本發(fā)明涉及巖石工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

煤巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的研究對于巷道圍巖支護(hù)、煤層氣開采、煤與瓦斯突出等問題都有重要的意義，尤其在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域，煤巖在吸附瓦斯等吸附性氣體時的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對于指導(dǎo)煤層氣生產(chǎn)有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

目前對于煤巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的獲取多采用室內(nèi)試驗的手段，常見的應(yīng)變測量工具有位移傳感器或者應(yīng)變傳感器等。采用傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器在測量吸附狀態(tài)下的煤巖應(yīng)變狀態(tài)時采集的數(shù)據(jù)是煤巖的平均應(yīng)變，而煤巖是一種典型的非均質(zhì)材料，因此這種測量手段無法反應(yīng)煤巖內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，同時這些傳感器安裝復(fù)雜，精度較低，極易發(fā)生密封不緊、測量失敗等情況，因此急需一種簡單可行能夠獲得較高精度的解、吸附狀態(tài)下的煤巖應(yīng)變測量手段。

有學(xué)者提出采用CT掃描等方法研究煤巖內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，通過CT數(shù)或灰度值反映煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的變化規(guī)律，雖然取得了一定的效果，但是仍然具有較大的局限性，這是因為這種方法受限于掃描頻次，無法全程跟蹤煤巖全時段的應(yīng)力應(yīng)變演化過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中試樣應(yīng)力應(yīng)變測量只能關(guān)注測量始終狀態(tài)，而無法測量應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)，包括：氣體控制結(jié)構(gòu)、密閉觀測箱、高速相機以及數(shù)字圖像分析平臺；

所述氣體控制結(jié)構(gòu)與所述密閉觀測箱相連，控制所述密閉觀測箱內(nèi)的氣體出入以及箱內(nèi)氣壓；

所述高速相機與所述數(shù)字圖像分析平臺相連，拍攝所述密閉觀測箱內(nèi)的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像，并通過所述數(shù)字圖像分析平臺分析，得到煤體試樣的形變應(yīng)變；

其中，在執(zhí)行煤體吸附變形測量時，所述密閉觀測箱內(nèi)填充氣體，調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓，通過所述高速相機連續(xù)拍攝煤體試樣形變應(yīng)變并通過所述數(shù)字圖像分析平臺分析形變應(yīng)變；

當(dāng)上述煤體吸附變形測量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測量，開始釋放所述密閉觀測箱內(nèi)的氣體并同時開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應(yīng)變。

進(jìn)一步地，在執(zhí)行不同壓強環(huán)境的連續(xù)壓強測量時，完成某一壓強條件下的煤體解、吸附測量后執(zhí)行下一壓強條件的測量操作。

進(jìn)一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速相機拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。

進(jìn)一步地，所述氣體控制結(jié)構(gòu)包括：氣源、進(jìn)氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器；

所述氣源通過所述進(jìn)氣管路與所述密閉觀測箱相連，執(zhí)行氣體輸入；

所述密閉觀測箱與所述出氣管路相連，執(zhí)行氣體輸出；

所述減壓閥設(shè)置在所述進(jìn)氣管路上，實現(xiàn)所述密閉觀測箱內(nèi)的氣壓調(diào)整；

所述氣壓傳感器設(shè)置在所述密閉觀測箱上，實時監(jiān)測所述密閉觀測箱內(nèi)的氣壓，并回傳給所述數(shù)字圖像分析平臺。

進(jìn)一步地，當(dāng)且僅當(dāng)所述減壓閥的壓強讀數(shù)與所述氣壓傳感器檢測的壓強讀數(shù)相等，且持續(xù)時間大于48小時，才認(rèn)為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述密閉觀測箱為透明箱體。

進(jìn)一步地，所述高速相機為兩臺；

兩臺所述高速相機對稱設(shè)置在所述煤體試樣中心軸線兩側(cè)，對準(zhǔn)所述煤體試樣。

一種煤體解、吸附變形測量方法，包括：

將煤體試樣置于一定的氣體壓強測量氣體環(huán)境中；

通過高速拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像；

通過數(shù)字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的吸附形變應(yīng)變；

釋放所述測量氣體環(huán)境中的氣體；

通過高速連續(xù)拍攝設(shè)備拍攝所述煤體試樣的圖像；

通過數(shù)字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的解吸形變應(yīng)變；

重復(fù)上述過程，測量不同壓強條件下的煤體試樣的解、吸附形變應(yīng)變。

進(jìn)一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速拍攝設(shè)備拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，通過全過程的拍攝和圖像分析，實現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測量；實現(xiàn)了煤巖表面解、吸附變形測試的全天候觀測，自動化程度高。

進(jìn)一步地，通過氣體控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了同一試樣，不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測量；系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡單，可以實現(xiàn)不同煤巖的解、吸附變形測試。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中試樣應(yīng)力應(yīng)變測量只能關(guān)注測量始終狀態(tài)，而無法測量應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的技術(shù)問題；達(dá)到了實現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測量；同時，不同氣體壓力的解、吸附變形的煤巖表面解、吸附變形測試的全天候精確測量的技術(shù)效果。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術(shù)方案的詳細(xì)的說明，而不是對本申請技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

參見圖1，本發(fā)明實施例提供的一種煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)，包括：氣體控制結(jié)構(gòu)、密閉觀測箱、高速相機以及數(shù)字圖像分析平臺；

所述氣體控制結(jié)構(gòu)與所述密閉觀測箱相連，控制所述密閉觀測箱內(nèi)的氣體出入以及箱內(nèi)氣壓；

所述高速相機與所述數(shù)字圖像分析平臺相連，拍攝所述密閉觀測箱內(nèi)的煤體試樣在不同氣壓條件下的圖像，并通過所述數(shù)字圖像分析平臺分析，得到煤體試樣的形變應(yīng)變；

其中，在執(zhí)行煤體吸附變形測量時，所述密閉觀測箱內(nèi)填充氣體，調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓，通過所述高速相機連續(xù)拍攝煤體試樣形變應(yīng)變并通過所述數(shù)字圖像分析平臺分析形變應(yīng)變；

當(dāng)上述煤體吸附變形測量完成后執(zhí)行煤體解吸變形測量，開始釋放所述密閉觀測箱內(nèi)的氣體并同時開始連續(xù)拍攝所述煤體試樣的形變應(yīng)變。

在執(zhí)行不同壓強環(huán)境的連續(xù)壓強測量時，完成某一壓強條件下的煤體解、吸附測量后執(zhí)行下一壓強條件的測量操作。

具體來說，針對待測的煤體試樣，將其置于一個氣壓可調(diào)的密閉氣體環(huán)境中，即所述密閉觀測箱中，在其發(fā)生解吸和吸附過程中，通過高速拍攝設(shè)備，即高速相機實現(xiàn)，連續(xù)的拍攝試樣的圖像，而后通過成熟的數(shù)字圖像分析平臺獲得試樣表面的形變應(yīng)變，實現(xiàn)技術(shù)目的。

具體的，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速相機拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。實現(xiàn)全天候的觀測，使得測量在可靠性大大提升，同時由于能夠全面反映整個解吸和吸附過程，使得實驗的數(shù)據(jù)完整性大幅提升，同時完整可靠的記錄了整個解吸附過程。

本實施例提供了一種具體的準(zhǔn)告知組合，所述氣體控制結(jié)構(gòu)包括：氣源、進(jìn)氣管路、出氣管路、減壓閥以及氣壓傳感器。

所述氣源通過所述進(jìn)氣管路與所述密閉觀測箱相連，執(zhí)行氣體輸入；

所述密閉觀測箱與所述出氣管路相連，執(zhí)行氣體輸出；

所述減壓閥設(shè)置在所述進(jìn)氣管路上，實現(xiàn)所述密閉觀測箱內(nèi)的氣壓調(diào)整；

所述氣壓傳感器設(shè)置在所述密閉觀測箱上，實時監(jiān)測所述密閉觀測箱內(nèi)的氣壓，并回傳給所述數(shù)字圖像分析平臺。

為了準(zhǔn)確的得到完整的數(shù)據(jù)，確定的判斷反應(yīng)過程的起始和重點，優(yōu)選的，當(dāng)且僅當(dāng)所述減壓閥的壓強讀數(shù)與所述氣壓傳感器檢測的壓強讀數(shù)相等，且持續(xù)時間大于48小時，才認(rèn)為所述煤體試樣處于解吸平衡或者吸附平衡狀態(tài)。

為了便于觀測，所述密閉觀測箱為透明箱體。

為了提升圖像獲取的完整性和靠性，所述高速相機為兩臺；兩臺所述高速相機對稱設(shè)置在所述煤體試樣中心軸線兩側(cè)，對準(zhǔn)所述煤體試樣。

本實施例還提供一種測量方法。

一種煤體解、吸附變形測量方法，包括：

將煤體試樣置于一定的氣體壓強測量氣體環(huán)境中；

通過高速拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝所述煤體試樣的圖像；

通過數(shù)字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的吸附形變應(yīng)變；

釋放所述測量氣體環(huán)境中的氣體；

通過高速連續(xù)拍攝設(shè)備拍攝所述煤體試樣的圖像；

通過數(shù)字圖像分析平臺分析所述煤體試樣的圖像，得到所述煤體試樣的解吸形變應(yīng)變；

重復(fù)上述過程，測量不同壓強條件下的煤體試樣的解、吸附形變應(yīng)變。

進(jìn)一步地，在煤體解、吸附變形測量過程中，所述高速拍攝設(shè)備拍攝從開始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)一直持續(xù)到解吸平衡或者吸附平衡。

下面將通過一個具體的系統(tǒng)實施例說明本方案。

參見圖1，一種煤體解、吸附變形光學(xué)測量系統(tǒng)，包括氣瓶1、減壓閥3、進(jìn)氣端氣體閥門4、氣體管路5、出氣端氣體閥門8、特制有機玻璃觀測箱7、氣壓傳感器12、三腳架13、高速相機14、數(shù)字圖像分析平臺17，其連接關(guān)系是：氣瓶1、減壓閥3、進(jìn)氣端氣體閥門4通過氣體管路5連接特制有機玻璃觀測箱7的一側(cè)開孔處，通過密封螺絲10將氣體管路5與特制有機玻璃觀測箱7連接；氣體管路5、出氣端氣體閥門4與有機玻璃觀測箱7的另一側(cè)開孔處連接；特制有機玻璃觀測箱，由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成，頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接，實現(xiàn)密封效果，頂蓋中心處有開孔，設(shè)置特制連接螺絲6，連接氣壓傳感器12，箱體7與頂蓋9材料均為透明有機玻璃，透光率高；兩臺高速相機14分別固定在三腳架13上，放置在特制有機玻璃箱體7的未開孔側(cè)，與箱體7中心線成一定角度放置，氣壓傳感器12和相機14通過通訊線15連接數(shù)字圖像分析平臺17。

特制有機玻璃觀測箱7由箱體7、頂蓋9、密封螺絲10、墊片11組成，頂蓋9與箱體7之間通過密封螺絲10和墊片11連接，實現(xiàn)密封效果，箱體尺寸為60×40×50cm的長方體，箱體材料與頂蓋材料均為有機玻璃。箱體左壁和右壁中心處設(shè)有開孔，開孔處安裝特制密封連接螺絲6，用于連接氣體管路，氣體管路直徑1/8inch，箱體的頂蓋中心處設(shè)有開孔，同樣通過特制密封連接螺絲6與氣體傳感器12連接。

數(shù)字圖像分析平臺17可以綜合分析高速相機12拍攝的煤巖圖像，并可以實時采集氣體傳感器12的氣體壓力數(shù)據(jù)。平臺采用的高速相機12是GT3400相機(分辨率為3384×2074，鏡頭焦距為80mm)，氣體傳感器為KELLER傳感器，壓力值范圍0～20MPa。

試驗前，需預(yù)先準(zhǔn)備煤巖試樣16，試樣尺寸10×2×10cm，將試樣16噴涂標(biāo)記點，用于下一步的應(yīng)變測量。將試樣16放入特制有機玻璃箱體7中，豎立放置在特制有機玻璃箱體7中心位置，后將頂蓋9安置于特制有機玻璃箱體7上，通過密封螺絲10和墊片11連接箱體和頂蓋9，氣體管路5通過特制連接螺絲6連接箱體7。將兩臺高速相機14放置在三腳架13上，三腳架置于箱體5m遠(yuǎn)處，相機14分布于箱體前壁中心線兩側(cè)，相機14鏡頭呈一定角度對準(zhǔn)試樣16。

連接系統(tǒng)各線路后，進(jìn)行具體的實驗操作。

(1)檢查系統(tǒng)氣密性。打開氣瓶1的開關(guān)閥2，打開減壓閥3和進(jìn)氣端氣體閥門4，關(guān)閉出氣端氣體閥門8。通過數(shù)字圖像分析平臺17觀測氣體壓力傳感12的讀數(shù)，當(dāng)氣體壓力讀數(shù)24小時內(nèi)不再變化時可認(rèn)為氣密性良好，進(jìn)行下一步操作。

(2)1MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。打開氣瓶1的開關(guān)閥2，打開減壓閥3和進(jìn)氣端氣體閥門4，關(guān)閉出氣端氣體閥門8。通過調(diào)節(jié)減壓閥3讀數(shù)設(shè)定氣體壓力值，同時打開高速相機14開始拍攝煤巖試樣16的圖像，當(dāng)氣體壓力傳感器12讀數(shù)與減壓閥3壓力讀數(shù)一致并保持48小時不變時，認(rèn)為此讀數(shù)壓力下煤巖達(dá)到吸附平衡，保存相機圖像，并在數(shù)字圖像分析平臺上分析應(yīng)變數(shù)據(jù)，并保存記錄。關(guān)閉氣瓶1的開關(guān)閥2，打開出氣端氣體閥門8，同時打開高速相機14開始拍攝煤巖試樣16的圖像，當(dāng)氣體壓力傳感器12讀數(shù)變?yōu)榇髿鈮毫Ρ３?8小時不變時認(rèn)為此讀數(shù)壓力下煤巖達(dá)到解吸平衡，保存相機圖像，并在數(shù)字圖像分析平臺上分析應(yīng)變數(shù)據(jù)，并保存記錄。

(3)2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。通過調(diào)節(jié)減壓閥4的讀數(shù)設(shè)定2、3、4、5、6MPa氣體壓力，重復(fù)上述步驟(2)，進(jìn)行2、3、4、5、6MPa氣體壓力下煤巖吸附-解吸變形測量試驗。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的煤體解、吸附變形測量系統(tǒng)及方法，通過全過程的拍攝和圖像分析，實現(xiàn)了煤巖內(nèi)部和整體(基質(zhì)和煤體)的應(yīng)變測量；實現(xiàn)了煤巖表面解、吸附變形測試的全天候觀測，自動化程度高。

進(jìn)一步地，通過氣體控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了同一試樣，不同氣體壓力的解、吸附變形的精確測量；系統(tǒng)通用性好、可靠性高、操作簡單，可以實現(xiàn)不同煤巖的解、吸附變形測試。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。