技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于礦山工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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在多煤層開采礦井中瓦斯災(zāi)害防治、應(yīng)用保護層開采技術(shù)防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的煤層開采過程中，由于煤層的采掘會造成鄰近煤巖體卸壓，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，并產(chǎn)生大量裂隙，在裂隙帶內(nèi)煤巖體的滲透特性會產(chǎn)生顯著變化，影響著瓦斯的流動和聚集特征，為了提高卸壓瓦斯的抽采效率、避免卸壓瓦斯災(zāi)害的發(fā)生，需要研究鄰近煤巖體滲透特性的演化規(guī)律，以指導瓦斯抽采方案的設(shè)計?，F(xiàn)有的試驗裝置通常包括試驗箱體、壓力加載系統(tǒng)、氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力應(yīng)變測量系統(tǒng)，試驗箱體寬度小，一般不超過30cm，只能進行二維變形條件下滲流特性研究，試驗箱體內(nèi)設(shè)有保護層和被保護層，但所述保護層在開采的過程中，沒有設(shè)定保護邊界，只能進行二維條件下的平面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，因此未能模擬出保護層開采過程中其四周真實的受力條件，那么滲透率、應(yīng)變應(yīng)力的測量結(jié)果也不夠準確，對瓦斯抽采方案的設(shè)計造成一定影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)，其能真實模擬保護層開采過程中的四周受力條件，精準測量保護層煤巖體的應(yīng)變應(yīng)力和滲透率。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：提供一種三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)，包括煤巖體密封箱體、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、恒壓氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，所述煤巖體密封箱體包括框架和底座，所述框架固定在底座上，框架的前端面和后端面分別安裝帶有小孔的有機玻璃板，其余各面由鋼板密封而成；

所述煤巖體密封箱體的頂壁內(nèi)側(cè)安裝有多組油壓缸，每組油壓缸均與一上壓板連接，所述油壓缸通過高壓鋼管與所述軸壓加載裝置連接，所述煤巖體密封箱體的一側(cè)壁內(nèi)側(cè)安裝有壓力氣囊與一側(cè)壓板連接，所述壓力氣囊通過高壓鋼管與所述圍壓加載裝置連接，所述煤巖體密封箱體內(nèi)鋪設(shè)有保護層和被保護層，所述保護層分為待回采的中心回采區(qū)域和邊界保護區(qū)域，所述中心回采區(qū)域內(nèi)設(shè)有模擬回采層，所述模擬回采層包括沿著回采方向依次放置的多個承壓柔性氣囊，所述多個承壓柔性氣囊外邊緣用矩形框體圍起，相鄰兩所述承壓柔性氣囊之間用隔板間隔定位，所述煤巖體密封箱體的底壁內(nèi)側(cè)安裝有導管連通外界與所述模擬回采層，所述恒壓氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)包括氣體加載裝置和電子氣體流量計，所述氣體加載裝置通過高壓鋼管與所述煤巖體密封箱體的進氣孔連接并連通所述被保護層，所述進氣孔為位于框架后端面的所述有機玻璃板上的多個小孔，所述電子氣體流量計與所述密封箱體的測量孔連接，所述測量孔為位于框架前端面的所述有機玻璃板上與所述進氣孔對應(yīng)設(shè)置的多個小孔；

所述應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力盒和計算機，所述壓力盒安裝在所述被保護層中的應(yīng)力測試點上，所述應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖光柵傳感器、可發(fā)出光信號的光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)采集計算機，所述光纖光柵傳感器垂直埋設(shè)在所述被保護層中的應(yīng)變測試點上。

所述軸壓加載裝置包括油壓罐、與所述油壓罐連接的油壓泵和設(shè)于所述油壓泵上的壓力表。

所述圍壓加載裝置包括高壓充氣瓶和設(shè)于所述高壓充氣瓶上的壓力表。

所述氣體加載裝置包括高壓瓦斯瓶和設(shè)于其上的減壓閥和壓力表。

所述多組油壓缸為四組，每組油壓缸包括前后對齊設(shè)置的兩個油壓缸。

所述框架前端面和后端面的所述有機玻璃板上的小孔對稱設(shè)置，均排列為6排，每排為10個。

所述應(yīng)變測試點為10個。

所述光纖光柵傳感器的光纖套設(shè)有保護套管。

本發(fā)明還提供一種采用上述三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)進行煤體滲透特性測試的方法，包括以下步驟：

步驟1、鋪設(shè)模型和組裝三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)：

步驟101：根據(jù)待研究礦井的實際地質(zhì)條件設(shè)定保護層和被保護層的高度；

步驟102：將帶有小孔的前、后有機玻璃板分別安裝在框架的前端面和后端面上，在框架的底面和其中一側(cè)面均安裝鋼板形成煤巖體密封箱體的底壁和一側(cè)壁，在所述側(cè)壁內(nèi)側(cè)安裝好壓力氣囊和側(cè)壓板，在所述底壁內(nèi)側(cè)安裝導管至模擬回采層高度，在框架后端面的有機玻璃板上選擇小孔作為進氣孔并安裝導氣管直接深入到被保護層中1～2cm，導氣管的另一端與氣體加載裝置連接；

步驟103：將配比好的相似材料按著實驗要求對模型進行逐層鋪設(shè)，并對每一分層進行節(jié)理劃分，均勻撒上云母粉，再次壓實后進行下一層的鋪設(shè)，框架上與安裝有壓力氣囊和側(cè)壓板的側(cè)面相對的另一側(cè)面用寬度為10cm的槽鋼隨著模型的鋪設(shè)逐層安裝至框架的頂部；當模型鋪設(shè)至保護層高度位置時，根據(jù)模擬保護層的厚度選用合適的承壓柔性氣囊，并對承壓柔性氣囊進行充氣，達到設(shè)計的模擬回采層高度；當模型鋪設(shè)至被保護層高度位置時，在被保護層中鋪設(shè)壓力盒和光纖光柵傳感器，并將數(shù)據(jù)線通過框架后端面的有機玻璃板上相應(yīng)的小孔輸出連接計算機、光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)采集計算機，同時在框架前端面的有機玻璃板上選擇小孔作為測量孔與電子氣體流量計連接，最后直至模型鋪設(shè)完畢；

步驟104：待模型達到一定的穩(wěn)定程度后，將所述槽鋼相間隔的卸掉，使模型晾干，之后在有所述槽鋼的一側(cè)安裝整塊鋼板形成煤巖體密封箱體的另一側(cè)壁，最后將安裝好上壓板和油壓缸的頂部鋼板蓋上，并進行煤巖體密封箱體的密封；

步驟105：將圍壓加載裝置通過煤巖體密封箱體的進氣口與所述壓力氣囊連接，將軸壓加載裝置與所述油壓缸連接；

步驟2、通過圍壓加載裝置和軸壓加載裝置給模型施加相應(yīng)的圍壓和軸壓來模擬真實受力環(huán)境；

步驟3、對被保護層的煤巖體滲透特性進行測試：對模擬回采層中的承壓柔性氣囊按照回采方向進行逐一泄氣，兩相鄰承壓柔性氣囊之間的隔板會隨著承壓柔性氣囊的依次卸壓而向開采方向發(fā)生傾倒，并通過氣體加載裝置對被保護層進行氣體加載，并隨著保護層的開采逐一打開測量孔，待電子氣體流量計數(shù)值穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，同時通過計算機、數(shù)據(jù)采集計算機對應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行采集；

步驟4：保護層開采完畢，即承壓柔性氣囊全部卸壓后，對數(shù)據(jù)進行歸納、處理；并根據(jù)瓦斯流出被保護層的流量計算煤巖體的滲透性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1、所述保護層分為待回采的中心回采區(qū)域和邊界保護區(qū)域，所述中心回采區(qū)域內(nèi)設(shè)有模擬回采層，用于模擬回采過程，所述邊界保護區(qū)域?qū)λ鲋行幕夭蓞^(qū)域?qū)嵭斜Ｗo，使得保護層回采過程中，回采面四周均受到保護邊界約束，更加真實的模擬出了保護層回采過程中其四周的受力條件，使得應(yīng)變應(yīng)力、滲透率測量結(jié)果更加接近實際；

2、所述模擬回采層包括沿著回采方向依次放置的多個承壓柔性氣囊，可模擬上保護層開采、下保護層開采和多煤層開采過程中固氣耦合特征；所述多個承壓柔性氣囊用一矩形框體圍起，相鄰兩所述承壓柔性氣囊之間用隔板間隔定位，且所述煤巖體密封箱體的底壁內(nèi)側(cè)安裝有導管連通外界與所述模擬回采層，所述隔板與所述矩形框體共同保證了模擬回采過程中承壓柔性氣囊的形狀穩(wěn)定性；所述導管實現(xiàn)對所述承壓柔性氣囊填充或排泄氣體、水等介質(zhì)的控制，在對保護層回采過程中按照時間相似比沿著回采方向?qū)⒚總€承壓柔性氣囊依次通過所述導管泄氣或排水以達到模擬回采效果，因此解決了在有邊界保護區(qū)域存在時對模擬回采過程的控制；

3、所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀發(fā)出的光信號傳輸至所述光纖光柵傳感器，經(jīng)過所述光纖光柵傳感器處理后，符合反射條件的光被反射，反射光被所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀接收，所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀對這些波長進行識別，將得到的應(yīng)力傳感信息傳輸給數(shù)據(jù)采集計算機進行處理分析，得到的應(yīng)變信息更加精確。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)中煤巖體密封箱體的立體圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)中恒壓氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)與煤巖體密封箱體的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)中煤巖體密封箱體的前、后端面上有機玻璃板上小孔布置示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)中被保護層、模擬回采層布置示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)中被保護層中光纖光柵傳感器布置示意圖；

本實施例中：1-被保護層，2-保護層，3-油壓缸，4-上壓板，5-側(cè)壓板，6-框架，7-承壓柔性氣囊，8-油壓泵，9-油壓罐，10-高壓鋼管，11-高壓瓦斯瓶，12-壓力表，13-底座，14-導管，15-壓力氣囊，16-高壓充氣瓶，17-隔板，18-電子氣體流量計，19-壓力盒，20-小孔，21-有機玻璃板，22-光纖，23-光纖光柵傳感器，24-中心回采區(qū)域，25-邊界保護區(qū)域，26-回采方向，30-煤巖體密封箱體。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參考圖1，本發(fā)明提供的一種三維模擬卸壓煤巖體的滲透特性測試系統(tǒng)，包括煤巖體密封箱體30、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、恒壓氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。所述煤巖體密封箱體30包括框架6和底座13，所述框架6固定在所述底座13上，所述框架6內(nèi)腔的尺寸為1700mm×1200mm×1300mm，所述框架6的前端面和后端面分別安裝帶有小孔20的有機玻璃板21，其余各面由鋼板密封而成，即為所述煤巖體密封箱體30的左側(cè)壁、右側(cè)壁、底壁和頂壁，所述有機玻璃板21用柔性密封膠帶與框架之間密封。

如圖1和圖2所示，所述煤巖體密封箱體30的頂壁內(nèi)側(cè)安裝有4組油壓缸3，每組油壓缸3包括前后對齊設(shè)置的2個油壓缸3，共計8個油壓缸3，每組油壓缸3均與1片上壓板4連接，共計4片上壓板4，所述8個油壓缸3均通過高壓鋼管10與所述軸壓加載裝置連接，所述煤巖體密封箱體30的左側(cè)壁內(nèi)側(cè)安裝有壓力氣囊15與一側(cè)壓板5連接，所述壓力氣囊15通過高壓鋼管10與所述圍壓加載裝置連接，所述8個油壓缸3與所述壓力氣囊15通過所述上壓板4和側(cè)壓板5可以對煤巖體均勻施加軸壓和圍壓，模擬不同壓力條件下的應(yīng)力環(huán)境。

所述軸壓加載裝置包括油壓罐9、與所述油壓罐9連接的油壓泵8和設(shè)于所述油壓泵8上的壓力表12，所述圍壓加載裝置包括高壓充氣瓶16和設(shè)于所述高壓充氣瓶16上的壓力表12，所述壓力表12實現(xiàn)對加載軸壓、圍壓的壓力大小的監(jiān)測與控制。

如圖1和圖3所示，所述恒壓氣體加載及流量監(jiān)測系統(tǒng)包括氣體加載裝置和電子氣體流量計18，所述煤巖體密封箱體30內(nèi)鋪設(shè)有被保護層1和保護層2，為了能夠真實的模擬瓦斯在煤層中的運移特征，所述氣體加載裝置通過高壓鋼管10與所述煤巖體密封箱體30的進氣口連接，對所述被保護層1充氣，所述氣體加載裝置包括高壓瓦斯瓶11和設(shè)于其上的減壓閥和壓力表12；所述電子氣體流量計18與所述密封箱體30的測量孔連接，來測量被保護層1在保護層開采條件下的滲透率。如圖4所示，所述框架6的前、后端面上的所述有機玻璃板21上的小孔20對稱設(shè)置，均排列為6排，每排為10個，所述進氣孔為位于框架6后端面的所述有機玻璃板21上的多個小孔20，所述測量孔為位于框架6前端面的所述有機玻璃板21上與所述進氣孔對應(yīng)設(shè)置的多個小孔20。

如圖1和圖5所示，所述保護層2分為待回采的中心回采區(qū)域24和邊界保護區(qū)域25，所述中心回采區(qū)域24內(nèi)設(shè)有模擬回采層，所述模擬回采層包括沿著回采方向依次規(guī)則放置的多個長度為600mm、寬度為100mm的承壓柔性氣囊7，所述多個承壓柔性氣囊7外邊緣用高度為30mm的矩框體圍起，本實施例中采用的是矩形木框，相鄰兩所述承壓柔性氣囊7之間用隔板17間隔定位，每一所述隔板17與所述矩形框體活動連接，所述隔板17的放置方向與回采方向垂直，所述隔板17之間的間距根據(jù)承壓柔性氣囊7在回采方向的邊長來定，使得所述隔板17與所述承壓柔性氣囊7相粘接，并保證隔板17只允許沿開采方向活動，本實施例中隔板17的間距為100mm，本實施例中隔板17采用的是薄木板，且所述煤巖體密封箱體30的底壁內(nèi)側(cè)安裝有導管14連通外界與所述模擬回采層，所述導管14用于實現(xiàn)對所述承壓柔性氣囊7充氣、排氣的控制，煤巖體模型裝填過程中將所述承壓柔性氣囊7充氣達到所述保護層2高度，在對保護層回采過程中按照時間相似比沿著回采方向?qū)⒚總€承壓柔性氣囊7依次通過所述導管14排氣以達到模擬回采效果，所述兩相鄰承壓柔性氣囊7之間的隔板17會隨著所述承壓柔性氣囊7的依次卸壓而向開采方向發(fā)生傾倒，因此所述隔板17并不會對保護層開采產(chǎn)生影響。在其他實施例中承壓柔性氣囊7可以用水當作介質(zhì)。

所述應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力盒19和計算機，所述壓力盒19在煤巖體模型裝填過程中埋設(shè)到所述被保護層1中所選定的應(yīng)力測試點上，其通過數(shù)據(jù)導線與計算機連接；所述應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖光柵傳感器23、可發(fā)出光信號的光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)采集計算機，所述光纖光柵傳感器23在煤巖體模型裝填過程中垂直埋設(shè)在所述被保護層1中所選定的應(yīng)變測試點上，如圖6所示，在所述被保護層1中共布置10個應(yīng)變測試點，通過保護層的開采使被保護層1內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變的變化，進而使埋入其中的所述光纖光柵傳感器23的光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變，發(fā)生波長的偏移，通過波長偏移量的分析可以確定光纖光柵的受力情況。其中光纖22埋入所述被保護層1前加保護套管，主要作用可以保護光纖22，并使光纖22與所述被保護層1的接觸面積增大減小試驗中光纖22對材料的破壞。所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀發(fā)出的光信號傳輸至所述光纖光柵傳感器23，經(jīng)過所述光纖光柵傳感器23處理后，符合反射條件的光被反射，反射光被所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀接收，所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀對這些波長進行識別，將得到的應(yīng)變傳感信息傳輸給數(shù)據(jù)采集計算機進行處理分析。

所述框架6的前、后端面上的所述有機玻璃板21上的小孔20可作為所述壓力盒19與所述計算機之間、所述光纖光柵傳感器23與所述光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀，數(shù)據(jù)采集計算機之間的引線通道。

本發(fā)明還提供了一種采用上述測試系統(tǒng)進行煤體滲透特性測試的方法，包括以下步驟：

步驟1、鋪設(shè)模型和組裝三維模擬卸壓煤巖體滲透特性的測試系統(tǒng)：

步驟101：根據(jù)待研究礦井的實際地質(zhì)條件設(shè)定保護層和被保護層的高度；

步驟102：將前、后有機玻璃板、左側(cè)鋼板和底部鋼板安裝在框架的前端面、后端面、左側(cè)面和底面上，在左側(cè)鋼板內(nèi)側(cè)安裝好壓力氣囊和側(cè)壓板，在底部鋼板內(nèi)側(cè)安裝導管至模擬回采層高度，在框架后端面的有機玻璃板上選擇小孔作為進氣孔并安裝導氣管直接深入到被保護層中1～2cm，導氣管的另一端與氣體加載裝置連接；

步驟103：將配比好的相似材料按著實驗要求對模型進行逐層鋪設(shè)，并對每一分層進行節(jié)理劃分，均勻撒上云母粉，再次壓實后進行下一層的鋪設(shè)，框架上與安裝有壓力氣囊和側(cè)壓板的側(cè)面相對的另一側(cè)面用寬度為10cm的槽鋼隨著模型的鋪設(shè)逐層安裝至框架的頂部；當模型鋪設(shè)至保護層高度位置時，根據(jù)模擬保護層的厚度選用合適的承壓柔性氣囊，并對承壓柔性氣囊進行充氣，達到設(shè)計的模擬回采層高度；當模型鋪設(shè)至被保護層高度位置時，在被保護層中鋪設(shè)壓力盒和光纖光柵傳感器，并將數(shù)據(jù)線通過框架后端面的有機玻璃板上相應(yīng)的小孔輸出連接計算機、光纖光柵傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)采集計算機，同時在框架前端面的有機玻璃板上選擇小孔作為測量孔與電子氣體流量計連接，最后直至模型鋪設(shè)完畢；

步驟104：待模型達到一定的穩(wěn)定程度后，將框架的右側(cè)面的槽鋼相間隔的卸掉，使模型晾干，之后在框架右側(cè)面安裝整塊鋼板，最后將安裝好上壓板和油壓缸的頂部鋼板蓋上，并進行煤巖體密封箱體的密封；

步驟105：將圍壓加載裝置通過煤巖體密封箱體的進氣口與所述壓力氣囊連接，將軸壓加載裝置與所述油壓缸連接；

步驟2、通過圍壓加載裝置和軸壓加載裝置給模型施加相應(yīng)的圍壓和軸壓來模擬真實受力環(huán)境；

步驟3、對被保護層的煤巖體滲透特性進行測試：對模擬回采層中的承壓柔性氣囊按照回采方向進行逐一泄氣，兩相鄰承壓柔性氣囊之間的隔板會隨著承壓柔性氣囊的依次卸壓而向開采方向發(fā)生傾倒，并通過氣體加載裝置對被保護層進行氣體加載，并隨著保護層的開采逐一打開測量孔，待電子氣體流量計數(shù)值穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，同時通過計算機、數(shù)據(jù)采集計算機對應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行采集；

步驟4：保護層開采完畢，即承壓柔性氣囊全部卸壓后，對數(shù)據(jù)進行歸納、處理；并根據(jù)瓦斯流出被保護層的流量計算煤巖體的滲透性。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。