CN114034623A - 一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非均布荷载作用下应力‑渗流耦合演化可视化系统，包括方形的试件本体和放置试件本体的试验箱，所述试验箱与试件本体之间设有油，所述试验箱上设有进排油口，所述试件本体上涂抹硅橡胶形成硅橡胶层，所述硅橡胶层的左端、右端和上端分别均匀设置五个加载动力单元，所述硅橡胶层的前后两端分别设与试件本体相通的加载渗流孔，两个所述加载渗流孔分别与加载渗流单元相对应。该系统在上端、左端和右端各布置有五个加载动力单元，前后两侧各布置一个加载渗流单元，各个加载单元通过控制系统都可实现独立的应力加载或多个单元协同加载。
Description
技术领域
本发明属于应力-渗流耦合演化可视化系统技术领域，尤其涉及一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统。
背景技术
煤矿开采过程中，破坏了原有应力场的平衡状态，使得地应力的分布情况更加复杂，同时也打破了煤层中赋存瓦斯的平衡状态。而围岩应力重新分布的过程以及煤体中的瓦斯压力的变化会对煤体力学特性和渗透率造成一定的影响，进而可能会引发煤体突然破坏形成冲击地压，以及煤与瓦斯突出或延期突出等现象，给煤炭的安全开采造成灾害事故，因此有必要研究采动条件下采动应力场和瓦斯渗流场的耦合演变规律。
对于采动条件下采动应力场和瓦斯渗流场的耦合演变规律研究，国内外学者主要采用弹塑性力学等理论分析方法对单一变化荷载作用下的理想煤体进行渗流试验，不能体现出采场上方覆岩随着回采的进行逐步弯曲、断裂所引起的煤体上方非均布的应力场，因此，科学有效的研究煤体在非均布应力场作用下的劣化时空演化规律及瓦斯渗流规律，进一步构建可以准确描述煤体在非均布荷载作用下的应力-渗流耦合演化作用机制，揭示非均布荷载作用下瓦斯在煤体中的运移特性是非常重要的。研究成果有助于煤与瓦斯突出机理的探索和发展,对于煤与瓦斯突出灾害的预测与防治均具有一定意义。
发明内容
(一)发明目的
为了克服以上不足，本发明的目的在于提供一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，以解决上述技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，包括方形的试件本体和放置试件本体的试验箱，所述试验箱与试件本体之间设有油，所述试验箱上设有进排油口，所述试件本体上涂抹硅橡胶形成硅橡胶层，所述硅橡胶层的左端、右端和上端分别均匀设置五个加载动力单元，所述硅橡胶层的前后两端分别设与试件本体相通的加载渗流孔，两个所述加载渗流孔分别与加载渗流单元相对应，所述加载动力单元和加载渗流单元均密闭贯穿试验箱的试验孔与多线路伺服加载系统和监测分析系统电性连接，所述加载动力单元和加载渗流单元靠近试件本体的一侧均设有加载头，所述硅橡胶层的外侧套设热缩管，所述加载渗流单元的加载头内设置与试件本体相连通的渗流通道，前端的加载渗流单元通过注气管与注气系统相连接，后端的加载渗流单元与出气管相连接，所述出气管上设置流量传感器，所述流量传感器与监测分析系统电性连接。
优选的，所述加载头的后端与加载杆相连接，所述加载杆设置于试验孔内，所述试验孔的内壁与加载杆之间设有双密封圈，所述加载杆与液压油缸相连接，所述液压油缸上设有压力传感器和位移传感器，所述压力传感器和位移传感器分别与多线路伺服加载系统和检测分析系统电性连接。
优选的，所述加载头的材料为透明的帕姆板，所述加载头上设有微型摄像机，所述微型摄像机上设有照明灯，所述加载动力单元的加载头上设有声发射探头。
优选的，所述加载渗流单元的加载头靠近试件本体的一端设有密封环，所述密封环设置于加载渗流孔内并与加载渗流孔间隙配合。
优选的，所述试件本体为煤岩体，所述试件的尺寸为150mm×150mm×750mm。
优选的，所述试验箱为方形，所述试验箱包括上端开口的箱体和安装于箱体顶部的箱盖。
优选的，所述注气管上设有温控减压阀。
有益效果：
与现技术相比，该系统在上端、左端和右端各布置有五个加载动力单元，前后两侧各布置一个加载渗流单元，各个加载单元通过控制系统都可实现独立的应力加载或多个单元协同加载，同时前后两端的加载渗流单元可以实现在应力加载的同时进行气体渗流，以实现大尺度煤岩体在非均布荷载条件下的渗流试验；箱体内的液压油可以提供0～15MPa的围压，所有加载单元均可提供0～100MPa的加载强度，可以实施采集应力、位移、内部裂隙发育、流量、表面裂隙发育多种实验数据。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的截面图；
图3是加载渗透单元的加载头示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图1-3，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，包括方形的试件本体18和放置试件本体18的试验箱9，所述试件本体18为煤岩体，所述试件本体18的尺寸为150mm×150mm×750mm。所述试验箱9为方形，所述试验箱9包括上端开口的箱体和安装于箱体顶部的箱盖。箱盖的设置方便试件本体18的放置和其他单元的安装，所述试验箱9内设有液压油。所述试验箱9上设有进排油口3。通过进排油口3来控制试验箱9内油的多少，从而控制试验箱9内的液压油带来的围压大小。
所述试件本体18上涂抹硅橡胶形成硅橡胶层19，硅橡胶具有流动性好、粘结力强的优点，可以将试件本体18表面很好的密封，同时和热缩管实现紧密贴合，防止气体穿过。所述硅橡胶层19的左端、右端和上端分别均匀设置五个加载动力单元，所述硅橡胶层19的前后两端分别设与试件本体18相通的加载渗流孔，所述加载渗流单元的加载头13靠近试件本体18的一端设有密封环22，所述密封环22设置于加载渗流孔内并与加载渗流孔间隙配合。当加载头13运作时，密封环22始终在加载渗流孔内滑动，保证通过渗流通道16流出的气体始终在硅橡胶包裹的试件本体18内流动，使测试结果更加准确，同时密封环22具有一定的弹性，在对试件本体18进行应力测试时，能够起到缓冲作用。
所述试验箱9的上端、左端和右端分别开设5个试验孔，所述试验箱9的前端后端均开设一个试验孔，所述加载动力单元和加载渗流单元均密闭贯穿试验箱9的试验孔与多线路伺服加载系统14和监测分析系统11电性连接，所述加载动力单元和加载渗流单元靠近试件本体18的一侧均设有加载头13，所述硅橡胶层19的外侧套设热缩管。所述热缩管的密封包裹，加强了硅橡胶层19的密闭性。
所述加载渗流单元的加载头13内设置与试件本体18相连通的渗流通道16，前端的加载渗流单元通过注气管2与注气系统1相连接，所述注气管2上设有温控减压阀20，所述注气管2与高压气瓶相连接，后端的加载渗流单元与出气管10相连接，所述出气管10上设置流量传感器12，所述流量传感器12与监测分析系统11电性连接。所述流量传感器12用来监测气体流量的实施变化值，从而分析出当试件本体18受到非均布荷载作用下应力时的渗流。
所述加载头13的后端与加载杆7相连接，所述加载杆7设置于试验孔内，所述试验孔的内壁与加载杆7之间设有双密封圈13，所述双密封圈13安装于试验箱9上，保证加载杆7与试验孔之间的密封，防止液压油泄露。所述加载杆7与液压油缸4相连接，在液压油缸4的作用下实现对试件本体18的应力加载，每个加载头13都对应一个液压油缸4，从而使得每个加载头13的应力可调，使得试件本体18处于非均布荷载作用下。所述液压油缸4上设有压力传感器5和位移传感器6，所述压力传感器5和位移传感器6分别与多线路伺服加载系统14和监测分析系统11电性连接。通过压力传感器5和位移传感器6的设置，来有效的控制每个加载头13的应力。
所述加载头13的材料为透明的帕姆板，帕姆板具有强度高、透明度高的特点，便于后期的试验过程。所述加载头13上设有微型摄像机17，所述微型摄像机17上设有照明灯，用来监测试件本体18渗流左右两端面的裂隙发育情况，所述加载动力单元的加载头13上设有声发射探头8，用来监测各个加载点试件本体18的内部裂隙发育情况。
本发明在使用时，首先从井下采集大块完整煤岩体，然后搬运至取芯室，运送过程中要保证煤岩体不受外力破坏。然后用金刚石数控切割设备，将煤岩体切成150mm×150mm×750mm的大尺度标准试件本体18。
在加工好的试件本体18除加载渗流孔的表面外均匀涂抹硅橡胶，待硅橡胶干透后形成硅橡胶层19，套上热缩管保证密封放入试验箱9内，后将加载动力单元安装在热缩管的上端、左端和右端，加载渗流单元安装在加载渗流孔处，保证密闭完好，盖好箱体顶盖，拧紧所有螺丝。
控制所有加载头13位移至试件本体18或热缩管表面，然后通过进排油口3通入液压油，并达到预定围压值。然后通入渗流气体，气体压力应小于围压值，以免气体吹破硅橡胶层19，从硅橡胶层19和热缩管之间渗流，造成数据误差。
待气体渗流稳定后，通过控制各加载头13对试件本体18施加不均布荷载，同时通过监测分析系统对压力、位移、内部裂隙发育、流量、表面裂隙发育多种实验数据进行监测分析，并实时生成实验曲线。
与现技术相比，该系统在上端、左端和右端各布置有五个加载动力单元，前后两侧各布置一个加载渗流单元，各个加载单元通过控制系统都可实现独立的应力加载或多个单元协同加载，同时前后两端的加载渗流单元可以实现在应力加载的同时进行气体渗流，以实现大尺度煤岩体在非均布荷载条件下的渗流试验；箱体内的液压油可以提供0～15MPa的围压，所有加载单元均可提供0～100MPa的加载强度，可以实施采集应力、位移、内部裂隙发育、流量、表面裂隙发育多种实验数据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，包括方形的试件本体和放置试件本体的试验箱，所述试验箱与试件本体之间设有油，所述试验箱上设有进排油口，所述试件本体上涂抹硅橡胶形成硅橡胶层，所述硅橡胶层的左端、右端和上端分别均匀设置五个加载动力单元，所述硅橡胶层的前后两端分别设与试件本体相通的加载渗流孔，两个所述加载渗流孔分别与加载渗流单元相对应，所述加载动力单元和加载渗流单元均密闭贯穿试验箱的试验孔与多线路伺服加载系统和监测分析系统电性连接，所述加载动力单元和加载渗流单元靠近试件本体的一侧均设有加载头，所述硅橡胶层的外侧套设热缩管，所述加载渗流单元的加载头内设置与试件本体相连通的渗流通道，前端的加载渗流单元通过注气管与注气系统相连接，后端的加载渗流单元与出气管相连接，所述出气管上设置流量传感器，所述流量传感器与监测分析系统电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述加载头的后端与加载杆相连接，所述加载杆设置于试验孔内，所述试验孔的内壁与加载杆之间设有双密封圈，所述加载杆与液压油缸相连接，所述液压油缸上设有压力传感器和位移传感器，所述压力传感器和位移传感器分别与多线路伺服加载系统和监测分析系统电性连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述加载头的材料为透明的帕姆板，所述加载头上设有微型摄像机，所述微型摄像机上设有照明灯，所述加载动力单元的加载头上设有声发射探头。
4.根据权利要求1所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述加载渗流单元的加载头靠近试件本体的一端设有密封环，所述密封环设置于加载渗流孔内并与加载渗流孔间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述试件本体为煤岩体，所述试件本体的尺寸为150mm×150mm×750mm。
6.根据权利要求1所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述试验箱为方形，所述试验箱包括上端开口的箱体和安装于箱体顶部的箱盖。
7.根据权利要求1所述的一种非均布荷载作用下应力-渗流耦合演化可视化系统，其特征在于，所述注气管上设有温控减压阀。
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