基于多軸耦合的三軸伺服滲流裝置的研究

基于多軸耦合的三軸伺服滲流裝置的研究

1煤體滲透率研究長熟試驗研究,應注意以下幾個在礦山生產(chǎn)過程中，開采工程破壞了原巖應力場的平衡和原始磚瓦壓力的平衡，導致礦山周圍巖石的重新分布和風險資本流動。在煤層瓦斯運移過程中,滲透率是反映煤層內瓦斯?jié)B流難易程度的物性參數(shù)之一,同時,滲透率也是瓦斯?jié)B流力學與工程的重要參數(shù)。因此,煤層瓦斯?jié)B透率的測算方法研究是瓦斯?jié)B流力學發(fā)展之關鍵技術,也是煤礦安全工作者研究煤與瓦斯突出等一系列礦山安全問題的關鍵入手點。為研究煤儲層滲透特性,在20世紀70年代,就有國外學者研發(fā)了相關滲流試驗設備進行了系列研究,并取得許多研究成果。W.J.Sommerton等研究了應力對煤體滲透性的影響;C.R.McKee等[2開展了應力與煤體孔隙度和滲透率之間關系的研究;S.Harpalani等研究了應力對煤解吸滲流的影響規(guī)律;J.R.E.Enever和A.Henning研究了煤體有效應力對滲透率的影響規(guī)律。在國內,林柏泉等較早地利用自制的煤樣瓦斯?jié)B透試驗裝置研究了含瓦斯煤體在圍壓力不變的前提下,孔隙壓力和滲透率以及孔隙壓力和煤樣變形間的關系;譚學術等[8~10]利用自制的滲流裝置,先后對煤樣在不同應力狀態(tài)下、不同電場下、不同溫度下及變形過程中的滲透率進行了研究;胡耀青等研制了“煤巖滲透試驗機”與“三軸應力滲透儀”,進行了三維應力作用下煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律的試驗研究;劉建軍和劉先貴利用自制試驗設備以低滲透多孔介質為研究對象,通過試驗得出孔隙度、滲透率隨有效壓力變化的曲線;唐巨鵬等自制了三軸瓦斯?jié)B透儀,試驗研究得到了有效應力與煤層氣解吸和滲流特性間的關系;隆清明等自行研制“瓦斯?jié)B透儀”,進行了孔隙氣壓對煤體滲透性影響的試驗研究;彭永偉等利用一種夾持裝置,通過試驗研究了不同尺度煤樣在圍壓加、卸載條件下的滲透率變化。然而,各單位所設計開發(fā)的滲流試驗裝置,雖在一定程度上推進了滲流力學的研究及加深了煤層瓦斯運移機制的認識,但也存在以下不足:(1)所考慮的滲透率影響因素相對比較單一,未綜合考慮應力、瓦斯壓力、溫度影響及變形等,不能完全模擬現(xiàn)場煤層瓦斯?jié)B流受各因素綜合作用的實際情況。(2)應力加載系統(tǒng)多為手動,加載過程不穩(wěn)定。(3)充氣系統(tǒng)多為點充氣,未能實現(xiàn)實際煤層瓦斯源的情況。(4)試件變形等數(shù)據(jù)采集大都采用應變片,流量則采用排水法等,這些測試技術誤差相對較大。(5)試件安裝及設備裝備過程不方便。為此,迫切需要研制出一套功能更趨完備的含瓦斯煤滲流試驗裝置,以便更深層次地探索各因素對瓦斯?jié)B流的作用機制,為煤層氣抽采等提供技術參考。西南資源開發(fā)及環(huán)境災害控制工程教育部重點實驗室(重慶大學)在分析同類滲流試驗裝置的基礎上研制了“含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置”,本文較詳細介紹該裝置的功能,同時介紹該裝置的組成及各部件的關鍵技術,進而介紹用該裝置所進行的前期試驗研究成果。2該設備的主要功能和參數(shù)2.1煤層瓦斯運移規(guī)律及實驗研究含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置可進行不同溫度條件下地應力和瓦斯壓力共同作用時煤層瓦斯?jié)B流規(guī)律及含瓦斯煤在滲流過程中的變形破壞特征方面的試驗研究,以揭示煤層瓦斯運移機制,為研究煤與瓦斯突出力學演化機制及瓦斯抽采技術奠定理論基礎。2.2試驗驗證及控制(1)最大軸壓:100MPa;(2)最大圍壓:10MPa;(3)最大瓦斯壓力:2MPa;(4)最大軸向位移:60mm;(5)最大環(huán)向變形:6mm;(6)溫度控制范圍:室溫~100℃;(7)試樣尺寸:φ50mm×100mm;(8)力值測試精度:示值的±1%;(9)力值控制精度:示值的±0.5%(穩(wěn)壓精度);(10)變形測試精度:示值的±1%;(11)水域溫度控制誤差:±0.1℃;(12)軸向加載控制方式:力控制、位移控制;(13)應力、變形、瓦斯壓力、溫度及流量等參數(shù)全自動采集;(14)該裝置總體剛度大于10GN/m。3軸伺服滲流系統(tǒng)含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置主要由伺服加載系統(tǒng)、三軸壓力室、水域恒溫系統(tǒng)、孔壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等6個部分組成,三軸伺服滲流裝置如圖1所示。3.1軸向加載壓頭控制試驗伺服加載系統(tǒng)實現(xiàn)了加載過程的連續(xù)性、穩(wěn)定性和精確性,且加載方式多樣化,其主要由如下3個部分構成:(1)軸向加載機架(見圖2):軸向加載機架由上橫梁、三軸壓力室上座和立柱構成,上橫梁與三軸壓力室上座分別固定在4根立柱的上下端形成加載框架結構。其中,在上橫梁上裝有門型框架固定的軸向位移傳感器,該傳感器可測試加壓活塞桿的位移,從而可間接計算出試件的軸向變形。為了避免壓頭的偏壓,保障試驗結果更能反映出試件的真實受力情況,將軸向加載壓頭設計成球型萬向壓頭。(2)伺服液壓站(見圖3):伺服液壓站是軸壓和圍壓加載的動力來源。為了達到伺服控制的目的,采用德國MOGO公司生產(chǎn)的精密伺服閥,精密伺服控制產(chǎn)生軸壓和圍壓的缸體動作。伺服液壓站采用一缸兩泵的設計,讓2臺液壓泵分別產(chǎn)生軸壓和圍壓,液壓泵型號為YTY100L1–4PA,額定流量4.5L/min,額定壓力為21MPa。通過伺服液壓站的控制,可使軸壓最大達到100MPa,圍壓最大達到10MPa。此外,為了防止液壓站長時間工作帶來的油溫升高,設計了循環(huán)水域冷卻系統(tǒng),達到了長期穩(wěn)壓的效果。(3)控制臺:控制臺由計算機和MaxTest-Load試驗控制軟件、按鈕控制臺等組成,可實現(xiàn)試驗過程全程自動化控制,安全可靠。其中,試驗過程由電腦程序自動控制,而液壓站的啟動與停止動作等由按鈕操作完成。試驗過程中的加載參數(shù)可根據(jù)需要任意設定。3.2旋轉小腔和導向裝置三軸壓力室是該滲流裝置的核心部件,是放置煤(巖)試件及產(chǎn)生試驗所需圍壓環(huán)境的重要機構,其主體結構如圖4所示。三軸壓力室由上座和下座兩部分組成,通過12顆螺栓進行連接,連接處設有“O”型密封圈,可有效地防止漏油,三軸壓力室整體采用C45不銹鋼材料加工制作,其筒體高度為535.0mm,外徑為φ215.0mm,內徑為φ155.0mm,加壓活塞桿和支承軸的直徑均為50.0mm。為使氣體均勻地從試件斷面中流過,將加壓活塞桿下端和支撐軸上端分別設計成一個小腔室及環(huán)狀面孔,如圖5所示。如此設計實現(xiàn)了“面充氣”,而不再是以往的“點充氣”,更加逼真地實現(xiàn)了實際煤層瓦斯流動情況。此外,在試驗腔內設有導向裝置,如圖6所示。該導向裝置由上定心盤、下定心盤以及4根螺桿組成。上定心盤和下定心盤的中心都開有圓孔,支撐軸經(jīng)下定心盤的中心圓孔伸出,加壓活塞桿經(jīng)上定心盤中心的圓孔伸入與試件接觸。該導向裝置一是在試件安裝過程中可對三軸壓力室上座進行導向,能夠讓上座與下座進行很好的對位;二是上定心盤和下定心盤的中心開孔可很好地對加壓活塞桿和支撐軸進行導向,實現(xiàn)加壓活塞桿和支撐軸的對位,不至于在加壓過程中產(chǎn)生晃動,保證試件受壓均勻而穩(wěn)定。3.3加熱均勻性設計該滲流裝置的溫度控制由一個大型恒溫水箱實現(xiàn)。在恒溫水箱內設有溫度調節(jié)器、加熱管、溫度傳感器、進水閥和排水閥,同時在筒壁上裹有保溫材料,且在該恒溫水箱外設有與恒溫水箱相通的水域循環(huán)水泵,實現(xiàn)了加溫的均勻性。水域溫度數(shù)據(jù)通過溫度傳感器及電腦程序實現(xiàn)實時采集及監(jiān)控。水域恒溫系統(tǒng)可對試件加熱到最高溫度100℃的環(huán)境,具有高精度的溫度穩(wěn)定控制功能,溫度控制誤差為±0.1℃。3.4項目的接頭設計該滲流裝置的氣體壓力控制系統(tǒng)由高壓氣瓶、減壓閥和氣管組成。氣管與壓力表及進、出氣口的連接均采用錐形接頭,保證了氣密性。試驗時,通過減壓閥調節(jié)進氣口氣體壓力,出氣口的氣體壓力則為大氣壓,試驗最大的氣體壓力能達到2MPa。3.5結構壓力監(jiān)測該滲流裝置的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)是由計算機、MaxTest-Load試驗控制軟件及各類傳感器組成。其中,軸壓由安裝于軸向加載機架球型壓頭上方的LTR–1型拉壓力傳感器進行監(jiān)測,監(jiān)測范圍為0~200kN;圍壓由安裝于三軸壓力室排空氣孔上的YPR–8型壓力傳感器進行監(jiān)測,監(jiān)測范圍為0~20MPa;軸向變形由安裝于軸向加載機架上橫梁上的軸向位移傳感器進行監(jiān)測,可以監(jiān)測的最大位移量為60mm;徑向變形由安裝于試樣中部的Epsilon3544–100M–060M–ST徑向引伸計進行監(jiān)測,最大位移監(jiān)測量為6mm;試樣的溫度由安裝于恒溫水域筒壁上的溫度傳感器進行監(jiān)測,該傳感器的量程為-50℃~+250℃;流量采用北京七星華創(chuàng)電子質量流量計分公司生產(chǎn)的D07–11CM型質量流量計進行監(jiān)測。試驗過程中,數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器監(jiān)測后傳輸至MaxTest-Load試驗控制軟件進行顯示和存儲,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化,保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。3.6力室設備設備輔助系統(tǒng)由升降機和活動工作臺組成。升降機是專門用于試件安裝及拆卸和試驗過程中吊裝三軸壓力室的設備?；顒庸ぷ髋_安裝于水域恒溫系統(tǒng)的外體框架上,在其中間部位焊接有固定三軸壓力室下座的固定鐵栓,防止擰緊上座與下座之間的螺栓時產(chǎn)生轉動,而在試件安裝時,可將置于活動工作臺上的三軸壓力室的下座拉離于三軸壓力室上座的正下方,提高操作性,并保證試驗人員的安全。4含瓦斯煤滲透流裝置的試驗為驗證含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置能否滿足試驗所需的具體要求及其試驗結果的可靠性,先后進行了不同圍壓、不同溫度條件下的含瓦斯煤滲透試驗。4.1成型煤試件的制備試驗用煤樣取自重慶天府三匯一礦K1煤層。將所取原煤樣粉碎并篩選粒徑為60~80目之間的煤粉顆粒,然后在2000kN材料試驗機上以100MPa的成型應力穩(wěn)定20min后壓制成φ50mm×100mm的成型煤試件,最后將制備好的試件烘干后放置于干燥箱內備用。4.2試驗計劃和步驟4.2.1瓦斯壓力(1)進行溫度恒定30℃時不同圍壓條件下的滲透試驗,進口瓦斯壓力恒定為0.5MPa,出口瓦斯壓力恒定為0.1MPa(即大氣壓)。(2)進行軸壓和圍壓恒定時不同溫度條件下的滲透試驗,進口瓦斯壓力恒定為0.5MPa,出口瓦斯壓力恒定為0.1MPa。4.2.2試樣系統(tǒng)及裝置(1)試件安裝:為保證氣密性,先用704硅橡膠將煤樣試件側面抹一層1mm左右的膠層,待抹上的膠層完全干透后,將煤樣小心放置于三軸壓力室中支撐軸上,用一段比煤樣長出40mm左右的圓筒熱縮管套在煤樣上,同時將加壓活塞桿放置于煤樣上,用電吹風將圓筒熱縮管均勻吹緊,以保證圓筒熱縮管與煤樣側面接觸緊密,然后用金屬箍分別箍住試件上下端的圓筒熱縮管與支撐軸及加壓活塞桿的重合部分,最后將鏈式徑向位移引伸計安裝于煤試件的中部位置,連接好數(shù)據(jù)傳輸接線,并裝配好導向裝置。(2)裝機:將三軸壓力室上座與下座對好位,緊好螺栓;將瓦斯進氣管與加壓活塞桿上端進氣孔連接好,將瓦斯出氣管與流量計連接好;向三軸壓力室排空充油;檢查各系統(tǒng)是否正常工作。(3)真空脫氣:檢查試驗容器氣密性,打開出氣閥門,使用真空泵進行脫氣,脫氣時間一般為2~3h,以保證良好的脫氣效果。(4)吸附平衡:脫氣后,關閉出氣閥門,將三軸壓力室降入恒溫水箱,設定加熱溫度,并施加一定的軸壓和圍壓,調節(jié)高壓甲烷鋼瓶出氣閥門,保持瓦斯壓力一定,向試件內充氣,充氣時間一般為24h,使瓦斯充分吸附平衡。(5)進行試驗:啟動電腦加載控制程序,按照制定的試驗方案進行不同條件下的試驗。4.3試驗結果及分析4.3.1煤樣變形階段根據(jù)試驗結果分析,含瓦斯煤在溫度為30℃和進口瓦斯壓力為0.5MPa時,圍壓分別為2,3和6MPa條件下的變形過程大致都經(jīng)歷了初始壓密、彈性變形、非穩(wěn)定破裂發(fā)展和破壞4個階段,如圖7所示。同時還可以看出,隨著圍壓的增大,含瓦斯煤的抗壓強度增大,但煤樣的初始壓密階段越來越不明顯,這是因為煤樣在較高的圍壓作用下發(fā)生了二次壓密的結果。從體積應變始終為正值分析,含瓦斯煤在變形過程中一直處于壓縮狀態(tài)。4.3.2采后階段與采后階段滲透率的變化圖8給出了含瓦斯煤在受力過程中滲流流量(Q)與軸向應力(σ1)、軸向變形(ε1)和橫向變形(ε2)的關系曲線,從圖8可以看出,初始壓密階段的滲透率減小的速率較快,隨著微裂紋的擴展,滲透率減小的速率越來越慢,在非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段,滲透率有增加的趨勢,在破壞后階段,滲透率呈現(xiàn)迅速增大的變化,該結果表明,含瓦斯煤滲透率的變化與其內部孔裂隙損傷演化過程密切相關,且在不同的階段,滲透率變化速率存在差異。此外,含瓦斯煤在三軸壓縮過程中,圍壓越大,滲透率則越小,表明圍壓對含瓦斯煤內部的裂隙起到了壓密閉合作用,限制了含瓦斯煤內部裂隙的擴展和張開程度。4.3.3度對含瓦斯煤滲流的影響圖9為含瓦斯煤在保持應力狀態(tài)不變的條件下滲流流量(Q)與溫度(T)的關系曲線。從圖9可以看到,含瓦斯煤隨著溫度的升高,其滲透率呈現(xiàn)總體減小的趨勢,在溫度較低時,滲透率變化的速率較小,而在40℃后,滲透率變化的速率迅速增大,隨著溫度的繼續(xù)升高,滲透率變化趨緩,甚至有增加的趨勢。分析認為溫度對含瓦斯煤滲流的影響可能是以下幾方面綜合作用的結果:一是溫度升高,瓦斯解析,吸附量減少,煤基質收縮,有效滲流通道半徑增大,有利于滲透率的增加;二是溫度升高,氣體分子運動加劇,分子自由程縮短,有益于滲透率的增加;三是溫度升高,增大了煤巖彈性模量、剪切模量,降低了泊松比,使煤儲層不易在應力作用下產(chǎn)生形變,降低了煤儲層的滲流能力;四是在高有效應力下,溫度升高,煤體骨架產(chǎn)生熱膨脹,有效滲流喉道變狹窄,使得滲透率降低。因此,溫度升高將導致煤樣滲透率既有升高的趨勢,也有降低的可能。從本次試驗結果看,當T<40℃時,溫度升高使得滲透率增大與使得滲透率降低的效應相互抵消,因此滲流流量變化不大;當40℃≤T≤60℃時,溫度升高使得滲透率減小的效應強于使得滲透率增大的效應,因此表現(xiàn)為滲流流量變化較大;而隨著溫度進一步升高時(T>60℃),這兩者的效應又相互抵消,滲流流量變化平緩。基于以上分析,溫度對滲流的影響是雙向的,至于哪種效應占主導作用還有待于今后做進一步的研究。5試驗結果及分析本文在分析現(xiàn)有煤巖滲流試驗裝置優(yōu)缺點的基礎上,詳細介紹了自行研制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置的功能,該滲流裝置主要有如下特點:(1)利用該裝置所進行的試驗能綜合反映應力、瓦斯壓力及溫度等對滲透率的耦合作用,較好地模擬現(xiàn)場實際煤層瓦斯?jié)B流所處的環(huán)境。(2)實現(xiàn)了伺服液壓控制加載功能,且能實現(xiàn)多種加載方式。(3)通過在加壓活塞桿和支承軸上分別設計小腔室及環(huán)狀面孔,實現(xiàn)了“面充氣”,而不再是以往的“點充氣”,更加逼真地實現(xiàn)了實際煤層瓦斯源的情況。(4)設計了導向裝置,實現(xiàn)加壓活塞桿和支撐軸的對位,避免在加壓過程中產(chǎn)生晃動,使得試件受壓均勻而穩(wěn)定。(5)數(shù)據(jù)采集使用更加靈敏、精確度更高的傳感器。(6)設計了一個大型水域恒溫系統(tǒng),并安裝有水域循環(huán)水泵,加熱過