] 真三軸水力割縫實驗系統(tǒng)，是利用真三軸水力致裂實驗臺給試塊58加三軸圍壓， 然后在水力致裂實驗臺上架設(shè)水力割縫裝置，對加三軸圍壓后的試塊58進行割縫，該割縫 裝置可以割出軸向縫和徑向縫，可以模擬出煤巖體在原巖應(yīng)力狀態(tài)下，進行水力割縫的研 宄。水力割縫完畢后，再對煤巖體進行封孔，然后可以對割縫后的試塊58進行水力致裂研 宄。該裝置主要有兩部分組成，第一是水力割縫裝置，第二是是真三軸加載裝置。
[0236] 水力割縫裝置，包括一個牽引電動機，一個旋轉(zhuǎn)電動機，一個滑塊，一個滑軌，一個 框架，一個割縫專用鉆桿和鉆頭等部分組成。牽引電動機帶動旋轉(zhuǎn)電動機和鉆桿等組成的 滑塊在滑軌上移動，帶動鉆頭在試塊58中上下移動，切割出鉆孔軸向的縫。旋轉(zhuǎn)電動機是 固定在滑塊上，與鉆桿相連，帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，從而使鉆頭在試塊58中旋轉(zhuǎn)，切割出徑向縫。
[0237] 水力割縫裝置與真三軸加載框架的固定是割縫工作的關(guān)鍵，水力割縫裝置重量較 大，需要安裝吊環(huán)，方便用行車起吊。將水力割縫裝置吊裝到真三軸加載框架上后，在真三 軸加載框架的上蓋板32的中間的孔中，安裝一個限位裝置對鉆桿進行限位。將鉆桿限位完 成后，將割縫裝置的底座用螺栓固定在上蓋板32上，防止割縫過程中鉆桿發(fā)生晃動，影響 割縫的質(zhì)量。
[0238] 水力割縫完畢后，拆下割縫裝置，和上蓋板32上的限位器42?？梢园惭b滲流系統(tǒng) 進行割縫后的滲流實驗；也可以用專用封孔器57封孔，對割縫后的試塊58進行水力致裂， 研宄割縫后的試塊58水力致裂形態(tài)；也可以將鉆孔攝像儀下入孔內(nèi)觀察裂紋擴展情況等。 根據(jù)實際需要進行組合。
[0239] 實驗前的準備工作：
[0240] 1、實驗用試塊58的制備：實驗前一個月開始制備試塊58。制備試塊58時首先組 裝好模具，準備相似模擬材料（通常是采用水泥砂漿制備試塊58,細沙、水泥、水的質(zhì)量配 比為3.5 : 1 : 0.3)，然后在模具中用相似模擬材料進行澆注并安裝好封孔器57。澆注完 成后等待一兩天，試塊58已基本成形，此時拆除模具，之后每隔一兩天給試塊58澆水養(yǎng)護。 自然風干約28天后即可進行實驗。
[0241] 2、放入試塊58,組裝實驗臺：用起吊裝置將試塊58放入實驗臺框架中，然后一次 安裝四個側(cè)面的千斤頂、弧形墊板、限位器42、上部注水墊板、上蓋板32,然后擰緊八個預 緊螺母34,實驗臺組裝完畢。
[0242] 3、連接油路，安裝聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)：將5個加載千斤頂油管45連接到分油器22 上。連接好聲發(fā)射裝置，將聲發(fā)射探頭放置在緊貼試塊58的千斤頂上部。
[0243] 4、吸水、加圍壓：啟動六通道液壓穩(wěn)壓器27與四通道伺服加載器30,通過監(jiān)控計 算機9的控制軟件控制安裝在四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4水缸吸水管路上的電磁閥，使水缸 進行自動吸水。為了試驗結(jié)束后便于觀測試塊58的水壓裂縫形態(tài)，因此在水箱6中加入紅 色廣告畫染料。水缸吸滿水后，監(jiān)控計算機9控制六通道液壓穩(wěn)壓器27進行試塊58三向 圍壓加載，圍壓加載到位后穩(wěn)壓5min。
[0244] 5、按實驗方案進行注水致裂實驗：圍壓穩(wěn)壓5min后，在控制軟件上設(shè)置注水方式 (可按照MPa/min、mL/min，脈沖注水等路徑加載），使四通道伺服加載器30做出響應(yīng)，控制 四通道油水轉(zhuǎn)換增壓器4向試塊58內(nèi)注入高壓水。同時AE主機同步開始記錄聲發(fā)射監(jiān)測 數(shù)據(jù)。注水直至試塊58被壓開，實驗臺下部出現(xiàn)漏水，實驗結(jié)束。
[0245] 6、實驗結(jié)束后，保存實驗記錄數(shù)據(jù)，卸載圍壓。拆除分油器22上圍壓加載的油路， 同時將聲發(fā)射探頭回收。一次拆除實驗臺，取出試塊58,將試塊58沿水壓裂縫劈開，觀察裂 縫的形態(tài)。實驗全程進行拍照。
[0246] 本發(fā)明提供的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，在真三軸 應(yīng)力條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)試塊58的高滲透壓力的滲流和流固耦合實驗，能夠進行煤與軟巖的 真三軸力學變形測試，可進行鉆孔、水力割縫、高壓水等實驗，具備流壓致裂、滲流、瓦斯驅(qū) 趕、水力割縫等一體化功能，可具體實驗要求，對各功能進行組合使用。通過本發(fā)明提供的 真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)可以對煤巖層中的水力致裂過程進 行系統(tǒng)地、精確地研宄和判斷，極大了提高了施工效果和施工的安全性。
[0247] 最后應(yīng)說明的是：以上各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 依然可以對前述各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)明各實施例技 術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括真三 軸實驗框架、加載系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)； 所述真三軸實驗框架與所述加載系統(tǒng)通過油路連接； 所述監(jiān)控系統(tǒng)分別與所述真三軸實驗框架和所述加載系統(tǒng)信號連接； 所述真三軸實驗框架包括主架和六個扁千斤頂； 所述主架上內(nèi)設(shè)置有試塊加載腔； 六個所述扁千斤頂均設(shè)置在所述試塊加載腔內(nèi)； 六個所述扁千斤頂共同圍成一個正六面體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述主架包括底板、上蓋板、限位鋼柱、限位器、圓環(huán)鋼圈和弧形墊板； 所述上蓋板和所述底板分別設(shè)置在所述圓環(huán)鋼圈的兩端； 所述上蓋板與所述底板通過所述限位鋼柱固定連接； 所述弧形墊板為四塊，均勻排列設(shè)置在所述圓環(huán)鋼圈內(nèi)； 四塊所述弧形墊板分別與所述正六面體的四個側(cè)面相抵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述加載系統(tǒng)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)； 所述六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)和所述四通道電液伺服控制加載系統(tǒng)分別與所述 真三軸實驗框架油路連接； 所述四通道電液伺服控制加載系統(tǒng)與所述真三軸實驗框架之間通過四通道油水轉(zhuǎn)換 增壓器連接； 所述六通道液壓穩(wěn)壓控制加載系統(tǒng)與所述真三軸實驗框架之間通過分油器連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述分油器的一側(cè)設(shè)置有三個進油管路，相對的另一側(cè)設(shè)置有六個出油管路； 每個進油管路分別對應(yīng)連通兩個出油管路； 所述分油器設(shè)置在分油箱內(nèi)； 所述分油箱的一側(cè)設(shè)置有三個進油孔，相對的另一側(cè)設(shè)置有六個出油孔； 所述分油箱上部設(shè)置有上蓋； 所述分油箱的下部設(shè)置有排油閥。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器、壓力傳感器和變形監(jiān)測系統(tǒng)； 所述壓力傳感器和所述變形監(jiān)測系統(tǒng)分別與所述數(shù)據(jù)處理器信號連接； 所述分油器上設(shè)置有三個所述壓力傳感器； 所述變形監(jiān)測系統(tǒng)包括24只位移傳感器； 所述位移傳感器暗藏安裝在所述扁千斤頂?shù)幕⌒螇|板上； 所述位移傳感器布線采用在所述弧形墊板上開引線槽，將所述位移傳感器的數(shù)據(jù)線集 中到所述弧形墊板的上部； 所述位移傳感器的連接方式采用快插頭的形式，在所述弧形墊板上部安裝快插頭母 頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，還包括真三軸流壓致裂系統(tǒng)； 所述真三軸流壓致裂系統(tǒng)包括相似材料澆注裸孔模擬系統(tǒng)、石塊鉆孔封孔系統(tǒng)、彎曲 封孔器和多孔同時獨立控制致裂系統(tǒng)； 所述相似材料澆注裸孔模擬系統(tǒng)、所述石塊鉆孔封孔系統(tǒng)、所述彎曲封孔器和所述多 孔同時獨立控制致裂系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置； 所述相似材料澆注裸孔模擬系統(tǒng)包括一根細圓桿及設(shè)置在其一端上的纏繞線； 所述石塊鉆孔封孔系統(tǒng)包括〇型密封圈和密封膠； 所述彎曲封孔器包括無孔垂直段與有孔彎曲段，用于模擬斜交應(yīng)力場的水壓裂縫擴展 規(guī)律； 所述多孔同時獨立控制致裂系統(tǒng)包括多孔蓋板磨具和限位器，能實現(xiàn)最多5個鉆孔同 時獨立控制流壓致裂。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，還包括真三軸滲流與瓦斯驅(qū)趕系統(tǒng)； 所述真三軸滲流與瓦斯驅(qū)趕系統(tǒng)包括上部滲流板和下部滲流板； 所述上部滲流板與所述下部滲流板上均陣列設(shè)置有滲流孔； 所述上部滲流板上還設(shè)置有入水孔和水力致裂孔； 所述下部滲流板上還設(shè)置有出水孔； 所述真三軸滲流與瓦斯驅(qū)趕系統(tǒng)在試塊四周用密封膠澆注。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，還包括水力割縫實驗系統(tǒng)； 所述水力割縫實驗系統(tǒng)與所述真三軸實驗框架連接，用于進行水力割縫實驗。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述水力割縫實驗系統(tǒng)包括機電控制柜、高壓泵控制柜、高壓泵和水力割縫裝 置； 所述水力割縫裝置包括旋轉(zhuǎn)電機、牽引電動機、底座、導軌、割縫鉆桿、支撐軸承、推進 螺桿、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、滑塊和支架； 所述導軌固定設(shè)置在所述支架上； 所述底座通過兩個所述滑塊與所述導軌連接； 所述割縫鉆桿由兩個所述支撐軸承固定在所述底座上； 在所述旋轉(zhuǎn)電機的端部和所述割縫鉆桿上均安裝有皮帶輪； 所述旋轉(zhuǎn)電機通過所述皮帶輪帶動所述割縫鉆桿順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動； 所述牽引電動機安裝在所述導軌上； 所述推進螺桿通過兩端的兩個所述支撐軸承固定在所述導軌上； 所述推進螺桿的桿體表面設(shè)置有螺紋； 所述推進螺桿的一端安裝有皮帶輪，與所述牽引電動機的輸出端的皮帶輪通過皮帶連 接。
【專利摘要】本發(fā)明涉及煤礦開采領(lǐng)域，具體而言，涉及一種真三軸流壓致裂、割縫、滲流、瓦斯驅(qū)趕一體化實驗系統(tǒng)。其包括真三軸實驗框架、加載系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。在真三軸應(yīng)力條件下，能實現(xiàn)試塊尺寸最大為500×500×500mm3的實驗。能最多5個鉆孔同時獨立控制流壓致裂，鉆孔致裂水壓力可達60MPa。能考慮煤體內(nèi)瓦斯的影響。能實現(xiàn)試塊尺寸最大為400×400×400mm3的高滲透壓力的滲流和流固耦合試驗。能進行煤與軟巖的真三軸力學變形測試。具備流量70L/min、水壓力70MPa煤礦用高壓泵實驗臺，可進行鉆孔、割縫、高壓水等試驗。通過本實驗系統(tǒng)可對煤巖層水力致裂過程進行系統(tǒng)、精確地研究和判斷，提高了施工效果和安全性。
【IPC分類】G01N33-00
【公開號】CN104614497
【申請?zhí)枴緾N201510100605
【發(fā)明人】黃炳香
【申請人】中國礦業(yè)大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年3月9日