一种高压氮气爆破致裂增透实验装置及方法技术领域
本发明涉及一种煤层气体爆破致裂增透实验装置及方法，特别是一种高压氮气爆破致
裂增透实验装置及方法。
背景技术
对于单一低渗透性煤层，除采取水力化措施和深孔预裂爆破措施进行煤层增透外，近
年来又发展了一种高压气体爆破致裂增透方法。高压气体爆破致裂增透措施无火花、安全
性高、压力可控。
目前，高压氮气爆破致裂增透技术在应用中还处于起步阶段，尤其是对氮气气体增透
作用机理尚未开展系统研究。现有的实验研究主要是关于不同压力下高压氮气爆破致裂效
果，并没有考虑氮气体积对致裂效果的影响。
发明内容
本发明的目的是要提供一种高压氮气爆破致裂增透实验装置及方法，实现体积相同而
压力不同或压力相同而体积不同两种实验方案下高压氮气爆破致裂增透。
本发明的目的是这样实现的：高压氮气爆破致裂增透实验装置，包括氮气钢瓶、空气
压缩机和气体增压泵构成高压氮气爆破的压力源，高压气包一端通过不锈钢导气管与气体
增压泵连接，另一端通过设置有气控阀的导气软管与三轴压力实验机的三轴压力室连接；
不锈钢导气管主干路上连接有煤气表，不锈钢导气管支路上均装有控制阀和高压气包，在
高压气包上安装有压力表和安全阀，被爆介质放在三轴压力室内，其尺寸由三轴压力室的
范围确定。
所述的不锈钢导气管支路有三条，每条支路上均有高压气包，分别为第一高压气包，
第二高压气包和第三高压气包。
高压氮气爆破致裂增透实验方法：利用高压氮气爆破致裂增透实验装置控制氮气压力
和氮气体积，实现相同体积不同压力和相同压力不同体积两种实验方案下高压氮气致裂爆
破；
具体方法为：由氮气钢瓶产生的氮气经气体增压泵增压后，首先通过第一控制阀，向
第一高压气包充入高压氮气到设计压力P1，记下此过程煤气表的读数变化值V，开启气控
阀，高压氮气将瞬时释放，爆破致裂应力加载下的被爆介质；其次，通过第二控制阀，向
第二高压气包内充入氮气，当煤气表读数变化同样为V时，高压气包体积的变化，第二
高压气包内氮气压力为P2，开启气控阀，实施第二次爆破；最后，按照第二次爆破所述步
骤通过第三控制阀向第三高压气包内充入体积同样为V的氮气，此时压力为P3，实施第
三次爆破；通过不锈钢导气管上的三条支路依次爆破，可以获得相同体积，不同压力下高
压氮气爆破致裂效果；为获得相同压力，不同体积下高压氮气爆破致裂效果，控制三个高
压气包内氮气压力相同，其他爆破致裂过程同上。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明利用高压气包体积的变化，能够实现相同体
积不同压力、相同压力不同体积下高压氮气致裂爆破，以观察它们对爆破效果的影响。利
用该高压氮气爆破致裂增透实验装置及方法，表明氮气体积和氮气压力都会不同程度影响
被暴介质裂隙发育情况，有助于进一步认识爆破产生的应力波传播规律及致裂岩体的裂隙
扩展规律，进一步揭示高压氮气爆破作用机理。该高压氮气爆破装置改变高压气包体积可
操作性强，使用简易方便，稳定性强，安全可靠，具有广泛的实用性。
附图说明：
图1为本发明的装置结构图。
图中，1、氮气钢瓶；2、空气压缩机；3为气体增压泵；4、第一控制阀；8、第二控
制阀；12、第三控制阀；5、第一压力表；9、第二压力表；13、第三压力表；6、2升高
压气包；7、第一安全阀；11、第二安全阀；15、第三安全阀；10、1.5升高压气包；14、
1升高压气包；16、气控阀；17、被爆介质；18、三轴压力室；19、三轴压力实验机；20、
煤气表。
具体实施方式
图1中，本发明的高压氮气爆破致裂增透实验装置，包括氮气钢瓶1、空气压缩机2、
气体增压泵3、2升的第一高压气包6、1.5升的第二高压气包10、1升的第三高压气包14、
三轴压力实验机19；氮气钢瓶1、空气压缩机2和气体增压泵3连接后构成高压氮气爆破
的压力源，三个高压气包的输入端通过不锈钢导气管与气体增压泵3连接，三个高压气包
的输出端通过气控阀16和导气软管与三轴压力实验机19的三轴压力室18连接，三轴压
力室18的腔体尺寸长×宽×高＝25×25×31cm；不锈钢导气管主干路上设置有煤气表20，
三条支路上分别安装有控制阀，为第一控制阀4、第二控制阀8和第三控制阀12，分别对
应于2升的第一高压气包6、1.5升的第二高压气包10和1升的第三高压气包14，并分别
在每个高压气包上设有压力表和安全阀，为第一压力表5、第二压力表9、第三压力表13
和第一安全阀7、第二安全阀11、第三安全阀15；被爆介质17放在三轴压力室18内，
被爆介质17尺寸由三轴压力室的范围确定。
所述的不锈钢导气管支路有三条，每条支路上均有高压气包，分别为第一高压气包6，
第二高压气包10和第三高压气包14。高压氮气爆破致裂增透实验方法：利用高压氮气爆
破致裂增透实验装置控制氮气压力和氮气体积，实现相同体积不同压力和相同压力不同体
积两种实验方案下高压氮气致裂爆破；
具体方法为：由氮气钢瓶产生的氮气经气体增压泵增压后，首先通过第一控制阀4，
向第一高压气包6充入高压氮气到设计压力P1，记下此过程煤气表20的读数变化值V，
开启气控阀16，高压氮气将瞬时释放，爆破致裂应力加载下的被爆介质17；其次，通过
第二控制阀8，向第二高压气包10内充入氮气，当煤气表读数变化同样为V时，高压气
包体积的变化，第二高压气包10内氮气压力为P2，开启气控阀16，实施第二次爆破；最
后，按照第二次爆破所述步骤通过第三控制阀12向第三高压气包14内充入体积同样为V
的氮气，此时压力为P3，实施第三次爆破；通过不锈钢导气管上的三条支路依次爆破，可
以获得相同体积，不同压力下高压氮气爆破致裂效果；为获得相同压力，不同体积下高压
氮气爆破致裂效果，控制三个高压气包内氮气压力相同，其他爆破致裂过程同上。
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述：
实施例1：以水泥试件作为被爆介质17为例，本发明的实验装置具体使用方法为：
1、用石子、水泥、砂作为模型材料，相互配比，制作出抗压强度为1.97MPa,抗拉强
度为0.19MPa的立方体水泥试件17总共5块，水泥试件17的尺寸使其恰好能放入三轴压
力室18内。
2、预先用水泥、树脂等封孔材料将导气软管一端固化于三轴压力室18外的气爆孔内，
导气软管另一端与高压气包通过插接式连接。
3、三轴压力实验机19对水泥试件17进行水平和垂直两个方向应力加载，当水泥试件
17受加载的轴压为1.0MPa，围压为0.5MPa时，停止加载。
4、按照上面所述连接要求组装成实验装置，接通空气压缩机2电源，打开氮气钢瓶1
和气体增压泵3向高压气包内充入氮气。第一步，打开控制阀4，向高压气包6充氮气，
当压力表5的读数达到7.5MPa，关闭控制阀4和氮气钢瓶1，记下此时煤气表20的读数
变化值为1升，然后打开气控阀16，高压氮气将瞬时释放，爆破致裂应力加载下的水泥
试件17；第二步，更换水泥试件，按照上述步骤重新连接好，打开氮气钢瓶1和控制阀8，
向高压气包10充氮气，当煤气表20读数同样变化为1升时，关闭控制阀8和氮气钢瓶1，
此时压力表9的读数为10MPa，然后打开气控阀16，实施第二次爆破；第三步，按照第
二次爆破所述步骤通过控制阀12向高压气包14内充入体积同样为1升的氮气(压力表
13读数为15MPa)，实施第三次爆破。第四步，更换水泥试件，重新连接好实验装置，接
通空气压缩机2电源，打开氮气钢瓶1、气体增压泵3和控制阀8，向高压气包10充氮气，
当压力表9的读数达到7.5MPa，关闭控制阀8和氮气钢瓶1，记下煤气表的读数变化值为
0.75升，然后打开气控阀16，实施第四次爆破；第五步，按照第四次爆所述步骤通过控
制阀12向高压气包14充入氮气，到压力表13读数同样为7.5MPa时(煤气表的读数变化
值为0.5升)，关闭控制阀12，打开气控阀16，实施第五次爆破。
通过第一、二、三次爆破，可以获得体积为1升氮气，氮气压力分别为7.5MPa、10MPa
和15MPa下高压氮气爆破致裂效果。通过第一、四、五次爆破，可以获得氮气压力为7.5MPa，
氮气体积分别为1升、0.75升和0.5升下高压氮气爆破致裂效果。