[發明專利]一種采動影響下煤巖三維應變場可視化系統及方法

在審

• 申請號: 202010545996.X
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111812021A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 鄒全樂;劉涵;張天誠;宋遙;張碧川;蘇二磊;陳子涵;王睿智;吳斐
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00;G01N33/22;G09B23/40
• 代理公司: 重慶縉云專利代理事務所(特殊普通合伙) 50237
• 代理人: 王翔;馬健

1.一種采動影響下煤巖三維應變場可視化系統，其特征在于：包括應力條件模擬系統、煤層開采模擬裝置和應變監測系統；

所述應力條件模擬系統包括相似模擬實驗架(1)、所述加載系統(2)和圓形滑道(3)；

所述相似模擬實驗架(1)包括壓力室(101)和兩塊可視化側板(102)；所述壓力室(101)整體為一個矩形框體；所述矩形框體的兩端敞口為可視化側板(102)封堵；所述可視化側板(102)的板面上設置有氣管伸出孔(1021)。所述壓力室(101)和可視化側板(102)圍合出地層相似模型安放腔；

所述加載系統(2)包括豎向軸壓加載系統和水平應力加載系統；所述豎向軸壓加載系統對壓力室(101)的頂部和底部加載設定的豎向加載力；所述水平應力加載系統對壓力室(101)的左側加載設定的水平加載力；

所述煤層開采模擬裝置為包括若干個聯排氣囊(4)和氣壓加載裝置(5)；每個聯排氣囊(4)為采用若干個單體氣囊(401)拼接成的長方形墊體；所述若干個聯排氣囊(4)預埋在地層相似模型中用以模擬煤層；所述單體氣囊(401)上設置有氣閥(4011)；所述氣閥(4011)連接有氣管；所述氣管伸出氣管伸出孔(1021)與氣壓加載裝置(5)連通；

所述應變監測系統包括多臺多角度高速攝像機；

工作時，加載系統(2)對地層相似模型施加垂直載荷和側向載荷，模擬煤巖層的受力狀態；氣壓加載裝置(5)抽放單體氣囊(401)中氣體模擬煤層的開采；所述聯排氣囊(4)的單體氣囊(401)內氣體均排空后代表對應煤層開采結束。

2.根據權利要求1所述的一種采動影響下煤巖三維應變場可視化系統，其特征在于：通過調整聯排氣囊(4)的數量，模擬單一煤層和多煤層開采情況；通過調整聯排氣囊(4)的氣壓模擬不同埋深待開采煤層的地應力情況。

3.根據權利要求1或2所述的一種采動影響下煤巖三維應變場可視化系統，其特征在于：所述聯排氣囊(4)中沖入氣體為氮氣。

4.根據權利要求1或3所述的一種采動影響下煤巖三維應變場可視化系統，其特征在于：所述單體氣囊(401)與氣壓加載裝置(5)之間還設置有穩壓裝置(6)。

5.一種采用權利要求1所述系統的采動影響下煤巖三維應變場可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將透明基料加熱融化后與墨水微囊均勻混合，制得3D打印線材；

2)在應力條件模擬系統的模型安放腔中進行地質結構3D打印，得到應變可視化相似模型；

3)利用應力條件模擬系統模擬地層傾角、地質構造及含瓦斯情況，根據相似性向煤層開采模擬裝置的聯排氣囊中充入一定氣壓的氮氣，模擬待開采煤層；

4)待模型冷卻后，對模型施加三維應力，利用排氣閥依次排出聯排氣囊中的氮氣，模擬煤層卸壓開采過程，墨水微膠囊在應力作用下破裂，將周圍材料與裂隙染色；

5)利用多角度高速攝像機對模型內部微囊破裂染色情況進行記錄；

6)追蹤微囊破裂后墨點位移，重構監測模型內四維的應變場。

6.根據權利要求5所述的一種采動影響下煤巖三維應變場可視化方法，其特征在于：所述墨水微囊的囊壁采用聚氨酯材料，囊芯采用染色墨水；所述透明基料采用有機硅樹脂。

7.根據權利要求5所述的一種采動影響下煤巖三維應變場可視化方法，其特征在于：步驟2)中，相似模型巖層層與層之間采用云母粉進行分層分離。