[發明專利]一種帶CT實時掃描的真三軸瓦斯滲流試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201910955551.6
• 申請日: 2019-10-09
• 公開（公告）號: CN110542639A
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 郭陽陽;杜鋒;王凱;董虎子;王亮;徐超;辛程鵬
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學(北京)
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N23/046;G01N3/12
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本發明提出一種帶CT實時掃描的真三軸瓦斯滲流試驗裝置及方法，包括真三軸壓力室、支架、加載裝置、瓦斯滲流裝置、CT掃描系統及控制/監測裝置。真三軸壓力室包括蓋板和桶體；支架包括頂板、底板及立柱，位于CT掃描區內的裝置均由碳纖維材料制成；加載裝置包括軸壓、側壓以及圍壓加載裝置，提供實驗所需的軸壓、側壓和圍壓；瓦斯滲流裝置控制著瓦斯氣經過煤體并獲取排出的瓦斯流量，研究滲透率變化；CT掃描裝置包括CT放射源和CT探測器，實時觀察試件內部變化。實現了真三軸應力?應變?滲流與CT實時配合，對于研究真三軸應力狀態下煤巖體孔裂隙的擴展和滲透率演化規律具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種物理模擬實驗研究，尤其適用于一種帶CT實時掃描的真三軸瓦斯滲流試驗裝置及方法。

背景技術

煤巖體的變形破壞特征及滲透率的研究對于防治井下開采工作各種動力災害的具有重要意義。含瓦斯煤層在上覆巖層壓力、構造應力和瓦斯壓力的共同作用下處于穩定平衡狀態。在開采活動的影響下，伴隨煤體孔隙連通和裂隙擴展，局部能量聚集，煤體逐漸進入非穩定平衡狀態，一旦受到擾動就會促發煤礦復雜動力災害。

應力對于含瓦斯煤體力學特性和滲流規律有著較大的影響，真三軸流固耦合系統能夠準確地模擬、分析工程中煤巖體的受力狀況，分析其在三向不同應力情況下強度、變形特性與滲透率變化規律。真三軸流固耦合系統能夠在煤巖體試件的各個面上施加符合客觀條件的應力，并對試件的應變、滲透率進行實時監測，實現各種應力的加載方式，進而更為系統、全面地揭示應變與滲流之間的關系。

煤巖體的破壞往往都是從其內部的微裂隙、微孔隙開始，最終相互貫通引起宏觀破壞，對滲透率產生影響，所以弄清煤巖體內部損傷破壞情況極為關鍵。而CT掃描技術能夠對煤巖體內部的結構變化進行觀測，全面了解其內部的變化。但是由于設備的局限，CT掃描往往是在煤巖體從真三軸瓦斯滲流實驗臺上卸取之后進行的，未能夠實現進行觀測。

所以將CT掃描技術與真三軸滲流實驗系統相結合，實現真正意義上的實時掃描，對煤巖體受到三向應力條件下強度和變形情況進行研究，借助CT掃描圖像觀測內部孔裂隙變化情況，結合滲透率變化規律可以將煤巖體的變形、內部孔裂隙的擴展以及煤巖體瓦斯滲流規律進行綜合研究，實現全面、系統研究。

與本發明申請相關的有：

1.中國專利CN201510409976.9公開的一種基于煤層氣的熱流固耦合真三軸剪切滲流實驗裝置，包括分體結構式的試驗盒及特殊結構橡膠托盤，結構簡便，精度高，模擬的真實性、準確性和可靠性高。

2.中國專利CN201610120372.2提出一種真三軸流固耦合煤體滲流實驗裝置，包括加載單元、流體單元、及控制單元，能夠準確地模擬、分析煤體在三向不等應力條件下的滲透率變化規律。

以上兩個專利主要涉及研究真三軸條件下煤體的瓦斯滲流情況，由于試驗裝置整體框架、支架以及桶體等是由金屬材料制成，CT機發出的射線不能穿透，無法實現真三軸試驗儀和CT掃描的實時配合。而為了了解煤體內部孔裂隙發展情況傳統做法是將試件進行卸取，然后再進行CT掃描，但是在操作過程中勢必會對試件產生破壞，造成實驗結果的誤差。

3.中國專利CN201310471580.8公開的帶CT掃描的三軸壓力室，用于配合Micro-focus CT觀察和研究試件在常規三軸壓力下力學性質的細觀變化。

4中國專利CN201510577392.2涉及的一種帶CT實時掃描系統的真三軸實驗裝置及方法，包括壓力室、支架、加載裝置及掃描儀，能夠實現真三軸和CT掃描實驗的實時配合，對于研究真三軸應力狀態下煤巖體中微裂隙和微孔洞的擴展、演化有重要意義。

上述兩個專利提出的實驗裝置雖然能夠實現煤巖體加載的CT實時掃描，但是涉及的均是力學特性，研究試件損傷變形規律，沒有考慮到煤巖體內部瓦斯氣體的滲透率在實驗過程中的變化趨勢，不能進行瓦斯氣滲流研究，無法對煤巖體進行全面、系統的研究。