[發(fā)明專利]煤巖體氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂模擬實驗裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711159717.0
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107764656B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔峰
• 申請（專利權(quán)）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/08
• 代理公司: 西安創(chuàng)知專利事務(wù)所 61213
• 代理人: 譚文琰

1.煤巖體氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂模擬實驗的方法，利用煤巖體氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂模擬實驗裝置進行煤巖體氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂模擬實驗，其特征在于：所述煤巖體氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂模擬實驗裝置包括煤巖體實驗平臺、液態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)和氣態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)，所述煤巖體實驗平臺包括計算機（8）、實驗箱（1）和設(shè)置在實驗箱（1）內(nèi)的相似模擬煤巖體（2），實驗箱（1）的側(cè)壁和頂板上均安裝有用于向相似模擬煤巖體（2）施加壓力的氣缸（3），氣缸（3）通過氣缸驅(qū)動器（13）由計算機（8）控制，相似模擬煤巖體（2）為立方體相似模擬煤巖體，所述立方體相似模擬煤巖體的邊緣位置處布設(shè)有多個用于監(jiān)測立方體相似模擬煤巖體裂紋擴展情況的聲發(fā)射傳感器（4），所述立方體相似模擬煤巖體內(nèi)預(yù)先埋設(shè)有數(shù)據(jù)檢測層（5），所述立方體相似模擬煤巖體的頂部中心位置處豎直向內(nèi)開設(shè)有鉆孔（6），數(shù)據(jù)檢測層（5）包括圍繞鉆孔（6）中心對稱設(shè)置的多個傳感器組件（7），傳感器組件（7）由用于檢測所述液態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)對所述立方體相似模擬煤巖體傳導(dǎo)致裂產(chǎn)生的壓力的壓力傳感器（7-1）和用于檢測所述氣態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)對所述立方體相似模擬煤巖體傳導(dǎo)致裂產(chǎn)生的溫度的溫度傳感器（7-2）組成，壓力傳感器（7-1）、溫度傳感器（7-2）和聲發(fā)射傳感器（4）均與計算機（8）進行數(shù)據(jù)通信；

所述液態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)包括向鉆孔（6）內(nèi)注入液體且用于調(diào)節(jié)所述液體壓力參數(shù)的注液機（12），所述液體為與所述立方體相似模擬煤巖體顏色不同的帶色液體，注液機（12）與計算機（8）進行通信；

所述氣態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)包括向鉆孔（6）內(nèi)填裝的炸藥、起爆所述炸藥的起爆器和用于采集所述立方體相似模擬煤巖體爆破氣體傳播擴散的情況的紅外熱像儀（14），紅外熱像儀（14）與計算機（8）進行通信；

計算機（8）上連接有用于設(shè)定所述液態(tài)流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂機構(gòu)傳導(dǎo)致裂后裂隙發(fā)育時間的計時器（9）、用于提示實驗人員裂隙發(fā)育充分的提示器（10）和用于顯示氣液兩相流體介質(zhì)傳導(dǎo)致裂的裂紋擴展情況的顯示器（11）；

該方法包括以下步驟：

步驟一、預(yù)制立方體相似模擬煤巖體：根據(jù)實際待模擬的煤巖體的物理特性，利用相似模擬方法向立方體容器內(nèi)注入預(yù)制材料，養(yǎng)護t時間后建立立方體相似模擬煤巖體，并在建立立方體相似模擬煤巖體的過程中，在立方體相似模擬煤巖體內(nèi)埋設(shè)數(shù)據(jù)檢測層（5），在立方體相似模擬煤巖體的頂部中心位置處豎直向內(nèi)開設(shè)鉆孔（6）；

所述立方體容器的數(shù)量為多個，可同時預(yù)制多個所述立方體相似模擬煤巖體；

步驟二、煤巖體實驗平臺的搭建，過程如下：

步驟201、取一個所述立方體相似模擬煤巖體放置在實驗箱（1）內(nèi)，利用計算機（8）控制氣缸驅(qū)動器（13）使實驗箱（1）的側(cè)壁和頂板上安裝的多個氣缸（3）向所述立方體相似模擬煤巖體施加壓力，模擬所述實際待模擬的煤巖體受環(huán)境周圍巖體的壓力；

步驟202、在所述立方體相似模擬煤巖體的邊緣位置處布設(shè)多個用于監(jiān)測立方體相似模擬煤巖體裂紋擴展情況的聲發(fā)射傳感器（4），所述聲發(fā)射傳感器（4）的數(shù)量為六個，六個所述聲發(fā)射傳感器（4）分別為第一聲發(fā)射傳感器（4-1）、第二聲發(fā)射傳感器（4-2）、第三聲發(fā)射傳感器（4-3）、第四聲發(fā)射傳感器（4-4）、第五聲發(fā)射傳感器（4-5）和第六聲發(fā)射傳感器（4-6），第一聲發(fā)射傳感器（4-1）和第二聲發(fā)射傳感器（4-2）分別安裝在所述立方體相似模擬煤巖體底面和前側(cè)面的相交邊的兩個頂點位置處，第三聲發(fā)射傳感器（4-3）安裝在所述立方體相似模擬煤巖體底面和后側(cè)面的相交邊的中點位置處，第四聲發(fā)射傳感器（4-4）安裝在所述立方體相似模擬煤巖體頂面和前側(cè)面的相交邊的中點位置處，第五聲發(fā)射傳感器（4-5）和第六聲發(fā)射傳感器（4-6）分別安裝在所述立方體相似模擬煤巖體頂面和后側(cè)面的相交邊的兩個頂點位置處，六個所述聲發(fā)射傳感器（4）全范圍實時探測所述立方體相似模擬煤巖體內(nèi)裂縫情況；

步驟203、將數(shù)據(jù)檢測層（5）和聲發(fā)射傳感器（4）與計算機（8）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測層（5）和聲發(fā)射傳感器（4）與計算機（8）的數(shù)據(jù)通信，完成煤巖體實驗平臺的搭建；

步驟三、液態(tài)介質(zhì)傳導(dǎo)致裂：通過注液機（12）調(diào)節(jié)注入液體的壓力參數(shù)，使用注液機（12）向鉆孔（6）內(nèi)注入液體，直至注入的液體滲漏出所述立方體相似模擬煤巖體或注入的液體壓力降低，所述液體為與所述立方體相似模擬煤巖體顏色不同的帶色液體，同時建立注液機（12）與計算機（8）的通信；

步驟四、固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體的形成：通過計時器（9）設(shè)定所述立方體相似模擬煤巖體注入液體后靜置的時間閾值，利用計時器（9）計時，當所述立方體相似模擬煤巖體注入液體后靜置時間達到計時器（9）設(shè)定的時間閾值時，計算機（8）控制提示器（10）提示實驗人員靜置時間完成，實現(xiàn)液態(tài)介質(zhì)傳導(dǎo)致裂的裂隙的充分發(fā)育，得到固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體；

步驟五、氣態(tài)介質(zhì)傳導(dǎo)致裂：向固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體的鉆孔（6）內(nèi)填裝炸藥，利用起爆器起爆所述炸藥，豎向均分切開固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體，采用兩個紅外熱像儀（14）分別對爆破后切開的固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體的腔體進行掃描，獲取所述腔體內(nèi)氣體溫度分布值，并將紅外熱像儀（14）掃描后得到的溫度分布值傳輸至計算機（8），計算機（8）利用溫度分布值和溫度傳感器（7-2）采集的溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度分布圖，得到爆破時氣體在固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體中的傳導(dǎo)致裂數(shù)據(jù)，同時可觀察帶色液體在固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體裂紋中的方向、深度和范圍；

步驟六、煤巖體實驗平臺的更新：拆卸聲發(fā)射傳感器（4），計算機（8）控制氣缸驅(qū)動器（13）使氣缸（3）縮回，清除實驗箱（1）內(nèi)固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體的殘留物；

步驟七、多次循環(huán)步驟二至步驟六，獲取注入液體的不同壓力參數(shù)和固液耦合態(tài)的立方體相似模擬煤巖體的鉆孔（6）內(nèi)填裝炸藥的不同單耗量導(dǎo)致的傳導(dǎo)致裂數(shù)據(jù)。