[发明专利]一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法

权利要求书

1.一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、煤样制备，通过将块煤破碎-筛分-制模-加压-烘干之后制成实验所需型煤；

利用破碎机将块煤粉碎成煤粉颗粒，并进行筛分；然后将筛分后的煤粉颗粒加入少量纯净水，搅拌均匀后倒入型煤模具中；进而将模具置于压力机上压制成型，最后烘干后放入干燥箱备用；

第二步、装载试件，设定型煤试件的初始围压、初始温度和初始轴向压力，以及温度和轴向压力的加载阈值；

将型煤试件装入实验系统的煤岩芯夹持器中，然后利用伺服应力加载系统对试件施加初始围压和初始轴向压力，同时利用温度加载控制系统预设初始温度值，初始围压为5MPa，初始温度为20℃，初始轴向压力为2MPa，设定的温度和轴向压力的加载阈值分别为200℃和10MPa；

第三步、煤样气体吸附；

向煤岩芯夹持器中注入恒定压力的瓦斯气体直至监测到气体稳定流出为止，进而关闭与煤岩芯夹持器出气口相连的管路阀门，再持续充气48小时后，关闭与煤岩芯夹持器进气口相连的管路阀门；

第四步、注入氧气，型煤试件升温；

保持固定轴压、围压和温度10分钟后，向煤岩芯夹持器中注入恒定压力的氧气或者干空气30分钟；通过控温装置对系统逐渐升温，并通过测温装置监测煤岩芯夹持器内部试样温度变化；控温装置为安装在煤岩芯夹持器上的PTD仪表温控器；测温装置为安装在煤岩芯夹持器内部的测温探头；

第五步、第一次数据采集；

实时采集煤体压力、位移以及温度数据，同时监测当温度、压力恒定时多元气体的流量，并每隔一段时间收集一次多元气体，随后两小时内及时进行多元气体的色谱分析；

第六步、热力耦合加载；

步骤二后，固定围压保持5MPa不变，按照0.5℃/min和0.001kN/s的速度逐渐对试样进行温度和轴压联合加载；

第七步、第二次数据采集；

每升温20℃时保持恒温并固定轴压10分钟，在此期间参照步骤五进行相关数据的监测和采集；

第八步、重复步骤六、步骤七直至温度加载阈值达到200℃或者轴向压力加载阈值达到10MPa，满足上述条件之一即结束实验；

第九步、建立煤体渗流-应力-温度-化学多场耦合模型，结合数值模拟方法研究揭示热力耦合下煤体的流-固-热-化耦合作用机制。

2.根据权利要求1所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤一中通过振动筛筛取粒径0.18mm～0.38mm的煤粉颗粒；压制模具时，将模具置于刚性液压压力机上，施加200KN的轴向载荷并保压30分钟；制备的试样统一打磨为高100mm，直径50mm的圆柱体煤样，两端面平行度小于0.02mm。

3.根据权利要求1所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤五和步骤七中采用针管或球胆收集多元气体，所述多元气体至少需要收集三次气样。

4.根据权利要求1所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤五中每隔8分钟收集一次多元气体；步骤七中每隔5分钟收集一次多元气体。

5.根据权利要求1所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤五中，多元气体的流量较小时由流量计计量，多元气体的流量较大时由气排水装置计量，通过计算机程序自动判断选择所需计量工具；气体的组分及浓度通过安捷伦7890B气相色谱仪检测。

6.根据权利要求1所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤九中，煤体渗流-应力-温度-化学多场耦合模型至少包括：煤变形控制方程、煤-氧反应方程、气体扩散-渗流控制方程、能量传输控制方程以及交叉耦合控制方程。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤六中，温度加载通过设在煤岩芯夹持器外端的恒温箱来实现；轴压加载通过轴压泵作用在轴压活塞上，将作用力传递到岩心端面。

8.根据权利要求7所述的模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，步骤五和步骤七中位移数据的采集是通过在煤岩芯夹持器中试样四周的不同方向安装应变片来实现。