废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置及方法

1.本发明涉及储能模拟技术领域，尤其是一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置及方法。


背景技术：

2.新能源(如太阳能、风能)具有清洁环保、可再生的特点，是能源领域研究持续关注的热点。然而，这类新能源存在发电不稳定、随着时间不断波动的问题，这一特点限制了其发展的瓶颈。作为一种新型的大型能源存储方式，压缩空气储能可较好地解决清洁能源发电的间歇性和不稳定性问题。压缩空气储能适合缺乏一定自然条件进行大规模储能的废弃煤矿，压缩空气储能技术的发展对促进可再生新能源的开发具有极其重要的意义。
3.地下储气库是压气储能系统中重要组成部分，其可以建造在盐岩等软岩岩层中，也可以建造在花岗岩、灰岩等硬岩地层中，地下储气库围岩稳定性决定了整个压气储能系统的安全稳定运行，然而其在常年下具有一定的损伤，因此，探究围岩稳定性可以为压缩空气储能技术在废弃矿井煤矿中的应用提供一定指导意义。现有技术中(中国专利cn114016986a)公开了一种压气储能与增强型地热开采耦合系统，能够在地热开采过程中，同时进行压缩空气储能；该技术虽然为地热条件下进行压缩空气储能技术的实施提供了一种可行的方法，但是由于系统气密性不足，易造成能量流失，这将大大降低压气储能系统的发电效率和发电品质。(中国专利cn105938056a)公开了一种模拟压气储能电站储气库运行的试验装置，该技术可以有效地模拟地下储气库在电站运行过程中的充放气过程，检测洞室内部各点的应力应变的变化，从而分析在运行过程中，地下储气库可能出现的问题；但是其近似模拟压气储能电站储气库的运行，并未对储气库的气密性及实际运行过程中围岩稳定性进行系统研究。(中国专利cn105720890a)公开了一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，该技术通过电动机来模拟压缩空气储能系统(caes)的两个核心部件压缩机和膨胀机的机械转动特性，从而实现对压缩空气储能系统的模拟；但是该系统虽然可以近似模拟压缩空气储能系统的运行过程，其仅提供了物理过程，并不能为实际现场提供理论依据。
4.现有技术中，有关压气储能的装置及系统多侧重于模拟压气储能运行的过程，并未对在此过程中围岩的稳定性做出系统、科学的试验及研究，包括分析其稳定性以及压气储能过程中温度场、应力场和渗流场的变化情况等；为此需要对现有技术做进一步改进。


技术实现要素：

5.为了更好的分析废弃矿井井巷压气储能围岩过程中温度场、应力场和渗流场的变化情况，并对该过程进行室内试验模拟，本发明提供一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置及方法，具体技术方案如下。
6.一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置，包括储气室、压气室、抽气室、移动压头和监测传感器，所述储气室开口处设置有密封圈，储气室上方设置有移动压头，钢管从储气室一侧插入，钢管内设置有光纤，所述光纤一端通过环向槽安装声发射探
头，声发射探头与试样连接；所述储气室通过皮管连接压气室和抽气室，压气室内设置有空压机和加热装置，抽气室内设置有抽气机，储气瓶与抽气室相连。
7.优选的是，储气室呈圆柱状，开口通过螺母固定，所述移动压头上也设置有密封圈。
8.优选的是，监测传感器包括布置在储气室内的温度传感器、气压传感器和湿度传感器。
9.优选的是，皮管连接处设置有开关，所述储气室和皮管的内层及外层喷涂有隔热喷漆，并设置隔热层。
10.一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验方法，利用上述的一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置，步骤包括：
11.s1.煤岩的试样取样，设置多个对照组；
12.s2.对试样进行循环加载试验，测量试样初始损伤变量；
13.s3.对储气室内的试样设置恒定轴向应力，并监测声发射特征；
14.s4.充气储能并观测温度和湿度的变化；
15.s5.抽气放能并观测温度、压力和湿度的变化。
16.进一步优选的是，试样分为四组，每组至少3个，分别进行充放气试验及对照试验。
17.进一步优选的是，试样的循环加载中将塑形变形能划分为塑形损伤能和阻尼能，确定损伤变量d为：
[0018][0019]
其中，u
kd
为第k个循环产生的塑性变形能，u
ke
为第k个循环产生的弹性变形能，u
zd
为滞回环bcb的面积，k、i为循环次数。
[0020]
进一步优选的是，充气储能过程包括：
[0021]
s41.通过输气瓶和输气减压阀将气体放入压气室；
[0022]
s42.打开压气室与储气室之间的开关，并开启空压机和加热装置；
[0023]
s43.观测温度和压力变化当压力达到目标值后闭合压气室与储气室；
[0024]
s44.储气室完成储气后观测温度传感器和湿度传感器的监测参数。
[0025]
进一步优选的是，抽气放能过程包括：
[0026]
s51.打开储气室和抽气室之间的开关；
[0027]
s52.利用抽气机将储气室中的气体抽回抽气室；
[0028]
s53.观测温度、压力和湿度的变化；
[0029]
s54.关闭储气室和抽气室之间的开关，将气体充抽气室导入储气瓶，完成放气；
[0030]
s55.完成放气过程后，对移动压头施加轴向应力，分别进行单轴抗压试验和单轴抗拉试验，测得不同初始损伤试样力学参数，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量和泊松比等。
[0031]
本发明提供的一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置及方法的有益效果是该设备可以模拟压缩空气储能的整体运行过程，模拟废弃矿井井巷围岩受到压缩空气储能过程后的影响；通过对围岩初始损伤变量进行重新定义，更好的分析了围岩的稳定性；试验装置的储气瓶和输气瓶可以互换位置，实现气体资源的重复利用。该试验方法
能够分析废弃矿井井巷压气储能围岩过程中温度场、应力场和渗流场的变化情况，对探究围岩稳定性可以为压缩空气储能技术在废弃矿井煤矿中的应用具有重要意义。
附图说明
[0032]
图1是废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置结构示意图；
[0033]
图2是循环加卸载能量计算示意图；
[0034]
图中：1-储气室，2-密封圈，3-温度传感器，4-气压传感器，5-螺母，6-移动压头，7-声发射探头，8-透明玻璃，9-试样，10-湿度传感器，11-钢管，12-橡胶密封套，13-环向槽，14-密封圈，15-光纤，16-皮管，17-压气室，18-空压机，19-加热装置，20-抽气室，21-抽风机，22-输气瓶，23-输气减压阀，24-抽气减压阀，25-储气瓶，26-开关。
具体实施方式
[0035]
结合图1和图2所示，对本发明提供的一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置及方法的具体实施方式进行说明。
[0036]
一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置，包括储气室1、压气室17、抽气室20、移动压头6和监测传感器，储气室内实现密封和加载，压气室和抽气室控制实现储气和抽气，移动压头方便进行加载，监测传感器对试验数据进行监测。
[0037]
其中，储气室1开口处设置有密封圈2，密封圈2通过螺栓固定，保证储气室的密封性。储气室1上方设置有移动压头，钢管11从储气室一侧插入并设置橡胶密封套，橡胶密封套12防止气体流出，钢管11内设置有光纤，光纤15一端通过环向槽安装声发射探头，声发射探头7与试样连接，用于监测试样的声发射特征。储气室1通过皮管连接压气室17和抽气室20，皮管16的连接处均设置有开关。压气室17内设置有空压机和加热装置，用于压缩空气和改变温度状况。抽气室20内设置有抽气机，储气瓶25与抽气室20相连。储气室1整体呈圆柱状，开口通过螺母固定，储气室1底部设置有凸起的凹槽方便放置试样；储气室1的正面还可以设置透明玻璃，用于观测试样的宏观变化，还可以显示监测数据。移动压头6上也设置有密封圈，该密封圈设置在滑动部分，用于密封压头和储气室1之间的间隙。监测传感器包括布置在储气室内的温度传感器3、气压传感器4和湿度传感器10，温度传感器3、气压传感器4和湿度传感器10分别监测压缩空气过程中温度、气压和空气湿度的变化，抽气和放气过程中传感器实时监测并将数据传送至显示屏。皮管16连接处设置有开关，储气室1和皮管16的内层及外层喷涂有隔热喷漆，并设置隔热层，用于减少热量损失，防止能量损耗。
[0038]
一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验方法，利用上述的一种废弃矿井井巷压气储能围岩性能劣化模拟试验装置，步骤包括：
[0039]
步骤s1.煤岩的试样取样，设置多个对照组；可以对煤岩进行切割、打磨后成尺寸为φ50mm
×
100mm标准圆柱试样和尺寸为φ50mm
×
25mm标准圆盘试样；
[0040]
同一种类型试样分为四组，每组至少3个，分别进行充放气试验及对照试验。
[0041]
其中同一种类型试样可以设计加工制备12个试样，分为a、b、c和d四组，每组3个。其中，a组试样为自然状态下煤岩；b-d组为充放气状态下煤岩，充放气次数分别为5、10和15，储气时长均为10h。
[0042]
步骤s2.对试样进行循环加载试验，测量试样初始损伤变量；
[0043]
试样的循环加载中将塑形变形能划分为塑形损伤能和阻尼能，确定并定义损伤变量d为：
[0044][0045]
其中，u
kd
为第k个循环产生的塑性变形能，u
ke
为第k个循环产生的弹性变形能，u
zd
为滞回环bcb的面积，k、i为循环次数。
[0046]
其中，因考虑到煤岩黏弹性变形，固将塑性变形能分为塑性损伤能与阻尼能，图2中曲线为循环加卸载试验应力-应变曲线，横坐标ε为应变，纵坐标σ为应力，σ
i+
为加载曲线时应力变化，σ
i-为卸载曲线应力变化，o点为第一次循环试验起始点，a点为加载至目标值对应的应力应变值，b点为卸载曲线与第二次加载曲线相交对应的应力应变值，c点为第二次循环试验起始点。根据循环加载可以测得试样初始损伤变量d。
[0047]
步骤s3.对储气室内的试样设置恒定轴向应力，并监测声发射特征；
[0048]
试样放置在移动压头下，设置恒定的轴向应力。可以在试样表面耦合凡士林，通过声发射探头可以监测试样加载过程中的声发射特征。
[0049]
步骤s4.充气储能并观测温度和湿度的变化；
[0050]
其中，充气储能过程包括：
[0051]
s41.通过输气瓶和输气减压阀将气体放入压气室；
[0052]
s42.打开压气室与储气室之间的开关，并开启空压机和加热装置；
[0053]
s43.观测温度和压力变化当压力达到目标值后，闭合压气室与储气室；
[0054]
s44.储气室完成储气后观测温度传感器和湿度传感器的监测参数。
[0055]
步骤s5.抽气放能并观测温度、压力和湿度的变化；
[0056]
其中，抽气放能过程包括：
[0057]
s51.打开储气室和抽气室之间的开关；
[0058]
s52.利用抽气机将储气室中的气体抽回抽气室；
[0059]
s53.观测温度、压力和湿度的变化；
[0060]
s54.关闭储气室和抽气室之间的开关，将气体充抽气室导入储气瓶，完成本轮的充气和放气过程。
[0061]
s55.完成放气过程后，对移动压头施加轴向应力，分别进行单轴抗压试验和单轴抗拉试验，测得不同初始损伤试样力学参数，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量和泊松比等。
[0062]
步骤s6.对标准圆柱试样和圆盘试样分别进行单轴抗压试验和单轴抗拉试验，测得试样力学参数。
[0063]
本发明提供的装置及方法可以模拟压缩空气储能的整体运行过程，模拟废弃矿井井巷损伤围岩受到压缩空气储能过程后的影响；通过对围岩初始损伤变量进行重新定义，更好的分析了围岩的稳定性；试验装置的储气瓶和输气瓶可以互换位置，实现气体资源的重复利用。该试验方法能够分析废弃矿井井巷压气储能围岩过程中温度场、应力场和渗流场的变化情况，对探究围岩稳定性可以为压缩空气储能技术在废弃矿井煤矿中的应用具有重要意义。
[0064]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领
域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。