭自增压，将金属软管与设备断开，打开排液电磁阀2，进行排液操作。
38.通过多通道声发射监测系统对液氮冻融煤样全过程实时监测，多通道声发射监测系统最多可实现6个声发射通道的同时使用，在进行煤样5内部孔裂隙的发育情况监测时，可以只连接前后两个螺纹波导杆12，通过2个通道的实时监测煤样破碎过程中产生的声发射信号，声发射信号被声发射监测系统接收后，对声发射信号进行处理，能够得到煤样5内部孔隙裂隙的声发射响应特征。
39.当进行煤样5内部孔裂隙扩展空间定位时，连接6个螺纹波导杆12，6个声发射通道同时使用，由于煤样5在破坏过程与其内部微裂纹演化过程是一致的。6个声发射传感器18实时接受声发射信号，声发射系统通过特定的算法便可定位到大量声发射源位置。定位点的数量可以定量表征液氮注射过程中试样的裂纹数量和内部损伤，定位点的范围可以反演试样内部裂纹的扩展和演化过程。通过对试样中声发射定位点的采集和分析，可推断出在液氮冻融煤体过程中的裂纹产生、扩展动态破坏过程，揭示液氮冻融煤体的内在机理。
40.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
41.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。