CN102735548A - 多功能真三轴流固耦合试验系统 - Google Patents

多功能真三轴流固耦合试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能真三轴流固耦合试验系统,包括机架(100)和可放置煤岩试样的压力室(200);所述机架(100)包括支座(1);所述支座(1)上固定连接有框架(2);在压力室的XYZ各方向上均设置有独立的加压系统和传感系统。因此本发明能够更真实的模拟真实工况,为解决现场问题提供理论依据。

Description

多功能真三轴流固耦合试验系统技术领域
[0001] 本发明涉及一种研究岩石力学、渗流力学及矿山灾害学的试验系统。
背景技术
[0002] 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种极其复杂的动力现象,它能在极短时间内由煤体向采掘空间喷出大量的煤炭并涌出大量瓦斯,严重威胁我国煤矿的安全生产和矿工生命安全。因此,加强煤与瓦斯突出机理的研究十分重要。研究表明,煤与瓦斯突出是内、外应力的循环作用下使煤体产生剪切破坏的过程,即因采矿活动导致地应力场、煤岩结构和瓦斯状态与流动的变化而诱发的内、外营力作用下使煤体发生局部断裂破坏形成突出源时,产生一定强度的振动形成周期应力波反复作用于煤体上,最终诱发煤与瓦斯突出发生。综合作用假说认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯、煤的物理力学性质共同作用的结果,即 地应力、瓦斯与煤岩体物理力学性质之间的相互耦合作用,但三者在煤与瓦斯突出过程中的贡献程度究竟如何尚不甚清楚,尤其是在真实三维地应力场、高温、高瓦斯渗透压力条件下的共同作用机理及贡献程度情况,知之甚少。
[0003] 煤层瓦斯(煤层气)渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数,也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数。因此,煤层瓦斯渗透率或煤层透气系数的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展之关键技术,也是煤矿安全工作者研究煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列矿山安全问题的关键入手点。
[0004] 煤储层是一套由天然裂隙和基质孔隙组成的双重结构模型,裂隙系统为煤层气渗流运移的通道,储层渗透率除受自身裂隙发育特征控制外,地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及电场等都不同程度地影响着煤层渗透率,渗透率的演化是上述诸多因素综合作用的结果。
[0005] 现有技术中,对渗透率的测量一般通过渗流试验完成,但是,现有的渗流试验方法不能模拟真实三维地应力场条件下的渗流特性研究,围压承载力小,最大只能施加到几至十几兆帕,不能达到研究深部高应力和高构造应力条件下煤层瓦斯渗流特性及运移规律的目的,无法进行地层深部高渗透压条件下的煤层瓦斯渗流试验研究,不能准确研究高温条件下的煤岩体渗透性的演化规律,满足不了采深增加所致的高温环境下渗透性规律研究的目的。
[0006] 随着开采规模和开采深度的变化,我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件,此类条件瓦斯治理是世界性难题,长期以来没有解决,造成煤矿瓦斯事故多发,安全高效开采难以实现。发展和开发此类条件下煤层气开采技术,对于提高煤层气的开采效率,增加能源供给具有重要意义。
[0007] 水力压裂模拟试验是认识裂缝扩展机制的重要手段,通过模拟地层条件下的压裂试验,可以对裂缝扩展的实际物理过程进行监测,并且对形成的裂缝进行直接观察。此外,能够将影响裂缝扩展的各种因素分离,进行参数研究。
[0008] 水压致裂法已在石油开采中得到成功应用,但在煤层气开采中的应用研究尚属起步阶段,还存在很多问题需要深入研究。尽管对煤层气井进行水力压裂与油气井压裂存在很多相似之处,但二者还是存在很大差别。煤岩在成份、结构、构造以及力学物理性质上与油气储层有显著差异。石油储层一般为砂岩,可看作均质各向同性材料;而煤层包含大量天然裂隙,力学性质受层理、节理影响较大,严格讲,属于正交各向异性或横观各向同性材料,裂缝的起裂和扩展机理上存在本质差异。煤层中的裂缝扩展主要为原始裂隙在高压水作用下的扩展、贯通,形成裂隙网络;而砂岩被压裂时高压水使得均质岩层不断产生新的裂缝,因此两种岩层的研究方法也将有所不同。另外,煤层一般埋深在IOOOm以上,而油气储层一般埋深在1500m以下,由此导致二者在地应力构造上存在很大的差别。由于以上煤层和石油储层的巨大差异,使得进一步研究煤层水力压裂中的裂隙起裂和扩展延伸特征显得尤为重要。
[0009] 地面垂直钻孔抽采煤层气是在地面打钻井进入煤层,通过排水降压使煤层中的吸附气解吸出来,由井筒流到地面,或者利用自然压差或瓦斯泵通过井筒抽取聚集和残留在受采动影响区的岩石、未开采的煤层之中以及采空区内的煤层气。根据煤层是否受到开采活动的影响可分为常规垂直井开采和采动影响区地面井开采。前者要求有厚度较大的煤层或煤层群,煤层的渗透性要较好,以及较有利的地形条件,由于中国煤层大多属于高阶煤, 穴等激励措施以提高产气量。地面垂直井开采煤层气,产气量大、资源回收率高、机动性强,可形成规模效益。此技术不受空间约束,不受时间限制,可以提前5年、10年或更长时间在地面布置大规模井群,进行大面积抽采;同时一井可以达到地质勘探、采前预抽、采动区抽放以及采空区抽放,“一井四用”的特别效果。此方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用,降低煤层中的瓦斯含量,从根本上解决煤矿瓦斯事故。
[0010] 地面钻井开采煤层气的关键研究问题是如何提高采收率。这包括两个方面内容,其一是技术方面,包括钻井的设计参数和抽采设备自身的技术指标;其二是煤层的渗透率。煤层的渗透率越大,达到同一开采效果所需要的时间就越短。由于钻井、压裂和抽采等技术在石油天然气行业已经得到广泛的应用,且取得了显著的成果,无疑这对于煤层的钻井压裂技术起到了很好的借鉴作用。当前提高煤层渗透率的主要措施包括:1、水压致裂改造技术,主要机理为:通过高压驱动水流挤入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内,扩宽并伸展这些裂缝,进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙,增加煤层的透气性;2、多元气体驱替技术;3、定向羽状水平钻井技术。
[0011] 在现有的状况下,不论从成本上还是施工工艺上考虑,水压致裂对煤层进行改造具有很大的优势。但煤层压裂技术并没有获得普遍性突破,除少数几个煤田外,绝大多数煤田不具备地面抽放的技术和条件。由此可见,地面钻井开采煤层气技术的关键问题进一步转化为如何通过地面钻井水压致裂的控制设计来增加煤层相互贯通裂隙的数目和增大裂缝延伸的最大长度等,从而达到提高煤层渗透率的目的。而这些又是建立在井壁如何起裂,裂隙在高压水的作用下如何扩展和延伸的基础上。因此,井壁的起裂、裂隙扩展延伸、裂缝最大长度的理论研究,对提高煤层的渗透率和煤层瓦斯的开采效果更具有重要的现实意义。
[0012] 另外,进入深部开采后,温度因子在深部矿井开采中的影响权重较浅部开采时明显增大,温度这个在浅部开采可以忽略的因素,在深部开采中产生了重要的影响。深部高温以及由此所产生的一系列问题成为深部开采的一个难题,目前在深部开采中关于温度影响的研究仍处于初始、定性的阶段,主要存在以下问题:没有考虑真实的地应力环境;目前建立的温度压力耦合下岩石流变模型的本构方程中,在尚未具体明确温度场分布和温度变化的情况下,把温度考虑为线性因素还需要证明和改进;在深部岩体的脆-延转化方面温度的影响缺少定量的分析,还没有形成具体的有普遍意义的参数方程,没有能够通过清楚的数学列式来表现温度在脆-延转化中的作用范围、影响程度和机理;对在TM耦合下岩体损伤的计算以及两种损伤间的关系还需要进一步研究证明;对温度-压力-水-时间四者之间耦合以及在几者相互影响情况下温度的影响形式、影响深度方面尚须深入研究;对温度的研究应注重动态变化的过程,从微观和宏观两个角度进行深入分析。因此在真三轴实验环境下,上述问题的研究对于深部开采的研究具有重要的理论和实践意义。
[0013] 传统的普通三轴仪只能针对轴对称应力状态研究土体的力学特性,而土体的真·实的应力状态一般是不对称,有时是三向应力状态的,如平面应变等。随着土体本构理论研究的深入,一些能够模拟土体在复杂应力条件下的试验仪器也得到发展,如薄壁孔隙圆柱扭剪仪、真三轴仪、平面应变仪等。其中,真三轴仪采用立方体试样,从三个主应力方向分别加载,可以研究复杂应力状态下土体的力学特性。真三轴仪自1936年Kjellmn设计成功以来,国内外先后研制了多种真三轴仪,按照中主应力的施加方式的不同,一般可以分为三种:刚性水平加压板真三轴仪、柔性水平加压板真三轴仪及刚柔复合加压真三轴仪。我国20世纪80年代之前还没有自主研制和引进真三轴仪,后来真三轴仪的研制和试验研究也主要是在清华大学、同济大学和河海大学进行的。到目前为止,拥有真三轴设备的研究机构和科研院校主要包括:河海大学、中国矿业大学、清华大学、武汉岩土所、香港理工大学、太原理工大学、华北水利水电学院与洛阳总参三所、中国石油大学。
[0014] 以上单位所设计开发的真三轴试验装置,虽在一定程度上加深了土力学、岩石力学、渗流力学及煤矿动力灾害的研究进展,但都不能实现高温、高围压和高渗流条件的真三轴试验功能。随着开采规模和开采深度的变化,围岩应力不断增加,我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件,此类条件瓦斯治理是世界性难题,长期以来没有解决,造成煤矿瓦斯事故多发,安全高效开采难以实现。另外,进入深部开采后,温度因子在深部矿井开采中的影响权重较浅部开采时明显增大,温度这个在浅部开采可以忽略的因素,在深部开采中产生了重要的影响。深部高温以及由此所产生的一系列问题成为深部开采的一个难题。因此,以上设备均无法满足研究和解决当前和今后一段时间煤矿所面临的实际难题的试验要求。
[0015] 因此本领域技术人员致力于开发一种能够同时模拟高温、高围压和高渗流条件的真三轴流固耦合试验系统以及在真三轴状态下进行水压致裂试验和渗流试验。
发明内容
[0016] 有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种能够同时模拟高温、高围压和高渗流条件的真三轴流固耦合试验系统以及在真三轴状态下进行水压致裂试验和渗流试验。
[0017] 为实现本发明第一层面的目的,本发明提供了一种多功能真三轴流固耦合试验系统,包括机架和可放置煤岩试样的压力室;[0018] 所述机架包括支座;所述支座上固定连接有框架;
[0019] 所述框架的上部设置有第一衬套;所述框架的顶部固定连接有第一端盖;所述第一端盖的外侧固定有第一油缸;所述第一油缸与第一伺服油路器连接;所述第一油缸内一体设置有第一油缸活塞和第一油缸活塞杆;所述第一油缸活塞和第一油缸活塞杆内设置有第一油缸位移传感器;
[0020] 所述框架的下部设置有第二衬套;所述框架的下部固定连接有第二端盖;所述第二端盖的外侧固定有第二油缸;所述第二油缸与第二伺服油路器连接;所述第二油缸内一体设置有第二油缸活塞和第二油缸活塞杆;所述第二油 缸活塞和第二油缸活塞杆内设置有第二油缸位移传感器;
[0021] 所述框架的左部设置有第三衬套;所述框架的左部固定连接有第三端盖;所述第三端盖的外侧固定有第三油缸;所述第三油缸与第三伺服油路器连接;所述第三油缸内一体设置有第三油缸活塞和第三油缸活塞杆;所述第三油缸活塞和第三油缸活塞杆内设置有第三油缸位移传感器;
[0022] 所述框架的右部设置有第四衬套;所述框架的右部固定连接有第四端盖;所述第四端盖的外侧固定有第四油缸;所述第四油缸与第四伺服油路器连接;所述第四油缸内一体设置有第四油缸活塞和第四油缸活塞杆;所述第四油缸活塞和第四油缸活塞杆内设置有第四油缸位移传感器;
[0023] 所述压力室包括筒体;所述筒体的上部设置有第一压力室衬套,下部设置有第二压力室衬套,左部设置有第三压力室衬套,右部设置有第四压力室衬套;
[0024] 所述第一压力室衬套内固定连接有第一荷重传感器;所述第一荷重传感器与第一定心套固定连接;所述第一定心套与第一垫板固定连接;所述第一定心套包括一体的第一圆筒部和第一基部;所述第一荷重传感器的前端设置有第一安装凹槽;所述第一圆筒部上设置有插入所述第一安装凹槽的螺栓;所述第一基部通过螺栓与所述第一垫板固定连接;
[0025] 所述第二压力室衬套内固定连接有第二荷重传感器;所述第二荷重传感器与第二定心套固定连接;所述第二定心套与第二垫板固定连接;所述第二定心套包括一体的第二圆筒部和第二基部;所述第二荷重传感器的前端设置有第二安装凹槽;所述第二圆筒部上设置有插入所述第二安装凹槽的螺栓;所述第二基部通过螺栓与所述第二垫板固定连接;
[0026] 所述第三压力室衬套内固定连接有第三荷重传感器;所述第三荷重传感器与第三定心套固定连接;所述第三定心套与第三垫板固定连接;所述第三定心套包括一体的第三圆筒部和第三基部;所述第三荷重传感器的前端设置有第三安装凹槽;所述第三圆筒部上设置有插入所述第三安装凹槽的螺栓;所述第三基部通过螺栓与所述第三垫板固定连接;
[0027] 所述第四压力室衬套内固定连接有第四荷重传感器;所述第四荷重传感器与第四定心套固定连接;所述第四定心套与第四垫板固定连接;所述第四定心套包括一体的第四圆筒部和第四基部;所述第四荷重传感器的前端设置有第四安装凹槽;所述第四圆筒部上设置有插入所述第四安装凹槽的螺栓;所述第四基部通过螺栓与所述第四垫板固定连接;
[0028] 所述第一油缸活塞杆穿过所述第一端盖和第一衬套与第一压力室衬套固定连接;所述第二油缸活塞杆穿过所述第二端盖和第二衬套与第二压力室衬套固定连接;所述第三油缸活塞杆穿过所述第三端盖和第三衬套与第三压力室衬套固定连接;所述第四油缸活塞杆穿过所述第四端盖和第四衬套与第四压力室衬套固定连接;[0029] 所述筒体的前端固定连接有第五端盖;所述第五端盖的外侧固定有第五油缸;所述第五油缸与第五伺服油路器连接;所述第五油缸内一体设置有第五油缸活塞和第五油缸活塞杆;所述第五油缸活塞内设置有第五油缸位移传感器;所述第五油缸活塞杆内固定有第五荷重传感器;所述第五压力室油缸活塞杆与第五定心套固定连接;所述第五定心套与第五垫板固定连接;所述第五定心套包括一体的第五圆筒部和第五基部;所述第五荷重传感器的前端设置有第五安装凹槽;所述第五圆筒部上设置有插入所述第五安装凹槽的螺栓;所述第五基部通过螺栓与所述第五垫板固定连接;
[0030] 所述筒体的后端固定连接有第六端盖;所述第六端盖的外侧固定有第六油缸;所述第六油缸与第六伺服油路器连接;所述第六油缸内一体设置有第六油缸活塞和第六油缸活塞杆;所述第六油缸活塞内设置有第六油缸位移传感器;所述第六油缸活塞杆内固定有第六荷重传感器;所述第六压力室油缸活塞杆与第六定心套固定连接;所述第六定心套与第六垫板固定连接;所述第六定心套包括一体的第六圆筒部和第六基部;所述第六荷重传感器的前端设置有第六安装凹槽;所述第六圆筒部上设置有插入所述第六安装凹槽的螺栓;所述第六基部通过螺栓与所述第六垫板固定连接;
[0031] 所述框架具有有空腔;所述空腔内平行设置有第一导轨和第二导轨;所述第一导轨和第二导轨通过支脚支承;
[0032] 所述第一导轨和第二导轨上设置有压力室支承组件;所述压力室支承组件包括与导轨配合的直线轴承;所述直线轴承固定连接有连块;所述连块与所述压力室的下部固定连接。 [0033] 为了做气体渗流试验,所述第一垫板上设置有彼此连通的第一流道和第二流道;所述第一流道沿所述第一垫板的横向设置;所述第二流道位于所述第一垫板的中心向下延伸;所述第一垫板在所述第二流道的出口处设置有透气板;所述第二垫板上设置有彼此连通的第三流道和第四流道;所述第三流道沿所述第二垫板的横向设置;所述第四流道位于所述第二垫板的中心向上延伸;所述筒体上设置有可与所述第一流道和第三流道连通的气阀;所述筒体上设置有至少一个进油口和至少一个出油口。
[0034] 为了实现真三轴加载条件下不同试验类型、不同应力状态、不同环境温度和不同煤岩类型条件下的煤岩真三轴压剪试验过程中的声发射检测和定位,分析声发射信号特征与影响煤岩压剪破裂的各因素之间的关系,探讨煤岩压剪破裂过程中声发射信号的传播规律及衰减特征,并对煤岩破裂过程中的声发射信号进行定位,分析真实地应力场环境中高围压、高渗透压力、高温下煤岩破坏的时空演化规律,以进一步揭示解释煤与瓦斯突出发生机理,瓦斯渗流特性,和水压致裂原理,所述第五垫板和第六垫板上设置有探头安装孔;所述探头安装孔靠近垫板内侧的一端焊接有堵头,靠近垫板外侧的一端配合有第一螺栓;所述第一螺栓与垫板的端面之间设置有耐高温密封垫圈;所述堵头的内侧设置有声源探头;所述声源探头与所述第一螺栓的端面之间压装有弹簧;所述第一螺栓上设置有第一轴向通孔;所述第一轴向通孔内配合有第二螺栓;所述第二螺栓上设置有第二轴向通孔;所述声源探头的外接导线从所述第一轴向通孔和第二轴向通孔中接出;所述筒体上设置有用于所述声源探头外接导线接出的声发射接头。
[0035] 为提高声源探头的可靠性,所述第一轴向通孔包括锥孔;所述锥孔的孔径沿靠近垫板内侧的方向逐渐变小;所述第一轴向通孔内位于所述锥孔处设置有卡套;所述第二螺栓设置在所述卡套的外侧;所述卡套的前端为圆锥状,其锥度小于所述锥孔的锥度;所述卡套的前端沿轴向设置有至少两个开口槽;所述开口槽在圆周方向均布。
[0036] 为便于压力室以及试样的安装,所述压力室下方设置有六组所述压力室支承组件,其中,第一组压力室组件与所述第五油缸固定连接;第二组压力室组件与所述第五端盖固定连接;第三组压力室组件与所述筒体的前端固定连接;第四组压力室组件与所述筒体的后端固定连接;第五组压力室组件与所述第六端盖固定连接;第六组压力室组件与所述第六油缸固定连接。
[0037] 为了做水压致裂试验,所述第二垫板在所述第四流道处螺纹连接有外伸的致裂管。
[0038]为便于精确测量试件本身的微小变形,所述第一垫板、第二垫板、第三垫板、第四垫板、第五垫板、第六垫板为面积相等的正方形垫板;
[0039] 所述第一垫板的边长大于所述第一定心套的第一基部的外径;
[0040] 所述第二垫板的边长大于所述第二定心套的第二基部的外径;
[0041] 所述第三垫板的边长大于所述第三定心套的第三基部的外径;
[0042] 所述第四垫板的边长大于所述第四定心套的第四基部的外径;
[0043] 所述第五垫板的边长大于所述第五定心套的第五基部的外径;
[0044] 所述第六垫板的边长大于所述第六定心套的第六基部的外径;
[0045] 所述第三垫板的边缘固定有向所述第一垫板45°倾斜的第一固定架和向所述第二垫板45°倾斜的第二固定架;所述第四垫板的边缘固定有向所述第一垫板45°倾斜的第三固定架和向所述第二垫板45°倾斜的第四固定架;
[0046] 所述第一固定架靠近所述第一垫板的末端固定有第一试件位移传感器;所述第三固定架靠近所述第一垫板的末端固定有第一试件位移传感器加长杆;所述第一试件位移传感器和第一试件位移传感器加长杆位于所述第一垫板的外侧,并正对设置;
[0047] 所述第二固定架靠近所述第二垫板的末端固定有第二试件位移传感器;所述第四固定架靠近所述第二垫板的末端固定有第二试件位移传感器加长杆;所述第二试件位移传感器和第二试件位移传感器加长杆位于所述第二垫板的外侧,并正对设置;
[0048] 所述第一试件位移传感器与所述第二试件位移传感器相对设置;第一试件位移传感器加长杆与所述第二试件位移传感器加长杆相对设置;
[0049] 所述第五垫板的边缘固定有向所述第三垫板45°倾斜的第五固定架和向所述第四垫板45°倾斜的第六固定架;所述第六垫板的边缘固定有向所述第三垫板45°倾斜的第七固定架和向所述第四垫板45°倾斜的第八固定架;
[0050] 所述第七固定架靠近所述第三垫板的末端固定有第三试件位移传感器;所述第五固定架靠近所述第三垫板的末端固定有第三试件位移传感器加长杆;所述第三试件位移传感器和第三试件位移传感器加长杆位于所述第三垫板的外侧,并正对设置;
[0051] 所述第八固定架靠近所述第四垫板的末端固定有第四试件位移传感器;所述第六固定架靠近所述第四垫板的末端固定有第四试件位移传感器加长杆;所述第四试件位移传感器和第四试件位移传感器加长杆位于所述第四垫板的外侧,并正对设置;
[0052] 所述第三试件位移传感器与所述第四试件位移传感器相对设置;第三试件位移传感器加长杆与所述第四试件位移传感器加长杆相对设置;[0053] 所述第一垫板的边缘固定有向所述第五垫板45°倾斜的第九固定架和向所述第六垫板45°倾斜的第十固定架;所述第二垫板的边缘固定有向所述第五垫板45°倾斜的第十一固定架和向所述第六垫板45°倾斜的第十二固定架;
[0054] 所述第九固定架靠近所述第五垫板的末端固定有第五试件位移传感器;所述第十一固定架靠近所述第五垫板的末端固定有第五试件位移传感器加长杆;所述第五试件位移传感器和第五试件位移传感器加长杆位于所述第五垫板的外侧,并正对设置;
[0055] 所述第十固定架靠近所述第六垫板的末端固定有第六试件位移传感器;所述第十二固定架靠近所述第六垫板的末端固定有第六试件位移传感器加长杆;所述第六试件位移传感器和第六试件位移传感器加长杆位于所述第六垫板的外侧,并正对设置;
[0056] 所述第五试件位移传感器与所述第六试件位移传感器相对设置;所述第五试件位移传感器加长杆与所述第六试件位移传感器加长杆相对设置。
[0057] 为减小各垫板边界之间产生的干涉,并提高压板对试件的密封,各固定架的中部 固定有橡胶压条;所述橡胶压条的外端面紧贴相邻两垫板之间的空隙。
[0058] 为了使压力室内温度处于预设的高温状态,所述框架的上部设置有与所述空腔连通的高温油入口 ;所述框架的底部设置有与所述空腔连通的高温油出口。
[0059] 为实现本发明第二层面的目的,本发明提供了一种水压致裂试验,包括以下步骤:
[0060] I)准备试件:将煤岩样加工成的200mmX 200mmX 200mm标准立方体煤岩试样,并且试件各边长大于垫板边长的2%,以减小不同方向载荷之间的干扰;试样的外形尺寸加工完成后,在试样的中部沿垂直于预定面的方向钻出直径12_,长IOOmm的致裂孔,并用丙酮或酒精清洗,等待至试件干燥。
[0061] 2)安装试件:将试件的致裂孔内套入致裂管内,将试件置于第二垫板上,再将试件与第一垫板对正,一起套入热缩胶套,用电吹风热风吹缩胶套,保证胶套与试件、第一垫板和第二之间紧密黏在一起;将试件、第一垫板和第二垫板放入压力室指定位置,并将第一垫板与第一定心套连接,第二垫板与第二定心套连接。
[0062] 3)预加载:启动数据采集系统和声发射测试装置,预先将上下前后左右六个方向的力加载至预定载荷值的2-5%,以检查是否有异常情况。
[0063] 4)加载:采用力控制方式加载,分步依次循环加载,三个方向所分步数相等,以防止试件被压坏,并更准确模拟实际工况;以上下方向为Z向,左右方向为X向,前后方向为Y向,加载顺序依次为Z向一X向一Y向一Z向,循环依次递增IMPa至预定载荷值。
[0064] 5)水压致裂:开启伺服电机水调压装置,开启截止阀,向试件内注入高压水,水压采用分级加载,每级压差IMPa,逐级增大,当注水压力出现突降,即可停止伺服电机水调压
>J-U ρςα装直。
[0065] 6)卸载:卸载顺序为Y向一X向一Z向一Y向,循环依次递减IMPa。
[0066] 7)保存数据采集系统记录的所有数据;取出试件,观察试件形态。
[0067] 为实现本发明第三层面的目的,本发明提供了一种渗流试验,包括如下步骤:
[0068] I)准备试件:将从现场取来的原始煤块用塑料薄膜密封好置于木箱内,然后用细骨科骨料混凝土进行浇灌,以填满煤块与木箱之间的间隙,待混凝土硬化完全后再用取芯机进行取芯,最后利用磨床将取出的煤芯小心仔细地打磨成200mmX 200mmX 200mm原煤立方体煤样,并将之置于烘箱内烘干,再用干燥箱存放;
[0069] 或者,将所取原始煤块用粉碎机粉碎,通过振动筛筛选煤粒粒径为40〜80目之间的煤粉颗粒,然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在200t刚性实验机上以IOOMPa的压力压制成200mmX 200mmX 200mm的煤样,最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内。
[0070] 2)安装试件:为保证气密性,先用704硅橡胶将煤样试件各侧面抹一层Imm左右的胶层,待抹上 的胶层完全干透;将试件置于第二垫板上,再将试件与第一垫板对正,一起套入热缩胶套,用电吹风热风吹缩胶套,保证胶套与试件、第一垫板和第二之间紧密黏在一起;将试件、第一垫板和第二垫板放入压力室指定位置,并将第一垫板与第一定心套连接,第二垫板与第二定心套连接;将压力室内瓦斯进气管与出气管分别与第一垫板和第二垫板的进气接头和出气接头连接好;在各垫板上连接各试件位移测量传感器和试件位移传感器加长杆;密封关闭压力室。
[0071] (3)充油排空与抽真空:开启电源,启动数据采集系统和控制器,启动各油缸,预先将三个方向的力加载至预定载荷值的2-5%;向压力室排空充油,充满后关闭出油口 ;关闭与上垫板上第一流道和第二流道连接的进气口截止阀,开启与下垫板上第三流道和第四流道连接的出气口截止阀,由外部出气口对试件抽真空,持续两小时,真空度达IOOOPa ;关闭真空泵,关闭出气口截止阀。
[0072] (4)加载:启动供高压油泵,利用独立的高压油泵向压力室内注油加压,保证泵的压力值高于渗流气体压力2%;采用力控制方式加载,分步依次循环加载,三个方向所分步数相等,以防止试件被压坏,并更准确模拟实际工况;以上下方向为Z向,左右方向为X向,前后方向为Y向,加载顺序依次为Z向一X向一Y向一Z向,循环依次递增IMPa至预定载荷值;开启温度控制系统,向框架的空腔内注入高温油,使压力室内油温恒定为实际工况温度,如 40°C、60°C、80°C等。
[0073] ( 5 )瓦斯吸附:打开瓦斯气瓶减压阀,开启瓦斯气体增压装置,打开进气口截止阀,向试件充入瓦斯,观察瓦斯压力的动态变化情况,等流量计数值稳定后,关闭出口截止阀;吸附12小时,直至吸附平衡。
[0074] (6)测定渗流参数:开启出气口截止阀;观察数据采集系统中出气口压力变化随时间的变化规律,等待至出气口瓦斯压力稳定;调制X、Y、Z各向压力、加载方式、瓦斯压力;动态测定以下参数:油压、X、Y、Z三向压力、瓦斯压力、试件横向位移、试件轴向位移、温度、瓦斯流量等。
[0075] (7)实验停止:先关掉瓦斯气体增压装置,关掉瓦斯气瓶减压阀,再卸掉高压油泵,最后卸载,卸载顺序为Y向一X向一Z向一Y向,循环依次递减IMPa,载卸载完成后,关掉各油缸对应的油泵;再关掉温度控制系统。
[0076] (8)数据存储:保存数据采集系统记录的所有数据;取出试件,观察试件形态。
[0077] 渗流试验中,试件各边长大于垫板边长的2%,以减小不同方向载荷之间的干扰。
[0078] 本发明的有益效果是:本发明主要用于开展深部高应力及构造应力场、高渗透压力条件下煤与瓦斯突出机理、煤层气渗透特性和水压致裂机制,以及基于真三轴和高温条件下的岩石力学等研究工作。主要研究在高应力与构造应力场,单调和周期载荷作用下不同加载速率、不同含水状态、不同地应力场、不同应力水平、不同应力路径加载岩石类材料的破坏过程、强度特征及声发射特性研究,不同加载速率、不同瓦斯压力、不同地应力场、不同应力水平、不同应力路径、不同粒径、不同成型压力、不同粘结强度原煤和型煤的破坏过程、强度特征及声发射特性研究;在深部高应力、构造应力场、高渗透压力条件下,进行单调和周期载荷作用下不同地应力、不同瓦斯压力、不同含水率含瓦斯煤岩渗透率的演化规律研究,以及采动条件下地应力、瓦斯压力等与煤岩渗透率之间的耦合作用机制研究,从而更深层次地揭示煤层瓦斯运移机理;研究型煤和原煤试样在不同应力场中水压致裂时的破裂压力、裂缝方位角、裂缝长度等变化规律研究,从试验角度对水压裂缝的扩展延伸进行研究;研究真三轴应力和高温环境下的深部煤岩的力学、变形、强度、损伤、流变特性。
[0079] 本发明可进一步揭示深部高应力、构造应力场、高渗透压力条件下的低渗透煤岩水压致裂机理和渗流特性;进一步研究深部高应力、构造应力场、高渗透压力条件下地应力、瓦斯与煤的物理力学性质之间相互耦合作用、岩体破裂与裂纹演化规律及其对煤与瓦斯突出的综合作用机制,以期在更深层次上揭示煤岩剪切破裂、渗流特性与煤与瓦斯突出机理;进一步研究真三轴应力和高温环境下的深部煤岩的力学、变形、强度、损伤、流变特性。
附图说明
[0080] 图I是本发明一具体实施方式的结构示意图。
[0081] 图2是图I中I处的局部放大图。
[0082] 图3是图I中II处的局部放大图。
[0083] 图4是图I的左视结构示意图。
[0084] 图5是图4中III处的局部放大图。
[0085] 图6是图4中IV处的局部放大图。
[0086] 图7是图I的俯视结构示意图。
[0087] 图8是本发明一具体实施方式中压力室的结构示意图。
[0088] 图9是图8中V处的局部放大图。
[0089] 图10是图8的左视结构示意图。
[0090] 图11是图8的俯视结构示意图。
[0091] 图12是本发明一具体实施方式中声源探头的安装结构示意图。
[0092] 图13是图12中V处的局部放大图。
[0093] 图14是本发明一具体实施方式中卡套的结构示意图。
[0094] 图15是图14的仰视图。
[0095] 图16是本发明一具体实施方式中在高度方向垫板的结构示意图。
[0096] 图17是图16中VI处的局部放大图。
[0097] 图18是本发明一具体实施方式中在左右方向垫板的结构示意图。
[0098] 图19是本发明一具体实施方式中在前后方向垫板的结构示意图。
[0099] 图20是本发明一具体实施方式中试件的安装过程示意图。
具体实施方式
[0100] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:、[0101] 如图I至图19所示,一种多功能真三轴流固耦合试验系统,包括机架100和可放置煤岩试样的压力室200,机架100包括支座1,支座I上固定连接有框架2。
[0102] 框架2的上部设置有第一衬套3,框架2的顶部固定连接有第一端盖4,第一端盖4的外侧固定有第一油缸5,第一油缸5与第一伺服油路器6连接。第一油缸5内一体设置有第一油缸活塞7和第一油缸活塞杆8,第一油缸活塞7和第一油缸活塞杆8内设置有第一油缸位移传感器10。
[0103] 框架2的下部设置有第二衬套,框架2的下部固定连接有第二端盖,第二端盖的外侧固定有第二油缸,第二油缸与第二伺服油路器连接。第二油缸内一体设置有第二油缸活塞和第二油缸活塞杆,第二油缸活塞和第二油缸活塞杆内设置有第二油缸位移传感器。
[0104] 框架2的左部设置有第三衬套,框架2的左部固定连接有第三端盖,第三端盖的外 侧固定有第三油缸,第三油缸与第三伺服油路器连接。第三油缸内一体设置有第三油缸活塞和第三油缸活塞杆,第三油缸活塞和第三油缸活塞杆内设置有第三油缸位移传感器。
[0105] 框架2的右部设置有第四衬套,框架2的右部固定连接有第四端盖,第四端盖的外侧固定有第四油缸,第四油缸与第四伺服油路器连接。第四油缸内一体设置有第四油缸活塞和第四油缸活塞杆,第四油缸活塞和第四油缸活塞杆内设置有第四油缸位移传感器。
[0106] 压力室200包括筒体11,筒体11的上部设置有第一压力室衬套9,下部设置有第二压力室衬套,左部设置有第三压力室衬套,右部设置有第四压力室衬套。
[0107] 第一压力室衬套9内固定连接有第一荷重传感器12,第一荷重传感器12与第一定心套14固定连接,第一定心套14与第一垫板13a固定连接。第一定心套14包括一体的第一圆筒部141和第一基部142,第一荷重传感器12的前端设置有第一安装凹槽121 ;第一圆筒部141上设置有插入第一安装凹槽的螺栓41,第一基部142通过螺栓与第一垫板13a固定连接。
[0108] 第二压力室衬套内固定连接有第二荷重传感器,第二荷重传感器与第二定心套固定连接,第二定心套与第二垫板13b固定连接。第二定心套包括一体的第二圆筒部和第二基部,第二荷重传感器的前端设置有第二安装凹槽;第二圆筒部上设置有插入第二安装凹槽的螺栓,第二基部通过螺栓与第二垫板13b固定连接。
[0109] 第三压力室衬套内固定连接有第三荷重传感器,第三荷重传感器与第三定心套固定连接,第三定心套与第三垫板13c固定连接。第三定心套包括一体的第三圆筒部和第三基部,第三荷重传感器的前端设置有第三安装凹槽;第三圆筒部上设置有插入第三安装凹槽的螺栓,第三基部通过螺栓与第三垫板13c固定连接。
[0110] 第四压力室衬套内固定连接有第四荷重传感器,第四荷重传感器与第四定心套固定连接,第四定心套与第四垫板13d固定连接。第四定心套包括一体的第四圆筒部和第四基部,第四荷重传感器的前端设置有第四安装凹槽;第四圆筒部上设置有插入第四安装凹槽的螺栓,第四基部通过螺栓与第四垫板13d固定连接。
[0111] 第一油缸活塞杆8穿过第一端盖4和第一衬套3与第一压力室衬套9固定连接,第二油缸活塞杆穿过第二端盖和第二衬套与第二压力室衬套固定连接,第三油缸活塞杆穿过第三端盖和第三衬套与第三压力室衬套固定连接,第四油缸活塞杆穿过第四端盖和第四衬套与第四压力室衬套固定连接。
[0112] 筒体11的前端固定连接有第五端盖,第五端盖的外侧固定有第五油缸,第五油缸与第五伺服油路器连接。第五油缸内一体设置有第五油缸活塞和第五油缸活塞杆,第五油缸活塞内设置有第五油缸位移传感器,第五油缸活塞杆内固定有第五荷重传感器,第五压力室油缸活塞杆与第五定心套固定连接,第五定心套与第五垫板13e固定连接。第五定心套包括一体的第五圆筒部和第五基部,第五荷重传感器的前端设置有第五安装凹槽;第五圆筒部上设置有插入第五安装凹槽的螺栓,第五基部通过螺栓与第五垫板13e固定连接。
[0113] 筒体11的后端固定连接有第六端盖,第六端盖的外侧固定有第六油缸,第六油缸与第六伺服油路器连接。第六油缸内一体设置有第六油缸活塞和第六油缸活塞杆,第六油缸活塞内设置有第六油缸位移传感器,第六油缸活塞杆内固定有第六荷重传感器,第六压力室油缸活塞杆与第六定心套固定连接,第六定心套与第六垫板13f固定连接。第六定心套包括一体的第六圆筒部和第六基部,第六荷重传感器的前端设置有第六安装凹槽;第六圆筒部上设置有插入第六安装凹槽的螺栓,第六基部通过螺栓与第六垫板13f固定连接。 [0114] 本实施例中,各垫板的尺寸相等。
[0115] 压力室200上设置有与各荷重传感器对应连接的压力传感器插头27,荷重传感器的所测压力信号通过接线从压力传感器插头27传出。
[0116] 框架2具有有空腔15,压力室200可置于空腔15内。空腔15内平行设置有第一导轨16和第二导轨16b,第一导轨16和第二导轨16b通过支脚18支承。
[0117] 第一导轨16和第二导轨16b上设置有压力室支承组件17,压力室支承组件17包括与导轨配合的直线轴承17a,直线轴承17a固定连接有连块17b,连块17b与压力室200的下部固定连接。以第一导轨和第二导轨左右相对位置的压力室支承组件为一组,压力室200下方设置有六组压力室支承组件17,其中,第一组压力室组件与第五油缸固定连接,第二组压力室支承组件与第五端盖固定连接,第三组压力室支承组件与筒体11的前端固定连接,第四组压力室支承组件与筒体11的后端固定连接,第五组压力室支承组件与第六端盖固定连接,第六组压力室支承组件与第六油缸固定连接。
[0118] 第一垫板13上设置有彼此连通的第一流道19和第二流道20,第一流道19沿第一垫板13的横向设置,第二流道20位于第一垫板13的中心向下延伸,第一垫板13在第二流道20的出口处设置有透气板21。第一流道19处设置有第一接头,用于进气。
[0119] 第二垫板13b上设置有彼此连通的第三流道22和第四流道23,第三流道22沿第二垫板13b的横向设置,第四流道23位于第二垫板13b的中心向上延伸。第二垫板13b在第四流道23处螺纹连接有外伸的致裂管24。第三流道22处设置第二接头,第二接头可用于出气或进液。
[0120] 筒体11上方设置有一个高压气液混合阀42,中部设置有四个高压气液混合阀42,试验中一般只用一个做气体出口或进液口,其它备用,各高压气液混合阀均可与第一接头或第二接头连接,同时各高压气液阀均可与外接的气源或液源连接,从而实现向试件通入气体或液体。筒体上设置有进油口 29a和出油口 29b。
[0121] 按照声波在煤岩体中的衰减特性,充分考虑最大限度的实现数据接收记忆合理的定位,同时兼顾了在模具上的可操作性,第五垫板13e和第六垫板13f的四个角上均设置有4个探头安装孔,共计8个,从而可安装声发射装置300。
[0122] 探头安装孔靠近垫板内侧的一端焊接有堵头31,靠近垫板外侧的一端配合有第一螺栓32,第一螺栓32与垫板的端面之间设置有耐高温密封垫圈40。[0123] 堵头31的内侧设置有声源探头33,声源探头33与第一螺栓32的端面之间压装有弹簧34,第一螺栓32上设置有第一轴向通孔35,第一轴向通孔35内配合有第二螺栓36,第二螺栓36上设置有第二轴向通孔37,声源探头33的外接导线39从第一轴向通孔35和第二轴向通孔37中接出。
[0124] 第一轴向通孔35包括锥孔35a,锥孔35a的孔径沿靠近垫板内侧的方向逐渐变小,第一轴向通孔35内位于锥孔35a处设置有卡套38,第二螺栓36设置在卡套38的外侧,卡套38的前端为圆锥状,其锥度小于锥孔35a的锥度,卡套38的前端沿轴向设置有至少两个开口槽38,开口槽38在圆周方向均布。
[0125] 筒体11上设置有与声发射装置对应的,用于声源探头外接导线39接出的声发射接头30。
[0126] 本实施例中,第一垫板13a、第二垫板13b、第三垫板13c、第四垫板13d、第五垫板13e、第六垫板13f为面积相等的正方形垫板。
[0127] 第一垫板的边长大于第一定心套的第一基部的外径;第二垫板的边长大于第二定心套的第二基部的外径;第三垫板的边长大于第三定心套的第三基部的外径;第四垫板的边长大于第四定心套的第四基部的外径;第五垫板的边长大于第五定心套的第五基部的外径;第六垫板的边长大于第六定心套的第六基部的外径。
[0128] 第三垫板13c的边缘固定有向第一垫板13a成45°倾斜的第一固定架44a和向第二垫板13b成45°倾斜的第二固定架44b ;第四垫板的边缘固定有向第一垫板成45°倾斜的第三固定架45a和向第二垫板成45°倾斜的第四固定架45b。
[0129] 第一固定架44a靠近第一垫板13a的末端固定有第一试件位移传感器43a ;第三固定架45a靠近第一垫板13a的末端固定有第一试件位移传感器加长杆46a ;第一试件位移传感器43a和第一试件位移传感器加长杆46a位于第一垫板13a的外侧,并正对设置。
[0130] 第二固定架44b靠近第二垫板13b的末端固定有第二试件位移传感器43b ;第四固定架45b靠近第二垫板13b的末端固定有第二试件位移传感器加长杆46b ;第二试件位移传感器43b和第二试件位移传感器加长杆46b位于第二垫板13b的外侧,并正对设置。
[0131] 第一试件位移传感器43a与第二试件位移传感器43b相对设置;第一试件位移传感器加长杆46a与第二试件位移传感器加长杆46b相对设置。
[0132] 第五垫板13e的边缘固定有向第三垫板13c成45°倾斜的第五固定架47a和向第四垫板13d成45°倾斜的第六固定架47b ;第六垫板13f的边缘固定有向第三垫板成45°倾斜的第七固定架48a和向第四垫板成45°倾斜的第八固定架48b。
[0133] 第七固定架48a靠近第三垫板13c的末端固定有第三试件位移传感器43c ;第五固定架47a靠近第三垫板13c的末端固定有第三试件位移传感器加长杆46c ;第三试件位移传感器43c和第三试件位移传感器加长杆46c位于第三垫板13c的外侧,并正对设置。
[0134] 第八固定架48b靠近第四垫板13d的末端固定有第四试件位移传感器43d ;第六固定架47b靠近第四垫板13d的末端固定有第四试件位移传感器加长杆46d ;第四试件位移传感器43d和第四试件位移传感器加长杆46d位于第四垫板13d的外侧,并正对设置。
[0135] 第三试件位移传感器43c与第四试件位移传感器43d相对设置;第三试件位移传感器加长杆46c与第四试件位移传感器加长杆46d相对设置。
[0136] 第一垫板13a的边缘固定有向第五垫板13e成45°倾斜的第九固定架49a和向第六垫板13f成45°倾斜的第十固定架49b ;第二垫板13b的边缘固定有向第五垫板成45°倾斜的第i 固定架50a和向第六垫板成45°倾斜的第十二固定架50b。
[0137] 第九固定架49a靠近第五垫板13e的末端固定有第五试件位移传感器43e ;第i 固定架50a靠近第五垫板13e的末端固定有第五试件位移传感器加长杆46e ;第五试件位移传感器43e和第五试件位移传感器加长杆46e位于第五垫板13e的外侧,并正对设置。
[0138] 第十固定架49b靠近第六垫板13f的末端固定有第六试件位移传感器43f ;第十二固定架50b靠近第六垫板13f的末端固定有第六试件位移传感器加长杆46f ;第六试件位移传感器43f和第六试件位移传感器加长杆46f位于第六垫板13f的外侧,并正对设置。 [0139] 第五试件位移传感器43e与第六试件位移传感器43f相对设置;第五试件位移传感器加长杆46e与第六试件位移传感器加长杆46f相对设置。
[0140] 各固定架的中部固定有橡胶压条51,橡胶压条51的外端面紧贴相邻两垫板之间的空隙。
[0141] 所述框架2的上部设置有与空腔15连通的高温油入口 52 ;框架2的底部设置有与空腔15连通的高温油出口 53。可在高温油入口 52和出口 53处设置相应的接头,以便高温油流入和输出。
[0142] 准备试验时,如图20所示,将第五端盖与筒体11分离,然后将第五端盖和第五油缸向前移动一段距离,在第五端盖与筒体11之间的轨道上放置装样小车25,装样小车25的前端设置为“U”状结构。将试件置于第二垫板13b上,再将试件与第一垫板13a对正,一起套入热缩胶套,用电吹风热风吹缩胶套,保证胶套与试件、第一垫板和第二之间紧密黏在一起;将试件、第一垫板和第二垫板放入压力室指定位置,并将第一垫板13a与第一定心套14连接,第二垫板13b与第二定心套14b连接;清除压力室内的脏物;将各油缸活塞退回原位,检查第二荷重传感器伸出量是否处于试件安装位置,否则进行调整。
[0143] 推动装样小车25,将试件26送入压力室指定位置后,观察是否对正第二定心套,若不对正,进行调整,找正后,安装第一垫板13a和第二垫板13b,最后连接管路,启动电源、各油缸的油泵和伺服控制系统进行相关试验。
[0144] 本试验系统可以进行真三轴状态下的水压致裂试验,具体步骤如下:
[0145] I)准备试件:将煤岩样加工成的200mmX 200mmX 200mm标准立方体煤岩试样,并且试件各边长大于垫板边长的2%,以减小不同方向载荷之间的干扰;试样的外形尺寸加工完成后,在试样的中部沿垂直于预定面的方向钻出直径12_,长IOOmm的致裂孔,并用丙酮或酒精清洗,等待至试件干燥。
[0146] 2)安装试件:将试件的致裂孔内套入致裂管24内,将试件置于第二垫板13b上,再将试件与第一垫板13对正,一起套入热缩胶套,用电吹风热风吹缩胶套,保证胶套与试件、第一垫板和第二之间紧密黏在一起;将试件、第一垫板和第二垫板放入压力室指定位置,并将第一垫板13与第一定心套14连接,第二垫板13b与第二定心套14b连接。
[0147] 3)预加载:启动数据采集系统和声发射测试装置,预先将上下前后左右六个方向的力加载至预定载荷值的2-5%,以检查是否有异常情况;预定载荷值可根据试件大小、材料等,通过常规计算得出。[0148] 4)加载:采用力控制方式加载,分步依次循环加载,三个方向所分步数相等,以防止试件被压坏,并更准确模拟实际工况;以上下方向为Z向,左右方向为X向,前后方向为Y向,加载顺序依次为Z向一X向一Y向一Z向,循环依次递增IMPa至预定载荷值。
[0149] 5)水压致裂:开启伺服电机水调压装置,开启截止阀,向试件内注入高压水,水压采用分级加载,每级压差IMPa,逐级增大,当注水压力出现突降,即可停止伺服电机水调压
>J-U装直。
[0150] 6)卸载:卸载顺序为Y向一X向一Z向一Y向,循环依次递减IMPa。
[0151] 7)保存数据采集系统记录的所有数据;取出试件,观察试件形态。
[0152] 步骤4)中,由于X、Y、Z每个方向都是正负两个方向的同时加载,因此可有效防止 试件相对其中心线的偏移,减少试件与垫板相对错动引起的摩擦效应,从而可更准确测量相关数据,更准确、稳定的模拟实际工况;并且,可按试验目的改变各个方向的载荷与应力,如每个方向上递增的载荷不同,从而可以更为真实地模拟地层三维应力场,在模拟精度上、系统稳定性上都大大提高。加载过程中,通过每个方向上油缸位移传感器的反馈,可精确控制各油缸加载力的大小以及进给量。
[0153] 根据所测数据,可以根据常规计算和电脑处理,真实反映、还原试件压裂的整个过程,从而准确模拟实际工况,为实际工程应用提供理论依据。本实施例中,将声发射定位应用于真三轴状态下的水力压裂研究,并在实验室实施,以探索水力压裂机理;声发射测试可进行水力压裂过程中的声发射传播衰减机理研究,为水力压裂预测提供基础;声发射测试将对煤岩破裂产生的声发射信号进行定位,可实现对水力压裂过程中试件破裂的时空演化现象可视化再现,所测的声发射信号的时空定位将为孔周围裂缝形成过程及发展过程提供直接的数据,可研究裂缝的空间形态的时间演化规律,为水力压裂机理研究提供可靠的近似现场实际的参数支持。
[0154] 通过多次水压致裂试验,可研究煤岩在不同埋深、不同应力场、不同煤岩结构、不同粒径、不同成型压力等条件下水压致裂时裂缝的起裂位置、扩展方向、破裂压力、裂缝方位角、裂缝长度等变化规律,通过计算机控制和数据处理系统实现压裂煤岩周边应力场的准确模拟,真实反映水压致裂过程中压裂孔周围应力和应变的动态变化过程,水压致裂过程中水流量的动态变化过程等;对水力压裂全过程中的声发射信号进行采集,探讨各影响因素对压裂过程中的声发射信号的传播规律及衰减特征的影响;并对声发射源进行定位,分析水力压裂时煤岩产生断裂破坏源的位置和条件,分析水力压裂后煤岩内部破裂发展的时间和空间特性。进一步完善水压致裂相关理论,为深部、低透气性、高瓦斯煤层开采和瓦斯治理的工程实践提供参考。
[0155] 本试验系统可以进行渗流试验,具体步骤如下:
[0156] I)准备试件:将从现场取来的原始煤块用塑料薄膜密封好置于木箱内,然后用细骨科骨料混凝土进行浇灌,以填满煤块与木箱之间的间隙,待混凝土硬化完全后再用取芯机进行取芯,最后利用磨床将取出的煤芯小心仔细地打磨成200mmX 200mmX 200mm原煤立方体煤样,并将之置于烘箱内烘干,再用干燥箱存放;
[0157] 或者,将所取原始煤块用粉碎机粉碎,通过振动筛筛选煤粒粒径为40〜80目之间的煤粉颗粒,然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在200t刚性实验机上以IOOMPa的压力压制成200mmX 200mmX 200mm的煤样,最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内。
[0158] 2)安装试件:为保证气密性,先用704硅橡胶将煤样试件各侧面抹一层Imm左右的胶层,待抹上的胶层完全干透;去掉第二垫板13b上的致裂管24内,将试件置于第二垫板13b上,再将试件与第一垫板13a对正,一起套入热缩胶套,用电吹风热风吹缩胶套,保证胶套与试件、第一垫板和第二之间紧密黏在一起;将试件、第一垫板和第二垫板放入压力室指定位置,并将第一垫板13a与第一定心套14连接,第二垫板13b与第二定心套14b连接;将压力室内瓦斯进气管与出气管分别与第一垫板和第二垫板的第一接头和第二接头连接好;在各垫板上连接各试件位移测量传感器和试件位移传感器加长杆(如图16至19所示);密封关闭压力室200。
[0159] (3)充油排空与抽真空:开启电源,启动数据采集系统和控制器,启动各油缸,预先将三个方向的力加载至预定载荷值的2-5%(预定载荷值可根据试件大小、材料等,通过常规计算得出);向压力室排空充油,油温恒定为实际工况温度,如40°C、60°C、8(rC等;关闭与上垫板上第一流道和第二流道连接的进气口截止阀,开启与下垫板上第三流道和第四流道连接的出气口截止阀,由外部出气口对试件抽真空,持续两小时,真空度达IOOOPa ;关闭真空 泵,关闭出气口截止阀。
[0160] (4)加载:启动供高压油泵,利用独立的高压油泵向压力室内注油加压,保证泵的压力值高于渗流气体压力2%;采用力控制方式加载,分步依次循环加载,三个方向所分步数相等,以防止试件被压坏,并更准确模拟实际工况;以上下方向为Z向,左右方向为X向,前后方向为Y向,加载顺序依次为Z向一X向一Y向一Z向,循环依次递增IMPa至预定载荷值;向框架2的空腔15内注入高温油,如油温为60°C等,并开启温度控制系统,从而使压力室内油温恒定。
[0161] (5)瓦斯吸附:打开瓦斯气瓶减压阀,开启瓦斯气体增压装置,打开进气口截止阀,向试件充入瓦斯,观察瓦斯压力的动态变化情况,等流量计数值稳定后,关闭出口截止阀;吸附12小时,直至吸附平衡。
[0162] (6)测定渗流参数:开启出气口截止阀;观察数据采集系统中出气口压力变化随时间的变化规律,等待至出气口瓦斯压力稳定;调制χ、γ、ζ各向压力、加载方式、瓦斯压力;动态测定以下参数:油压、X、Y、Z三向压力、瓦斯压力、试件横向位移、试件轴向位移、温度、瓦斯流量等。
[0163] (7)实验停止:先关掉瓦斯气体增压装置,关掉瓦斯气瓶减压阀,再卸掉高压油泵,最后卸载,卸载顺序为Y向一X向一Z向一Y向,循环依次递减IMPa,载卸载完成后,关掉各油缸对应的油泵;再关掉温度控制系统。
[0164] (8)数据存储:保存数据采集系统记录的所有数据;取出试件,观察试件形态。
[0165] 渗流试验中,试件各边长大于垫板边长的2%,以减小不同方向载荷之间的干扰。
[0166] 渗流试验中,由于三个方向加载是各自独立的,因而可按试验目的改变各个方向的载荷与应力,实现了真正的真三轴渗流试验,可以更为真实地模拟真实三维地应力场条件下煤层的渗透特性。
[0167] 由于利用瓦斯气体调压装置实现稳定增压,可恒定保持渗流气体的压力,最高可达20MPa,精度为±0. 5%,分辨率为O. OOlMPa,因此可以较为精确地模拟高渗透压气条件下瓦斯气体在煤岩体内部的渗流特性。[0168] 由于利用温度控制系统实现渗流试验的高温环境控制,温度控制范围为室温-100°c,精度为±0.5°C,因而可以模拟地层深处、高温环境下和真实地层应力场下流体在煤岩体内部的渗流特性。
[0169] 以上详细描述了本发明的较佳 具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1. 一种多功能真三轴流固稱合试验系统,包括机架(100)和可放置煤岩试样的压カ室(200);其特征是: 所述机架(100)包括支座(I);所述支座(I)上固定连接有框架(2); 所述框架(2)的上部设置有第一衬套(3);所述框架(2)的顶部固定连接有第一端盖(4);所述第一端盖(4)的外侧固定有第一油缸(5);所述第一油缸(5)与第一伺服油路器(6)连接;所述第一油缸(5)内一体设置有第一油缸活塞(7)和第一油缸活塞杆(8);所述第一油缸活塞(7)和第一油缸活塞杆(8)内设置有第一油缸位移传感器(10); 所述框架的下部设置有第二衬套;所述框架的下部固定连接有第二端盖;所述第二端盖的外侧固定有第二油缸;所述第二油缸与第二伺服油路器连接;所述第二油缸内一体设置有第二油缸活塞和第二油缸活塞杆;所述第二油缸活塞和第二油缸活塞杆内设置有第二油缸位移传感器; 所述框架的左部设置有第三衬套;所述框架的左部固定连接有第三端盖;所述第三端盖的外侧固定有第三油缸;所述第三油缸与第三伺服油路器连接;所述第三油缸内一体设置有第三油缸活塞和第三油缸活塞杆;所述第三油缸活塞和第三油缸活塞杆内设置有第三油缸位移传感器; 所述框架的右部设置有第四衬套;所述框架的右部固定连接有第四端盖;所述第四端盖的外侧固定有第四油缸;所述第四油缸与第四伺服油路器连接;所述第四油缸内一体设置有第四油缸活塞和第四油缸活塞杆;所述第四油缸活塞和第四油缸活塞杆内设置有第四油缸位移传感器; 所述压カ室(200)包括筒体(11);所述筒体(11)的上部设置有第一压カ室衬套(9),下部设置有第二压カ室衬套,左部设置有第三压カ室衬套,右部设置有第四压カ室衬套; 所述第一压カ室衬套(9)内固定连接有第一荷重传感器(12);所述第一荷重传感器(12)与第一定心套(14)固定连接;所述第一定心套(14)与第一垫板(13a)固定连接;所述第一定心套(14)包括一体的第一圆筒部(141)和第一基部(142);所述第一荷重传感器(12)的前端设置有第一安装凹槽(121);所述第一圆筒部(141)上设置有插入所述第一安装凹槽(121)的螺栓;所述第一基部(142)通过螺栓与所述第一垫板(13a)固定连接; 所述第二压カ室衬套内固定连接有第二荷重传感器;所述第二荷重传感器与第二定心套固定连接;所述第二定心套与第二垫板固定连接;所述第二定心套包括一体的第二圆筒部和第二基部;所述第二荷重传感器的前端设置有第二安装凹槽;所述第二圆筒部上设置有插入所述第二安装凹槽的螺栓;所述第二基部通过螺栓与所述第二垫板固定连接; 所述第三压カ室衬套内固定连接有第三荷重传感器;所述第三荷重传感器与第三定心套固定连接;所述第三定心套与第三垫板固定连接;所述第三定心套包括一体的第三圆筒部和第三基部;所述第三荷重传感器的前端设置有第三安装凹槽;所述第三圆筒部上设置有插入所述第三安装凹槽的螺栓;所述第三基部通过螺栓与所述第三垫板固定连接; 所述第四压カ室衬套内固定连接有第四荷重传感器;所述第四荷重传感器与第四定心套固定连接;所述第四定心套与第四垫板固定连接;所述第四定心套包括一体的第四圆筒部和第四基部;所述第四荷重传感器的前端设置有第四安装凹槽;所述第四圆筒部上设置有插入所述第四安装凹槽的螺栓;所述第四基部通过螺栓与所述第四垫板固定连接; 所述第一油缸活塞杆(8)穿过所述第一端盖(4)和第一衬套(3)与第一压カ室衬套(9)固定连接;所述第二油缸活塞杆穿过所述第二端盖和第二衬套与第二压カ室衬套固定连接;所述第三油缸活塞杆穿过所述第三端盖和第三衬套与第三压カ室衬套固定连接;所述第四油缸活塞杆穿过所述第四端盖和第四衬套与第四压カ室衬套固定连接; 所述筒体的前端固定连接有第五端盖;所述第五端盖的外侧固定有第五油缸;所述第五油缸与第五伺服油路器连接;所述第五油缸内一体设置有第五油缸活塞和第五油缸活塞杆;所述第五油缸活塞内设置有第五油缸位移传感器;所述第五油缸活塞杆内固定有第五荷重传感器;所述第五荷重传感器与第五定心套固定连接;所述第五定心套与第五垫板固 定连接;所述第五定心套包括一体的第五圆筒部和第五基部;所述第五荷重传感器的前端设置有第五安装凹槽;所述第五圆筒部上设置有插入所述第五安装凹槽的螺栓;所述第五基部通过螺栓与所述第五垫板固定连接; 所述筒体的后端固定连接有第六端盖;所述第六端盖的外侧固定有第六油缸;所述第六油缸与第六伺服油路器连接;所述第六油缸内一体设置有第六油缸活塞和第六油缸活塞杆;所述第六油缸活塞内设置有第六油缸位移传感器;所述第六油缸活塞杆内固定有第六荷重传感器;所述第六荷重传感器与第六定心套固定连接;所述第六定心套与第六垫板固定连接;所述第六定心套包括一体的第六圆筒部和第六基部;所述第六荷重传感器的前端设置有第六安装凹槽;所述第六圆筒部上设置有插入所述第六安装凹槽的螺栓;所述第六基部通过螺栓与所述第六垫板固定连接; 所述框架(2)具有空腔(15);所述空腔(15)内平行设置有第一导轨(16a)和第二导轨(16b);所述第一导轨(16a)和第二导轨(16b)通过支脚(18)支承; 所述第一导轨(16a)和第二导轨(16b)上设置有压カ室支承组件(17);所述压カ室支承组件(17)包括与导轨配合的直线轴承(17a);所述直线轴承(17a)固定连接有连块(17b);所述连块(17b)与所述压カ室(200)的下部固定连接。
2.如权利要求I所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述第一垫板(13)上设置有彼此连通的第一流道(19)和第二流道(20);所述第一流道(19)沿所述第一垫板(13)的横向设置;所述第二流道(20)位于所述第一垫板(13)的中心向下延伸;所述第一垫板(13)在所述第二流道(20)的出口处设置有透气板(21); 所述第二垫板(13b)上设置有彼此连通的第三流道(22)和第四流道(23);所述第三流道(22)沿所述第二垫板的横向设置;所述第四流道(23)位于所述第二垫板的中心向上延伸; 所述筒体(11)上设置有可与所述第一流道(19 )和第三流道(22 )连通的气阀(42 ); 所述筒体(11)上设置有至少ー个进油ロ(29a)和至少ー个出油ロ(29b)。
3.如权利要求I或2所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述第五垫板(13e)和第六垫板(13f)上设置有探头安装孔;所述探头安装孔靠近垫板内侧的一端焊接有堵头(31),靠近垫板外侧的一端配合有第一螺栓(32);所述第一螺栓(32)与垫板的端面之间设置有耐高温密封垫圈(40); 所述堵头(31)的内侧设置有声源探头(33);所述声源探头(33)与所述第一螺栓(32)的端面之间压装有弹簧(34);所述第一螺栓(32)上设置有第一轴向通孔(35);所述第一轴向通孔(35)内配合有第二螺栓(36);所述第二螺栓(36)上设置有第二轴向通孔(37);所述声源探头(33)的外接导线(39)从所述第一轴向通孔(35)和第二轴向通孔(37)中接出;所述筒体(11)上设置有用于所述声源探头外接导线(39 )接出的声发射接头(30 )。
4.如权利要求3所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述第一轴向通孔(35)包括锥孔(35a);所述锥孔(35a)的孔径沿靠近垫板内侧的方向逐渐变小;所述第一轴向通孔(35)内位于所述锥孔(35)处设置有卡套(38);所述第二螺栓(36)设置在所述卡套(38)的外侧;所述卡套(38)的前端为圆锥状,其锥度小于所述锥孔(35)的锥度;所述卡套(38)的前端沿轴向设置有至少两个开ロ槽(38a);所述开ロ槽(38a)在圆周方向均布。
5.如权利要求I所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述压カ室(200)下方设置有六组所述压カ室支承组件(17),其中,第一组压カ室组件与所述第五油缸固定连接;第二组压カ室组件与所述第五端盖固定连接;第三组压カ室组件与所述筒体(11)的前端固定连接;第四组压力室组件与所述筒体的后端固定连接;第五组压カ室组件与所述第六端盖固定连接;第六组压カ室组件与所述第六油缸固定连接。
6.如权利要求I所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述第二垫板(13b)在所述第三流道(22)处连接有外伸的致裂管(24)。
7.如权利要求I所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述第一垫板(13a)、第二垫板(13b)、第三垫板(13c)、第四垫板(13d)、第五垫板(13e)、第六垫板(13f)为面积相等的正方形垫板; 所述第一垫板的边长大于所述第一定心套的第一基部的外径; 所述第二垫板的边长大于所述第二定心套的第二基部的外径; 所述第三垫板的边长大于所述第三定心套的第三基部的外径; 所述第四垫板的边长大于所述第四定心套的第四基部的外径; 所述第五垫板的边长大于所述第五定心套的第五基部的外径; 所述第六垫板的边长大于所述第六定心套的第六基部的外径; 所述第三垫板(13c)的边缘固定有向所述第一垫板(13a)45°倾斜的第一固定架(44a)和向所述第二垫板(13b) 45°倾斜的第二固定架(44b);所述第四垫板的边缘固定有向所述第一垫板45°倾斜的第三固定架(45a)和向所述第二垫板45°倾斜的第四固定架(45b); 所述第一固定架(44a)靠近所述第一垫板(13a)的末端固定有第一试件位移传感器(43a);所述第三固定架(45a)靠近所述第一垫板(13a)的末端固定有第一试件位移传感器加长杆(46a);所述第一试件位移传感器(43a)和第一试件位移传感器加长杆(46a)位于所述第一垫板(13a)的外侧,并正对设置; 所述第二固定架(44b)靠近所述第二垫板(13b)的末端固定有第二试件位移传感器(43b);所述第四固定架(45b)靠近所述第二垫板(13b)的末端固定有第二试件位移传感器加长杆(46b);所述第二试件位移传感器(43b)和第二试件位移传感器加长杆(46b)位于所述第二垫板(13b)的外侧,并正对设置; 所述第一试件位移传感器(43a)与所述第二试件位移传感器(43b)相对设置;第ー试件位移传感器加长杆(46a)与所述第二试件位移传感器加长杆(46b)相对设置; 所述第五垫板(13e)的边缘固定有向所述第三垫板(13c)45°倾斜的第五固定架(47a)和向所述第四垫板(13d) 45°倾斜的第六固定架(47b);所述第六垫板(13f)的边缘固定有向所述第三垫板45°倾斜的第七固定架(48a)和向所述第四垫板45°倾斜的第八固定架(48b); 所述第七固定架(48a)靠近所述第三垫板(13c)的末端固定有第三试件位移传感器(43c);所述第五固定架(47a)靠近所述第三垫板(13c)的末端固定有第三试件位移传感器加长杆(46c);所述第三试件位移传感器(43c)和第三试件位移传感器加长杆(46c)位于所述第三垫板(13c)的外侧,并正对设置; 所述第八固定架(48b)靠近所述第四垫板(13d)的末端固定有第四试件位移传感器(43d);所述第六固定架(47b)靠近所述第四垫板(13d)的末端固定有第四试件位移传感器加长杆(46d);所述第四试件位移传感器(43d)和第四试件位移传感器加长杆(46d)位于所述第四垫板(13d)的外侧,并正对设置; 所述第三试件位移传感器(43c)与所述第四试件位移传感器(43d)相对设置;第三试件位移传感器加长杆(46c)与所述第四试件位移传感器加长杆(46d)相对设置; 所述第一垫板(13a)的边缘固定有向所述第五垫板(13e)45°倾斜的第九固定架(49a)和向所述第六垫板(13f) 45°倾斜的第十固定架(49b);所述第二垫板(13b)的边缘固定有向所述第五垫板45°倾斜的第^ 固定架(50a)和向所述第六垫板45°倾斜的第十二固定架(50b); 所述第九固定架(49a)靠近所述第五垫板(13e)的末端固定有第五试件位移传感器(43e);所述第^ 固定架(50a)靠近所述第五垫板(13e)的末端固定有第五试件位移传感器加长杆(46e);所述第五试件位移传感器(43e)和第五试件位移传感器加长杆(46e)位于所述第五垫板(13e)的外侧,并正对设置; 所述第十固定架(49b)靠近所述第六垫板(13f)的末端固定有第六试件位移传感器(43f );所述第十二固定架(50b)靠近所述第六垫板(13f)的末端固定有第六试件位移传感器加长杆(46f);所述第六试件位移传感器(43f)和第六试件位移传感器加长杆(46f)位于所述第六垫板(13f)的外侧,并正对设置; 所述第五试件位移传感器(43e)与所述第六试件位移传感器(43f)相对设置;所述第五试件位移传感器加长杆(46e)与所述第六试件位移传感器加长杆(46f)相对设置。
8.如权利要求7所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:各固定架的中部固定有橡胶压条(51);所述橡胶压条(51)的外端面紧贴相邻两垫板之间的空隙。
9.如权利要求I所述的多功能真三轴流固耦合试验系统,其特征是:所述框架(2)的上部设置有与所述空腔(15)连通的高温油入口(52);所述框架(2)的底部设置有与所述空腔(15)连通的高温油出口(53)。
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