CN105021508A - 适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置及其实验方法，其实验装置部分，在现有技术的基础上，通过采用分体结构形式的真三轴实验盒，以及与实验盒相适应的特殊结构形式的橡胶托盘，使得在进行试件剪切变形操作中，模拟的真实性、准确性和可靠性方面将大幅提升，且便于监测；本发明的实验装置，由于待检测的试件同时在立体坐标系的“三轴向”同时施力，因而是一种真正意义上的“真三轴”剪切渗流实验装置。而且，其既可以用于气体热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验，又可用于液体(水)热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验；其实验方法，相对于现有技术，仿真度高，检测结果真实、准确、可靠性好等特点。

Description

适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种剪切渗流装置及其实验方法，尤其涉及一种适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置及其实验方法。

背景技术

煤体渗透率是研究瓦斯气体或者水在煤体中运移的基本参数，其模拟实验研究是目前最为常见的研究方法。

现有技术的模拟实验装置存在一个共同点，即，所采用的试件盛放实验盒均为一体式结构，且仅仅考虑了单一法向应力的情况，在其实验过程中，对试件所产生的剪切作用存在较大程度的失真或失准；而且，仅仅只能进行液体渗流的模拟实验研究，而不能进行瓦斯气的研究，存在较大的使用局限性，无法对煤体的渗流情况进行全面、系统的研究。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种功能齐全、结构简单、调节简便，可以进行适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，与液压站、检测系统配套使用，其包括机架、第一液压油缸、第二液压缸、第三液压缸、真三轴压力室、试件盛放装置；其中：

所述机架为框架式结构，包括顶板、底板和立柱；

所述顶板和底板均为矩形钢板，所述矩形钢板的四个顶角位置处均分别开设有通透孔；

所述立柱为四根，各立柱分别穿过所述顶板和底板上的对应的通透孔，并通过螺栓形成可拆卸连接；

所述真三轴压力室包括上方带有筒盖的承压缸筒；

所述承压缸筒为底部封闭、上部敞口的圆筒，在圆筒的敞口位置处设置有一圈翻边，所述筒盖为平面法兰结构，所述筒盖和承压缸筒之间设置有O型密封圈，并通过螺栓固定连接；

所述底板朝上一面的中心位置处，设置有由一圈凸缘围成的圆形区域，所述承压缸筒竖立放置在该圆形区域内部；

所述第一液压油缸安装在所述顶板上的中心位置处，所述第一液压油缸的活塞杆沿竖直方向分别穿过所述顶板和所述筒盖上开设的中心孔，并伸入到所述承压缸筒内；

所述承压缸筒的同一水平高度上两侧腰部，分别对称设置有一连接管口，所述连接管口外端部向外翻折形成一法兰面翻边；

所述第二液压缸和第三液压缸的缸座一左一右分别通过螺栓固定在所述承压缸筒腰部两侧的法兰面翻边位置处；

所述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆分别沿水平方向伸入/抽出到所述承压缸筒内；

所述第一液压缸的活塞杆自上向下沿竖直方向伸入/抽出到所述承压缸筒内；

所述筒盖上分别开设一进油孔和一排气孔，所述进油孔通过液压油管外接上述液压站的液压油输送泵；

所述液压油管上安装进油阀；所述排气孔内壁上设置有内螺纹，并通过一顶丝封堵；

所述承压缸筒的底部还设置有一排油孔，所述排油孔通过排油管与外部的储油油箱连接，在排油管上安装有排油阀；

其特征在于，所述试件盛放装置为组合结构，包括一支架组合件和一真三轴实验盒；所述真三轴实验盒为分体式结构，包括两个实验盒，该两个实验盒一左一右、面对面，以各自的头部与对方的尾部贴合的方式，成旋转对称放置在所述支架组合件中，由所述支架组合件夹持固定，形成一整体，放置在所述承压缸筒底部的中心位置；

在竖直方向上，上述两个实验盒的端部分别与所述支架组合件的上、下边框之间保留一定的间隙；

工作时，当所述第一液压缸的活塞杆向下施压时，其端部挤压在上述位于右侧的那一个实验盒上；

所述支架组合件包括两个支架，该两个支架相互独立、左右各一布置；

所述支架为矩形框，所述矩形框的两个水平边为两根圆柱形立柱、两个竖直边为截面为正方形的方形柱，其中，所述圆柱形立柱的两端部分别设置有螺纹，所述方形柱的两端分别开设有一通透孔，所述圆柱形立柱的两端分别从对应的方形柱上的通透孔中穿出，并通过螺栓固定成一体；

上述两个支架组合件中，位于右侧的那个支架，其两根方形柱各自朝内一侧的表面上，均分别焊接有一纵向卡槽，所述纵向卡槽内插入有一条形插块，所述条形插块与所述纵向卡槽成可滑动连接；

所述实验盒为镂空的六面体形状，其前与后两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第一通孔，左与右两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第二通孔；

所述第一液压缸的活塞杆和第二液压缸的活塞杆的工作端，均分别固定连接有第一长方体状压块；

所述第三液压缸的活塞杆的工作端固定连接有第二长方体状压块；

所述第二长方体状压块的外侧表面上开设有第一卡槽，并通过所述第一卡槽与表面设置有凸棱的第三长方体状压块形成可滑动连接；

所述第一通孔与所述第一长方体状压块的形状、尺寸相匹配；

所述第二通孔分别与各自对应的第四长方体状压块和第三长方体压块的形状、尺寸相匹配；

所述试件盛放装置还包括有橡胶托盘，所述橡胶托盘为一体式结构，包括两段，其中的一段为无上盖且一端无端板的盒子，另一段为两条相互平行的橡胶条，每根橡胶条分别由所述盒子的敞口部对应的外边缘界线、沿朝向盒子的无端板那一侧向外的延长线方向上，延伸而成；

所述橡胶托盘数量为两个，每个橡胶托盘的盒子部位嵌入与其对应的所述第二通孔内，成紧配合；

上述两个成旋转对称的实验盒相互贴合的那一个面上、第二通孔沿竖直方向上的两纵向边界线的延长线方向上，分别设置有与所述橡胶条形状、尺寸相匹配的密封用沟槽；

所述橡胶条卡入在所述沟槽内，形成紧配合；

在上述每个实验盒各自的第二通孔与橡胶托盘无端板的那一端邻接的壁面上，还分别开设有瓦斯气/水进出通道，所述瓦斯气/水进出通道的一端与上述第二通孔连通，另一端为设置在实验盒朝外一侧的壁面上的连接管口；

上述两个瓦斯气/水进出通道一个为进口、另一个为出口，分别通过软管与所述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口密封连接，所述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口分别与实验装置外部配套的瓦斯气/水发生装置和瓦斯气/水接收装置通过流体媒质管路连接；

上述两个橡胶托盘的盒子部位共同围成一六面体形状的空腔，所述空腔内放置用于热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验的试件；所述试件的外形尺寸与所述空腔相匹配，当试件放如该空腔内部时，试件与空腔的四周各壁面形成过渡配合；

上述第一、第三和第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上，均分别安装有压力传感器；

上述第一、第二和第三液压缸活塞杆上，均分别安装有LVDT位移传感器；

上述真三轴压力室的内壁上，安装有温度传感器；

与上述流体媒质进入管口与瓦斯气/水发生装置之间的流体媒质管路上安装有调压阀，与上述流体媒质排出管口与瓦斯气/水接收装置的流体媒质管路上，安装有瓦斯气/水流量计；

在承压缸筒内部上还固定设置有液压油恒温控制系统，用于对承压缸筒内的液压油温进行动态调节，以保持液压油恒温。

上述技术方案直接带来的技术效果是，实验结果真实、准确、可靠；且整个实验装置结构简单、调节灵活简便。

这主要是由于“实验盒为分体式结构，包括两个实验盒，该两个实验盒一左一右、面对面，以各自的头部与对方的尾部贴合的方式，成旋转对称放置在所述支架组合件中，由所述支架组合件夹持固定，形成一整体，放置在所述承压缸筒底部的中心位置；工作时，当所述第一液压缸的活塞杆向下施压时，其端部挤压在上述位于右侧的那一个实验盒上”，使得试件在第一液压缸的活塞杆向下施压时，其所受剪切力不会受到实验盒体本身因受力变形所产生的与第一液压缸的活塞杆向下的施力的反作用力，进而造成试件实际所受作用力大小失真、失准(即，检测到的施加的作用力与实际传递到试件上的“作用力”二者之间大小失真、失准)。

而且，“在竖直方向上，上述两个实验盒的端部分别与所述支架组合件的上、下边框之间保留一定的间隙”，这一技术手段的采用，使得右侧实验盒在活塞杆垂直向下施加作用力的情况下，左侧实验盒与右侧实验盒之间可以沿竖直方向发生相对(错位)位移。即，设置在左右两侧实验盒共同围成的六面体形状的腔室内的试件，将发生剪切变形趋势或者剪切变形，这种剪切变形量将持续扩大，直至试件被剪切破坏。不难看出，这种分体式结构形式的真三轴实验盒，相对于现有技术的一体式结构形式的实验盒，在进行试件剪切变形操作中，模拟的真实性、准确性和可靠性方面将大幅提升，且更便于监测。

上述技术方案中,由于配套采用“橡胶托盘为一体式结构，包括两段，其中的一段为无上盖且一端无端板的盒子，另一段为两条相互平行的橡胶条，每根橡胶条分别由所述盒子的敞口部对应的外边缘界线、沿朝向盒子的无端板那一侧向外的延长线方向上，延伸而成”，这样一种特殊结构形式的橡胶托盘，一方面，使得真三轴实验盒的结构更加合理、组装更加方便；另一方面，在实验过程中，试件在水平方向的左右两侧的受力由第二和第三液压缸的活塞杆提供，经过橡胶托盘左右两侧传递至试件上。由于橡胶材质的良好弹性变形能力，使得所检测到的第二和第三液压缸的活塞杆的施力，与试件实际受力，二者之间的数值差大幅减小(甚至可以说是，可忽略不计)；尤其重要的是，再一方面，这种特殊结构形式的橡胶托盘，可以保证左右两侧实验盒组装成一体时，在两个实验盒相互贴合的这一接触面的气体/液体的良好的密封性。

而且，由于(在)“两个支架组合件中，位于右侧的那个支架，其两根方形柱各自朝内一侧的表面上，均分别焊接有一纵向卡槽，所述纵向卡槽内插入有一条形插块，所述条形插块与所述纵向卡槽成可滑动连接”。这一技术手段的采用，使得右侧实验盒在第一液压缸的活塞杆垂直向下的施力作用下，右侧实验盒与支架组合件的边框之间的摩擦阻力大幅减小。

进一步地，上述技术方案中，“(从右侧向试件施加挤压力的)第三液压缸的活塞杆的工作端固定连接有第二长方体状压块；第二长方体状压块的外侧表面上开设有第一卡槽，并通过第一卡槽与表面设置有凸棱的第三长方体状压块形成可滑动连接”，这一技术手段的采用，使得当试件在第一活塞缸的活塞杆向下挤压，试件发生剪切变形、断裂、错位，试件的右半部分产生向下的移动趋势或者位移时，由于，直接与试件接触的第三长方体状压块可以在试件与第三长方体状压块之间摩擦力的带动下，同步地产生向下的移动趋势或者位移。即，在试件处于初始的基准位置、向下运动偏离基准位置，整个运动过程中，第三液压缸的活塞杆从右至左方向上的挤压力始终能够保持一致，不会出现任何的卡阻或失效，进而影响实验结果的失真。

上述一系列技术手段的组合采用，使得各施力与受力运动执行机构相互协调、相互配合一致，成为一个有机的统一整体，进一步有效地保证了实验结果的真实性和准确性。

优选为，上述间隙为30mm以上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，通常，所采用的原煤(岩)或型煤标准试件的外形尺寸为200×100×100mm，实践经验证明，当试件因剪切破坏时，右侧实验盒向下的相对位移量均小于30mm。因此，将上述间隙选择为30mm，在结构上更加紧凑、合理。

进一步优选，上述第一液压油缸的活塞杆与筒盖之间采用孔用格莱圈密封；

所述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆与所述承压缸筒左右侧壁之间均采用孔用格莱圈密封。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，这样，可以确保承压缸筒这一带压密闭容器工作状态稳定、可靠。

进一步优选，上述橡胶托盘的材质为IIR丁基橡胶。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，将橡胶托盘的材质优选为IIR丁基橡胶，主要考虑的是，IIR丁基橡胶具有良好的化学稳定性和热稳定性，优异的气密性和水密性，且耐油性好，特别适于其具体使用工况。

进一步优选，上述橡胶托盘的厚度为10mm以上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，经验表明，橡胶托盘的厚度为10mm以上，可保证其自身具有一定的、便于实验操作的强度；并且，厚度为10mm以上，可保证其不易破损，具有良好的使用寿命。

本发明的目的之二是，提供一种上述适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置的实验方法

本发明为实现该目的所采用的技术方案是，一种适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，实验准备：

根据实验要求，预先制备出长方体形状的原煤(岩)或型煤标准试件，入干燥箱，在80℃条件下，干燥24小时，取出并用保鲜膜包裹好，冷却至室温，备用；

实验开始时，先启动各液压缸并将其各自的活塞杆回缩，然后打开承压缸筒的筒盖；同时，将两个橡胶托盘与两个实验盒分别组装好；

随后，去除试件上的保鲜膜，在试件的前、后、左、右的四个壁面上分别均匀涂抹一层厚约0.5mm的704硅胶；

待硅胶凝结后，将试件放置在两个橡胶托盘的盒子部位共同围成的六面体形状的空腔内，并通过支架组合件将整个试件盛放装置组装到位，放入承压缸筒内的底部中心位置；

第二步，接通电源，操作第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆同步伸出，直至其各自端面与真三轴实验盒相接触，完成对真三轴实验盒的限位；

启动监测设备，同时读取、存储以下各仪表的初始数值：分别安装在第一、第三、第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上的压力传感器，分别安装在第一、第二和第三液压缸活塞杆上的LVDT位移传感器，安装在真三轴压力室内壁上的温度传感器，以及安装在真三轴实验盒瓦斯排气/排水管口的外接管路上的D07-11CM型气体质量流量计或者DMF-1系列液体质量流量计；

第三步，实验步骤：

盖上承压缸筒的筒盖、打开进油阀、卸除排气/排水孔的封堵顶丝、关闭排油阀；

然后，启动供油泵，向承压缸筒内缓慢注入液压油；待承压缸筒内已经注满液压油，排气/排水孔不再有气体排出时，拧上顶丝封堵住排气/排水孔；

保持供油泵开启状态，以使承压缸筒内液压油压力达到并保持在设定压力；

开启恒温控制系统，以将承压缸筒内液压油温度控制在设定温度；

然后，打开瓦斯气/水供气阀门，将瓦斯气/水供气管路上的调压阀调节至设定值，并保持瓦斯气/水的供气压力恒定；

当排气/排水管路上的瓦斯气/水流量计示数处于稳定状态后，关闭排气/排水管路上的排气/排水阀门，并继续保持瓦斯气/水供气阀门处于开启状态，以使试件处于一个吸附与解吸的动态平衡状态，24小时之后，再打开排气/排水管路上的排气/排水阀门；

当气体流量计示数再次处于稳定状态后，对承压缸筒内液压油压力值、第一液压缸的活塞杆的挤压力数值、第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力数值进行连续化动态调节，调节过程中：第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力同步调节，以保证试件加载的对称性，且上述第二液压缸活塞杆和第三液压缸活塞杆施加在试件上的挤压力大于承压缸筒内液压油压力值；

待试件在第一液压缸的活塞杆挤压下，被整体剪切破坏时，第一液压缸活塞杆的加载过程即完成；

在上述整个实验过程中，监测系统全程监测、记录由各仪表传输回来的信息，这些信息包括有试件应力、剪切位移量、各液压缸的活塞杆施力大小、温度、瓦斯气/水体的压力、流量数据及上述各数据的变化情况。

上述技术方案直接带来的技术效果是，实验过程中，整个实验装置操作简便、调节灵活自如，全部检测数据均采用自控仪表检测、记录。最为关键的是，在进行模拟实验过程中，其仿真度高，检测结果真实、准确、可靠性好。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、实验装置功能齐全，结构简单、布局合理，操作简便、调节灵活；

2、这种实验装置在进行热流固耦合煤体剪切渗流实验过程中，其在垂直方向施加作用力的同时，沿水平方向和前后方向(前后方向靠承压缸筒内的液压油传递压力)上也施加作用力，实现了真正意义上的“三轴”施力，因而是“真三轴”。

3、在进行模拟实验过程中，其仿真度高，检测结果真实、准确、可靠性好。

附图说明

图1为本发明的总体轴测结构示意图；

图2为本发明的真三轴压力室内部结构示意图(不包括承压筒壳体)；

图3为本发明的实验盒轴测结构示意图；

图4为本发明的实验盒的仰视结构示意图；

图5为本发明的橡胶托盘的轴测结构示意图；

图6为本发明的试样盛放装置的轴测结构示意图；

图7为本发明的试样盛放装置的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，与液压站6、检测系统配套7使用，其包括机架2、第一液压油缸5、第二液压缸3、第三液压缸4、真三轴压力室1、试件盛放装置；其中：

上述机架2为框架式结构，包括顶板21、底板22和立柱；

上述顶板和底板均为矩形钢板，上述矩形钢板的四个顶角位置处均分别开设有通透孔；

上述立柱为四根，各立柱分别穿过上述顶板和底板上的对应的通透孔，并通过螺栓形成可拆卸连接；

上述真三轴压力室包括上方带有筒盖11的承压缸筒；

上述承压缸筒为底部封闭、上部敞口的圆筒，在圆筒的敞口位置处设置有一圈翻边，上述筒盖为平面法兰结构，上述筒盖和承压缸筒之间设置有O型密封圈，并通过螺栓固定连接；

上述底板朝上一面的中心位置处，设置有由一圈凸缘围成的圆形区域，上述承压缸筒竖立放置在该圆形区域内部；

上述第一液压油缸安装在上述顶板上的中心位置处，上述第一液压油缸的活塞杆沿竖直方向分别穿过上述顶板和上述筒盖上开设的中心孔，并伸入到上述承压缸筒内；

上述承压缸筒的同一水平高度上两侧腰部，分别对称设置有一连接管口，上述连接管口外端部向外翻折形成一法兰面翻边；

上述第二液压缸3和第三液压缸4的缸座一左一右分别通过螺栓固定在上述承压缸筒腰部两侧的法兰面翻边位置处；

上述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆分别沿水平方向伸入/抽出到上述承压缸筒内；

上述第一液压缸的活塞杆自上向下沿竖直方向伸入/抽出到上述承压缸筒内；

上述筒盖上分别开设一进油孔和一排气孔，上述进油孔通过液压油管外接上述液压站的液压油输送泵；

上述液压油管上安装进油阀；上述排气孔内壁上设置有内螺纹，并通过一顶丝封堵；

上述承压缸筒的底部还设置有一排油孔，上述排油孔通过排油管与外部的储油油箱连接，在排油管上安装有排油阀；

如图3至图5所示，其特征在于，上述试件盛放装置为组合结构，包括一支架组合件10和一真三轴实验盒8；上述真三轴实验盒为分体式结构，包括两个实验盒，该两个实验盒一左一右、面对面，以各自的头部与对方的尾部贴合的方式，成旋转对称放置在上述支架组合件中，由上述支架组合件夹持固定，形成一整体，放置在上述承压缸筒底部的中心位置；

在竖直方向上，上述两个实验盒的端部分别与上述支架组合件的上、下边框之间保留一定的间隙；

工作时，当上述第一液压缸的活塞杆向下施压时，其端部挤压在上述位于右侧的那一个实验盒上。

上述支架组合件包括两个支架，该两个支架相互独立、左右各一布置；

上述支架为矩形框，上述矩形框的两个水平边为两根圆柱形立柱、两个竖直边为截面为正方形的方形柱，其中，上述圆柱形立柱的两端部分别设置有螺纹，上述方形柱的两端分别开设有一通透孔，上述圆柱形立柱的两端分别从对应的方形柱上的通透孔中穿出，并通过螺栓固定成一体；

如图6、图7所示，上述两个支架组合件中，位于右侧的那个支架，其两根方形柱各自朝内一侧的表面上，均分别焊接有一纵向卡槽302，上述纵向卡槽内插入有一条形插块301，上述条形插块301与上述纵向卡槽302成可滑动连接；

如图3所示，上述实验盒8为镂空的六面体形状，其前与后两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第一通孔202，左与右两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第二通孔201；

上述第一液压缸的活塞杆和第二液压缸的活塞杆的工作端，均分别固定连接有第一长方体状压块115；

上述第三液压缸的活塞杆的工作端固定连接有第二长方体状压块104；

上述第二长方体状压块的外侧表面上开设有第一卡槽，并通过上述第一卡槽与表面设置有凸棱的第三长方体状压块形成可滑动连接；(图中未示出)

上述第一通孔与上述第一长方体状压块的形状、尺寸相匹配；

上述第二通孔分别与各自对应的第四长方体状压块和第三长方体压块的形状、尺寸相匹配；

如图5所示，上述试件盛放装置还包括有橡胶托盘9，上述橡胶托盘为一体式结构，包括两段，其中的一段为无上盖且一端无端板的盒子207，另一段为两条相互平行的橡胶条206，每根橡胶条分别由上述盒子的敞口部对应的外边缘界线、沿朝向盒子的无端板那一侧向外的延长线方向上，延伸而成；

上述橡胶托盘数量为两个，每个橡胶托盘的盒子9部位嵌入与其对应的上述第二通孔内，成紧配合；

如图3所示，上述两个成旋转对称的实验盒相互贴合的那一个面上、第二通孔沿竖直方向上的两纵向边界线的延长线方向上，分别设置有与上述橡胶条形状、尺寸相匹配的密封用沟槽205；

上述橡胶条卡入在上述沟槽内，形成紧配合；

如图3、图4所示，在上述每个实验盒各自的第二通孔与橡胶托盘无端板的那一端邻接的壁面上，还分别开设有瓦斯气/水进出通道203，上述瓦斯气/水进出通道的一端与上述第二通孔连通，另一端为设置在实验盒朝外一侧的壁面上的连接管口204；

上述两个瓦斯气/水进出通道一个为进口、另一个为出口，分别通过软管与上述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口密封连接，上述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口分别与实验装置外部配套的瓦斯气/水发生装置12(如图2所示)和瓦斯气/水接收装置(图中未示出)通过流体媒质管路连接；

上述两个橡胶托盘的盒子部位共同围成一六面体形状的空腔，上述空腔内放置用于热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验的试件；上述试件的外形尺寸与上述空腔相匹配，当试件放如该空腔内部时，试件与空腔的四周各壁面形成过渡配合；

上述第一、第三和第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上，均分别安装有压力传感器；

上述第一、第二和第三液压缸活塞杆上，均分别安装有LVDT位移传感器；

上述真三轴压力室的内壁上，安装有温度传感器；

与上述流体媒质进入管口与瓦斯气/水发生装置之间的流体媒质管路上安装有调压阀，与上述流体媒质排出管口与瓦斯气/水接收装置的流体媒质管路上，安装有瓦斯气/水流量计；

如图2所示，在承压缸筒内部上还固定设置有液压油恒温控制系统110，用于对承压缸筒内的液压油温进行动态调节，以保持液压油恒温。

上述间隙为30mm以上。

上述第一液压油缸的活塞杆与筒盖之间采用孔用格莱圈密封；

上述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆与上述承压缸筒左右侧壁之间均采用孔用格莱圈密封。

上述橡胶托盘的材质为IIR丁基橡胶。

上述橡胶托盘的厚度为10mm以上。

为更好地理解本发明，下面详细说明上述适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置的实验方法。

上述适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，实验准备：

根据实验要求，预先制备出长方体形状的原煤(岩)或型煤标准试件，入干燥箱，在80℃条件下，干燥24小时，取出并用保鲜膜包裹好，冷却至室温，备用；

实验开始时，先启动各液压缸并将其各自的活塞杆回缩，然后打开承压缸筒的筒盖；同时，将两个橡胶托盘与两个实验盒分别组装好；

随后，去除试件上的保鲜膜，在试件的前、后、左、右的四个壁面上分别均匀涂抹一层厚约0.5mm的704硅胶；

待硅胶凝结后，将试件放置在两个橡胶托盘的盒子部位共同围成的六面体形状的空腔内，并通过支架组合件将整个试件盛放装置组装到位，放入承压缸筒内的底部中心位置；

第二步，接通电源，操作第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆同步伸出，直至其各自端面与真三轴实验盒相接触，完成对真三轴实验盒的限位；

启动监测设备，同时读取、存储以下各仪表的初始数值：分别安装在第一、第三、第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上的压力传感器，分别安装在第一、第二和第三液压缸活塞杆上的LVDT位移传感器，安装在真三轴压力室内壁上的温度传感器，以及安装在真三轴实验盒瓦斯排气/排水管口的外接管路上的D07-11CM型气体质量流量计或者DMF-1系列液体质量流量计；

第三步，实验步骤：

盖上承压缸筒的筒盖、打开进油阀、卸除排气/排水孔的封堵顶丝、关闭排油阀；

然后，启动供油泵，向承压缸筒内缓慢注入液压油；待承压缸筒内已经注满液压油，排气/排水孔不再有气体排出时，拧上顶丝封堵住排气/排水孔；

保持供油泵开启状态，以使承压缸筒内液压油压力达到并保持在设定压力；

开启恒温控制系统，以将承压缸筒内液压油温度控制在设定温度；

然后，打开瓦斯气/水供气阀门，将瓦斯气/水供气管路上的调压阀调节至设定值，并保持瓦斯气/水的供气压力恒定；

当排气/排水管路上的瓦斯气/水流量计示数处于稳定状态后，关闭排气/排水管路上的排气/排水阀门，并继续保持瓦斯气/水供气阀门处于开启状态，以使试件处于一个吸附与解吸的动态平衡状态，24小时之后，再打开排气/排水管路上的排气/排水阀门；

当气体流量计示数再次处于稳定状态后，对承压缸筒内液压油压力值、第一液压缸的活塞杆的挤压力数值、第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力数值进行连续化动态调节，调节过程中：第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力同步调节，以保证试件加载的对称性，且上述第二液压缸活塞杆和第三液压缸活塞杆施加在试件上的挤压力大于承压缸筒内液压油压力值；

待试件在第一液压缸的活塞杆挤压下，被整体剪切破坏时，第一液压缸活塞杆的加载过程即完成；

在上述整个实验过程中，监测系统全程监测、记录由各仪表传输回来的信息，这些信息包括有试件应力、剪切位移量、各液压缸的活塞杆施力大小、温度、瓦斯气/水体的压力、流量数据及上述各数据的变化情况。

说明：本发明适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，其中，所涉及到的瓦斯气和水这两种媒质，是通过分别设置两条并联连接并可以相互切换的输入和输出管路，根据具体实验所需，进行切换实现的。

Claims (6)

1.一种适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，与液压站、检测系统配套使用，其包括机架、第一液压油缸、第二液压缸、第三液压缸、真三轴压力室、试件盛放装置；其中：

所述机架为框架式结构，包括顶板、底板和立柱；

所述顶板和底板均为矩形钢板，所述矩形钢板的四个顶角位置处均分别开设有通透孔；

所述立柱为四根，各立柱分别穿过所述顶板和底板上的对应的通透孔，并通过螺栓形成可拆卸连接；

所述真三轴压力室包括上方带有筒盖的承压缸筒；

所述承压缸筒为底部封闭、上部敞口的圆筒，在圆筒的敞口位置处设置有一圈翻边，所述筒盖为平面法兰结构，所述筒盖和承压缸筒之间设置有O型密封圈，并通过螺栓固定连接；

所述底板朝上一面的中心位置处，设置有由一圈凸缘围成的圆形区域，所述承压缸筒竖立放置在该圆形区域内部；

所述第一液压油缸安装在所述顶板上的中心位置处，所述第一液压油缸的活塞杆沿竖直方向分别穿过所述顶板和所述筒盖上开设的中心孔，并伸入到所述承压缸筒内；

所述承压缸筒的同一水平高度上两侧腰部，分别对称设置有一连接管口，所述连接管口外端部向外翻折形成一法兰面翻边；

所述承压缸筒的两侧壁面上，还分别设置有一流体媒质进入管口和一流体媒质排出管口；

所述第二液压缸和第三液压缸的缸座一左一右分别通过螺栓固定在所述承压缸筒腰部两侧的法兰面翻边位置处；

所述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆分别沿水平方向伸入/抽出到所述承压缸筒内；

所述第一液压缸的活塞杆自上向下沿竖直方向伸入/抽出到所述承压缸筒内；

所述筒盖上分别开设一进油孔和一排气孔，所述进油孔通过液压油管外接上述液压站的液压油输送泵；

所述液压油管上安装进油阀；所述排气孔内壁上设置有内螺纹，并通过一顶丝封堵；

所述承压缸筒的底部还设置有一排油孔，所述排油孔通过排油管与外部的储油油箱连接，在排油管上安装有排油阀；

其特征在于，所述试件盛放装置为组合结构，包括一支架组合件和一真三轴实验盒；所述真三轴实验盒为分体式结构，包括两个实验盒，该两个实验盒一左一右、面对面，以各自的头部与对方的尾部贴合的方式，成旋转对称放置在所述支架组合件中，由所述支架组合件夹持固定，形成一整体，放置在所述承压缸筒底部的中心位置；

在竖直方向上，上述两个实验盒的端部分别与所述支架组合件的上、下边框之间保留一定的间隙；

工作时，当所述第一液压缸的活塞杆向下施压时，其端部挤压在上述位于右侧的那一个实验盒上；所述支架组合件包括两个支架，该两个支架相互独立、左右各一布置；

所述支架为矩形框，所述矩形框的两个水平边为两根圆柱形立柱、两个竖直边为截面为正方形的方形柱，其中，所述圆柱形立柱的两端部分别设置有螺纹，所述方形柱的两端分别开设有一通透孔，所述圆柱形立柱的两端分别从对应的方形柱上的通透孔中穿出，并通过螺栓固定成一体；

上述两个支架组合件中，位于右侧的那个支架，其两根方形柱各自朝内一侧的表面上，均分别焊接有一纵向卡槽，所述纵向卡槽内插入有一条形插块，所述条形插块与所述纵向卡槽成可滑动连接；

所述实验盒为镂空的六面体形状，其前与后两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第一通孔，左与右两个面的中心位置处开设有一贯通的、截面为矩形的第二通孔；

所述第一液压缸的活塞杆和第二液压缸的活塞杆的工作端，均分别固定连接有第一长方体状压块；

所述第三液压缸的活塞杆的工作端固定连接有第二长方体状压块；

所述第二长方体状压块的外侧表面上开设有第一卡槽，并通过所述第一卡槽与表面设置有凸棱的第三长方体状压块形成可滑动连接；

所述第一通孔与所述第一长方体状压块的形状、尺寸相匹配；

所述第二通孔分别与各自对应的第四长方体状压块和第三长方体压块的形状、尺寸相匹配；

所述试件盛放装置还包括有橡胶托盘，所述橡胶托盘为一体式结构，包括两段，其中的一段为无上盖且一端无端板的盒子，另一段为两条相互平行的橡胶条，每根橡胶条分别由所述盒子的敞口部对应的外边缘界线、沿朝向盒子的无端板那一侧向外的延长线方向上，延伸而成；

所述橡胶托盘数量为两个，每个橡胶托盘的盒子部位嵌入与其对应的所述第二通孔内，成紧配合；

上述两个成旋转对称的实验盒相互贴合的那一个面上、第二通孔沿竖直方向上的两纵向边界线的延长线方向上，分别设置有与所述橡胶条形状、尺寸相匹配的密封用沟槽；

所述橡胶条卡入在所述沟槽内，形成紧配合；

在上述每个实验盒各自的第二通孔与橡胶托盘无端板的那一端邻接的壁面上，还分别开设有瓦斯气/水进出通道，所述瓦斯气/水进出通道的一端与上述第二通孔连通，另一端为设置在实验盒朝外一侧的壁面上的连接管口；

上述两个瓦斯气/水进出通道一个为进口、另一个为出口，分别通过软管与所述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口密封连接，所述流体媒质进入管口和流体媒质排出管口分别与实验装置外部配套的瓦斯气/水发生装置和瓦斯气/水接收装置通过流体媒质管路连接；

上述两个橡胶托盘的盒子部位共同围成一六面体形状的空腔，所述空腔内放置用于热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验的试件；所述试件的外形尺寸与所述空腔相匹配，当试件放如该空腔内部时，试件与空腔的四周各壁面形成过渡配合；

上述第一、第三和第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上，均分别安装有压力传感器；

上述第一、第二和第三液压缸活塞杆上，均分别安装有LVDT位移传感器；

上述真三轴压力室的内壁上，安装有温度传感器；

与上述流体媒质进入管口与瓦斯气/水发生装置之间的流体媒质管路上安装有调压阀，与上述流体媒质排出管口与瓦斯气/水接收装置的流体媒质管路上，安装有瓦斯气/水流量计；

在承压缸筒内部上还固定设置有液压油恒温控制系统，用于对承压缸筒内的液压油温进行动态调节，以保持液压油恒温。

2.根据权利要求1所述的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，其特征在于，所述间隙为30mm以上。

3.根据权利要求1所述的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，其特征在于，所述第一液压油缸的活塞杆与筒盖之间采用孔用格莱圈密封；

所述第二液压缸和第三液压缸的活塞杆与所述承压缸筒左右侧壁之间均采用孔用格莱圈密封。

4.根据权利要求1所述的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，其特征在于，所述橡胶托盘的材质为IIR丁基橡胶。

5.根据权利要求1所述的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置，其特征在于，所述橡胶托盘的厚度为10mm以上。

6.如权利要求1所述的适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，实验准备：

根据实验要求，预先制备出长方体形状的原煤(岩)或型煤标准试件，入干燥箱，在80℃条件下，干燥24小时，取出并用保鲜膜包裹好，冷却至室温，备用；

实验开始时，先启动各液压缸并将其各自的活塞杆回缩，然后打开承压缸筒的筒盖；同时，将两个橡胶托盘与两个实验盒分别组装好；

随后，去除试件上的保鲜膜，在试件的前、后、左、右的四个壁面上分别均匀涂抹一层厚约0.5mm的704硅胶；

待硅胶凝结后，将试件放置在两个橡胶托盘的盒子部位共同围成的六面体形状的空腔内，并通过支架组合件将整个试件盛放装置组装到位，放入承压缸筒内的底部中心位置；

第二步，接通电源，操作第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆同步伸出，直至其各自端面与真三轴实验盒相接触，完成对真三轴实验盒的限位；

启动监测设备，同时读取、存储以下各仪表的初始数值：分别安装在第一、第三、第四长方体压块以及真三轴压力室筒盖上的压力传感器，分别安装在第一、第二和第三液压缸活塞杆上的LVDT位移传感器，安装在真三轴压力室内壁上的温度传感器，以及安装在真三轴实验盒瓦斯排气/排水管口的外接管路上的D07-11CM型气体质量流量计或者DMF-1系列液体质量流量计；

第三步，实验步骤：

盖上承压缸筒的筒盖、打开进油阀、卸除排气/排水孔的封堵顶丝、关闭排油阀；

然后，启动供油泵，向承压缸筒内缓慢注入液压油；待承压缸筒内已经注满液压油，排气/排水孔不再有气体排出时，拧上顶丝封堵住排气/排水孔；

保持供油泵开启状态，以使承压缸筒内液压油压力达到并保持在设定压力；

开启恒温控制系统，以将承压缸筒内液压油温度控制在设定温度；

然后，打开瓦斯气/水供气阀门，将瓦斯气/水供气管路上的调压阀调节至设定值，并保持瓦斯气/水的供气压力恒定；

当排气/排水管路上的瓦斯气/水流量计示数处于稳定状态后，关闭排气/排水管路上的排气/排水阀门，并继续保持瓦斯气/水供气阀门处于开启状态，以使试件处于一个吸附与解吸的动态平衡状态，24小时之后，再打开排气/排水管路上的排气/排水阀门；

当气体流量计示数再次处于稳定状态后，对承压缸筒内液压油压力值、第一液压缸的活塞杆的挤压力数值、第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力数值进行连续化动态调节，调节过程中：第二液压缸的活塞杆和第三液压缸的活塞杆的挤压力同步调节，以保证试件加载的对称性，且上述第二液压缸活塞杆和第三液压缸活塞杆施加在试件上的挤压力大于承压缸筒内液压油压力值；

待试件在第一液压缸的活塞杆挤压下，被整体剪切破坏时，第一液压缸活塞杆的加载过程即完成；

在上述整个实验过程中，监测系统全程监测、记录由各仪表传输回来的信息，这些信息包括有试件应力、剪切位移量、各液压缸的活塞杆施力大小、温度、瓦斯气/水体的压力、流量数据及上述各数据的变化情况。