[实用新型]一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统

说明书

本实用新型涉及冻融煤体实验室装置，具体涉及一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统。公开了一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统，包括液氮注入系统和液氮冻融系统，其特征在于：还包括光学散斑监测系统和倒置金相显微镜监测系统。实现液氮冻融实验中煤样裂纹扩展的可视化观测；冻融全过程的裂纹扩展图像数据获取；通过该实验装置可以实时的监测煤样在液氮作用下的微细观裂纹的变化，动态分析液氮致裂煤样时，煤体损伤变形破裂的规律和效果；结合煤样形貌、位移以及应变，得到液氮冻融特征参数与力学参数以及破裂变形三者的关系。

技术领域

本实用新型涉及冻融煤体实验室装置，具体涉及一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统。

背景技术

我国能源消费结构长期以来以煤炭为主，截至2020年，我国一次能源消费结构中仍以煤炭资源占比位56.80％，为我国国民经济持续稳定发展的重要支柱。近年来，煤矿开采技术和工艺不断提高，我国煤炭开采逐渐由浅部开采过渡到深部开采阶段。随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，矿井瓦斯灾害成为制约煤矿安全高效开采的重要因素。据统计，我国高瓦斯矿井在我国矿井中占37％以上，其中95％的开采煤层属于低渗透性煤层，因此，如何提高低渗煤层渗透率是我国瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的关键之一。为提高煤层渗透率，国内外相关学者提出了预裂爆破、水力压裂、水力割缝、超声波激励等增透方法。但是，这些技术仍然存在一些局限性。其中，爆破技术操作会相对复杂，易发生次生危害，水力压裂技术不仅会消耗大量的水，还会对环境造成污染，超声波激励技术昂贵的成本，使得这些技术难以得到推广或应用。

煤体的微裂隙扩展以及新裂隙萌生会直接影响煤的渗透性能。液氮具有温度低(-195.8℃)、无污染、制备简单及原料来源广泛等特点。液氮作为压裂液注入到煤层后煤体冻融损伤，导致原生微裂隙扩展及新裂隙的产生，超高的膨胀比(1:696)使得液氮汽化后产生巨大膨胀力致裂煤层。同时高压氮气可以驱替置换煤层瓦斯促进瓦斯解吸渗流。通过实验室实验对赋存煤样进行液氮冻融研究，可为液氮对煤层增透抽采瓦斯的现场应用提供有效的依据和理论支撑。大多数实验室实验只能对液氮冻融前后煤样的变化进行观测，不能对液氮冻融全过程煤体表面微裂隙扩展及煤体变形破坏特征进行有效的可视化监测。目前涉及对液氮全过程检测的设备，研究的是煤体内部结构变化，对液氮冻融全过程煤体裂纹扩展及形变特性可视化的实验研究和相关设备较少。针对上述技术要求，有必要提出一个对液氮冻融过程中对煤体裂纹扩展和变形破坏实时可视化监测的实验系统及方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种可视化液氮冻融煤体裂纹扩展动态监测系统，包括液氮注入系统和液氮冻融系统，还包括光学散斑监测系统和倒置金相显微镜监测系统。

所述光学散斑监测系统包括散斑光源、高速摄像机、散斑控制箱、散斑分析系统，所述散斑光源和高速摄像机各设两个，高速摄像机通过数据连接线与散斑控制箱连接。

所述倒置金相显微镜监测系统包括目镜、显微镜工作台、倒置金相显微镜、显示器、计算机、实验桌、适配镜和图像采集器，倒置金相显微镜、显示器和计算机放置在实验桌上，倒置金相显微镜上设有显微镜工作台，上方依次为适配镜和目镜。

优选的，所述液氮注入系统包括自增压液氮罐、压力阀门、压力表、进液阀门、超低温流量计、超低温保温管。

优选的，所述液氮冻融系统包括液氮冻融箱和超低温玻璃，所述液氮冻融箱为反应釜，外有保温隔热聚氨酯材料。

优选的，所述光学散斑监测系统还包括摄像机支架和卡扣，所述散斑光源和摄像机以卡扣为中心对称设置在摄像机支架上。

优选的，所述光学散斑监测系统放置在云台三角上。