一种非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统的制作方法

文档序号:15578897发布日期:2018-09-29 06:18

本发明涉及流固耦合效应技术领域,特别是涉及一种非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统。



背景技术:

从煤矿安全生产的角度看,中国煤炭产量的95%来自井下开采,随着煤炭资源的不断开采,开采的条件越来越复杂,越来越苛刻,复杂的地质条件是造成灾害性事故的根本原因。从煤炭开采的实际地质条件看,赋存在一定地质环境中的地质体受到渗流场和应力场的共同作用,渗流场和应力场相互影响,是一种耦合关系。应力场作用于岩体的空隙结构,通过改变流体的运移通道,进而改变渗透系数和渗透力;岩体系统中存在的地下水通过物理、化学和力学作用改变岩体结构,对岩体施加静水压力和动水压力,从而影响应力场。渗流场和应力场耦合问题是一个涉及采矿、土木、石油、水利水电等多个领域的重大实际工程问题。据统计,60%的矿井事故与地下水作用有关,因此研究煤矿的安全开采的问题,需要综合考虑采动应力、地应力和渗透压力的影响。目前的考察方法无法为注水煤层的流固耦合效应及力学性能变化的研究提供充分的科学参考,为此进行了非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统的研究。



技术实现要素:

本发明主要解决的技术问题是提供一种非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,以解决上述注水煤层应力监测技术所存在的缺陷与不足。

为解决上述技术问题,本发明方案包括:

本发明公开了一种非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,该系统由试验台系统、伺服加载系统、注水系统以及数据采集系统组成,其中所述的试验台系统由试验架组成;所述的伺服加载系统由纵向加载装置、横向加载装置、伺服控制装置、加载板、侧板以及底板组成;所述的注水系统由注水装置组成;而所述的数据采集系统则由传感器和所连接的计算机组成。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,试验架(1)由龙门架、反力架、安全外壳等组成。龙门架采用框架钢结构形式,结构对接面焊接而成,拥有足够的刚度和强度,对液压加载器加载载荷的反作用及试验架中煤层自重提供有效的支撑,保证试验台整体的稳定性。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,试验架(1)的顶部设置有纵向加载装置(5),其包括7组独立纵向加压的液压加载器,试验架的左右两侧设置有2组相向布置的横向加载装置(6),其由横向加压的液压加载器组成,纵向加载装置(5)和横向加载装置(6)通过线路分别与伺服控制器中的垂直控制装置(9)和侧向控制装置(10)相连接,伺服控制系统中的力值传感器与计算机内的专业软件对接,实现全伺服数字操控,为液压加载装置提供稳定动力。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,该纵向加载装置(5)下设置有水平布置且与液压加载器一一对应的加载板(2),从左至右依次编号为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,该横向加载装置(6)处设置有竖直布置的侧板(3),其与上方的加载板(2)相接触,同时,侧板(3)压在底板(4)的上边。加载板(2)、侧板(3)以及底板(4)共同围成一个用来放置试验煤层的腔室。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,在④号加载板下方设置有注水孔,孔内布设注水装置(7),其内部安装有用于封孔的封孔器,注水装置(7)通过管路与注水泵(11)相连。数据监测装置通过线路与计算机相连,监测记录注水过程中的数据并对其进行反馈。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位共安装有96个传感器(8),均可使用应变传感器用以监测煤体周边应力变化,再配合静态应变仪以及所连接的计算机监测位移变化。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,7组独立纵向加压的液压加载器可采用7个独立的千斤顶,伺服控制器通过线路控制液压加载器,同时向加载板(2)及侧板(3)施加相同或者不同的纵向应力,以实现对试验煤层的轴向及侧向非匀布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。

所述的非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,其中,在④号加载板下方进行注水钻孔施工,之后便可安设注水装置(7)。向钻孔内送入封孔器,以实现对注水钻孔的封孔,之后开启注水泵(11),完成注水操作。

通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,实现对试验架中煤层的非均布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。在煤层合适位置布设注水孔,安装注水装置,同时,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位安装有应变传感器,监测煤体周边的应力变化以及位移变化。通过上述的伺服非均布加载、布设煤层注水钻孔以及传感器三维信息采集,本发明能够为非均布覆岩应力场及水压共同作用下的煤层进行流固耦合应力应变关系的研究提供强有力的实验平台支撑。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明:

图1为本发明中非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统的结构简图;

图2为本发明中传感器布设设计简图。

其中

1、试验架;2、加载板;3、侧板;4、底板;5、纵向加载装置;6、横向加载装置;7、注水装置;8、传感器;9、垂直控制装置;10、侧向控制装置;11、注水泵。

具体实施方式

本发明提供了一种非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统,为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确,以下将结合附图,对本发明进一步详细说明。

通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,实现对试验架中煤层的非均布加载,从而模拟井下煤层所处的采动应力环境。在煤层合适位置布设注水孔,安装注水装置,同时,在铺设的煤层内部、钻孔的周边不同方位安装有应变传感器,监测煤体周边的应力变化以及位移变化。通过上述的伺服非均布加载、布设煤层注水钻孔以及传感器三维信息采集,有利于对应力场及水压作用下的流固耦合关系的进行研究。该非均布覆压下注水煤层流固耦合应力监测系统包括试验台系统、伺服加载系统、注水系统以及数据采集系统组成,其中所述的试验台系统由试验架组成;所述的伺服加载系统由力值传感器、纵向加载装置、横向加载装置、伺服控制装置、加载板、侧板以及底板组成;所述的注水系统由注水装置、注水泵以及数据监测装置组成;而所述的数据采集系统则由应变传感器、静态应变仪和所连接的计算机组成。结构如图1、图2所示。

具体实施方式为:

试验架顶部设置有7组独立的纵向加载装置,其下方设置有7块与其一一对应的加载板,从左至右依次编号为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。相向设置的横向加载装置通过对应的左右侧板对底板施加不同的横向应力。其加载板、侧板以及底板共同围成了一个用来放置试验煤层的腔室。纵向加载装置以及横向加载装置通过线路分别与伺服控制器中的垂直控制装置和侧向控制装置相连,伺服控制系统中的力值传感器与计算机内的专业软件对接,实现全伺服数字操控,为液压加载装置提供稳定动力,从而实现对试验煤层的非均布加载。

在试验架内部围成的腔室中铺设煤层,在④号加载板下方合适位置进行钻孔操作,安装注水装置,(孔径、孔长、倾角可根据具体试验煤层条件设计)。另一方面,在铺设煤层与设置钻孔的同时,在煤层内部、钻孔的周边不同方位设置安装应变传感器,(此时应注意传感器位置不能与注水钻孔预设位置相同)。

上述过程完成之后,首先通过伺服控制器向加载板及侧板施加不同的纵向和横向应力,注水系统方面,首先利用封孔器对注水钻孔进行封孔密封,开启注水泵向煤层中注水,并通过数据监测系统和与其相连的计算机控制其流量与压力于稳定状态。应变传感器进而监测煤体周边应力变化,配合静态应变仪以及所连接的计算机监测位移变化。

以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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