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(zhǎng)熟試驗(yàn)研究,應(yīng)注意以下幾個(gè)在礦山生產(chǎn)過程中，開采工程破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡和原始磚瓦壓力的平衡，導(dǎo)致礦山周圍巖石的重新分布和風(fēng)險(xiǎn)資本流動(dòng)。在煤層瓦斯運(yùn)移過程中,滲透率是反映煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流難易程度的物性參數(shù)之一,同時(shí),滲透率也是瓦斯?jié)B流力學(xué)與工程的重要參數(shù)。因此,煤層瓦斯?jié)B透率的測(cè)算方法研究是瓦斯?jié)B流力學(xué)發(fā)展之關(guān)鍵技術(shù),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(guān)鍵入手點(diǎn)。為研究煤儲(chǔ)層滲透特性,在20世紀(jì)70年代,就有國(guó)外學(xué)者研發(fā)了相關(guān)滲流試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了系列研究,并取得許多研究成果。W.J.Sommerton等研究了應(yīng)力對(duì)煤體滲透性的影響;C.R.McKee等[2開展了應(yīng)力與煤體孔隙度和滲透率之間關(guān)系的研究;S.Harpalani等研究了應(yīng)力對(duì)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(yīng)力對(duì)滲透率的影響規(guī)律。在國(guó)內(nèi),林柏泉等較早地利用自制的煤樣瓦斯?jié)B透試驗(yàn)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(guān)系;譚學(xué)術(shù)等[8~10]利用自制的滲流裝置,先后對(duì)煤樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下、不同電場(chǎng)下、不同溫度下及變形過程中的滲透率進(jìn)行了研究;胡耀青等研制了“煤巖滲透試驗(yàn)機(jī)”與“三軸應(yīng)力滲透儀”,進(jìn)行了三維應(yīng)力作用下煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律的試驗(yàn)研究;劉建軍和劉先貴利用自制試驗(yàn)設(shè)備以低滲透多孔介質(zhì)為研究對(duì)象,通過試驗(yàn)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(yàn)研究得到了有效應(yīng)力與煤層氣解吸和滲流特性間的關(guān)系;隆清明等自行研制“瓦斯?jié)B透儀”,進(jìn)行了孔隙氣壓對(duì)煤體滲透性影響的試驗(yàn)研究;彭永偉等利用一種夾持裝置,通過試驗(yàn)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(shè)計(jì)開發(fā)的滲流試驗(yàn)裝置,雖在一定程度上推進(jìn)了滲流力學(xué)的研究及加深了煤層瓦斯運(yùn)移機(jī)制的認(rèn)識(shí),但也存在以下不足:(1)所考慮的滲透率影響因素相對(duì)比較單一,未綜合考慮應(yīng)力、瓦斯壓力、溫度影響及變形等,不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)煤層瓦斯?jié)B流受各因素綜合作用的實(shí)際情況。(2)應(yīng)力加載系統(tǒng)多為手動(dòng),加載過程不穩(wěn)定。(3)充氣系統(tǒng)多為點(diǎn)充氣,未能實(shí)現(xiàn)實(shí)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(yīng)變片,流量則采用排水法等,這些測(cè)試技術(shù)誤差相對(duì)較大。(5)試件安裝及設(shè)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(yàn)裝置,以便更深層次地探索各因素對(duì)瓦斯?jié)B流的作用機(jī)制,為煤層氣抽采等提供技術(shù)參考。西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))在分析同類滲流試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)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(xì)介紹該裝置的功能,同時(shí)介紹該裝置的組成及各部件的關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)而介紹用該裝置所進(jìn)行的前期試驗(yàn)研究成果。2該設(shè)備的主要功能和參數(shù)2.1煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律及實(shí)驗(yàn)研究含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置可進(jìn)行不同溫度條件下地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用時(shí)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(yàn)研究,以揭示煤層瓦斯運(yùn)移機(jī)制,為研究煤與瓦斯突出力學(xué)演化機(jī)制及瓦斯抽采技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。2.2試驗(yàn)驗(yàn)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(cè)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(cè)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(yīng)力、變形、瓦斯壓力、溫度及流量等參數(shù)全自動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等6個(gè)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(yàn)伺服加載系統(tǒng)實(shí)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(gè)部分構(gòu)成:(1)軸向加載機(jī)架(見圖2):軸向加載機(jī)架由上橫梁、三軸壓力室上座和立柱構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(cè)試加壓活塞桿的位移,從而可間接計(jì)算出試件的軸向變形。為了避免壓頭的偏壓,保障試驗(yàn)結(jié)果更能反映出試件的真實(shí)受力情況,將軸向加載壓頭設(shè)計(jì)成球型萬(wàn)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(dòng)力來(lái)源。為了達(dá)到伺服控制的目的,采用德國(guó)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(dòng)作。伺服液壓站采用一缸兩泵的設(shè)計(jì),讓2臺(tái)液壓泵分別產(chǎn)生軸壓和圍壓,液壓泵型號(hào)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(dá)到100MPa,圍壓最大達(dá)到10MPa。此外,為了防止液壓站長(zhǎng)時(shí)間工作帶來(lái)的油溫升高,設(shè)計(jì)了循環(huán)水域冷卻系統(tǒng),達(dá)到了長(zhǎng)期穩(wěn)壓的效果。(3)控制臺(tái):控制臺(tái)由計(jì)算機(jī)和MaxTest-Load試驗(yàn)控制軟件、按鈕控制臺(tái)等組成,可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程全程自動(dòng)化控制,安全可靠。其中,試驗(yàn)過程由電腦程序自動(dòng)控制,而液壓站的啟動(dòng)與停止動(dòng)作等由按鈕操作完成。試驗(yàn)過程中的加載參數(shù)可根據(jù)需要任意設(shè)定。3.2旋轉(zhuǎn)小腔和導(dǎo)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(yàn)所需圍壓環(huán)境的重要機(jī)構(gòu),其主體結(jié)構(gòu)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(jìn)行連接,連接處設(shè)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(nèi)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(shè)計(jì)成一個(gè)小腔室及環(huán)狀面孔,如圖5所示。如此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“面充氣”,而不再是以往的“點(diǎn)充氣”,更加逼真地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際煤層瓦斯流動(dòng)情況。此外,在試驗(yàn)腔內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向裝置,如圖6所示。該導(dǎo)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(dǎo)向裝置一是在試件安裝過程中可對(duì)三軸壓力室上座進(jìn)行導(dǎo)向,能夠讓上座與下座進(jìn)行很好的對(duì)位;二是上定心盤和下定心盤的中心開孔可很好地對(duì)加壓活塞桿和支撐軸進(jìn)行導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)加壓活塞桿和支撐軸的對(duì)位,不至于在加壓過程中產(chǎn)生晃動(dòng),保證試件受壓均勻而穩(wěn)定。3.3加熱均勻性設(shè)計(jì)該滲流裝置的溫度控制由一個(gè)大型恒溫水箱實(shí)現(xiàn)。在恒溫水箱內(nèi)設(shè)有溫度調(diào)節(jié)器、加熱管、溫度傳感器、進(jìn)水閥和排水閥,同時(shí)在筒壁上裹有保溫材料,且在該恒溫水箱外設(shè)有與恒溫水箱相通的水域循環(huán)水泵,實(shí)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?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集及監(jiān)控。水域恒溫系統(tǒng)可對(duì)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(xiàng)目的接頭設(shè)計(jì)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(jìn)、出氣口的連接均采用錐形接頭,保證了氣密性。試驗(yàn)時(shí),通過減壓閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣口氣體壓力,出氣口的氣體壓力則為大氣壓,試驗(yàn)最大的氣體壓力能達(dá)到2MPa。3.5結(jié)構(gòu)壓力監(jiān)測(cè)該滲流裝置的數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、MaxTest-Load試驗(yàn)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(jī)架球型壓頭上方的LTR–1型拉壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)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(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)范圍為0~20MPa;軸向變形由安裝于軸向加載機(jī)架上橫梁上的軸向位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以監(jiān)測(cè)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(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),最大位移監(jiān)測(cè)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(jìn)行監(jiān)測(cè),該傳感器的量程為-50℃~+250℃;流量采用北京七星華創(chuàng)電子質(zhì)量流量計(jì)分公司生產(chǎn)的D07–11CM型質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)過程中,數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器監(jiān)測(cè)后傳輸至MaxTest-Load試驗(yàn)控制軟件進(jìn)行顯示和存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化,保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。3.6力室設(shè)備設(shè)備輔助系統(tǒng)由升降機(jī)和活動(dòng)工作臺(tái)組成。升降機(jī)是專門用于試件安裝及拆卸和試驗(yàn)過程中吊裝三軸壓力室的設(shè)備?；顒?dòng)工作臺(tái)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(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),而在試件安裝時(shí),可將置于活動(dòng)工作臺(tái)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(yàn)人員的安全。4含瓦斯煤滲透流裝置的試驗(yàn)為驗(yàn)證含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置能否滿足試驗(yàn)所需的具體要求及其試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,先后進(jìn)行了不同圍壓、不同溫度條件下的含瓦斯煤滲透試驗(yàn)。4.1成型煤試件的制備試驗(yàn)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(yàn)機(jī)上以100MPa的成型應(yīng)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(nèi)備用。4.2試驗(yàn)計(jì)劃和步驟4.2.1瓦斯壓力(1)進(jìn)行溫度恒定30℃時(shí)不同圍壓條件下的滲透試驗(yàn),進(jìn)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(jìn)行軸壓和圍壓恒定時(shí)不同溫度條件下的滲透試驗(yàn),進(jìn)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(cè)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(zhǎng)出40mm左右的圓筒熱縮管套在煤樣上,同時(shí)將加壓活塞桿放置于煤樣上,用電吹風(fēng)將圓筒熱縮管均勻吹緊,以保證圓筒熱縮管與煤樣側(cè)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?zhǔn)綇较蛭灰埔煊?jì)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(dǎo)向裝置。(2)裝機(jī):將三軸壓力室上座與下座對(duì)好位,緊好螺栓;將瓦斯進(jìn)氣管與加壓活塞桿上端進(jìn)氣孔連接好,將瓦斯出氣管與流量計(jì)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(yàn)容器氣密性,打開出氣閥門,使用真空泵進(jìn)行脫氣,脫氣時(shí)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(guān)閉出氣閥門,將三軸壓力室降入恒溫水箱,設(shè)定加熱溫度,并施加一定的軸壓和圍壓,調(diào)節(jié)高壓甲烷鋼瓶出氣閥門,保持瓦斯壓力一定,向試件內(nèi)充氣,充氣時(shí)間一般為24h,使瓦斯充分吸附平衡。(5)進(jìn)行試驗(yàn):啟動(dòng)電腦加載控制程序,按照制定的試驗(yàn)方案進(jìn)行不同條件下的試驗(yàn)。4.3試驗(yàn)結(jié)果及分析4.3.1煤樣變形階段根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,含瓦斯煤在溫度為30℃和進(jìn)口瓦斯壓力為0.5MPa時(shí),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?jí)好堋椥宰冃?、非穩(wěn)定破裂發(fā)展和破壞4個(gè)階段,如圖7所示。同時(shí)還可以看出,隨著圍壓的增大,含瓦斯煤的抗壓強(qiáng)度增大,但煤樣的初始?jí)好茈A段越來(lái)越不明顯,這是因?yàn)槊簶釉谳^高的圍壓作用下發(fā)生了二次壓密的結(jié)果。從體積應(yīng)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(yīng)力(σ1)、軸向變形(ε1)和橫向變形(ε2)的關(guān)系曲線,從圖8可以看出,初始?jí)好茈A段的滲透率減小的速率較快,隨著微裂紋的擴(kuò)展,滲透率減小的速率越來(lái)越慢,在非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段,滲透率有增加的趨勢(shì),在破壞后階段,滲透率呈現(xiàn)迅速增大的變化,該結(jié)果表明,含瓦斯煤滲透率的變化與其內(nèi)部孔裂隙損傷演化過程密切相關(guān),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(duì)含瓦斯煤內(nèi)部的裂隙起到了壓密閉合作用,限制了含瓦斯煤內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展和張開程度。4.3.3度對(duì)含瓦斯煤滲流的影響圖9為含瓦斯煤在保持應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下滲流流量(Q)與溫度(T)的關(guān)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(shì),在溫度較低時(shí),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(shì)。分析認(rèn)為溫度對(duì)含瓦斯煤滲流的影響可能是以下幾方面綜合作用的結(jié)果:一是溫度升高,瓦斯解析,吸附量減少,煤基質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(chǔ)層不易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變,降低了煤儲(chǔ)層的滲流能力;四是在高有效應(yīng)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(dǎo)致煤樣滲透率既有升高的趨勢(shì),也有降低的可能。從本次試驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)T<40℃時(shí),溫度升高使得滲透率增大與使得滲透率降低的效應(yīng)相互抵消,因此滲流流量變化不大;當(dāng)40℃≤T≤60℃時(shí),溫度升高使得滲透率減小的效應(yīng)強(qiáng)于使得滲透率增大的效應(yīng),因此表現(xiàn)為滲流流量變化較大;而隨著溫度進(jìn)一步升高時(shí)(T>60℃),這兩者的效應(yīng)又相互抵消,滲流流量變化平緩。基于以上分析,溫度對(duì)滲流的影響是雙向的,至于哪種效應(yīng)占主導(dǎo)作用還有待于今后做進(jìn)一步的研究。5試驗(yàn)結(jié)果及分析本文在分析現(xiàn)有煤巖滲流試驗(yàn)裝置優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)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(diǎn):(1)利用該裝置所進(jìn)行的試驗(yàn)?zāi)芫C合反映應(yīng)力、瓦斯壓力及溫度等對(duì)滲透率的耦合作用,較好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤層瓦斯?jié)B流所處的環(huán)境。(2)實(shí)現(xiàn)了伺服液壓控制加載功能,且能實(shí)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(shè)計(jì)小腔室及環(huán)狀面孔,實(shí)現(xiàn)了“面充氣”,而不再是以往的“點(diǎn)充氣”,更加逼真地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際煤層瓦斯源的情況。(4)設(shè)計(jì)了導(dǎo)向裝置,實(shí)現(xiàn)加壓活塞桿和支撐軸的對(duì)位,避免在加壓過程中產(chǎn)生晃動(dòng),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(shè)計(jì)了一個(gè)大型水域恒溫系統(tǒng),并安裝有水域循環(huán)水泵,加熱過