CN112881151A - 真三轴煤岩流固耦合试验装置 - Google Patents

真三轴煤岩流固耦合试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真三轴煤岩流固耦合试验装置，包括桶体，桶体外侧连接有机架，桶体顶部安装有上盖体，上盖体、桶体及机架之间形成内腔，内腔一侧设有进气口，另一侧设有排气口，内腔内放置有试件，试件的左侧通过左垫板与左压头连接；试件的右侧通过右压头与右活塞组件连接；试件的前侧通过前垫板与前压头连接；试件后侧通过后压头与后活塞组件连接；试件顶部通过上压头与上压块连接，上压块与上活塞组件连接，上活塞组件、后活塞组件及右活塞组件内均设有压力传感器和位移传感器，上压块的顶部设有称重传感器，压力传感器、位移传感器及称重传感器均与控制系统连接。本发明能够更真实、精确地模拟真实工况，为解决现场问题提供理论依据。

Description

真三轴煤岩流固耦合试验装置
技术领域
本发明涉及一种耦合试验装置，尤其涉及一种真三轴煤岩流固耦合试验装置。
背景技术
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，即因采矿活动影响，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、外应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。综合作用假设认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯与煤岩体物理力学性质之间的相互耦合作用。
煤储层渗透率是制约煤层气开发的关键因素，也是评价煤储层的重要参数，反映了煤层气在煤储层渗流的难易程度。同时，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列矿山安全问题与煤层渗透率也有着密切关系。因此，煤储层渗透率或煤层透气性系数的测量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着入点。
现有技术中，对煤储层渗透率的测量一般通过渗流试验完成，但现有的渗流试验方法不能模拟真实三维应力场条件下的渗流特性，围压承载力小，无法进行地层深部高地应力、高构造应力和高渗透压条件下煤储层瓦斯渗流试验研究，目前对煤储层渗透率变化规律的试验研究取得的成果，多为准三轴，且渗流试验均是单向流动，而现场煤体受力均为三向，煤储层瓦斯气体富存于煤体各个方向上，与现场实际工况仍有一定差距，不能精确地模拟、分析煤体在真实应力条件下的渗流特性。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种真三轴煤岩流固耦合试验装置，从而精确地模拟、分析煤体在真实应力条件下的渗流特性。
技术方案：本发明包括桶体，所述的桶体外侧连接有机架，桶体顶部安装有上盖体，上盖体、桶体及机架之间形成内腔，所述的内腔一侧设有进气口，另一侧设有排气口，内腔内放置有下垫板，所述的下垫板上放置有试件，所述试件的左侧设有左垫板，左垫板与左压头连接；试件的右侧设有右垫板，右垫板通过右压头与右活塞组件连接；试件的前侧设有前垫板，前垫板与前压头连接；试件后侧设有后垫板，后垫板通过后压头与后活塞组件连接；试件顶部设有上压头，上压头顶部连接有上压块，上压块与上活塞组件连接，所述的上活塞组件、后活塞组件及右活塞组件内均设有压力传感器和位移传感器，所述上压块的顶部设有称重传感器，所述的压力传感器、位移传感器及称重传感器均与控制系统连接。
所述的上活塞组件包括上活塞杆，所述上活塞杆的底部连接有传压杆，所述传压杆的底部与上压块固定，上活塞杆的顶部连接有上液压缸。
所述的上活塞杆和传压杆外侧套有导向套。
所述的右压头与右活塞组件的右活塞杆之间设有第一压力传感器，所述的右活塞杆上设有水平方向位移传感器。
所述的后压头与后活塞组件的后活塞杆之间设有第三压力传感器，所述的后活塞杆上设有前后方向位移传感器。
所述的上活塞杆与传压杆之间设有第二压力传感器，所述的上活塞杆上设有垂直方向位移传感器。
所述的上压头上设有排气通道，所述的排气通道经第一导管与排气口相通。
所述的下垫板、左垫板、右垫板、前垫板和后垫板均设有与内腔和试件相通的蜂窝状孔。
所述的机架包括立柱，立柱顶部连接有上支撑板，底部连接有下支撑板，所述的下支撑板与桶体及上盖体之间形成内腔。
所述的进气口经第二导管与内腔相通。
有益效果：本发明通过在试件底部、左侧和前侧设置固定压头，固定压头与桶体连接，试件上侧、右侧和后侧采用液压缸驱动活塞杆对试件施加压力；试件的左、右、前、后、下垫板均可设置为蜂窝状孔，可实现试件周围进气，试件顶部排气，也可将任一垫板换成实心垫板实现试件仅在一个方向进气，试件顶部排气，可以更加精确地模拟流固耦合渗流试验条件；可以获取煤样三轴方向的应力和位移以及经过煤样流体流量，能够更真实、精确地模拟真实工况，为解决现场问题提供理论依据，从而精确分析煤体的渗透率变化。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的桶体左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，本发明包括桶体，桶体顶部安装有上盖体30，底部安装有下支撑板2，桶体侧壁与上盖体30之间设有第三密封圈31，并经螺栓密封连接。桶体、上盖体30与下支撑板2之间形成内腔32，桶体的左右两侧分别通过立柱29与上支撑板连接，立柱29底部连接有下支撑板2，上支撑板、下支撑板2与立柱29装配形成机架1。内腔32内放置有下垫板3，下垫板3上放置有试件4，试件4左侧有左垫板36，左垫板 36与固定在桶体上的左压头35相连；试件4右侧有右垫板5，右垫板5与右压头6相连，右压头6与右活塞杆8相连，右活塞杆8外侧套有右导向套7，右导向套7、右活塞杆8和右液压缸9经螺栓固定于桶体侧壁上；试件4前侧有前垫板37，前垫板37与固定在桶体上的前压头38相连；试件4后侧有后垫板45，后垫板45与后压头44相连，后压头44与后活塞杆41相连，后活塞杆41上套有后导向套43，后活塞杆41、后导向套43与后液压缸42经螺栓固定于桶体侧壁上；试件4顶部有上压头12，上压头12上设有排气通道14，排气通道14经第一导管17与安装在桶体侧壁上的排气口16相通，安装在桶体侧壁上的进气口34经第二导管33与内腔32相通，该进气口34与流体系统连接。
下垫板3、左垫板36、右垫板5、前垫板37和后垫板45均设有与内腔32及试件4 相通的蜂窝状孔，也可将任一垫板换成实心垫板，实现多个方向上的流固耦合。上压头 12与凹槽状上压块15密封装配连接，上压头12与上压块15之间设有第二密封圈13，并经螺栓密封连接。上压块15上放置传压杆27，传压杆27的顶端与上活塞杆26的下端相连，上活塞杆26、上液压缸25经螺栓安装固定在机架1的上支撑板上，上支撑板通过立柱29与桶体连接在一起，传压杆27与上盖体30之间设有密封装置。密封装置由套装在上活塞杆26和传压杆27上的导向套21及该导向套21顶部的压盖20和第一密封圈19组成，压盖20经螺栓安装在上盖体30的顶端，压盖20的内壁安装有防尘圈 18。
传压杆27的下端设有称重传感器28，称重传感器28经导线穿过传压杆27与控制系统相连。右压头6与右活塞杆8之间设有第一压力传感器11，并通过导线与控制系统相连，后压头44与后活塞杆41之间设有第三压力传感器39，并通过导线与控制系统相连，上活塞杆26与传压杆27之间设有第二压力传感器23，并通过导线与控制系统相连。右活塞杆8上设有水平方向位移传感器10，后活塞杆41上设有前后方向位移传感器40，上活塞杆26上设有垂直方向位移传感器24，分别通过导线与控制系统相连，排气口16 连接有流量计，流量计与控制系统连接。
本发明的操作过程为：
试样4放入之前，先将下垫板3放入内腔32，试样4前后左右各放置一块垫板，试样4右侧垫板5与右压头6相连，试样4后侧垫板45与后压头44相连，试样4上压块 15与上压头12之间设O型圈密封连接，在右活塞杆8、后活塞杆41和上活塞杆26上分别安设对应的位移传感器，右液压缸9、后液压缸42和上液压缸25上安设对应的压力传感器，放下上盖体30并拧紧螺栓。控制系统控制液压伺服单元经第一液压管路，使上活塞杆26相对于上液压缸25移动，上活塞杆26带动了传压杆27的运动；控制系统控制液压伺服单元经第二液压管路，使右活塞杆8相对于右液压缸9移动，右活塞杆 8带动了右压头6的运动；控制系统控制液压伺服单元经第三液压管路，使后活塞杆41 相对于后液压缸42移动，后活塞杆41带动了后压头44的运动。如此，在对试样4进行加载的过程中，煤样受外力发生形变，避免各个方向上的前垫板37、后垫板45、左垫板36、右垫板5、上压块15和下垫板3发生挤压，煤样加工成倒角状，从而提高各个方向施加应力的精确度。
在进行右、后和上方真三轴加载过程中，流体系统控制流体与进气口34连接，流体进入内腔32经各垫板进入煤样中，并经排气口16与流量计连接，如此，可以实现流体和固体煤样的流固耦合，并在上述真三轴加载基础上，实现真三轴流固耦合煤体渗流试验。需要说明的是，流体系统中可以为气体，实现气体与固体煤样的气固耦合；流体系统中可以为液体，实现液体与固体煤样的液固耦合。通过位移传感器得到煤样前后之间发生的位移，通过控制系统和液压伺服系统得到液压室内液压油的压强，即煤样前后方向的应力，通过控制系统得到称重传感器28、压力传感器、位移传感器和流量计的数据，从而得到煤样上下、左右和前后方向的应力和位移，得到经过煤样流体的流量。根据上述煤样的前后、上下和左右方向的应力和位移以及经过煤样流体的流量，进而精确地分析一轴、两轴或真三轴以及流固耦合试验条件下煤体的渗透率变化。

Claims (10)

1.一种真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，包括桶体，所述的桶体外侧连接有机架(1)，桶体顶部安装有上盖体(30)，上盖体(30)、桶体及机架(1)之间形成内腔(32)，所述的内腔(32)一侧设有进气口(34)，另一侧设有排气口(16)，内腔(32)内放置有下垫板(3)，所述的下垫板(3)上放置有试件(4)，所述试件(4)的左侧设有左垫板(36)，左垫板(36)与左压头(35)连接；试件(4)的右侧设有右垫板(5)，右垫板(5)通过右压头(6)与右活塞组件连接；试件(4)的前侧设有前垫板(37)，前垫板(37)与前压头(38)连接；试件(4)后侧设有后垫板(45)，后垫板(45)通过后压头(44)与后活塞组件连接；试件(4)顶部设有上压头(12)，上压头(12)顶部连接有上压块(15)，上压块(15)与上活塞组件连接，所述的上活塞组件、后活塞组件及右活塞组件内均设有压力传感器和位移传感器，所述上压块(15)的顶部设有称重传感器(28)，所述的压力传感器、位移传感器及称重传感器(28)均与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的上活塞组件包括上活塞杆(26)，所述上活塞杆(26)的底部连接有传压杆(27)，所述传压杆(27)的底部与上压块(15)固定，上活塞杆(26)的顶部连接有上液压缸(25)。
3.根据权利要求2所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的上活塞杆(26)和传压杆(27)外侧套有导向套(21)。
4.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的右压头(6)与右活塞组件的右活塞杆(8)之间设有第一压力传感器(11)，所述的右活塞杆(8)上设有水平方向位移传感器(10)。
5.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的后压头(44)与后活塞组件的后活塞杆(41)之间设有第三压力传感器(39)，所述的后活塞杆(41)上设有前后方向位移传感器(40)。
6.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的上活塞杆(26)与传压杆(27)之间设有第二压力传感器(23)，所述的上活塞杆(26)上设有垂直方向位移传感器(24)。
7.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的上压头(12)上设有排气通道(14)，所述的排气通道(14)经第一导管(17)与排气口(16)相通。
8.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的下垫板(3)、左垫板(36)、右垫板(5)、前垫板(37)和后垫板(45)均设有与内腔(32)和试件(4)相通的蜂窝状孔。
9.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的机架(1)包括立柱(29)，立柱(29)顶部连接有上支撑板，底部连接有下支撑板(2)，所述的下支撑板(2)与桶体及上盖体(30)之间形成内腔(32)。
10.根据权利要求1所述的真三轴煤岩流固耦合试验装置，其特征在于，所述的进气口(34)经第二导管(33)与内腔(32)相通。
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