[發明專利]煤巖體的力學行為和滲流特性原位測試方法及系統

有效

• 申請號: 201811637793.2
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109459313B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 高明忠;李聰;張茹;張澤天;謝晶;魯義強;鄧光迪;何志強;彭高友
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/12;G01N15/08
• 代理公司: 成都天既明專利代理事務所(特殊普通合伙) 51259
• 代理人: 李蜜;彭立瓊

本發明提供了煤巖體的力學行為和滲流特性原位測試系統及以該測試系統為基礎的原位測試方法，所述測試系統包括氣源、真空泵、測試組件、信號采集傳輸組件和地面監控站，所述測試組件包括頂部壓板、加載件、試件、底部壓板、錨索應力計、扁千斤頂、軸向位移計、徑向位移計和氣體隔離腔，所述測試組件安裝于設置在采面前方的煤巖體上的掏槽中，所述信號采集傳輸組件包括位移采集器、應力采集器和井下信息采集站，應力采集器與錨索應力計連接，位移采集器分別與軸向位移計和徑向位移計連接，位移采集器和應力采集器通過線纜與井下信息采集站相連，井下信息采集站通過線纜與地面監控站連接。

技術領域

本發明屬于巖土工程領域，涉及煤巖體的力學行為和滲流特性原位測試方法及測試系統。

背景技術

進入深部開采階段后，煤巖賦存應力和瓦斯壓力顯著增大，煤與瓦斯共采的實踐也迎來了新的挑戰。工程實踐表明，煤巖體不僅受到荷載作用，還受到流體運移、溫度、生物或化學物質作用等眾多因素的影響，且各影響因素之間相互聯系，形成對煤巖體完整的多場耦合作用，進而影響煤巖體的力學響應，使煤巖體在不同的具體實踐中呈現出顯著的力學性質差異。煤巖體采動裂隙網絡的萌生、擴展和演化對瓦斯在其內的運移具有至關重要的影響，采動裂隙網絡始終是煤巖體內最主要的瓦斯運移通道。因此，必須考慮原位應力狀態和真實擾動路徑的影響，將開采或開挖等工程活動的擾動與煤巖體的滲流特性相結合開展研究。

現有研究方法多為在室內尺度下開展的卸荷應力狀態的煤巖體滲透率研究，僅局限于試驗條件本身對滲透率的影響進行研究和闡述，尚無關于開采過程中真實采動應力環境影響下的煤巖體采動力學行為及滲流特性研究的報道。

例如，CN104374684A公開了用于測試采動過程卸荷煤巖體滲透率的系統，主要包括氣源、真空泵、氣體穩壓增溫控制裝置、具有試件的MTS圍壓腔，還包括與這些部件配合的閥門、壓力計和流量計等。該測試系統能在MTS巖石力學測試系統準確控制煤巖體加載、記錄應力和變形數據的基礎上，實現外部氣體穩壓恒溫滲流條件的施加，但是，該測試系統仍然存在以下不足之處有待改進：

(1)雖然該文獻中提到了該測試系統可以實現采動過程卸荷煤巖體滲透率的穩定準確測試，但實際上，該測試系統仍然是在實驗室狀態下進行測試的，其加載方式是理想性的，只能近似地模擬采動應力的變化過程，但實際的采動應力變化是非常復雜的，該測試系統未考慮也無法將真實采動應力環境的影響結合到測試過程中，而煤巖體的滲透率具有顯著的應力和孔隙度敏感性，因此采用該測試系統僅通過理想化的模擬采動應力的變化過程是無法實現對煤巖體滲透率進行準確測試的，其測試結果的準確性和可借鑒性都還有待提高。

(2)該測試系統的加載方式為單一線性地加載，而實際上采動應力的演化過程是非常復雜的，該測試系統無法反應支承壓力波動特性對于煤巖體滲透率的影響。

(3)該測試系統的測試過程在實驗室內完成，并非處于原位環境，需要設計氣體加熱器和加熱控制器預先對氣體溫度進行調控，而深部開采所處地的溫度隨著地質條件的差異會有所不同，因此該測試系統難以精確模擬實際的溫度條件，由于溫度會影響煤巖體中的流體運移等，進而影響煤巖體的力學響應，這也不利于測試結果的準確性的提高。

(4)該測試系統主要是基于MTS巖石力學測試系統進行測試的，屬于實驗室裝置，無法直接在深部開采的地下環境應用。

現有的室內試驗線性加載模擬方法只是一種針對材料性質的研究方式，與工程擾動并不相關。為了突破室內尺度的測試系統及試驗難以還原現場煤巖體裂隙演化以及滲流特性等原位力學變化特征的瓶頸，開發出能在現場尺度下開展真實擾動路徑下煤巖體的力學行為及滲流特性的原位測試裝置及相關的測試方法是十分必要的。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供煤巖體的力學行為和滲流特性原位測試方法及系統，以解決現有室內試驗裝置及方法不能反映真實采動應力影響下煤巖體的力學行為和滲流特性不足。