[發明專利]含瓦斯煤體水力致裂裂隙場聲發射定位監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201610066642.0
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105675724B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 李楠;陳棟;李保林;孫煒辰
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 楊曉玲

1.一種使用含瓦斯煤體水力致裂裂隙場聲發射定位監測裝置的監測方法，其特征在于：

監測裝置包括：第一密封腔體、第二密封腔體、地應力模擬模塊、瓦斯吸附解吸模塊、水力致裂模塊和聲發射定位監測模塊；在第一密封腔體內連接有第二密封腔體，兩個密封腔體與地應力模擬模塊連接，瓦斯吸附解吸模塊與水力致裂模塊連接后與第二密封腔體的柱塞(2)連 接，聲發射定位監測模塊的傳感器連接在第二密封腔體的壁上；

所述的第一密封腔體由底座(5)、設在底座(5)上的鋼板(4)、橡膠筒(6)以及上蓋(3)圍成；所述的鋼板(4)為圓管狀，底座(5)和上蓋(3)分別位于圓管的上部和底部構成圓筒；橡膠筒(6)位于圓筒內；所述的底座上設有通向第一密封腔體 內的左通道和右通道，左通道和右通道入口處分別設有封膠螺栓；

所述的第二密封腔體在第一密封腔體內，由底座(5)、設在底座上的上端面開口的橡膠筒(6)、上蓋(3)和柱塞(2)圍成；橡膠筒(6)位于底座(5)和上蓋(3)之間，在上蓋(3)上有柱塞(2)，在柱塞(2)上有連通孔，在第二密封腔體內置煤樣；

所述的聲發射定位監測模塊包括：聲發射定位監測主機(26)、前置放大器(27)、信號傳輸線(28)、聲發射傳感器(29)以及傳感器安裝裝置(30)；位于橡膠筒(6)上的傳感器安裝裝置(30)上連接有聲發射傳感器(29)；聲發射傳感器（29）連接信號傳輸線（28），信號傳輸線（28）通過上蓋和橡膠筒上的出線孔引出第二密封腔體并與前置放大器（27）和聲發射定位監測主機(26)順序連接，聲發射定位監測主機通過對聲發射傳感器接受的聲發射信號進行分析，并對水力致裂裂縫進行定位；

所述的地應力模擬模塊包括施加垂直壓力的加載壓力機(1)和柱塞(2)以及 施加圍巖應力的油泵(8)、高壓油管(9)和排液管(10)；柱塞(2)穿過上蓋(3)進入第二腔體內；所述的上蓋(3)與柱塞(2)之間有密封圈密封；所述的高壓油管(9)一端連接油泵(8)，另一端通過封膠螺栓(13)通向第一密封腔體；所述的高壓油管(9)上設有油路閥門(11)，所述的排液管(10)與第一密封腔體相通，在排液管(10)上設有卸壓閥門(12)；

所述的瓦斯吸附解吸模塊包括：瓦斯罐(21)、三通閥(25)和瓦斯導管(24)；瓦斯導管(24)一端與瓦斯罐(21)相連，另一端與三通閥(25)相連，瓦斯導管(24) 上設有瓦斯壓力表(22)和瓦斯閥門(23)；

所述的水力致裂模塊包括：柱塞泵(14)、壓裂孔(19)和壓裂管(18)；壓裂管(18)穿過柱塞(2)上的連通孔，并與位于第二密封腔體內的壓裂孔(19)相連接，在壓裂孔(19)的端部連接有密封膠(20)；所述的壓裂孔(19)位于煤樣上；柱塞泵(14)通過連接管和密封螺栓(17)與壓裂管(18)連接，壓裂管(18)進入壓裂孔(19)與煤樣(7)相連；所述的壓裂管(18)與柱塞泵(14)相連的連接管上設有壓力表(15)、水路閥門(16)和瓦斯吸附解吸模塊的三通閥(25)；所述的壓裂管(18)的外徑為10mm，內徑為6mm；

包括如下步驟：

(1)將原煤加工成直徑100mm，高度200mm的圓柱體煤樣；所述壓裂孔直徑為12mm，孔深為120～130mm；壓裂管的外徑為10mm，內徑為6mm，將壓裂管一端插入壓裂孔，直至壓裂管距離壓裂孔底部2～4mm，然后用密封膠對插入壓裂孔內的壓裂管管段進行密封；

(2)在實驗中共采用8個聲發射傳感器，分別布置在煤樣1/3和2/3高度截面兩個互相垂直的直徑兩個端點，并利用傳感器安裝裝置將聲發射傳感器布置在煤樣四周的橡膠筒壁內；并用有機硅膠將聲發射傳感器與煤樣進行耦合；以煤樣的底面中心為原點建立空間坐標系，確定各個聲發射傳感器的空間坐標；

(3)待封孔完全凝固后，將煤樣從第二腔體的上部裝入，安裝好上蓋和柱塞；

(4)開啟聲發射定位監測系統，通過折鉛試驗檢查聲發射傳感器與煤樣是否接觸良好；

(5)關閉油路閥門和水路閥門，打開瓦斯閥門，瓦斯氣體在指定低壓下通過瓦斯導管和壓裂管進入煤樣，使煤樣充分吸附瓦斯氣體后關閉瓦斯閥門；

(6)打開油路閥門，通過油泵向所述第一密封腔體內施加圍壓，直至達到圍壓后使圍壓維持在該值；

(7)啟動壓力機，通過柱塞向煤樣施加垂直方向的壓力，直至達到壓力并維持在該壓力值；

(8)打開水路閥門，利用柱塞泵向煤樣注入帶有示蹤顏色的高壓水，同時開啟聲發射定位監測系統；

(9)在水力致裂過程中，聲發射傳感器實時采集水力致裂導致煤體破裂的聲發射信號；

(10)當水壓出現突然降低并持續低于0.5MPa時，關閉柱塞泵和水路閥門，停止注液；關閉壓力機并同時關閉聲發射定位監測系統，實驗結束；

(11)實驗結束后，打開油路卸壓閥門，放出第一密封腔體內的油液；利用聲發射定位監測主機對聲發射波形進行分析，自動拾取波形到時數據，根據聲發射傳感器空間坐標、波形到時和波速數據，對水力致裂引起的煤體破裂事件進行震源定位，并將定位結果在空間坐標系內進行實時顯示，實現對水力致裂裂隙場演化過程的實時監測；

（12）將通過帶有顏色的示蹤水痕跡得到的煤體破裂形態與聲發射定位監測的裂隙場監測結果進行比對分析，進一步研究水力致裂裂隙場演化規律和機理。

2.根據權利要求1所述的使用含瓦斯煤體水力致裂裂隙場聲發射定位監測裝置的監測方法，其特征在于：所述的向煤樣中注入帶有示蹤顏色的高壓水可以通過流量控制和壓力控制兩種方法進行注入。