[發明專利]氣固耦合煤巖三軸力學損傷實時探測裝置、系統及方法

有效

• 申請號: 202011490186.5
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112763329B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 張冰;王漢鵬;袁亮;王粟;于欣平;邢嘉鵬;鄭瑞階
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 陳曉敏

本發明涉及氣固耦合煤巖三軸力學損傷實時探測裝置、系統及方法，包括缸體，缸體內設有由柔性材質制成的氣囊，氣囊包括用于貼合試件外周面的密封部，密封部外周面一體式設有內部具有空腔的圍壓加載部，密封部兩端伸出至缸體外部并且能夠密封固定在第一壓頭和第二壓頭的外周面，第一壓頭和第二壓頭內分別設有與探傷儀連接的超聲波接收探頭和超聲波發射探頭，密封部設有延伸至缸體外部的充氣管，圍壓加載部設有延伸至缸體外部的圍壓介質進管和圍壓介質出管，本發明的裝置能夠實現常規三軸應力及氣體充填條件下煤巖試件受壓全過程損傷度的實時測試。

技術領域

本發明涉及巖土工程試驗設備技術領域，具體涉及氣固耦合煤巖三軸力學損傷實時探測裝置、系統及方法。

背景技術

這里的陳述僅提供與本發明相關的背景技術，而不必然地構成現有技術。

隨著地下工程逐漸向深部發展，深部巖體面臨高地壓、賦水、含氣的復雜地質環境。實時、準確的獲取復雜地質環境煤巖體損傷特性是當前深部巖體力學測試中不可回避的問題之一。

現有的煤巖體損傷探測方式豐富，但受限于測試原理，難以實現復雜環境下煤巖體損傷的實時探測。例如，CT掃描是利用精確準直的X線束、γ射線進行煤巖試件的斷面掃描，常規氣壓、圍壓加載裝置會對線束造成巨大干擾，煤巖所處復雜環境模擬難以實現；聲發射探測需基于復雜的后處理，煤巖試件損傷的實時探測難以實現。

超聲波探測可基于超聲波在受損材料中的傳播速度直接計算得到，且具有操作方便，無損傷，成本低，獲取巖石信息量大等優點，為實時、準確的獲取復雜地質環境煤巖體損傷特性提供了可能。

目前，針對復雜地質環境煤巖體損傷特性獲取，已開展了大量的研究工作，研制了一系列測試裝置與測試方法，現狀如下：

(1)目前存在一種聲波反饋煤巖結構損傷穩定檢測實驗裝置，裝置采用有對稱面的平整試件，對稱面平整試件的左右兩側分別設有左夾板和右夾板，波速儀的左探頭與右探頭分別穿過左夾板和右夾板并與對試件的左表面和右表面接觸，通過調節機構調節左右夾板與對稱面平整試件的表面保持平行。發明人發現，該裝置可以實時記錄到煤巖受壓破環的全過程，但煤巖為軸向受壓狀態，無法實現圍壓施加，無法向煤巖試件充填氣體。

(2)目前存在一種多場耦合作用下巖石損傷演化超聲波監測裝置，包括應力加載單元、水氣發生單元、水氣循環單元和計算機。通過計算機控制應力加載單元對巖石試件應力加載；通過計算機控制水氣發生單元產生設定濕度、溫度的水氣，通過水氣循環單元實現對巖石試件不同濕度、溫度變化的影響；通過更換不同化學溶液實現不同化學溶液對巖石試件的作用；在不同應力、不同濕度、不同溫度、不同化學溶液耦合作用巖石試件的同時，對巖石試件進行超聲波監測試驗。發明人發現，盡管裝置可以對試件加載水氣，但透明密閉罩密封水氣能力有限，且超聲波探頭無法承受高壓，因此，裝置無法實現高壓氣體充填，也無法實現圍壓的施加。

(3)目前存在一種圍壓條件下測定巖石動態損傷度的方法，提出將聲波測試系統的聲波發射探頭及聲波接收探頭分別安放于兩個固定壓頭中，將制取的地層巖石試件固定在兩個固定壓頭之間；將試件及固定壓頭安放于三軸試驗機中，由三軸試驗機對試件施加圍壓并進行軸向預加載，啟動聲波測試系統獲取試件初始聲波波速；三軸試驗機對試件進行軸向加載的同時，開啟聲波測試系統采集軸向載荷及聲波波速，試件達到破壞時停止數據采集；處理實驗數據，獲得動態損傷度-應力狀態曲線，結合油井聲波測井數據計算目標井段圍巖的損傷度。

發明人發現，事實上，超聲波探測過程中，發射探頭發出的超聲波也會通過圍壓腔筒壁傳輸給接收探頭，從而影響超聲波在煤巖試件中的傳播。因此，若不是特殊的圍壓加載裝置，測試獲取得巖石損傷度會極為不準確。但該方法并未對三軸加載裝置及加載方式進行說明。此外，該方法無法實現煤巖試件的高壓氣體充填。