[发明专利]受载煤破裂过程中氡气析出测定方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究煤矿开采过程中煤体氡析出规律的试验方法及装置。

背景技术

我国煤层赋存地质条件复杂，煤与瓦斯突出、冲击矿压、冒顶等煤岩动力灾害严重，给国家和人民的生命财产安全造成了极大的危害。随着矿井向深部开采，地应力和瓦斯压力增大，煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害的威胁将更加严峻。这些灾害事故均与煤岩体失稳破坏密切相关。煤岩体破裂过程中伴随着能量的耗散还有放射性元素析出，氡（Rn）是一种重要表现形式。国内外相关研究表明，氡浓度的变化可以作为一种有前景的煤岩瓦斯动力灾害预测手段。

氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这些放射性元素在衰变过程中所形成的产物。氡检测技术是一种很有发展前途的地球物理勘探方法。氡在地壳中的分布较为广泛，几乎在各种岩石中都能找到它的踪迹。氡一般不与其它物质发生化学作用，但可被其它固体物质所吸附，氡在岩石中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在，在地下水中以溶解氡和逸出氡的形式存在。目前，氡检测技术广泛应用于地震预报以及地质构造、地热水、边坡稳定性探测等领域。

在煤岩层开采过程中，自由氡伴随煤岩析出，煤岩体破裂吸附氡和封闭氡也会大量析出。利用氡检测来预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩瓦斯动力灾害具有重要的研究价值。前人关于煤岩破裂过程氡浓度变化的研究为煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害提供了一种新的预测途径，但相关研究还仅处于初步试验阶段。煤与瓦斯突出等含瓦斯煤岩动力灾害是煤岩体结构、地应力和瓦斯压力综合作用的结果，因此，研究含瓦斯煤岩破裂过程中氡析出规律，有利于进一步揭示含瓦斯煤岩动力灾害的氡异常机理和氡放射前兆特征，有望为煤岩瓦斯动力灾害氡预测技术提供极有价值的理论支撑。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种受载煤破裂过程中氡气析出的测定方法，提供相应的配套装置则是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：受载煤破裂过程中氡气析出测定方法，包括以下步骤：

（1）取煤样制成试件安装在三轴压缩仪的上、下压头之间，并在试件外侧套上热缩管；

（2）对由上、下压头和热缩管围成的样品室进行抽真空处理，然后向样品室持续通入载气；

（3）待煤样试件对载气达到吸附平衡后，为试件施加围压和轴向压力，同时开始记录测定过程中的声发射信号；

（4）开启样品室的出气孔道，收集从样品室释放出的气体，测定气体中的氡气含量；

（5）闭合样品室的出气孔道，使煤样试件对载气重新达到吸附平衡；增加轴向压力；

（6）重复步骤（4）和（5），直到试件破坏；停止记录声发射信号。

所述载气为空气、CH₄、N₂或CO₂。煤是一种含有发育的孔、裂隙的固体介质，对甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)均具有较强的吸附能力，其中甲烷是煤层气的主要成分，而二氧化碳和氮气则是注气开采中常用的气体形式。因此，在测定过程中根据实际需要通入空气、CH₄、N₂或CO₂等不同形式的气体，可用于研究氡气析出对不同瓦斯气体的响应特征，有利于更加真实、客观地模拟煤层氡气释放的实地状态。另一方面，通入载气可提高煤样在三轴加载条件下排出气体的流量，加速氡的迁移，可实现煤样在不同受载阶段氡析出的快速准确测量。

测定前先将煤样试件于110±5℃下干燥预处理4h。

与所述受载煤破裂过程中氡气析出测定方法配套的装置，包括三轴压缩仪，所述三轴压缩仪包括压力室，压力室底部设有进油口和出油口，顶部设有排气口；压力室内设有上压头、下压头以及竖向设置在上、下压头之间的热缩管，上压头、下压头与热缩管共同围成样品室；上压头内设有进气孔道，下压头内设有出气孔道，所述进气孔道与载气输送管连通，所述出气孔道与集气罐相连，集气罐与测氡仪相连；所述压力室外壁上设有声发射传感器，声发射传感器与中央处理单元相连。

所述出气孔道外接有出气管，出气管通过三通阀与第一支管、第二支管相连，其中第一支管连接测氡仪，第二支管连接集气罐，集气罐与测氡仪之间设有连接管；出气管上设有阀门；第一支管、第二支管或连接管任一上设有次支管；所述次支管与真空泵相连，次支管上设有阀门。

所述第一支管、第二支管或连接管上设有排气管，排气管上设有阀门。