CN111238922B - 利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，包括试样准备；基础测试；试件钻注水孔；球形声发射仪安装；安装注水管；安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；注水试验；波速测试；润湿范围反算；同组其它试验；整理试验数据。选用六面体及圆柱体两组不同的原煤试件进行试验，通过基础测试建立润湿区域与波速之间的关系式，再将六面体试件置于专用的真三轴试验测试装置中，巧妙利用六面体试件中部带圆形声发射仪与周边的多个声发射仪之间的距离和激发信号接收时间差，进行润湿范围反算，用于研究注水润湿参数影响扩散半径的作用机理，为有效分布注水钻孔，提高经济效益奠定理论基础。

Description

利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法

技术领域

本发明属于煤岩试样室内试验技术领域，具体涉及一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法。

背景技术

随浅部煤炭资源的日渐枯竭，深部煤炭资源成为开发主体，但随开采深度增加，地应力与瓦斯压力都随之增加，将直接导致煤层开采过程中产生的煤尘浓度的大幅上升。回采前预先注水湿润煤体，是降低煤层开采时粉尘产生量的最有效方法，是煤矿防尘的最基本、最主要的措施之一。煤体湿润效果的好坏主要反映在煤的润湿程度上(即煤的水分含量)，煤的润湿程度越高，煤层开采时的产尘量就会越小，有利于煤矿防尘，反之，产尘量会越大，将增大煤矿防尘的难度。

煤体润湿范围作为重要的润湿评价参数，主要靠理论计算或数值模拟，主要流程是通过单个钻孔煤层注水试验，测定注水钻孔周围煤体含水率的变化，由此计算煤体湿润半径，进而确定煤层注水钻孔的布置。但实际应用过程中上述方法工序复杂，且以经验指导为主，具有较大的不确定性。

煤岩介质超声技术是近几十年来发展起来的测量技术之一。通过测量超声波穿透介质后的参数变化，间接探讨了这些介质的力学和结构特性、速度、衰减系数、波形、频率、振幅等。在这些参数中，超声波的波速特性可以在一定程度上反映煤岩的应力状态和含水量，但现有超声测量布置位置、试验方法步骤上还存在局限性，影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用真三轴的试验装置，结合波速衰减特性，提出一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，用于研究注水润湿参数影响扩散半径的作用机理，为有效分布注水钻孔，提高经济效益奠定理论基础。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

步骤二、基础测试；

将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，所述水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪，使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，打开声发射仪，测得两声发射仪之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v＝f(a)，v为波速，a为润湿区域厚度；

步骤三、试件钻注水孔；

用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔，钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形；

步骤四、球形声发射仪安装；

将球形声发射仪表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔底部，并保证球形声发射仪与注水孔底部半圆贴合密实；

步骤五、安装注水管；

选取外径与注水孔直径相等，长度比注水孔深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔之间的缝隙，然后在注水孔口部安装万向密封接头；

步骤六、安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置试样，试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；

位于前、后、左、右的每个试样垫块的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪，将试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；

首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；

步骤七、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；

步骤八、注水试验；

打开真三轴试验测试装置上的声发射仪，通过注水孔对六面体原煤试件高压注水使原煤水力润湿，达到预定时间后，停止注水，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化以及温度等参数信息；

步骤九、波速测试；

激发中部的球形声发射仪，周边各声发射仪接收，利用球形声发射仪与周边各声发射仪之间的距离s和激发信号接收时间差t，计算波速v＝s/t；

步骤十、润湿范围反算；

通过步骤二和步骤九，得到六面体原煤试件中部到各声发射仪之间的润湿距离，将其连接起来，获得原煤试件之间注水孔注水润湿范围；

步骤十一、同组其它试验；

更换原煤试件，改变注水时间，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤三至步骤十；

步骤十二、整理试验数据。

作为上述方案的优选，所述六面体原煤试样试样为正方体，试样尺寸为200×200×200mm。

进一步优选为，所述原煤试件中注水孔的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm；注水孔底部的半圆直径为10mm。

本发明的有益效果：

(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；

(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；

(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；

(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；

(5)选用六面体及圆柱体两组不同的原煤试件进行试验，通过基础测试建立润湿区域与波速之间的关系式，再将六面体试件置于专用的真三轴试验测试装置中，巧妙利用六面体试件中部带圆形声发射仪与周边的多个声发射仪之间的距离和激发信号接收时间差，进行润湿范围反算，用于研究注水润湿参数影响扩散半径的作用机理，为有效分布注水钻孔，提高经济效益奠定理论基础。

附图说明

图1为利用圆柱体试件进行基础试验时的润湿状态。

图2为本发明所采用的真三轴试验测试装置的结构示意图(含试样装入和取出两种状态)。

图3为图1中主机和主机支撑组件的左视图。

图4为六块试样垫块围成的试样密封垫的立体图。

图5为图4的剖视状态的正视图。

图6为图4的剖视状态的俯视图。

图7为试样垫块棱边密封采用硅橡胶固化后的状态。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用。六面体原煤试样最好为正方体，试样尺寸为200×200×200mm为宜。

步骤二、基础测试；

如图1所示，将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪18，使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，再打开声发射仪18，测得两声发射仪18之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v＝f(a)，v为波速，a为润湿区域厚度。

步骤三、试件钻注水孔；

用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔15(如图5所示)，钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形。

步骤四、球形声发射仪安装；

将球形声发射仪19表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔15底部，并保证球形声发射仪19与注水孔底部半圆贴合密实。

步骤五、安装注水管；

选取外径与注水孔15直径相等，长度比注水孔15深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔15内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔15之间的缝隙，然后在注水孔15口部安装万向密封接头16；

最好是，原煤试件中注水孔15的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm；注水孔底部的半圆直径为10mm。

步骤六、安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；

如图2—图6所示，真三轴试验测试装置主要由主机A、主机支撑组件B、滑轨C、滑轨支撑组件D和伺服油缸E组成。主机A通过主机支撑组件B支撑在地面上，六套伺服油缸E布置在主机A外的上下、左右、前后方向(即XYZ三个方向)。滑轨C在主机A下方前后延伸设置，且滑轨C穿过主机A后通过滑轨支撑组件D支撑在地面上。

整体环形框架1采用铸造成型，整体环形框架1的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板2。整体环形框架1和两个盖板2共同围成主机壳。在主机壳的上、下壁上各左右间隔地对称安装有至少两个加热棒17，必要的时候，向主机内的试样加热。主机内腔用于放置试样3，试样3的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块4，共需六个试样垫块4。位于下侧的试样垫块4下方设置有能在滑轨C上前后移动的试样移动支架5。

前后侧的伺服油缸E设置在对应侧的盖板2外，且前后侧的伺服油缸E下均设置有能在滑轨C上前后移动的油缸移动支架6，盖板2能随着对应侧的伺服油缸E一起移动。上下左右侧的伺服油缸E设置在整体环形框架对应侧外。

伺服油缸E的活塞杆7前端居中位置处设置有载荷传感器8，载荷传感器8最好采用嵌入安装。载荷传感器8的前端设置有压头9，载荷传感器8的前端穿过主机壳后安装有压头9。对试样3加载时，压头9直接抵在对应侧的试样垫块4上。在进行试验前，将试样垫块4安装在试样3外，再在试样垫块4连接处进行密封，完成密封后，将试样3放置在试样移动支架5上，并将试样移动支架5及后侧的油缸移动支架6依次推入到主机内腔内并固定，使所有压头9均直接抵在对应侧的试样垫块4之后再进行试验。

位于前、后、左、右的每个试样垫块4的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪18(如图6所示)，每个试样垫块4上的声发射仪不限于四个，也可以是五个或九个不等。

将试样放入六块试样垫块4围成的腔体内并通过快锁14组合安装后，再结合试样垫块4接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样3密封其中；棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块4之间的密封(如图7所示)。在硅橡胶固化后实现预密封，在试验时，通过主机内腔的围压，使硅橡胶紧贴试样，不仅能实现试样垫块4相邻表面之间的密封，还能减弱棱边处的边界效应。最好是，伺服油缸E内设置有油缸位移传感器10，上下左右侧的伺服油缸E通过端盖11固定安装在整体环形框架1上，前后侧的伺服油缸E通过盖板2固定安装在整体环形框架1上，所有活塞杆7穿过主机壳的位置处均设置有衬套，以保证主机内腔的密封性。

最好是，在六个试样垫块4围成的密封腔外的XYZ方向上，成对配备有试样变形位移传感器12，试样变形位移传感器12通过位移传感器加长杆13安装在试样垫块4的棱边外，且同一方向上的一对试样变形位移传感器12呈对角错开设置，能实现真三轴条件下不平衡不均匀变形的测量。

最好是，还配备有两套电液伺服增压器，分别为主机内腔提供围压、为试样提供注水压或渗透压，让围压、注水压或渗透压分别控制，可完成复杂的试验条件。电液伺服增压器内的控制高压阀门的工作压力大于增压最高输出的压力，为了保证工作的高可靠性和长使用寿命。

最好是，还配备有轴向柱塞泵液压源，且液压源带高低压转换，便于试验时，高低压的顺利切换。

先将试样装入六块试样垫块4围成的试样密封垫内，再在棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后，通过试样移动支架5将试样推入到主机内腔中，最后通过油缸移动支架6将前后侧的盖板2安装在整体环形框架1上，安装时保证主机内腔的密封，之后开始试验。

首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头16安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面。

步骤七、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值。

步骤八、注水试验；

打开真三轴试验测试装置上的声发射仪18，通过注水孔15对六面体原煤试件高压注水使原煤水力润湿，达到预定时间后，停止注水，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化以及温度等参数信息。

步骤九、波速测试；

激发中部的球形声发射仪19，周边各声发射仪18接收，利用球形声发射仪与周边各声发射仪之间的距离s和激发信号接收时间差t，计算波速v＝s/t。

步骤十、润湿范围反算；

通过步骤二和步骤九，得到六面体原煤试件中部到各声发射仪之间的润湿距离，将其连接起来，获得原煤试件之间注水孔注水润湿范围。

步骤十一、同组其它试验；

更换原煤试件，改变注水时间，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤三至步骤十；

步骤十二、整理试验数据。下表为试验过程中的记录数据。

Claims (3)

1.一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

步骤二、基础测试；

将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，所述水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪（18），使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，打开声发射仪（18），测得两声发射仪（18）之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v=f（a），v为波速，a为润湿区域厚度；

步骤三、试件钻注水孔；

用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔（15），钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形；

步骤四、球形声发射仪安装；

将球形声发射仪（19）表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔（15）底部，并保证球形声发射仪（19）与注水孔底部半圆贴合密实；

步骤五、安装注水管；

选取外径与注水孔（15）直径相等，长度比注水孔（15）深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔（15）内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔（15）之间的缝隙，然后在注水孔（15）口部安装万向密封接头（16）；

步骤六、安装注水管的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机（A）、主机支撑组件（B）、滑轨（C）、滑轨支撑组件（D）和伺服油缸（E），六套所述伺服油缸（E）布置在主机（A）外的上下、左右、前后方向，所述滑轨（C）在主机（A）下方前后延伸设置，且穿过主机（A）后通过滑轨支撑组件（D）支撑在地面上，所述主机（A）包括铸造成型的整体环形框架（1），所述整体环形框架（1）的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板（2），所述整体环形框架（1）和盖板（2）围成主机壳，主机内腔用于放置试样（3），试样（3）的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块（4），位于下侧的所述试样垫块（4）下方设置有能在滑轨（C）上前后移动的试样移动支架（5）；前后侧的伺服油缸（E）下方均设置有能在滑轨（C）上前后移动的油缸移动支架（6），所述盖板（2）能随着对应侧的伺服油缸（E）一起移动，上下左右侧的伺服油缸（E）固设在整体环形框架（1）的对应侧外，伺服油缸（E）的活塞杆（7）前端居中位置处设置有载荷传感器（8），所述载荷传感器（8）的前端穿过主机壳后安装有压头（9）；

位于前、后、左、右的每个试样垫块（4）的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪（18），将试样放入六块试样垫块（4）围成的腔体内并通过快锁（14）组合安装后再结合试样垫块（4）接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样（3）密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块（4）之间的密封；

首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头（16）安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；

步骤七、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；

步骤八、注水试验；

打开真三轴试验测试装置上的声发射仪（18），通过注水孔（15）对六面体原煤试件高压注水使原煤水力润湿，达到预定时间后，停止注水，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化以及温度等参数信息；

步骤九、波速测试；

激发中部的球形声发射仪（19），周边各声发射仪（18）接收，利用球形声发射仪与周边各声发射仪之间的距离s和激发信号接收时间差t，计算波速v=s/t；

步骤十、润湿范围反算；

通过步骤二和步骤九，得到六面体原煤试件中部到各声发射仪之间的润湿距离，将其连接起来，获得原煤试件之间注水孔注水润湿范围；

步骤十一、同组其它试验；

更换原煤试件，改变注水时间，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤三至步骤十；

步骤十二、整理试验数据。

2.按照权利要求1所述的利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，其特征在于：所述六面体原煤试样为正方体，试样尺寸为200×200×200mm。

3.按照权利要求2所述的利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，其特征在于：所述原煤试件中注水孔（15）的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm；注水孔底部的半圆直径为10mm。

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