一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法，所述装置包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统。本发明能够同时实时测量高温高压作用下三轴煤岩试样的表面温度、轴向载荷、轴向应变、声发射信号和实时采集高温高压下煤岩试样的相变气体产物，对研究高温高压下三轴煤岩的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂规律以及煤岩的相变气体产生量提供了有效的实验设备及有效依据；同时可以考察温度、轴向压力和围压对煤岩变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂特性的影响规律，探索温度、轴向压力、围压和煤岩变形对煤岩相变气体产生量的影响规律，这对定量表征高温高压下三轴煤岩力学特性和物理化学性能提供了有效的实验装备。

主权项

一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置，其特征在于：包括加载系统、温控加热系统、声发射测量系统、气体采样系统、绝缘与密封结构和冷却系统：所述加载系统包括基架、下加载单元、围压加载单元和上加载单元；所述基架包括底座（21）、对称设置在底座（21）上的两个支撑立柱（1）、水平固定在两个支撑立柱（1）下部的支架（15）、水平固定在两个支撑立柱（1）上部的承载梁（2）；所述支架（15）中部开设有通孔；所述下加载单元包括带有位移传感器的液压升降台（22）、设置在液压升降台（22）上的下压缩盘（23）、设置在下压缩盘（23）上的加载块（20）、设置在加载块（20）上的T型块（24）、设置在T型块（24）上的下压头（30），所述液压升降台（22）设置在底座（21）的中部，所述加载块（20）的上表面设置有与T型块（24）大的下端相适配的定位结构；所述围压加载单元包括筒体（31）、设置在筒体（31）内部下端的环形圆盘（27）、设置在环形圆盘（27）上端的A叶蜡石粉层（29）、设置在A叶蜡石粉层（29）上端的盐环（11）、设置在盐环（11）上端的B叶蜡石粉层（34）、设置在B叶蜡石粉层（34）上端的环形螺纹套（36），煤岩试样（33）设置在筒体（31）内；所述上加载单元包括上压头（35）、设置在上压头（35）上的A圆柱压块（9）、设置在A圆柱压块（9）上的凸型块（39）、与凸型块（39）相适配的压盖（38），设置在凸型块（39）上的B中间压块（3）、设置在B中间压块（3）上的上压缩盘（4）；所述环形圆盘（27）的外截面、A叶石蜡粉层（29）的外截面、盐环（11）的外截面和B叶石蜡粉层（34）的外截面与筒体（31）相应位置处的内截面形状相同；支架（15）中部的通孔形状、T型块（24）小的上端的横截面、下压头（30）的横截面、煤岩试样（33）的横截面、上压头（35）的横截面、环形圆盘（27）的内截面、A叶石蜡粉层（29）的内截面、盐环（11）的内截面、B叶石蜡粉层（34）的内截面形状相同；所述T型块（24）小的上端依次穿过支架（15）中部的通孔、环形圆盘（27）中部的通孔和A叶石蜡粉层（29）中部的通孔，所述的下压头（30）、煤岩试样（33）、上压头（35）和A圆柱压块由下至上依次叠放在T型块（24）的小端面上，并置于由下至上依次叠放的A叶石蜡粉层（29）、盐环（11）、B叶石蜡粉层（34）和环形螺纹套（36）共同形成的通道内，所述的煤岩试样（33）包括中部的煤岩和煤岩周围包裹的组合套件（12），所述组合套件（12）由内至外依次为紫铜皮、云母板、电阻合金片和云母板，其中电阻合金片上下两端分别与上压头（35）和下压头（30）接触；所述的A叶石蜡粉层（29）、盐环（11）、B叶石蜡粉层（34）和A圆柱压块（9）置于筒体（31）内，所述的环形螺纹套（36）外部与筒体（31）上端通过螺纹连接；所述筒体（31）的下端与支架（15）固定，所述凸型块（39）大的下端盖住筒体（31）的上端口，并通过压盖（38）固定在筒体（31）上，所述上压缩盘（4）与承载梁（2）固定；所述承载梁（2）上设置有拉压传感器；所述温控加热系统包括加热电极板（18）、组合套件（12）中的电阻合金片、盐环（11）、设置在盐环（11）内的热电偶计（32）、智能化温控仪（41）和双向可控硅（42）；所述加热电极板（18）置于加载块（20）与下压缩盘（23）之间，并与加载块（20）底面接触，与下压缩盘（23）之间隔有耐高温绝缘板（19）；所述热电偶计（32）的输出信号接入智能化温控仪（41），所述智能化温控仪（41）上的双向可控硅（42）对加热电极板（18）进行控制；所述声发射测量系统包括设置在加载块（20）侧面的声发射传感器（25）；所述气体采样系统包括耐高温不锈钢管（5）、气体采样器（13）、安装在气体采样器上的气体采样袋（14），所述耐高温不锈钢管（5）设置在压盖（38）上，高温高压作用下煤岩相变产生的气体依次通过上压头（35）上的通孔、上压头（35）和A圆柱压块（9）接触面之间的缝隙、A圆柱压块（9）中部的通孔、与A圆柱压块（9）中部的通孔相连通的凸型块（39）大的端面径向孔、凸型块（39）和压盖（38）接触面之间的缝隙、压盖（38）上的通孔而进入耐高温不锈钢管（5）内，并将其引出至气体采样器（13）；所述绝缘与密封结构包括设置在凸型块（39）和B中间压块（3）之间的A云母板（40）、设置在下压缩盘（23）和加热电极板（18）之间的耐高温绝缘板（19）、设置在凸型块（39）和压盖（38）台阶面之间的A紫铜垫（6）、设置在压盖（38）和筒体（31）接触面之间的B紫铜垫（8）、设置在T型块（24）和下压头（30）接触面之间的C紫铜垫（28）、设置在支架（15）和筒体（31）接触面之间的D紫铜垫（16）、设置在支架（15）和T型块（24）之间的耐高温高压YX型密封圈（26）；所述冷却系统包括缠绕在耐高温不锈钢管（5）外侧的A冷却水管（7）和缠绕在筒体（31）外侧的B冷却水管（10）。