CN207423688U - 煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，包括煤岩体实验平台、液态流体介质传导致裂机构和气态流体介质传导致裂机构，所述煤岩体实验平台包括计算机、实验箱和立方体相似模拟煤岩体，实验箱的侧壁和顶板上均安装有气缸，立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设有多个声发射传感器，立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层，液态流体介质传导致裂机构包括注液机，气态流体介质传导致裂机构包括炸药、起爆器和红外热像仪，计算机上连接有计时器、提示器和显示器。本实用新型可通过相似模拟煤岩体分析实际待模拟的煤岩体液态介质传导致裂和爆破过程中产生的气态介质传导致裂的影响，操作简单，直观有效。

Description

煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置

技术领域

本实用新型属于煤岩体气液两相流体介质传导致裂技术领域，具体涉及一种煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置。

背景技术

煤岩体致裂的方法主要有：爆破致裂、水压致裂，多用来提高煤岩体的冒放性、改善渗透性以及降低煤岩体局部范围内的应力集中或实现强制放顶等。但是煤岩体作为一种存在着大量的节理裂隙、裂纹等缺陷的非均匀、非连续性体，注水致裂及浸润过程爆炸与应力波在其中的传播十分复杂。现有的煤岩体致裂只是研究耦合致裂方案设计，缺乏对耦合致裂过程中液体和爆破产生的气体对裂纹扩展的影响的实际操作及研究。因此，现如今缺少一种煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，对水力压裂过程中液体是如何扩散的和爆破过程中产生的气体是如何传播的进行研究。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其设计新颖合理，可通过相似模拟煤岩体分析实际待模拟的煤岩体液态介质传导致裂和爆破过程中产生的气态介质传导致裂的影响，操作简单，直观有效，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：包括煤岩体实验平台、液态流体介质传导致裂机构和气态流体介质传导致裂机构，所述煤岩体实验平台包括计算机、实验箱和设置在实验箱内的相似模拟煤岩体，实验箱的侧壁和顶板上均安装有用于向相似模拟煤岩体施加压力的气缸，气缸通过气缸驱动器由计算机控制，相似模拟煤岩体为立方体相似模拟煤岩体，所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设有多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器，所述立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层，所述立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设有钻孔，数据检测层包括围绕钻孔中心对称设置的多个传感器组件，传感器组件由用于检测所述液态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的压力的压力传感器和用于检测所述气态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的温度的温度传感器组成，压力传感器、温度传感器和声发射传感器均与计算机进行数据通信；

所述液态流体介质传导致裂机构包括向钻孔内注入液体且用于调节所述液体压力参数的注液机，所述液体为与所述立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体，注液机与计算机进行通信；

所述气态流体介质传导致裂机构包括向钻孔内填装的炸药、起爆所述炸药的起爆器和用于采集所述立方体相似模拟煤岩体爆破气体传播扩散的情况的红外热像仪，红外热像仪与计算机进行通信；

计算机上连接有用于设定所述液态流体介质传导致裂机构传导致裂后裂隙发育时间的计时器、用于提示实验人员裂隙发育充分的提示器和用于显示气液两相流体介质传导致裂的裂纹扩展情况的显示器。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述声发射传感器的数量为六个，六个所述声发射传感器分别为第一声发射传感器、第二声发射传感器、第三声发射传感器、第四声发射传感器、第五声发射传感器和第六声发射传感器，第一声发射传感器和第二声发射传感器分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和前侧面的相交边的两个顶点位置处，第三声发射传感器安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和后侧面的相交边的中点位置处，第四声发射传感器安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和前侧面的相交边的中点位置处，第五声发射传感器和第六声发射传感器分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和后侧面的相交边的两个顶点位置处。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述数据检测层的层数为多层。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述钻孔的深度为0.2h～0.8h，其中，h为所述立方体相似模拟煤岩体的边长。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述提示器为指示灯或无线通信模块。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述无线通信模块为与实验人员手机通信的GSM模块或短信猫模块。

上述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型通过在实验箱的侧壁和顶板上均设置气缸，用于向相似模拟煤岩体施加压力，便于模拟实际煤岩体所受周围岩体压力，相似模拟煤岩体为内置数据检测层的立方体相似模拟煤岩体，制作简单，数据检测层由围绕钻孔中心对称设置的多个传感器组件组成，测量立方体相似模拟煤岩体受压和温度变化均匀，便于推广使用。

2、本实用新型通过调制与立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体注入立方体相似模拟煤岩体内，便于后期切开立方体相似模拟煤岩体观察水力压裂过程中液体是如何扩散的；通过在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内填装炸药，利用红外热像仪和预先设置的温度传感器测量固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内爆破过程产生的气体是如何传播的。

3、本实用新型在立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处设置声发射传感器，全方位的检测裂纹的扩展方向、扩展深度和扩展范围，可靠稳定，使用效果好。

综上所述，本实用新型设计新颖合理，可通过相似模拟煤岩体分析实际待模拟的煤岩体液态介质传导致裂和爆破过程中产生的气态介质传导致裂的影响，操作简单，直观有效，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型煤岩体实验平台的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本实用新型相似模拟煤岩体和声发射传感器的安装关系示意图。

图4为本实用新型的电路原理图。

附图标记说明:

1—实验箱； 2—相似模拟煤岩体； 3—气缸；

4—声发射传感器； 4-1—第一声发射传感器；

4-2—第二声发射传感器； 4-3—第三声发射传感器；

4-4—第四声发射传感器； 4-5—第五声发射传感器；

4-6—第六声发射传感器； 5—数据检测层；

6—钻孔； 7—传感器组件； 7-1—压力传感器；

7-2—温度传感器； 8—计算机； 9—计时器；

10—提示器； 11—显示器； 12—注液机；

13—气缸驱动器； 14—红外热像仪。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，包括煤岩体实验平台、液态流体介质传导致裂机构和气态流体介质传导致裂机构，所述煤岩体实验平台包括计算机8、实验箱1和设置在实验箱1内的相似模拟煤岩体2，实验箱1的侧壁和顶板上均安装有用于向相似模拟煤岩体2施加压力的气缸3，气缸3通过气缸驱动器13由计算机8控制，相似模拟煤岩体2为立方体相似模拟煤岩体，所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设有多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器4，所述立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层5，所述立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设有钻孔6，数据检测层5包括围绕钻孔6中心对称设置的多个传感器组件7，传感器组件7由用于检测所述液态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的压力的压力传感器7-1和用于检测所述气态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的温度的温度传感器7-2组成，压力传感器7-1、温度传感器7-2和声发射传感器4均与计算机8进行数据通信；

需要说明的是，根据实际煤岩体的物理特性制作与其物理特性相似的相似模拟煤岩体2，将相似模拟煤岩体2设置在实验箱1内，实际使用中实验箱1采用防爆实验箱，避免实验失误造成不必要的破坏和损失，实验箱1的侧壁和顶板上均安装用于向相似模拟煤岩体2施加压力的气缸3的目的是模拟实际煤岩体所受周围岩体压力，符合实际情况，相似模拟煤岩体2采用立方体相似模拟煤岩体的目的一是便于相似模拟煤岩体2的制作，二是便于预先布设数据检测层5，实际使用中，需在相似模拟煤岩体2顶端中心位置处向下开设钻6孔，数据检测层5绕钻孔6中心对称的位置处布设，便于均匀的测量实验数据，数据获取可靠性高；本实施例中，所述数据检测层5的层数为多层；实际使用中，根据力的传播特性以及立方体相似模拟煤岩体的尺寸，没间隔20cm～30cm布设一层数据检测层5，测量精度高。

实际使用时，在所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设多个声发射传感器4，用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的，本实施例中，所述声发射传感器4的数量为六个，六个所述声发射传感器4分别为第一声发射传感器4-1、第二声发射传感器4-2、第三声发射传感器4-3、第四声发射传感器4-4、第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6，第一声发射传感器4-1和第二声发射传感器4-2分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和前侧面的相交边的两个顶点位置处，第三声发射传感器4-3安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和后侧面的相交边的中点位置处，第四声发射传感器4-4安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和前侧面的相交边的中点位置处，第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和后侧面的相交边的两个顶点位置处；保证了立方体相似模拟煤岩体的底面、前侧面、顶面和后侧面上均包括三个声发射传感器，利用位于底面的第一声发射传感器4-1、第二声发射传感器4-2和第三声发射传感器4-3由下至上探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于顶面的第四声发射传感器4-4、第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6由上至下探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于前侧面的第一声发射传感器4-1、第二声发射传感器4-2和第四声发射传感器4-4由前至后探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于后侧面的第三声发射传感器4-3、第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6由后至前探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，实现全方位对立方体相似模拟煤岩体进行裂纹探测，采用六个所述声发射传感器4的目的一是避免造成多余声发射传感器4的使用带来的资源浪费，增加成本，同时增大数据处理的复杂度；二是为了确保全方位对立方体相似模拟煤岩体进行裂纹探测，探测效果好。

所述液态流体介质传导致裂机构包括向钻孔6内注入液体且用于调节所述液体压力参数的注液机12，所述液体为与所述立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体，注液机12与计算机8进行通信；

需要说明的是，通过调制与立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体注入立方体相似模拟煤岩体内，便于后期切开立方体相似模拟煤岩体观察水力压裂过程中液体是如何扩散的。

所述气态流体介质传导致裂机构包括向钻孔6内填装的炸药、起爆所述炸药的起爆器和用于采集所述立方体相似模拟煤岩体爆破气体传播扩散的情况的红外热像仪14，红外热像仪14与计算机8进行通信；

需要说明的是，通过在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内填装炸药，利用红外热像仪14和预先设置的温度传感器7-2测量固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内爆破过程产生的气体是如何传播的。

计算机8上连接有用于设定所述液态流体介质传导致裂机构传导致裂后裂隙发育时间的计时器9、用于提示实验人员裂隙发育充分的提示器10和用于显示气液两相流体介质传导致裂的裂纹扩展情况的显示器11。

需要说明的是，计算机8上连接计时器9的目的是用于设定所述液态流体介质传导致裂机构传导致裂后裂隙发育时间，实际使用中，计时器9可替代实验人员人工记录时间，避免耽误或错过实验时间，使固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体错过最佳时机，计算机8上连接提示器10的目的是主动提示实验人员，本实施例中，所述提示器10为指示灯或无线通信模块；其中，所述无线通信模块为与实验人员手机通信的GSM模块或短信猫模块，实现实验装置的自动化运行。

本实施例中，所述钻孔6的深度为0.2h～0.8h，其中，h为所述立方体相似模拟煤岩体的边长。

需要说明的是，钻孔6的深度过低或过深时，炸药起不到充分的爆炸效果，容易造成实验的失效，优选的钻孔6的深度采用0.6h。

本实施例中，所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个，满足多次实验的需求。

本实用新型使用时，预制多个立方体相似模拟煤岩体，并在建立立方体相似模拟煤岩体的过程中，在立方体相似模拟煤岩体内埋设数据检测层5，在立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设钻孔6，取一个所述立方体相似模拟煤岩体放置在实验箱1内，利用计算机8控制气缸驱动器13使实验箱1的侧壁和顶板上安装的多个气缸3向所述立方体相似模拟煤岩体施加压力，模拟所述实际待模拟的煤岩体受环境周围岩体的压力，在所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器4，通过注液机12调节注入液体的压力参数，使用注液机12向钻孔6内注入液体，直至注入的液体渗漏出所述立方体相似模拟煤岩体或注入的液体压力降低，所述液体为与所述立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体，同时建立注液机12与计算机8的通信，通过计时器9设定所述立方体相似模拟煤岩体注入液体后静置的时间阈值，利用计时器9计时，当所述立方体相似模拟煤岩体注入液体后静置时间达到计时器9设定的时间阈值时，计算机8控制提示器10提示实验人员静置时间完成，实现液态介质传导致裂的裂隙的充分发育，得到固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体，向固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的钻孔6内填装炸药，利用起爆器起爆所述炸药，竖向均分切开固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体，采用两个红外热像仪14分别对爆破后切开的固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的腔体进行扫描，获取所述腔体内气体温度分布值，并将红外热像仪14扫描后得到的温度分布值传输至计算机8，计算机8利用温度分布值和温度传感器7-2采集的温度数据，绘制温度分布图，得到爆破时气体在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体中的传导致裂数据，同时可观察带色液体在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体裂纹中的方向、深度和范围，拆卸声发射传感器4，计算机8控制气缸驱动器13使气缸3缩回，清除实验箱1内固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的残留物；更换立方体相似模拟煤岩体，多次实验获取注入液体的不同压力参数和固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的钻孔6内填装炸药的不同单耗量导致的传导致裂数据。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：包括煤岩体实验平台、液态流体介质传导致裂机构和气态流体介质传导致裂机构，所述煤岩体实验平台包括计算机(8)、实验箱(1)和设置在实验箱(1)内的相似模拟煤岩体(2)，实验箱(1)的侧壁和顶板上均安装有用于向相似模拟煤岩体(2)施加压力的气缸(3)，气缸(3)通过气缸驱动器(13)由计算机(8)控制，相似模拟煤岩体(2)为立方体相似模拟煤岩体，所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设有多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器(4)，所述立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层(5)，所述立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设有钻孔(6)，数据检测层(5)包括围绕钻孔(6)中心对称设置的多个传感器组件(7)，传感器组件(7)由用于检测所述液态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的压力的压力传感器(7-1)和用于检测所述气态流体介质传导致裂机构对所述立方体相似模拟煤岩体传导致裂产生的温度的温度传感器(7-2)组成，压力传感器(7-1)、温度传感器(7-2)和声发射传感器(4)均与计算机(8)进行数据通信；

所述液态流体介质传导致裂机构包括向钻孔(6)内注入液体且用于调节所述液体压力参数的注液机(12)，所述液体为与所述立方体相似模拟煤岩体颜色不同的带色液体，注液机(12)与计算机(8)进行通信；

所述气态流体介质传导致裂机构包括向钻孔(6)内填装的炸药、起爆所述炸药的起爆器和用于采集所述立方体相似模拟煤岩体爆破气体传播扩散的情况的红外热像仪(14)，红外热像仪(14)与计算机(8)进行通信；

计算机(8)上连接有用于设定所述液态流体介质传导致裂机构传导致裂后裂隙发育时间的计时器(9)、用于提示实验人员裂隙发育充分的提示器(10)和用于显示气液两相流体介质传导致裂的裂纹扩展情况的显示器(11)。

2.按照权利要求1所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述声发射传感器(4)的数量为六个，六个所述声发射传感器(4)分别为第一声发射传感器(4-1)、第二声发射传感器(4-2)、第三声发射传感器(4-3)、第四声发射传感器(4-4)、第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)，第一声发射传感器(4-1)和第二声发射传感器(4-2)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和前侧面的相交边的两个顶点位置处，第三声发射传感器(4-3)安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和后侧面的相交边的中点位置处，第四声发射传感器(4-4)安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和前侧面的相交边的中点位置处，第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和后侧面的相交边的两个顶点位置处。

3.按照权利要求1所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述数据检测层(5)的层数为多层。

4.按照权利要求1所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述钻孔(6)的深度为0.2h～0.8h，其中，h为所述立方体相似模拟煤岩体的边长。

5.按照权利要求1所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述提示器(10)为指示灯或无线通信模块。

6.按照权利要求5所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述无线通信模块为与实验人员手机通信的GSM模块或短信猫模块。

7.按照权利要求1所述的煤岩体气液两相流体介质传导致裂模拟装置，其特征在于：所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个。