油泵；29 :冷卻空調(diào)；30 :四通道伺服加載器； 31 :試塊加載腔；32 :上蓋板；33 :上扁千斤頂；34 :預(yù)緊螺母；35 :限位鋼柱；36 :圓環(huán)鋼圈； 37 :下部墊板；38 :下扁千斤頂；39 :底板；40 :側(cè)扁千斤頂；41 :弧形墊板；42 :限位器；43 : 倒角；44:起吊孔；45:加載千斤頂油管；46 :千斤頂油管槽；47 :進(jìn)油管；48 :出油管；49 : 上蓋；50 :分油箱；51 :排油閥；52 :位移傳感器；53 :快插頭；54 :引線槽；55 :繞線；56 :細(xì) 圓桿；57 :封孔器；58 :試塊；59 :密封圈；60 :密封膠；61 :封孔段；62 :螺紋段；63 :致裂孔； 64 :上部滲流板；65 :入水孔；66 :水力致裂孔；67 :滲流孔；68 :煤樣；69 :下部滲流板；70 : 出水孔；71:油液計(jì)量器。
【具體實(shí)施方式】
[0083] 如附圖所示，本發(fā)明提供了一種真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)，包括真三軸實(shí)驗(yàn)框架18、加載系統(tǒng)26和監(jiān)控系統(tǒng)8 ;
[0084] 真三軸實(shí)驗(yàn)框架18與加載系統(tǒng)26通過油路連接；
[0085] 監(jiān)控系統(tǒng)8分別與真三軸實(shí)驗(yàn)框架18和加載系統(tǒng)26信號連接；
[0086] 真三軸實(shí)驗(yàn)框架18包括主架和六個(gè)扁千斤頂；
[0087] 主架上內(nèi)設(shè)置有試塊加載腔31 ;
[0088] 六個(gè)扁千斤頂均設(shè)置在試塊加載腔31內(nèi)；
[0089] 六個(gè)扁千斤頂共同圍成一個(gè)正六面體。
[0090] 采用行程為20mm的扁千斤頂向試樣的側(cè)面施加剛性載荷，根據(jù)地應(yīng)力場特征，在 三個(gè)正交的方向上各采用一對扁千斤分別模擬地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。扁千斤頂與試樣接觸 面的四邊均加工成45°的倒角43,以保障三個(gè)正交方向的加載千斤頂在有效行程內(nèi)不相 互擠緊。由多通道穩(wěn)壓源向扁千斤頂提供液壓，各通道的壓力大小可分別控制。
[0091] 進(jìn)一步的，主架包括底板39、上蓋板32、限位鋼柱35、限位器42、圓環(huán)鋼圈36和弧 形墊板41 ;
[0092] 上蓋板32和底板39分別設(shè)置在圓環(huán)鋼圈36的兩端；
[0093] 上蓋板32與底板39通過限位鋼柱35固定連接；
[0094] 弧形墊板41為四塊，均勻排列設(shè)置在圓環(huán)鋼圈36內(nèi)；
[0095] 四塊弧形墊板41分別與正六面體的四個(gè)側(cè)面相抵。
[0096] 真三軸實(shí)驗(yàn)框架18如圖2和圖3所示，僅實(shí)驗(yàn)框架上蓋板32的質(zhì)量就達(dá) 1378. 41kg，上承載板質(zhì)量為76. 14kg?？紤]到現(xiàn)場取500X500X500mm3的試塊58比較困 難等因素，采用在試塊58六面加墊塊的方法，實(shí)現(xiàn)不同等級尺寸的試塊58的加載模擬；目 前，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已加工了 300X300X100mm3的成套墊塊，單塊墊塊質(zhì)量為70. 2kg，實(shí)驗(yàn)框架可 以進(jìn)行300X300X300mm3和500X500X500mm3兩種規(guī)格立方體試件的加載模擬。
[0097] 加載扁千斤頂?shù)挠透字睆?p420mm，而作用于試塊58表面的加載面積由試塊58尺 寸確定，導(dǎo)致控制臺所加的液體壓強(qiáng)不等于試塊58表面的加載壓應(yīng)力。根據(jù)面積比例關(guān)系 確定300mm和500mm立方體的加載壓應(yīng)力是控制臺提供液壓的1. 5386和0. 553896倍。
[0098] 真三軸加載的實(shí)現(xiàn)途徑：采用行程為20mm的扁千斤頂向試樣的側(cè)面施加剛性載 荷，根據(jù)地應(yīng)力場特征，在三個(gè)正交的方向上各采用一對扁千斤分別模擬地應(yīng)力的三個(gè)主 應(yīng)力。
[0099] 真三軸加載系統(tǒng)26從里到外的結(jié)構(gòu)：首先在加載框架的內(nèi)部留出 500X500X500mm3的試塊加載腔31空間用于放置立方體試塊58,與立方體試塊58六個(gè)面 直接接觸的是六個(gè)扁千斤頂，即一個(gè)上扁千斤頂33, 一個(gè)下扁千斤頂38和四個(gè)側(cè)扁千斤頂 40 ;四個(gè)側(cè)扁千斤頂40的外面是弧形板，相鄰兩個(gè)弧形板之間放置限位器42,再往外就是 圓環(huán)形大鋼圈緊貼弧形板，外面有八根限位鋼柱35進(jìn)行限位。下扁千斤頂38放置在一個(gè) 下部墊板37內(nèi)，下部墊板37下面是底板39,上扁千斤頂33的上面是上蓋板32,這是加載 框架的組成及其位置關(guān)系，下面就每一部分的結(jié)構(gòu)及其之間的連接關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0100] 扁千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖5所示，加載扁千斤頂?shù)挠透字睆紺p420mm，行程為20mm，扁 千斤頂與試樣接觸面的四邊均加工成45°的倒角43,以保障三個(gè)正交方向的加載千斤頂 在有效行程內(nèi)不相互擠緊。
[0101] 加載千斤頂油管45通過弧形墊板41的千斤頂油管槽46經(jīng)實(shí)驗(yàn)框架底板39的小 孔連接至分油器22上。
[0102] 真三軸實(shí)驗(yàn)框架18的每一個(gè)部件的上部都加工有起吊孔44。
[0103] 因?yàn)槊恳徊糠值馁|(zhì)量很大，安裝和拆卸極不方便，加工了起吊孔44后，在安裝和 拆卸實(shí)驗(yàn)框架的過程中均可借助于行車起吊，方便省時(shí)。
[0104]目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架在三個(gè)主應(yīng)力條件下，能實(shí)現(xiàn)試塊58尺寸最大為 500X500X500mm3的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用在試塊58六面加墊塊的方法，實(shí)現(xiàn)不同等級尺寸試塊 58的加載模擬。
[0105] 同時(shí)每個(gè)墊塊貼近試塊58 -面的四個(gè)邊均設(shè)計(jì)有倒角43,這樣可以減小邊界效 應(yīng)的影響，同時(shí)可以增大墊塊的行程，以保障三個(gè)正交方向的加載千斤頂在有效行程內(nèi)內(nèi) 側(cè)墊塊不相互擠緊，避免將試塊58架空導(dǎo)致圍壓沒有加載上。
[0106] 進(jìn)一步的，加載系統(tǒng)26包括六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)和四通道電液伺服控 制加載系統(tǒng)；
[0107] 六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)和四通道電液伺服控制加載系統(tǒng)分別與真三軸實(shí) 驗(yàn)框架18油路連接；
[0108] 四通道伺服加載器30與真三軸實(shí)驗(yàn)框架18之間通過四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4連 接；
[0109] 六通道液壓穩(wěn)壓器27與真三軸實(shí)驗(yàn)框架18之間通過分油器22連接。
[0110] 六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)即六通道液壓穩(wěn)壓器27,四通道電液伺服控制加載 系統(tǒng)即四通道伺服加載器30 ;兩套加載系統(tǒng)既可以獨(dú)立工作，均能實(shí)現(xiàn)對三向圍壓的控制 加載和對四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4的控制加載，實(shí)現(xiàn)真三軸單孔注水致裂實(shí)驗(yàn)。也可以配 合使用，實(shí)現(xiàn)真三軸多孔同時(shí)控制注水致裂及真三軸滲流等實(shí)驗(yàn)功能。
[0111] 利用六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)進(jìn)行真三軸單孔注水致裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用其中三 個(gè)通道進(jìn)行立方體試塊58的三向圍壓加載模擬地應(yīng)力，另外兩個(gè)通道分別控制四通道油 水轉(zhuǎn)換增壓器4的其中兩個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)向試塊58內(nèi)注入高壓水，剩余的一個(gè)通道留作備用。
[0112] 六通道液壓穩(wěn)壓器27是基于電磁閥控制原理，其穩(wěn)壓功能可以實(shí)現(xiàn)三向圍壓加 載模擬地應(yīng)力，能滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，但是注水控制則需要精度很高的控制加載系統(tǒng)，且 注水加載需要根據(jù)不同的需要設(shè)置加載路徑，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，而六通道液壓穩(wěn)壓器27不能 實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定加載路徑進(jìn)行加載，且系統(tǒng)響應(yīng)周期較長，對水壓的加載精度較低，因此不能 滿足注水控制的要求。
[0113] 利用四通道伺服加載器30進(jìn)行真三軸單孔注水實(shí)驗(yàn)時(shí)，其中的三個(gè)通道進(jìn)行三 向圍壓加載，剩余的一個(gè)通道控制油水轉(zhuǎn)換增壓器4的一個(gè)通道實(shí)現(xiàn)向試塊58內(nèi)注入高壓 注水。
[0114] 為了實(shí)現(xiàn)對注水加載系統(tǒng)的高精度動(dòng)態(tài)控制，采用四通道伺服加載器30對四通 道油水轉(zhuǎn)換增壓器4進(jìn)行獨(dú)立加載，該系統(tǒng)是基于伺服閥控制原理，能實(shí)現(xiàn)按L/min、MPa/ min等無級程序控制加卸載，可任意設(shè)置加載路徑、從而實(shí)現(xiàn)對注液（氣）系統(tǒng)的高精度控 制，并且系統(tǒng)的響應(yīng)周期短。
[0115] 當(dāng)進(jìn)行真三軸單孔水力致裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)圍壓及注水的高精度加載，利用四 通道伺服加載器30進(jìn)行真三軸單孔水力致裂實(shí)驗(yàn)。
[0116] 當(dāng)進(jìn)行真三軸多孔同時(shí)控制注水致裂及真三軸滲流等實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保證多通道同 時(shí)高壓注水的高精度獨(dú)立控制，采用四通道伺服加載器30對四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4進(jìn)行 獨(dú)立加載，而采用六通道液壓穩(wěn)壓器27進(jìn)行三向圍壓的加載。即兩套系統(tǒng)配合使用，實(shí)現(xiàn) 特定的實(shí)驗(yàn)功能。
[0117] 四通道伺服加載器30利用冷卻空調(diào)29進(jìn)行冷卻散熱。
[0118] 同時(shí)電液伺服控制加載系統(tǒng)26具備能擴(kuò)展成常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的功能，即將液壓 管路連接實(shí)驗(yàn)機(jī)框架即可進(jìn)行常規(guī)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
[0119] 加載系統(tǒng)26由四通道伺服加載器30、六通道液壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)26及高壓水實(shí)驗(yàn) 臺等組成。六通道液壓穩(wěn)壓器27實(shí)現(xiàn)試塊58三向圍壓的加載，模擬真實(shí)地應(yīng)力；四通道 伺服加載器30實(shí)現(xiàn)對四個(gè)水壓增壓器獨(dú)立加載，從而實(shí)現(xiàn)對注液（氣）系統(tǒng)的高精度控 制。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)功能，能進(jìn)行煤與軟巖的真三軸力學(xué)變形 測試。
[0120] 試塊58圍壓的加載采用行程為20mm的扁千斤頂向試樣的側(cè)面施加剛性載荷，根 據(jù)地應(yīng)力場特征，在三個(gè)正交的方向上各采用一對扁千斤分別模擬地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。 扁千斤頂與試樣接觸面的四邊均加工成45°的倒角43,以保障三個(gè)正交方向的加載千斤 頂在有效行程內(nèi)不相互擠緊。
[0121] 試塊58的注液（氣）系統(tǒng)由四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4提供高壓壓裂液（氣）體， 壓裂液（氣）體包括水、氮?dú)?、液氮泡沫、以及多相流體如水砂壓裂液等。通過四通道伺服 加載器30實(shí)現(xiàn)對四個(gè)水壓增壓器進(jìn)行獨(dú)立加載，可實(shí)現(xiàn)按L/min、MPa/min等無級程序控制 加卸載，從而實(shí)現(xiàn)對注液（氣）系統(tǒng)的高精度控制。
[0122] 圍壓的加載要求對加載千斤頂提供穩(wěn)定的壓力輸出，同時(shí)壓力加載方式可以控 制，且加載系統(tǒng)26的響應(yīng)周期和加載精度要滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求。
[0123] 針對以上要求，基于電磁閥的工作原理，采用六通道液壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)26為千斤 頂提供液壓油，實(shí)現(xiàn)對試塊58的三向圍壓加載。各通道的壓力大小可分別控制，可實(shí)現(xiàn)以 恒定的排量泵注液體，也可按預(yù)先設(shè)定的泵注程序進(jìn)行。
[0124] 六通道液壓穩(wěn)壓器27由加載油泵28、氮?dú)庖簤悍€(wěn)壓臺、加載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng) 采集系統(tǒng)構(gòu)成，由電動(dòng)油泵28提供液壓源，通過氮?dú)夥€(wěn)壓和液壓增壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道 的單獨(dú)加卸載，并通過電腦程序?qū)Ω鱾€(gè)通道的加卸載進(jìn)行控制和監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)采 集加載壓力、位移、注液壓強(qiáng)、流量、排量等數(shù)據(jù)。加載泵的液壓達(dá)30MPa以上，排量2. 5L/ min以上；液壓穩(wěn)壓器精度達(dá)到0. 5%;可實(shí)現(xiàn)電腦自動(dòng)控制加載路徑，按L/min、MPa/min等 程序控制加載；實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)采集加載壓力、位移、注液壓強(qiáng)、流量、排量等數(shù)據(jù)：液壓范 圍0?60MPa以上，流量范圍0?0. 5m3/h，數(shù)