[發明專利]一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201410757130.X
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104458534B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 高喜才
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，包括支架(7)，及設置于支架(7)上的試驗罐體(4)；

所述試驗罐體(4)內設有加裝地層結構非親水性相似材料(11)的地層結構模型，沿地層結構模型內腔中心軸向貫穿一至模型底部的預制裂隙結構體(10)，加裝地層結構非親水性相似材料(11)的模型通過隔水性較強的塑料膜包裹，地層結構模型頂部設有活動推力隔板(3)，地層結構模型底部設有隔水板底座(6)；所述試驗罐體頂部的試驗罐體上蓋(1)上設有頂板水壓控制加載系統(12)，試驗罐體上部設有頂板軸向加載控制系統(13)，試驗罐體底部設有側向圍壓控制加載系統(14)；所述隔水板底座(6)下方連通一水砂體收集漏斗(21)，水砂體收集漏斗(21)與水砂收集箱(8)相接；沿所述預制裂隙結構體(10)自上而下設置有若干個與傳感器數據采集與顯示裝置(20)連接的裂隙結構體環形法向壓力傳感器(18)、位移計(17)；地層結構模型不同水平位置設置若干水壓力和流量傳感器(19)；

所述支架(7)上設有能夠使試驗罐體(4)做側向旋轉的試驗罐體旋轉油缸(9)，試驗罐體旋轉油缸(9)與試驗罐體(4)底座相連。

2.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體(4)為圓柱形剛性罐體，耐壓強度為12-15MPa，罐體的上蓋設有進水閥門和排氣閥門，罐體底座上設有進氣和排氣閥門。

3.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述活動推力隔板(3)和隔水板底座(6)均布有上下連通的透水孔。

4.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述頂板水壓控制加載系統(12)由水箱、泵組與水壓穩壓罐體串聯構成，水壓穩壓罐體壓力信號變化經壓力流量控制器轉換分別控制泵、水壓穩壓罐體輸出水流至試驗罐體進水閥門。

5.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體(4)的上部設有與頂板軸向加載控制系統(13)相連的頂板軸向加載氣囊(2)，試驗罐體(4)的內側壁與地層結構模型之間設有與側向圍壓控制加載系統(14)相連的側向圍壓加載氣囊(5)。

6.根據權利要求5所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述頂板軸向加載控制系統(13)和側向圍壓控制加載系統(14)，分別由承壓氣囊、空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置組成，構成單獨控制的加壓系統。

7.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述地層結構模型內部裂隙結構體(10)由兩塊不同粗糙度表面的混凝土塊體組裝形成大尺度結構裂隙體，裂隙結構面傾角為0°-45°，上下兩個塊體上設置錨固點，錨固點通過接入測桿在裂隙結構內部分階段布置2～3個小型環形法向應力傳感器(18)和水壓力和流量傳感器(19)，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；所述測桿上還設有預制裂隙結構體變形位移計(17)。

8.根據權利要求7所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗模型模具(16)為三組可拆卸的兩塊半圓弧形有機玻璃板構成，半圓弧形有機玻璃板外側設有試驗模型模具連接部件(15)。

9.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體(4)底座呈椎體狀，椎體兩端連接在一通過軸承連接的轉軸上，罐體椎體底座兩側的一端與試驗罐體旋轉油缸(9)相連，試驗罐體旋轉油缸(9)的另一端連接在支架(7)的底座上。

10.一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)建立模擬試驗模型：

在試驗模型模具(16)內分層地層結構加裝地層結構非親水性相似材料(11)構成地層結構模型，同時在地層結構模型內部安裝通過隔水性較強的塑料膜包裹的預制裂隙結構體(10)；然后在預制裂隙結構體(10)中通過錨固點接入測桿，在結構體上若干設置變形位移計(17)、裂隙結構體環形法向壓力傳感器(18)；在地層結構模型不同水平上設置水壓力和流量傳感器(19)，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；

2)卸去地層結構模具，養護地層結構模型，待地層結構模型自然干燥后在地層結構模型外表面增加隔水膜，外層添加環形側向圍壓加載氣囊(5)，并接入側向圍壓加載控制系統(14)；

3)在地層結構模型上安裝試驗罐體(4)，關閉試驗罐體(4)上下所有閥門，排氣閥門打開，通過頂板水壓控制加載系統(12)自試驗罐體上蓋(1)向罐內注水；關閉排氣閥門，密閉試壓，各傳感器測試、監測設備處于工作狀態；

4)施加頂板垂直荷載：關閉試驗罐體上蓋(1)，打開頂板軸向加載氣囊(2)，啟動頂板軸向加載控制系統(13)，逐級施加頂板垂直荷載，直至需要荷載，監測應力、應變數據；

5)施加側向圍壓：根據地下煤層開采實際情況估算裂隙結構體周圍地應力變化特征，打開側向圍壓加載氣囊(5)，啟動側向圍壓加載控制系統(14)，施加側向地應力值；

6)施加穩定水壓力和流量：在控制器上設置好需要的水壓力和流量，通過試驗控制器啟動水壓水量控制泵組，直至達到設置水壓；

7)數據采集：逐步啟閉側向圍壓至設定值，同時采集記錄罐體內部巖層應力、裂隙結構表面位移、壓力以及水滲流壓力、流量變化數據的時間；

8)模型拆卸和現象觀測：打開地層結構模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄實驗現象；

9)修改試驗參數，重復步驟4)～7)；

10)數據分析與提煉：將試驗過程及采集不同試驗數據和信息，分析不同時刻的地層結構模型內部應力場、位移場和水壓力場演化模型，定量描述和分析加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變多種機理與關鍵參數的數據庫。