基于水的熱流固耦合煤體真三軸剪切滲流實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種剪切滲流裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種基于水的熱流固耦合煤體真三軸剪切滲流實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤體滲透率是研究瓦斯氣體或者水在煤體中運(yùn)移的基本參數(shù)，其模擬實(shí)驗(yàn)研究是目前最為常見的研究方法。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置存在一個(gè)共同點(diǎn)，S卩，所采用的試件盛放實(shí)驗(yàn)盒均為一體式結(jié)構(gòu)，且僅僅考慮了單一法向應(yīng)力的情況，在其實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)試件所產(chǎn)生的剪切作用存在較大程度的失真或失準(zhǔn)；而且，僅僅只能進(jìn)行液體滲流的模擬實(shí)驗(yàn)研究，而不能進(jìn)行瓦斯氣的研究，存在較大的使用局限性，無法對(duì)煤體的滲流情況進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一是，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，可以使用水作為流體媒質(zhì)進(jìn)行熱流固耦合煤體真三軸剪切滲流實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種基于水的熱流固耦合煤體真三軸剪切滲流實(shí)驗(yàn)裝置，與液壓站、檢測(cè)系統(tǒng)配套使用，其包括機(jī)架、第一液壓油缸、第二液壓缸、第三液壓缸、真三軸壓力室、試件盛放裝置；其中:
[0006]所述機(jī)架為框架式結(jié)構(gòu)，包括頂板、底板和立柱；
[0007]所述頂板和底板均為矩形鋼板，所述矩形鋼板的四個(gè)頂角位置處均分別開設(shè)有通透孔；
[0008]所述立柱為四根，各立柱分別穿過所述頂板和底板上的對(duì)應(yīng)的通透孔，并通過螺栓形成可拆卸連接；
[0009]所述真三軸壓力室包括上方帶有筒蓋的承壓缸筒；
[0010]所述承壓缸筒為底部封閉、上部敞口的圓筒，在圓筒的敞口位置處設(shè)置有一圈翻邊，所述筒蓋為平面法蘭結(jié)構(gòu)，所述筒蓋和承壓缸筒之間設(shè)置有O型密封圈，并通過螺栓固定連接;
[0011]所述底板朝上一面的中心位置處，設(shè)置有由一圈凸緣圍成的圓形區(qū)域，所述承壓缸筒豎立放置在該圓形區(qū)域內(nèi)部；
[0012]所述第一液壓油缸安裝在所述頂板上的中心位置處，所述第一液壓油缸的活塞桿沿豎直方向分別穿過所述頂板和所述筒蓋上開設(shè)的中心孔，并伸入到所述承壓缸筒內(nèi)；
[0013]所述承壓缸筒的同一水平高度上兩側(cè)腰部，分別對(duì)稱設(shè)置有一連接管口，所述連接管口外端部向外翻折形成一法蘭面翻邊；
[0014]所述第二液壓缸和第三液壓缸的缸座一左一右分別通過螺栓固定在所述承壓缸筒腰部?jī)蓚?cè)的法蘭面翻邊位置處；
[0015]所述第二液壓缸和第三液壓缸的活塞桿分別沿水平方向伸入/抽出到所述承壓缸筒內(nèi)；
[0016]所述第一液壓缸的活塞桿自上向下沿豎直方向伸入/抽出到所述承壓缸筒內(nèi)；
[0017]所述筒蓋上分別開設(shè)一進(jìn)油孔和一排氣孔，所述進(jìn)油孔通過液壓油管外接上述液壓站的液壓油輸送栗；
[0018]所述液壓油管上安裝進(jìn)油閥；所述排氣孔內(nèi)壁上設(shè)置有內(nèi)螺紋，并通過一頂絲封堵;
[0019]所述承壓缸筒的底部還設(shè)置有一排油孔，所述排油孔通過排油管與外部的儲(chǔ)油油箱連接，在排油管上安裝有排油閥；
[0020]其特征在于，所述試件盛放裝置為組合結(jié)構(gòu)，包括一支架組合件和一真三軸實(shí)驗(yàn)盒；所述真三軸實(shí)驗(yàn)盒為分體式結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒，該兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒一左一右、面對(duì)面，以各自的頭部與對(duì)方的尾部貼合的方式，成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱放置在所述支架組合件中，由所述支架組合件夾持固定，形成一整體，放置在所述承壓缸筒底部的中心位置；
[0021]在豎直方向上，上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒的端部分別與所述支架組合件的上、下邊框之間保留一定的間隙；
[0022]工作時(shí)，當(dāng)所述第一液壓缸的活塞桿向下施壓時(shí)，其端部擠壓在上述位于右側(cè)的那一個(gè)實(shí)驗(yàn)盒上；
[0023]所述支架組合件包括兩個(gè)支架，該兩個(gè)支架相互獨(dú)立、左右各一布置；
[0024]所述支架為矩形框，所述矩形框的兩個(gè)水平邊為兩根圓柱形立柱、兩個(gè)豎直邊為截面為正方形的方形柱，其中，所述圓柱形立柱的兩端部分別設(shè)置有螺紋，所述方形柱的兩端分別開設(shè)有一通透孔，所述圓柱形立柱的兩端分別從對(duì)應(yīng)的方形柱上的通透孔中穿出，并通過螺栓固定成一體；
[0025]上述兩個(gè)支架組合件中，位于右側(cè)的那個(gè)支架，其兩根方形柱各自朝內(nèi)一側(cè)的表面上，均分別焊接有一縱向卡槽，所述縱向卡槽內(nèi)插入有一條形插塊，所述條形插塊與所述縱向卡槽成可滑動(dòng)連接；
[0026]所述實(shí)驗(yàn)盒為鏤空的六面體形狀，其前與后兩個(gè)面的中心位置處開設(shè)有一貫通的、截面為矩形的第一通孔，左與右兩個(gè)面的中心位置處開設(shè)有一貫通的、截面為矩形的第二通孔；
[0027]所述第一液壓缸的活塞桿和第二液壓缸的活塞桿的工作端，均分別固定連接有第一長(zhǎng)方體狀壓塊；
[0028]所述第三液壓缸的活塞桿的工作端固定連接有第二長(zhǎng)方體狀壓塊；
[0029]所述第二長(zhǎng)方體狀壓塊的外側(cè)表面上開設(shè)有第一卡槽，并通過所述第一卡槽與表面設(shè)置有凸棱的第三長(zhǎng)方體狀壓塊形成可滑動(dòng)連接；
[0030]所述第一通孔與所述第一長(zhǎng)方體狀壓塊的形狀、尺寸相匹配；
[0031]所述第二通孔分別與各自對(duì)應(yīng)的第四長(zhǎng)方體狀壓塊和第三長(zhǎng)方體壓塊的形狀、尺寸相匹配；
[0032]所述試件盛放裝置還包括有橡膠托盤，所述橡膠托盤為一體式結(jié)構(gòu)，包括兩段，其中的一段為無上蓋且一端無端板的盒子，另一段為兩條相互平行的橡膠條，每根橡膠條分別由所述盒子的敞口部對(duì)應(yīng)的外邊緣界線、沿朝向盒子的無端板那一側(cè)向外的延長(zhǎng)線方向上，延伸而成；
[0033]所述橡膠托盤數(shù)量為兩個(gè)，每個(gè)橡膠托盤的盒子部位嵌入與其對(duì)應(yīng)的所述第二通孔內(nèi)，成緊配合；
[0034]上述兩個(gè)成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的實(shí)驗(yàn)盒相互貼合的那一個(gè)面上、第二通孔沿豎直方向上的兩縱向邊界線的延長(zhǎng)線方向上，分別設(shè)置有與所述橡膠條形狀、尺寸相匹配的密封用溝槽；
[0035]所述橡膠條卡入在所述溝槽內(nèi)，形成緊配合；
[0036]在上述每個(gè)實(shí)驗(yàn)盒各自的第二通孔與橡膠托盤無端板的那一端鄰接的壁面上，還分別開設(shè)有水進(jìn)出通道，所述水進(jìn)出通道的一端與上述第二通孔連通，另一端為設(shè)置在實(shí)驗(yàn)盒朝外一側(cè)的壁面上的連接管口 ；
[0037]上述兩個(gè)水進(jìn)出通道一個(gè)為進(jìn)口、另一個(gè)為出口，分別通過軟管與所述流體媒質(zhì)進(jìn)入管口和流體媒質(zhì)排出管口密封連接，所述流體媒質(zhì)進(jìn)入管口和流體媒質(zhì)排出管口分別與實(shí)驗(yàn)裝置外部配套的供水裝置和水接收裝置通過流體媒質(zhì)管路連接；供水裝置水接收裝置
[0038]上述兩個(gè)橡膠托盤的盒子部位共同圍成一六面體形狀的空腔，所述空腔內(nèi)放置用于熱流固耦合煤體真三軸剪切滲流實(shí)驗(yàn)的試件；所述試件的外形尺寸與所述空腔相匹配，當(dāng)試件放如該空腔內(nèi)部時(shí)，試件與空腔的四周各壁面形成過渡配合；
[0039]上述第一、第三和第四長(zhǎng)方體壓塊以及真三軸壓力室筒蓋上，均分別安裝有壓力傳感器；
[0040]上述第一、第二和第三液壓缸活塞桿上，均分別安裝有LVDT位移傳感器；
[0041]上述真三軸壓力室的內(nèi)壁上，安裝有溫度傳感器；
[0042]與上述流體媒質(zhì)進(jìn)入管口與供水裝置之間的流體媒質(zhì)管路上安裝有調(diào)壓閥，與上述流體媒質(zhì)排出管口與水接收裝置的流體媒質(zhì)管路上，安裝有瓦斯氣流量計(jì)；
[0043]在承壓缸筒內(nèi)部上還固定設(shè)置有液壓油恒溫控制系統(tǒng)，用于對(duì)承壓缸筒內(nèi)的液壓油溫進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以保持液壓油恒溫。
[0044]上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠；且整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活簡(jiǎn)便。
[0045]這主要是由于“實(shí)驗(yàn)盒為分體式結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒，該兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒一左一右、面對(duì)面，以各自的頭部與對(duì)方的尾部貼合的方式，成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱放置在所述支架組合件中，由所述支架組合件夾持固定，形成一整體，放置在所述承壓缸筒底部的中心位置；工作時(shí)，當(dāng)所述第一液壓缸的活塞桿向下施壓時(shí)，其端部擠壓在上述位于右側(cè)的那一個(gè)實(shí)驗(yàn)盒上”，使得試件在第一液壓缸的活塞桿向下施壓時(shí)，其所受剪切力不會(huì)受到實(shí)驗(yàn)盒體本身因受力變形所產(chǎn)生的與第一液壓缸的活塞桿向下的施力的反作用力，進(jìn)而造成試件實(shí)際所受作用力大小失真、失準(zhǔn)(即，檢測(cè)到的施加的作用力與實(shí)際傳遞到試件上的“作用力”二者之間大小失真、失準(zhǔn))。
[0046]而且，“在豎直方向上，上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒的端部分別與所述支架組合件的上、下邊框之間保留一定的間隙”，這一技術(shù)手段的采用，使得右側(cè)實(shí)驗(yàn)盒在活塞桿垂直向下施加作用力的情況下，左側(cè)實(shí)驗(yàn)盒與右側(cè)實(shí)驗(yàn)盒之間可以沿豎直方向發(fā)生相對(duì)(錯(cuò)位)位移。即，設(shè)置在左右兩側(cè)實(shí)驗(yàn)盒共同圍成的六面體形狀的腔室內(nèi)的試件，將發(fā)生剪切變形趨勢(shì)或者剪切變形，這種剪切變形量將持續(xù)擴(kuò)大，直至試件被剪切破壞。不難看出，這種分體式結(jié)構(gòu)形式的真三軸實(shí)驗(yàn)盒，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的一體式結(jié)構(gòu)形式的實(shí)驗(yàn)盒，在進(jìn)行試件剪切變形操作中，模擬的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性方面將大幅提升，且更便于監(jiān)測(cè)。
[0047]上述技術(shù)方案中，由于配套采用“橡膠托盤為一體式結(jié)構(gòu)，包括兩段，其中的一段為無上蓋且一端無端板的盒子，另一段為兩條相互平行的橡膠條，每根橡膠條分別由所述盒子的敞口部對(duì)應(yīng)的外邊緣界線、沿朝向盒子的無端板那一側(cè)向外的延長(zhǎng)線方向上，延伸而成”，這樣一種特殊結(jié)構(gòu)形式的橡膠托盤，一方面，使得真三軸實(shí)驗(yàn)盒的結(jié)構(gòu)更加合理、組裝更加方便；另一方面，在實(shí)驗(yàn)過程中，試件在水平方向的左右兩側(cè)的受力由第二和第三液壓缸的活塞桿提供，經(jīng)過橡膠托盤左右兩側(cè)傳遞至試件上。由于橡膠材質(zhì)的良好彈性變形能力，使得所檢測(cè)到的第