(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210631109.X (22)申请日 2022.06.06 (71)申请人 西安科技大 学 地址 710065 陕西省西安市雁塔中路58号 (72)发明人 杨健锋　刘泽宇　任雨晴　杨磊　 马晨阳　张丁丁　 (74)专利代理 机构 太原高欣科创专利代理事务 所(普通合伙) 14109 专利代理师 张敏　崔雪花 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01B 11/02(2006.01) G01B 21/02(2006.01) (54)发明名称 超临界二氧化碳作用下煤岩 体I型断裂参数 测定试验 装置 (57)摘要 本发明属于二氧化碳地质封存与非常规天 然气高效开采工程技术领域， 是一种超临界二氧 化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置； 包括加载系统、 二氧化碳流体注入与回收系统、 压力以及温度控制系统、 试件定位系统、 试件裂 缝位移监测系统和数据采集系统； 实现模拟高地 应力环境下超临界二氧化碳对煤岩体I型断裂行 为的作用影响， 对不同温度、 压力超临界二氧化 碳以及不同浸润时间条件下煤岩体I型断裂特性 试验研究； 通过三点弯曲加载框架实现对试件三 点弯曲加载试验； 同时解决了 现有设备无法对煤 岩试件预置 裂纹尖端张开度的精准测定 。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 114935511 A 2022.08.23 CN 114935511 A 1.超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其特征在于， 包括三轴压 力釜和轴向加载装置； 所述三轴压力釜底部设置有定位底座； 轴向加载装置设置在三轴压 力釜顶部用于 向试件加载轴向力； 所述定位底座表面沿中轴线对称设置有支撑柱； 所述试 件设置在两支撑柱上； 轴向加载装置、 支撑柱与试件为点接触或线接触； 试件的轴线、 轴向 加载装置的加载中线以及定位底座的中轴线位于同一竖直平面； 轴向加载装置与试件接触 的加载点， 以及两个支撑柱形成三 点弯曲加载框架； 所述三轴压力釜的腔体通过输入管线与二氧化碳液化装置相连接； 所述输入管线设置 有轴流泵、 第一加热装置和压力 传感器； 所述三轴压力釜连接有第二加热装置， 所述第二加 热装置连接有温度传感器； 所述试件设置有裂缝， 所述裂缝内设置有裂缝位移监测装置， 用于测定试件预置裂缝 尖端张开 位移； 所述压力传感器、 温度传感器和裂缝位移监测装置与数据采集系统相连接 。 2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述支撑柱连接有距离调节装置， 用于调节两支撑柱之间的间距。 3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 轴向加载装置包括伺服加载系统和轴向加载杆， 所述轴向加载杆 的底部设置有 加载柱， 所述加载柱和支撑柱均为圆柱体结构。 4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述轴向加载 杆连接有位移引伸计， 用于测定试件的轴向变形。 5.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述三轴压力釜包括上盖和底座， 所述上盖和底 座密封可拆卸连接； 所述轴向加 载杆与上盖滑动密封连接 。 6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述三轴压力釜的腔体通过输出管线与二氧化碳回收装置相连接； 所述输出管 线连接有压力传感器。 7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述裂缝位移监测装置包括相连接的光纤光 栅和夹式引伸计。 8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述 三轴压力釜内壁连接有试件定位装置， 用于将试件固定在支撑柱上 方。 9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其 特征在于， 所述三轴压力釜内壁对称设置有 试件定位装置， 所述试件定位装置包括定位杆、 定位螺母和定位滚轮， 所述定位杆与三轴压力釜内壁相连接， 所述定位螺母设置在定位杆 上用于调节定位杆长度， 定位杆端部设置所述的定位滚轮， 通过相对的两个定位滚轮将试 件定位。 10.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 其特征在于， 所述的试件为 I型半圆块状煤岩试件。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114935511 A 2超临界二氧化 碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装 置 技术领域 [0001]本发明属于二氧化碳地质封存与非常规天然气高效开采工程技术领域， 涉及 一种 超临界二氧化 碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验 装置。 背景技术 [0002]超临界二氧化碳被认为是开采非常规天然气， 包括页岩气、 煤层气等， 最为理想的 致裂介质， 在致裂地下目标储层的同时可实现二氧化碳地质封存， 而其中最为关键的是要 探明该过程中煤岩 体断裂行为特征， 尤其是对于超临界二氧化碳作用下煤岩 体张拉型， 即I 型断裂特性的研究； 由于超临界二氧化碳理化性质特殊， 对煤岩体的力学性质具有劣化作 用， 煤岩体在此条件下发生韧性断裂行为， 传统线弹性断裂理论已不再适用于超临界二氧 化碳作用下煤岩体 断裂行为的表征； 因此， 深入研究不同条件下超临界二氧化碳作用下煤 岩体I型断裂特性对于厘清超临界二氧化碳致裂煤岩 体裂纹扩展机理从而指导工程 实践有 着至关重要的作用。 [0003]目前， 国内外各专家对于超临界二氧化碳作用下煤岩体断裂特性的研究并不多， 其中最难以解决的问题便是如何实现在 超临界二氧化碳作用的同时实施 稳定的断裂试验， 因此， 建立一种密封性好且能够实现不同超临界二氧化碳作用条件下煤岩体试件I型断裂 试验方法是探究超临界二氧化 碳致裂煤岩体机理的基础。 [0004]目前， 涉及煤岩体I型断裂相关参数测试装置及方法的中国发明专利主要有： 重庆 交通大学的 “一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置及其使用方法 （CN109459290A） ”； 河南理工大学的 “一种岩石I型 断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方 法 （CN109738311A） ”； 中国科学院武汉岩土力学研究所的 “一种测试岩石断裂韧度的试验装 置 （CN103604702A） ”； 华北水利水电大学的 “测试深部岩体I型 断裂韧度的试验系统及方法 （CN109001046A） ”。 然而， 这些已有的煤岩体I型断裂参数测试设备存在以下几点问题： 1.   由于测量岩石断裂参数的试件形状一般较为特殊， 大部分试验方法无法实现模拟高地应 力， 即使有方法能够实现对煤岩试件的高静水压力施加， 其试验稳定性无法得到保证； 2.   现有试验方法无法保证超临界二氧化碳的密封性以及超临界二氧化碳长时间浸润煤岩试 件的稳定性； 3.  现有试验方法无法实现对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测定； 4.   现有试验方法不能对不同尺度煤岩试件开展研究。 发明内容 [0005]本发明克服了现有技术的不足， 提出一种超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂 参数测定试验 装置。 [0006]为了达到上述目的， 本发明是通过如下技 术方案实现的。 [0007]超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置， 包括三轴压力釜和轴 向加载装置； 所述三轴压力釜底部设置有定位底座； 轴向加载装置设置在三轴压力釜顶部 用于向试件加载轴向力； 所述定位底座表面沿中轴线对称设置有支撑柱； 所述试件设置在说　明　书 1/6 页 3 CN 114935511 A 3