CN117969277A - 高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，包括以下步骤：步骤一、试样准备；步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；步骤三、对试样进行加热；步骤四、施加真三轴地应力；步骤五、开启高速摄像机；对加载全过程进行可视化监测并记录；步骤六、同组其他试验；步骤七、试验结束。能进行大尺寸的软岩变形全进程可视化模拟，模拟过程更加真实可靠，且自动化程度高。
Description
技术领域
本发明属于煤层开采模拟试验技术领域，具体涉及一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法。
背景技术
现有的软岩变形模拟试验方法主要存在以下问题：(1)所采用的模型尺寸较小，模拟软岩变形的发展过程有一定的空间限制，不能够准确模拟软岩变形的真实场景；(2)装置安装的自动化程度较低。
发明内容
本发明拟提供一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，能进行大尺寸的软岩变形模拟，模拟过程更加真实可靠。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，包括以下步骤：
步骤一、试样准备；
选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，将模型材料在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa；再将试件箱箱体吊装至转运架上；
步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱，试件箱及主体模型的外壳均采用高强度透明玻璃制成，在主体模型外安装有高速摄像机；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；
步骤三、对试样进行加热；
在试件箱底部铺设有电加热管，电热管里的合金电热丝通电发热，通过填充在管子里并压缩非常紧实的氧化镁粉传导热量，至电热管管体，对试件箱内的材料进行加热，最高可加热至250℃，控温精度±1℃；
步骤四、施加真三轴地应力；
根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σx＝σy＝σz的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；
步骤五、开启高速摄像机；
对加载全过程进行可视化监测并记录；
步骤六、同组其他试验；更换软岩地层模型材料，或者改变真三轴地应力，改变温度，重复步骤一至步骤五；
步骤七、试验结束；
试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。
作为上述方案的优选，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块；试件箱模块下方的下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；所述试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方。
进一步优选为，还包括用于支撑主体模型的主体架，所述主体架呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架外。
进一步优选为，所述主体架的右侧设置有转运滑轨，且转运滑轨延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨的宽度小于主体架的内空宽度；转运滑轨上滑动安装有所述转运架，转运架分为试件箱升降转运架和右圆端盖转运架，试件箱升降转运架能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架顶部呈弧形用于托起右圆端盖，试件箱升降转运架升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架能向左滑动到设定位置进行右圆端盖的安装。
本发明的有益效果：能进行大尺寸的软岩变形模拟，模拟过程更加真实可靠，且自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的步骤示意图。
图2为多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统的主体模型示意图。
图3为图1的内部左视图。
图4为试件箱的结构示意图。
图5为图4的内部左视图。
图6为加热管、控温探头、超声波探头的布置简易示图。
图7为防窜流板简易示图。
图8为试件箱装入主体高压腔模块前的状态。
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：
如图1所示，一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
步骤一、试样准备；
选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，将模型材料在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa；再将试件箱箱体吊装至转运架上；
步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱，试件箱及主体模型的外壳均采用高强度透明玻璃制成，在主体模型外安装有高速摄像机；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；
步骤三、对试样进行加热；
在试件箱底部铺设有电加热管，电热管里的合金电热丝通电发热，通过填充在管子里并压缩非常紧实的氧化镁粉传导热量，至电热管管体，对试件箱内的材料进行加热，最高可加热至250℃，控温精度±1℃；
步骤四、施加真三轴地应力；
根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σx＝σy＝σz的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；
步骤五、开启高速摄像机；
对加载全过程进行可视化监测并记录；
步骤六、同组其他试验；更换软岩地层模型材料，或者改变真三轴地应力，改变温度，重复步骤一至步骤五；
步骤七、试验结束；
试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。
如图2—图3所示，多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统的主体模型，主要由主体高压腔模块和试件箱两部分组成。
主体高压腔模块的外壳1是采用圆环3、左圆端盖4、右圆端盖5结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构。在圆环3内壁的前后上下分别安装有前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11。前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11围成一个矩形腔正好供试件箱放入。
左圆端盖4上贯穿安装有轴向液压缸6，右圆端盖5的中部贯穿设置有通道，可用于渗流试验、冲孔或突出试验。
左圆端盖4、右圆端盖5上分别贯穿开有线束管路引出孔7，下垫块11顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器8，升降器8能突出下垫块11外，也能沉入下垫块11内。每个升降器8采用前后间隔并对称设置的双轮结构，实现前后双支撑，受力平衡、稳定。每个升降器8采用单独的液压驱动，所有升降器8通过控制系统控制同步升降运动。
结合图2—图5所示，试件箱是采用左侧板12、底板13、顶板14、右侧板15、前侧板23、后侧板24结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，确保矩形试件在主体模型内居中设置。在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板16、顶部左右依次安装有若干上压板17、前部左右依次安装有若干前压板18。轴向液压缸6能穿过左侧板12与左压板16相连，每个上压板17通过贯穿安装在顶板14上的上垫块19与顶部液压缸20相连，顶部液压缸20带有液压活塞20a，通过液压活塞20a作用上垫块19，再由上压板17对矩形试件施加载荷。每个前压板18通过贯穿安装在前侧板23上的侧垫块21与侧向液压缸22相连，侧向液压缸22也带有液压活塞，通过液压活塞作用侧垫块21，再由前压板18对矩形试件施加载荷。
结合图2—图6所示，上压板17、前压板18、底板13、后侧板24上开孔安装有若干加热管27和控温探头28，上压板17、前压板18、左压板16、底板13、后侧板24、右侧板15上开孔安装有若干超声波探头29。试件箱的底部通过衬板25左右间隔地安装有一列滚轮26，当试件箱推入主体高压腔模块内时，升降器8支撑在滚轮26下方。
最好是，在轴向液压缸6的腔体上安装有高频振动器，在高压气源作用下，产生高速振动，高频振动力能通过对应的液压腔体、液压活塞、左压板16向右传递到试件上。
在底板13的正上方设置有与上压板17一一对应的防窜流板30，结合图7所示，防窜流板30上开设有中心进气孔30a和若干环绕中心进气孔30a的环形槽30b，且所有环形槽30b与中心进气孔30a通过呈发散状分布的联络槽30c连通，进气管横向穿过试件箱的后侧壁接入中心进气孔30a的底部。环形槽30b为矩形或圆形，并等距间隔分布。
进气管横向穿过试件箱的后侧壁接入中心进气孔30a的底部，防窜流板30的上方安装有透气隔板31，在试件的左右两端安装有过滤板32，在试件的上下前后安装有密封垫33。
试件箱的内腔能安装长1000×宽400×高400mm的矩形试件，主体高压腔模块的内部耐压10MPa。
轴向液压缸6仅一个，最大加载压力为5000kN；顶部液压缸20、侧向液压缸22各四组，每组液压缸配备有两个并联的液压加载系统进行加压，其中一个为静载荷加载系统，另一个为动载荷加载系统，单组液压加载装置最大加载压力为3000kN，每组液压加载系统单独控制一个压板并在对应的压板上左右居中设置，轴向液压缸6、顶部液压缸20、侧向液压缸22均能进行动静载荷的加载。
如图8所示，多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统，除包括主体模型外，还包括用于支撑主体模型的主体架37、转运滑轨36、试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35。试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35统称为转运架。
主体架37用于支撑主体模型，主体架37呈矩形框架结构，主体模型的左右两端均伸到主体架37外。主体架37的右侧设置有转运滑轨36，且转运滑轨36延伸到主体高压腔模块的正下方，且转运滑轨36的宽度小于主体架37的内空宽度。转运滑轨36上滑动安装有试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35，试件箱升降转运架34能进行升降运动，并用于支撑试件箱。右圆端盖转运架35顶部呈弧形用于托起右圆端盖5，试件箱升降转运架34升起后正好能使试件箱水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架34下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于试件箱升降转运架滑入主体高压腔模块的下方，从而使右圆端盖转运架35能向左滑动到设定位置进行右圆端盖5的安装。
主体模型的主要特点：
(1)主体高压腔模块的外壳是采用圆环、左圆端盖、右圆端盖结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓，与传统由六块板围成的外方内方的压力仓结构截然不同；同时，由于试件箱本身为矩形，为满足试件箱的安装，创造性地在高压封闭压力仓内壁的前后上下分别安装异形的前、后、上和下垫块，并通过前、后、上和下垫块围成一个正好供试件箱放入的矩形腔，从而形成外圆内方的试件箱安装环境，内部耐压能力更强，密封能力更好，能提供的内部耐压高达10MPa，为动静荷载复杂环境中煤层采空区顶板自然垮塌模拟试验提供更好的试验环境；
(2)下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列能突出或沉入下垫块的升降器，同时在试件箱的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方，能更加轻松省力地进行试件箱的推入拉出，提高了安装的自动化程度，使大型模拟试验操作更加轻松省力；
(3)上压板、前压板、底板、后侧板上开孔安装有若干加热管和控温探头，上压板、前压板、左压板、底板、后侧板、右侧板上开孔安装有若干超声波探头，还可开展三维应力-渗流-温度多场耦合条件下裂隙岩体渗流试验；并结合底板的正上方设置的防窜流板，防窜流板的上方安装有透气隔板，在试件的左右两端安装有过滤板，在试件的上下前后安装有密封垫，既能防止窜流，又能保证透气性好，并具备过滤和密封多种效果。
Claims (4)
1.一种高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试样准备；
选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，将模型材料在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa；再将试件箱箱体吊装至转运架上；
步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱，试件箱及主体模型的外壳均采用高强度透明玻璃制成，在主体模型外安装有高速摄像机；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；
步骤三、对试样进行加热；
在试件箱底部铺设有电加热管，电热管里的合金电热丝通电发热，通过填充在管子里并压缩非常紧实的氧化镁粉传导热量，至电热管管体，对试件箱内的材料进行加热，最高可加热至250℃，控温精度±1℃；
步骤四、施加真三轴地应力；
根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σx＝σy＝σz的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；
步骤五、开启高速摄像机；
对加载全过程进行可视化监测并记录；
步骤六、同组其他试验；更换软岩地层模型材料，或者改变真三轴地应力，改变温度，重复步骤一至步骤五；
步骤七、试验结束；
试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。
2.按照权利要求1所述的高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，其特征在于：所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块；试件箱模块下方的下垫块(11)顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器(8)，所述升降器(8)能突出下垫块(11)外，也能沉入下垫块(11)内；所述试件箱模块的底部通过衬板(25)左右间隔地安装有一列滚轮(26)，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器(8)支撑在滚轮(26)下方。
3.按照权利要求2所述的高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，其特征在于：还包括用于支撑主体模型的主体架(37)，所述主体架(37)呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架(37)外。
4.按照权利要求3所述的高温应力环境下软岩变形全进程可视化的真三轴试验方法，其特征在于：所述主体架(37)的右侧设置有转运滑轨(36)，且转运滑轨(36)延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨(36)的宽度小于主体架(37)的内空宽度；转运滑轨(36)上滑动安装有所述转运架，转运架分为试件箱升降转运架(34)和右圆端盖转运架(35)，试件箱升降转运架(34)能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架(35)顶部呈弧形用于托起右圆端盖(5)，试件箱升降转运架(34)升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架(34)下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架(35)能向左滑动到设定位置进行右圆端盖(5)的安装。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |