CN110320143B - 一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统 - Google Patents

Abstract

一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，属于煤岩体裂隙渗流测量技术领域。所述煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；在旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片的正下方，透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子，图像采集装置包括可见光线发射装置及与计算机相连的CCD相机，试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。所述煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，能够得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。

Description

一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统

技术领域

本发明涉及煤岩体裂隙渗流测量技术领域，特别涉及一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统。

背景技术

瓦斯抽采是治理矿井瓦斯灾害的重要措施，由于我国大部分矿区煤层瓦斯储层渗透率低，使得煤层采前预抽效果不甚理想。采动影响是进行瓦斯抽采的一种有效手段，采动引起采场围岩体压力重新分布并使煤岩体破坏(即峰值强度后)，随之引起渗透特性的改变，利于瓦斯抽采。峰后煤岩裂隙腔形貌复杂，裂隙面粗糙度、接触面积、裂隙开度、渗径起伏度、吻合度、法向及切向变形、裂隙内是否有充填物以及充填物的连通率、材料特性等因素对裂隙煤岩的渗流场分布规律有着重大的影响。

目前大多研究都是用线性的裂隙面形貌参数来表征裂隙面三维的几何特征，使得裂隙腔许多形貌特征灭失，以此为基础获得的裂隙瓦斯渗流特性在很多情形下是不准确的。随着显微粒子示踪测速技术、3D打印技术及逆向工程的发展，使峰后煤岩裂隙腔复杂形貌重构及其渗流场流态显现成为可能。

相关学者利用CT技术开展了大量煤岩结构及渗流特性研究，但仍存在一些不足，稳态渗流是上述煤体渗流模拟研究的前提，而实际的渗流是一个由不稳定到逐渐趋于稳定的动态变化过程。与稳态渗流不同，岩体中非稳态渗流的密度、速度等物理量不仅是空间的函数，还是时间的函数，这大大增加了三维数值模拟研究的难度。且CT扫描获得的是二维切片图，再通过多切片堆叠重构成三维煤岩模型，这个过程中使得裂隙面三维形貌一定程度失真，不能完全反映裂隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，能够得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；

在所述旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，M为大于1的正整数，所述旋转盘的端面上周向设有N个通孔，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片一一设置在通孔中并可随旋转盘转动，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片或通孔的正下方；

所述透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体；

所述流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子；

所述图像采集装置包括位于光学镜片上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置以及与计算机相连的CCD相机，所述可见光线发射装置发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片折射后射入CCD相机；

所述试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。

上述技术方案中，旋转盘上布置焦距不同或厚度不同的光学镜片，驱动机构使旋转盘快速旋转，从而使CCD相机可以拍摄试件不同景深处的图像。旋转盘快速旋转一圈，便可获得以空间为函数的粒子图像；旋转盘转一圈为一个周期，旋转盘周期性地旋转，便可获得以时间为函数的粒子图像，整理这些图像，便可得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据。

优选地，所述M个光学镜片的焦距不同且在纵向上覆盖试件；

或者所述M个光学镜片的厚度具有如下特性：不同入射光线经过试件纵向上不同位置的示踪粒子反射后经相应厚度的光学镜片折射，出射光线能够射入CCD相机。

上述技术方案中，M个厚度不同的光学镜片、M个焦距不同的光学镜片随旋转盘转动，均可使CCD相机拍摄试件不同景深处的图像，即试件纵向上不同平面处裂隙中流体的渗透状态。

优选地，所述流体输送装置包括流体箱和示踪粒子发生器，所述流体箱的出口与透光煤岩夹具的流体入口通过第一管道连通，所述第一管道上设有第一阀门，所述示踪粒子发生器的粒子出口与第一管道连通；透光煤岩夹具的流体出口与第二管道连通，所述第二管道上设有第二阀门。

上述技术方案中，示踪粒子发生器输出的示踪粒子经第一管道进入透光煤岩夹具中，后进入试件裂隙腔内，在裂隙腔中随流体一起流动，通过CCD相机拍摄示踪粒子的渗流状态，间接反映流体在试件裂隙中的渗透情况。

优选地，所述第一管道上设有第一压力传感器，所述第二管道上设有第二压力传感器；和/或所述第一管道上设有第一流量计，所述第二管道上设有第二流量计。压力传感器、流量计用于检测第一管道和第二管道中流体的压力和流量，从而研究流体的压力、流量对流体在试件裂隙中的渗透特性的影响，丰富裂隙渗流基础理论。

优选地，所述图像采集装置还包括位于CCD相机前端的显微物镜，和/或所述可见光线发射装置为脉冲激光器。显微物镜起放大作用，使CCD相机拍摄的图像更清晰；相比自然光线，脉冲激光器连续的发出脉冲激光使得示踪粒子反射的光线更强，能更清晰的显示示踪粒子在试件裂隙腔内的流动情况。

优选地，所述CCD相机的数量为两个，所述显微物镜的数量也为两个；所述脉冲激光器垂直于光学镜片设置，两个CCD相机对称且倾斜的设在脉冲激光器的两侧。

上述技术方案中，一个CCD相机拍摄试件裂隙腔内渗透状态图时，图像采集装置的视场边缘处相对模糊，则图像中试件边缘相对模糊；设置两个CCD相机可以扩大图像采集装置的视场范围，使得到的试件边缘更清晰，从而提高图像整体清晰度。

优选地，所述透光煤岩夹具包括形成密封腔体的上夹具和下夹具，试件上部分与上夹具固接，试件下部分与下夹具固接；上夹具与下夹具通过柔性膜或弹性膜密封连接；上夹具和下夹具之间的距离可调，从而改变试件裂隙的张开宽度。

上述技术方案中，设置弹性膜可以防止试件裂隙中的流体以及示踪粒子从上夹具与下夹具之间泄漏出去；通过改变试件裂隙的张开宽度，可以研究不同裂隙宽度下流体的渗透特性，进一步丰富裂隙渗流基础理论。而且研究试件裂隙的张开宽度对流体的渗透影响时，无需更换试件以及透光煤岩夹具，实用性强，操作方便。

优选地，所述下夹具通过铰接接头安装在固定架上，下夹具上固接有螺柱，上夹具与下夹具之间压设有套在螺柱外的弹性件，螺柱的上部穿过上夹具而位于上夹具的上方，螺柱的上部螺纹连接有螺母。

上述技术方案中，通过拧松或拧紧螺母，便可调节上夹具与下夹具之间的距离，从而改变试件裂隙的张开宽度；当试件裂隙面与试件轴线不平行时，通过转动下夹具便可使试件倾斜，使入射光线能够正对裂隙面。

优选地，所述试件外壁与密封腔体内壁密封连接。从而保证试件周围的密封性，使流体和示踪粒子只能从试件的裂隙中渗透，保证研究裂隙渗透特性的准确性、真实性。

优选地，所述试件位于图像采集装置的视场范围内。

本发明有益效果：

1)将“显微粒子示踪测速技术”引入煤岩裂隙渗流研究中，能够更准确的反应煤岩裂隙中流体的渗流特性，为采动影响后的瓦斯精准抽采提供理论指导和技术原型。

2)该煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，通过设置M个焦距不同或厚度不同的光学镜片来改变射入CCD相机中光线的反射平面；旋转盘每转一圈，CCD相机能够拍摄一个周期中试件裂隙腔内全部流体层中的流体的渗透状态图像；CCD相机拍摄多个周期的图像，该三维粒子图像测速试验系统便可得到以时间、空间为函数的高时间分辨率的三维流场速度全息图像，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据。

3)用脉冲激光器照射试件中所测流场区域，通过CCD相机摄取两次或者多次试件裂隙一小区域中曝光的示踪粒子图像，形成运动的粒子图像，再利用图像互相关方法分析图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，从而确定流场整个区域的流体速度。

4)该煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，采用脉冲激光器照射试件，采用显微物镜和CCD相机结合拍摄图像，使得三维粒子图像测速试验系统获得的图像更清晰。

5)装载试件的上夹具和下夹具之间的距离可以调节，研究试件裂隙的张开宽度对流体的渗透影响时，无需更换试件以及透光煤岩夹具，实用性强，操作方便。

6)该煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，采用可见光射入试件中，相比不可见光或不可见的射线，可见光对人体的伤害小，安全性高；传统试件中，采用不可见光或不可见的射线射入试件中，试验时，会对试验人员的健康造成危害；试验后，在试验环境中有残留，不利于试验人员的健康。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统的结构示意图；

图2是本发明图1中旋转盘的俯视结构示意图；

图3是本发明利用厚度不同的光学镜片拍摄不同景深图像的原理示意图；

图4是图1中透光煤岩夹具的剖视示意图一，试件裂隙的张开宽度最小；

图5是图1中透光煤岩夹具的剖视示意图二，试件裂隙的张开宽度增大。

图中，

1-旋转盘，11-通孔，12-驱动机构，2-光学镜片，21-薄平面镜片，22-厚平面镜片，3-可见光线发射装置，31-入射光线，32-反射光线，33-第一平面，34-第二平面，35-第三平面，4-CCD相机，41-显微物镜，5-流体箱，51-第一阀门，52-第一压力传感器，53-第一流量计，54-示踪粒子发生器，55-第二压力传感器，56-第二流量计，57-第二阀门，58-第一管道，59-第二管道，6-透光煤岩夹具，61-上夹具，611-第一支耳，62-下夹具，621-第二支耳，63-螺柱，64-弹性件，65-螺母，66-弹性膜，67-固定架，68-球铰接头，7-计算机，8-同步控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，能够得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。

如图1所示，煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统包括旋转盘1、驱动旋转盘1转动的驱动机构12、透光煤岩夹具6、流体输送装置和图像采集装置。在旋转盘1上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片2，M为大于1的正整数，优选M大于10。如图2所示，驱动旋转盘1转动的驱动机构12包括电机，电机的输出轴通过传动轴与旋转盘1同轴固接；旋转盘1的端面上周向设有N个通孔11，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片2一一设置在通孔11中并可随旋转盘1转动，旋转盘1转动时，试件能够位于其中一个光学镜片2或未设置光学镜片2的通孔11的正下方。在本实施方式中，如图2所示，旋转盘1上设有十六个通孔11，光学镜片2的数量可以为十五个，也可为十六个，光学镜片2为十五个时，其中一个通孔11中不设置光学镜片2。透光煤岩夹具6具有装载试件的密封腔体，试件装载在该密封腔体中。流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具6的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子。图像采集装置包括位于光学镜片2上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置3以及与计算机7相连的CCD相机4，可见光线发射装置3发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片2折射后射入CCD相机4。在本实施方式中，还可设置同步控制器8，同步控制器8分别与计算机7、CCD相机4和驱动机构12相连，旋转盘1的驱动机构12、CCD相机4和计算机7通过同步控制器8相连，可以实现旋转盘1转动、CCD相机4拍摄、计算机7数据记录同步进行，同步控制器8采用现有技术。

上述试件为模拟真实煤岩峰后裂隙的试件，裂隙将试件分成图1中的上、下两个部分；试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成，试件位于图像采集装置的视场范围内，由此可使可见光线发射装置3发出的可见光透过试件上部而到达试件的裂隙腔中，经示踪粒子反射后射入CCD相机4中，使CCD相机4能够拍摄试件裂隙腔中示踪粒子流动的全局情况，从而间接反映流体在试件裂隙腔中的渗透情况。实际中，根据试件裂隙在纵向上的最高点与最低点的高度差的不同，光学镜片2的数量可适应性改变。

旋转盘1上布置焦距不同或厚度不同的光学镜片2，驱动机构12使旋转盘1快速旋转，使得M个光学镜片2顺次转至试件的正上方，从而使可见光线发射装置3发出的光线经光学透镜2或通孔11后射入试件中，使CCD相机4可以拍摄试件不同景深处(图3中不同纵向高度的水平面)的图像。旋转盘1快速旋转一圈，CCD相机4便可拍摄出试件裂隙腔内全部流体层中示踪粒子流动状态的多张图像，即获得以空间为函数的粒子图像；旋转盘1转一圈为一个周期，旋转盘1周期性地旋转，便可获得以时间为函数的粒子图像，整理这些时间、空间上的图像，便可得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。具体地，即通过CCD相机4摄取两次或者多次试件裂隙一小区域中曝光的示踪粒子图像，形成运动的粒子图像，再利用图像互相关方法分析图像，获得每一小区域中粒子的平均位移，从而确定流场整个区域的流体速度，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据。在本实施方式中，M个光学镜片2的厚度具有如下特性：不同入射光线31经过试件纵向上不同位置的示踪粒子反射后经相应厚度的光学镜片2折射，出射光线能够射入CCD相机4。比如M个光学镜片2为M个厚度不同的平面镜片，M个平面镜片一一设置在通孔11中，比如按厚度递增或递减关系设置在通孔11中。上述相应厚度的光学镜片2是指纵向上不同位置的示踪粒子对应的预设好的不同厚度的光学镜片。

通过设置M个厚度不同的平面镜片，使CCD相机4拍摄不同景深的图像的原理如图3所示，当旋转盘1的通孔11中无光学镜片2时，试件上方的可见光线发射装置3发出的入射光线31射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第一平面33中的示踪粒子反射的大部分反射光线32能够射入CCD相机4，使CCD相机4拍摄到第一平面33中示踪粒子的状态图。通孔11中不设置光学镜片2的情况，也可以理解为光学镜片2的厚度为零。当旋转盘1的通孔11中设有光学镜片2时，光线经薄平面镜片21射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第二平面34中的示踪粒子反射的大部分光线经薄平面镜片21折射后射入CCD相机4，使CCD相机4拍摄到第二平面34中示踪粒子的状态图。同理，光线经厚平面镜片22射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第三平面35中的示踪粒子反射的大部分光线经厚平面镜片22折射后射入CCD相机4，使CCD相机4拍摄到第三平面35中示踪粒子的状态图。由于CCD相机4的位置固定，使得光线经不同厚度的光学镜片2后，反射后经相应光学镜片2折射后射入CCD相机4中，其反射平面的纵向高度不同，使得第二平面34位于第三平面35的上方，第一平面33位于第二平面34的上方，从而使得CCD相机4能够拍摄出不同景深处的图像。

当然M个光学镜片2也可为M个焦距不同且在纵向上覆盖试件的光学镜片，比如M个焦距不同的透镜，M个透镜也一一设置在通孔11中，比如按焦距递增或递减关系设置在通孔11中；透镜优选凸透镜，不同焦距的凸透镜的变焦原理为现有技术，在此不赘述。

如图1所示，流体输送装置包括流体箱5和示踪粒子发生器54，流体箱5的出口与透光煤岩夹具6的流体入口通过第一管道58连通，第一管道58上设有第一阀门51，示踪粒子发生器54的粒子出口与第一管道58连通；透光煤岩夹具6流体出口与第二管道59连通，第二管道59上设有第二阀门57，第二管道59中排出的流体可通过另外的容器进行存放。流体箱5中盛装的流体可以为气体或液体，流体为气体时，流体箱5为盛装有一定压力的气瓶；流体为液体时，流体箱5中的液体通过泵输送至第一管道58中。示踪粒子发生器54输出的示踪粒子经第一管道58进入透光煤岩夹具6中，后进入试件裂隙腔内，在裂隙腔中随流体一起流动，间接反映流体在试件裂隙中的渗透情况。

如图1所示，第一管道58上设有第一压力传感器52，第二管道59上设有第二压力传感器55；和/或第一管道58上设有第一流量计53，第二管道59上设有第二流量计56。通过调节第一阀门51的开度，改变流体进入试件裂隙中的流量、压力，压力传感器、流量计用于检测第一管道58和第二管道59中流体的压力和流量，从而研究进入试件裂隙中的流体的压力、流量对流体在试件裂隙中的渗透特性的影响，丰富裂隙渗流基础理论。

如图1所示，图像采集装置还包括位于CCD相机4前端的显微物镜41。显微物镜41起放大作用，使CCD相机4拍摄的图像更清晰。

如图1所示，可见光线发射装置3为脉冲激光器。相比自然光线，脉冲激光器连续发出的脉冲激光使得示踪粒子反射的光线更强，能更清晰的显示示踪粒子在试件裂隙腔内的流动情况。脉冲激光器发射脉冲激光的频率与旋转盘1通孔11的切换频率和CCD相机4的拍摄频率相同。

如图1和图3所示，CCD相机4的数量为两个，显微物镜41的数量也为两个；脉冲激光器垂直于光学镜片2设置，两个CCD相机4对称且倾斜的设在脉冲激光器的两侧。一个CCD相机4拍摄试件裂隙腔内渗透状态图时，图像采集装置的视场边缘处相对模糊，则图像中试件边缘相对模糊；设置两个CCD相机4可以扩大图像采集装置的视场范围，使得到的试件边缘更清晰，从而提高图像整体清晰度。

如图4所示，透光煤岩夹具6包括形成密封腔体的上夹具61和下夹具62，试件上部分与上夹具61固接，试件下部分与下夹具62固接，比如卡接或通过透光螺栓连接；上夹具61与下夹具62通过弹性膜66密封连接，当然上夹具61与下夹具62也可通过柔性膜密封连接，比如薄膜；上夹具61和下夹具62之间的距离可调，从而改变试件裂隙的张开宽度。实际中为了使光线透过透光煤岩夹具6而进入试件裂隙腔内，上夹具61可采用透光材料制成，比如高透光立体光固化成型树脂，下夹具62可采用透光材料或不透光材料制成，能使光线通过透光煤岩夹具6进入试件的裂隙腔内即可。

设置弹性膜66可以防止试件裂隙中的流体以及示踪粒子从上夹具61与下夹具62之间泄漏出去；通过改变试件裂隙的张开宽度，可以研究不同裂隙宽度下流体的渗透特性，进一步丰富裂隙渗流基础理论。

如图4所示，在本实施方式中，下夹具62安装在固定架67上，下夹具62的两侧水平延伸有第二支耳621，两个第二支耳621上均固接有螺柱63，上夹具61的两侧水平延伸有第一支耳611；上夹具61的第一支耳611与下夹具62的第二支耳621之间压设有套在螺柱63外的弹性件64，弹性件64可以为柱状压簧或弹性套筒，螺柱63的上部穿过上夹具61的第一支耳611而位于上夹具61的上方，螺柱63的上部螺纹连接有螺母65。

当需要增大试件裂隙的张开宽度时，如图4和图5所示，拧松螺母65，被压缩的弹性件64恢复形变，弹性件64使上夹具61向上运动，上夹具61使试件上部分随之向上运动，从而增大试件裂隙的张开宽度。同理，当需要减小试件裂隙的张开宽度时，拧紧螺母65，弹性件64被压缩，使上夹具61向下运动，上夹具61使试件上部分随之向下运动，从而减小试件裂隙的张开宽度。

当然，实际中，也可将上夹具61安装在固定架67上，使下夹具62靠近或远离上夹具61，以改变试件裂隙的张开宽度的大小。

如图4和图5所示，下夹具62通过球铰接头68与固定架67铰接，由此使得整个透光煤岩夹具6可相对固定架67转动，当试件裂隙面与试件轴线不平行时，可通过转动下夹具62而使试件倾斜，使入射光线能够正对裂隙面，使试件裂隙在纵向的高度更小，从而可减少旋转盘1上设置的光学镜片2的数量。

在本实方式中，试件外壁与密封腔体内壁密封连接，比如在密封腔体与试件外壁的两端之间均设置密封圈，从而保证试件周围的密封性，使流体和示踪粒子只能从试件的裂隙腔中渗透，保证研究裂隙渗透特性的准确性、真实性。

采用上述煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，煤岩裂隙腔内三维流场速度全息图像获取方法，包括以下步骤；

S1：将煤岩加工成标准尺寸的煤岩试件。比如直径为50mm、长为100mm的圆柱形煤岩试件，煤岩试件的直径与透光煤岩夹具6的密封腔体相适应。

S2：在煤岩热流固耦合CT实验系统上，通过三轴加卸载将上述煤岩试件压裂。比如在CT实验系统上通过三点抗弯方法将煤岩试件压裂。

S3：采用CT扫描系统，扫描煤岩试件破坏裂隙贯通阶段裂隙分布情况、定位裂隙径向位置。通过CT扫描系统对压裂煤岩试件过程中的任何时段进行CT扫描，对煤岩试件内部结构演化进行实时观察并成像。

S4：将形成贯通裂隙的煤岩试件沿裂隙剖开为两个部分。

S5：利用三维扫描仪对形成的多个隙面壁进行逐一扫描，形成裂隙面三维点云模型。

S6：利用CT成像裂隙截面图，在计算机7上定位每对裂隙面在峰后应变阶段位置关系，将三维裂隙面点云模型对应位置关系导入计算机7中，形成还原三维裂隙形貌的峰后裂隙煤岩数字模型。

S7：用3D打印机对模型进行打印，打印材料选用透光材料，从而打印出透光试件，透光材料可以选用高透光立体光固化成型树脂，该材料可生产无色、透光、精确的功能性部件。利用工业级高精度3D打印机对模型进行打印，制作与真实岩石裂隙表面的三维形貌相同的透光试件，还原三维裂隙形貌的峰后裂隙煤岩实体重构。

S8：将模拟试件在煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统中进行试验，得到裂隙腔内三维流场速度全息图像。即在煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统中进行试验。

模拟试件整体为透光试件，即全透光试件；或模拟试件的上部为透光试件的上部，模拟试件的下部为煤岩试件的下部，即半透光试件。

在步骤S2中，当试件沿直径压裂时(即试件裂隙面与试件轴线平行时)，在步骤S8中，试件则如图1所示横向放置；在步骤S2中，当试件裂隙面与试件轴线不平行时，在步骤S8中，可转动透光煤岩夹具6，使入射光线能够正对裂隙面。

使用本实施例的煤岩裂隙腔内三维流场速度全息图像获取方法，能获得全透光试件、半透光试件的裂隙腔内三维流场速度全息图像。后续通过计算机7对全透光试件裂隙腔内三维流场速度全息图像进行处理，获得全透光试件裂隙腔内流体渗透的第一渗透特性曲线；计算机7对半透光试件裂隙腔内三维流场速度全息图像进行处理，获得半透光试件裂隙腔内流体渗透的第二渗透特性曲线；通过第一渗透特性曲线和第二渗透特性曲线，计算出模拟试件整体为煤岩试件时的第三渗透特性曲线，从而得到煤岩裂隙内流体的最真实、最准确的渗透特性，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据。第三渗透特性曲线的计算方法不是本发明的发明点，在此不详述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，其特征在于，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；

在旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，M为大于十的正整数，驱动旋转盘转动的驱动机构包括电机，电机的输出轴通过传动轴与旋转盘同轴固接；旋转盘的端面上周向设有N个通孔，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片一一设置在通孔中并可随旋转盘转动，旋转盘转动时，试件能够位于其中一个光学镜片或未设置光学镜片的通孔的正下方；

透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体，试件装载在该密封腔体中；流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子；

图像采集装置包括位于光学镜片上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置以及与计算机相连的CCD相机，可见光线发射装置发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片折射后射入CCD相机；

同步控制器，所述同步控制器分别与计算机、CCD相机和驱动机构相连，旋转盘的驱动机构、CCD相机和计算机通过同步控制器相连；

图像采集装置还包括位于CCD相机前端的显微物镜；

上述试件由裂隙分成上、下两个部分；试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成，所述试件位于图像采集装置的视场范围内；

旋转盘上布置焦距不同或厚度不同的光学镜片，驱动机构使旋转盘快速旋转，使得M个光学镜片顺次转至试件的正上方，从而使可见光线发射装置发出的光线经光学透镜或通孔后射入试件中，使CCD相机可以拍摄试件不同景深处的图像；

旋转盘快速旋转一圈，CCD相机便拍摄出试件裂隙腔内全部流体层中示踪粒子流动状态的多张图像，即获得以空间为函数的粒子图像；旋转盘转一圈为一个周期，旋转盘周期性地旋转，便获得以时间为函数的粒子图像，整理这些时间、空间上的图像，便得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像；

通过CCD相机摄取多次试件裂隙一小区域中曝光的示踪粒子图像，形成运动的粒子图像，再利用图像互相关方法分析图像，获得每一小区域中粒子的平均位移，从而确定流场整个区域的流体速度，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据；

当旋转盘的通孔中无光学镜片时，试件上方的可见光线发射装置发出的入射光线射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第一平面中的示踪粒子反射的大部分反射光线能够射入CCD相机，使CCD相机拍摄到第一平面中示踪粒子的状态图；当旋转盘的通孔中设有光学镜片时，光线经薄平面镜片射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第二平面中的示踪粒子反射的大部分光线经薄平面镜片折射后射入CCD相机，使CCD相机拍摄到第二平面中示踪粒子的状态图；光线经厚平面镜片射入试件中，被试件纵向上不同位置的示踪粒子反射，但仅第三平面中的示踪粒子反射的大部分光线经厚平面镜片折射后射入CCD相机，使CCD相机拍摄到第三平面中示踪粒子的状态图；

可见光线发射装置为脉冲激光器；所述CCD相机的数量为两个，所述显微物镜的数量也为两个；所述脉冲激光器垂直于光学镜片设置，两个所述CCD相机对称且倾斜的设在所述脉冲激光器的两侧；

流体输送装置包括流体箱和示踪粒子发生器，流体箱的出口与透光煤岩夹具的流体入口通过第一管道连通，第一管道上设有第一阀门，示踪粒子发生器的粒子出口与第一管道连通；透光煤岩夹具流体出口与第二管道连通，第二管道上设有第二阀门，第二管道中排出的流体可通过另外的容器进行存放，第一管道上设有第一压力传感器，第二管道上设有第二压力传感器；第一管道上设有第一流量计，第二管道上设有第二流量计；

透光煤岩夹具包括形成密封腔体的上夹具和下夹具，所述试件上部分与所述上夹具固接，所述试件下部分与所述下夹具固接；所述上夹具与所述下夹具通过弹性膜密封连接；上夹具和下夹具之间的距离可调，从而改变试件裂隙的张开宽度；下夹具安装在固定架上，下夹具的两侧水平延伸有第二支耳，两个第二支耳上均固接有螺柱，上夹具的两侧水平延伸有第一支耳；上夹具的第一支耳与下夹具的第二支耳之间压设有套在螺柱外的弹性件，弹性件为柱状压簧或弹性套筒，螺柱的上部穿过上夹具的第一支耳而位于上夹具的上方，螺柱的上部螺纹连接有螺母；

下夹具通过球铰接头与固定架铰接，透光煤岩夹具相对固定架转动，当试件裂隙面与试件轴线不平行时，通过转动下夹具而使试件倾斜，使入射光线能够正对裂隙面，使试件裂隙在纵向的高度更小；

煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统的三维流场速度全息图像获取方法，包括以下步骤：

步骤一：将煤岩加工成标准尺寸的煤岩试件；

步骤二：在CT实验系统上通过三点抗弯方法将煤岩试件压裂；

步骤三：通过CT扫描系统对压裂煤岩试件过程中的任何时段进行CT扫描，对煤岩试件内部结构演化进行实时观察并成像；

步骤四：将形成贯通裂隙的煤岩试件沿裂隙剖开为两个部分；

步骤五：利用三维扫描仪对形成的多个隙面壁进行逐一扫描，形成裂隙面三维点云模型；

步骤六：利用CT成像裂隙截面图，在计算机上定位每对裂隙面在峰后应变阶段位置关系，将三维裂隙面点云模型对应位置关系导入计算机中，形成还原三维裂隙形貌的峰后裂隙煤岩数字模型；

步骤七：用3D打印机对模型进行打印，打印材料选用透光材料，从而打印出透光试件，透光材料选用高透光立体光固化成型树脂；

步骤八：将模拟试件在煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统中进行试验，得到裂隙腔内三维流场速度全息图像。

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