煤层采动应力场‑渗流场‑温度场耦合试验系统及方法与流程

本发明涉及煤矿顶底板采动影响下多场耦合研究领域，尤其涉及一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统及方法。

背景技术：

随着矿井开采不断向深部延伸，受高承压水威胁的煤层底板突水灾害问题增多，严重制约和影响了我国煤炭安全生产。深部与浅部的区别在于“三高”(高应力、高地温和高水压)环境以及极强的时间效应，深部岩体“高地应力、高承压水压及高地温”在采矿扰动作用下的特殊地质力学环境，是导致深部开采中突水事故出现多发性和突发性的根本原因所在。试验是研究动力荷载变化下裂隙岩体的应力-渗流-温度的耦合效应非常直接也是极为重要的方法。目前，现有试验装置存在很多不足，比如：试验装置没有设置温度场的试验装置或者非常简略；试验装置中没有设置采场；煤层、岩层结构单一，没有设置构造，导致采集的实验数据不准确。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统及方法，以获取更准确的实验数据。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其包括底座，其中，底座上设置有支架，支架上部设置有固定顶板，固定顶板上设置有固定法兰，固定法兰上设置有竖直布置的油压加载装置；支架内设置有保温箱，保温箱上部设置有潜水层水箱，保温箱下部设置有承压水层水箱，潜水层水箱与承压水层水箱为相向布置，潜水层水箱与承压水层水箱之间的保温箱内布置有煤岩试验对象；油压加载装置的下端设置有一垫块，垫块与潜水层水箱上表面相接触；底座上设置有一横向滑轨，横向滑轨上设置有一纵向滑轨，纵向滑轨能在横向滑轨上滑动，纵向滑轨上设置有一模拟钻孔机构，模拟钻孔机构能在纵向滑轨上滑动，模拟钻孔机构的钻头指向保温箱内的煤岩试验对象。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述潜水层水箱内设置有潜水层过滤网，潜水层水箱一侧设置有潜水层进水孔；上述承压水层水箱内设置有承压水层过滤网，潜水层水箱一侧设置有承压水层进水孔；潜水层进水孔、承压水层进水孔分别通过对应管路与一水压泵相连通。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述保温箱内均与布置有多根热电阻丝，保温箱在与潜水层进水孔、承压水层进水孔对应处分别设置有对应接孔，用于上述对应管路与潜水层进水孔、承压水层进水孔相连接。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述煤岩试验对象包括至少一个煤岩层单元，煤岩层单元包括上覆岩层与下覆岩层，上覆岩层与下覆岩层之间布置有一煤层，岩层与岩层、岩层与煤层、岩层与含水层接触面之间均布置有应力传感器、水压传感器和温度传感器。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述煤岩层单元还包括有断层、岩溶陷落柱、褶皱中的一个或多个。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述模拟钻孔机构包括竖直布置的电机油压支撑柱，电机油压支撑柱的上端设置有电机，电机上设置有钻杆，钻杆的钻头指向上述煤层处。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述应力传感器、水压传感器和温度传感器均与一数据收集与分析操作台通信连接，数据收集与分析操作台包括应力场数据存储器、渗流场数据存储器、温度场数据存储器与三场耦合数据分析器。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述油压加载装置和电机油压支撑柱通过相应油路与一油压加载操作台相连通，油压加载操作台用于为油压加载装置提供液压油。

所述的煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，其中，上述多根热电阻丝通过相应线路与一电流控制操作台相联接。

所述煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统的方法，其包括以下步骤：

(1)打开保温箱体的门，在承压水层水箱和潜水层水箱之间的空间内布置煤岩试验对象；

(2)自下而上依次布置下覆岩层、煤层和上覆岩层，布置每一层岩层或煤层后，同时布置应力传感器、水压传感器和温度传感器；

(3)布置完煤岩试验对象和对应传感器后，打开水压泵，向承压水层水箱和潜水层水箱内注水，直至注满并达到所需压力，水中预先加入荧光剂；

(4)打开油压加载操作台，向油压加载装置加轴向压力，油压加载装置通过垫块对含水层和煤岩实验对象施加压力；

(5)打开电流控制操作台，设定通过不同热电阻丝的电流大小，然后对热电阻丝进行通电，热电阻丝通电后开始发热，对含水层及煤岩试验对象添加所需温度场；

(6)打开数据收集和分析操作台，相应传感器开始工作，数据收集与分析操作台开始收集传感器传送的数据；

(7)横向滑动纵向滑轨并调整电机油压支撑柱的高度，使钻杆对准煤层初始开挖位置，打开电机，电机带动钻杆开始对煤层进行开采；开采至试验所需进尺后退出钻杆，关闭保温箱的门；

(8)数据收集和分析操作台自动实时将收集到的三场原始数据保存下来，并分析收集到的原始数据。

本发明提供了一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统及方法，利用钻杆模拟煤层开采，在试验装置的基座上设有横向和纵向滑轨，液压支柱支撑着电机和钻杆可以在滑轨上横向或纵向自由移动，纵向移动时钻杆在煤层上打钻，横向移动时钻杆移向未开采部分，准备下一刀的开采；钻杆模拟装置很好地模拟了采煤机的采煤工作流程，解决了传统试验装置无采煤装置或者人工挖煤存在的问题；而且设置普通煤岩试验对象、断层煤岩试验对象、岩溶陷落柱试验对象和褶皱煤岩试验对象，试验装置中可以设置不同的试验对象，包括实际煤层开采中经常遇到的地层构造，比如断层、岩溶陷落柱、褶皱等；试验对象箱体可以根据不同的工程实际条件设置不同的煤岩试验对象，适应性强，很好地解决了传统试验装置仅设置普通单一煤岩对象的问题。并且能够方便、灵活地设置承压含水层、潜水含水层：承压含水层或者潜水含水层可以根据实际工程背景决定是否设置，且设置方便灵活，水压等参数也可以通过水压控制器准确方便的调节；还可以在试验装置的水中加入荧光剂，由于水流携带荧光剂，可以直观的观测水在岩体中的渗流运动情况，解决了传统试验装置不易观测岩体中渗流运动的问题。尤其是利用热电阻丝给试验对象提供温度场，电阻丝至上而下均布于试验对象外的箱体上，从上而下通入的电流呈线性增加，以模拟地温梯度，使试验结果更加接近工程实际，解决了传统试验装置温度场单一的问题；在试验对象内部设置应力传感器、水压传感器和温度传感器，三种传感器独立采集数据，汇总于数据处理与分析系统：应力传感器、水压传感器和温度传感器分别对应测量采动应力场、渗流场和温度场的变化，同一测点三种传感器均布置上，以便准确测出同一点三场的情况；传感器的布置与试验对象的布设同时进行，使传感器合理、充分布置到实验对象内，三种传感器独立采集数据，最后统一汇总到于数据处理与分析系统；解决了传统试验装置传感器布置不合理且数据单独汇总、无法有效耦合分析的问题。

附图说明

图1为本发明中煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统的结构示意图；

图2为本发明中保温箱的结构示意图；

图3为图2中热电阻丝在保温新中的布置示意图；

图4为本发明中潜水层水箱的结构示意图；

图5为本发明中承压水层水箱的结构示意图；

图6为本发明中煤岩试验对象的结构示意图；

图7为图6中相应传感器的布置示意图；

其中，1、底座，2、支架；3、固定顶板；4、固定法兰；5、油压加载装置；6、垫块；7、油压加载操作台；8、横向滑轨；9、纵向滑轨；10、电机油压支撑柱电机油压支撑柱；11、电机；12、钻杆；13、承压水层水箱；14、承压水层过滤网；15、承压水层进水孔；16、潜水层水箱；17、潜水层过滤网；18、潜水层进水孔；19、水压泵；20、保温箱；21、保温箱门；22、热电阻丝；23、电流控制操作台；24、煤层；25、上覆岩层；26、下覆岩层；27、断层；28、应力传感器；29、水压传感器；30、温度传感器；31、数据收集与分析操作台；32、应力场数据存储器；33、渗流场数据存储器；34、温度场数据存储器；35、三场耦合数据分析器。

具体实施方式

本发明提供了一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统，如图1、图2、图3、图4、图5、图6与图7所示的，其包括轴向加压系统、煤层采动加载系统、含水层加载系统、温度加载系统、煤岩试验对象、三场数据采集与分析系统。

轴向加压系统组成：底座1、支架2、固定顶板3、固定法兰4、油压加载装置5、垫块6和油压加载操作台7，底座1通过螺栓连接于地面，4个支架2固定连接于底座1上，固定顶板3固定连接于4个支架2上，固定法兰4将油压加载装置5和固定顶板3固连在一起，垫块6固连于油压加载装置5，油压加载装置5连接于油压加载操作台7。

煤层采动加载系统包括横向滑轨8、纵向滑轨9、电机油压支撑柱10、电机11和钻杆12，横向滑轨8固连于底座1上，纵向滑轨9连接于横向滑轨8上，纵向滑轨9可以在横向滑轨8上沿横向自由移动，电机油压支撑柱10滑动连接于纵向滑轨9上，可以在纵向滑轨9上沿纵向自由移动，电机11和钻杆12固连于电机油压支撑柱10上，电机油压支撑柱10连接于油压加载操作台7。

含水层加载系统包括承压水层水箱13、承压水层过滤网14、承压水层进水孔15、潜水层水箱16、潜水层过滤网17、潜水层进水孔18和水压泵19，承压水层水箱13与底座1接触，承压水层水箱13固连于承压水层过滤网14，防止大块的煤岩进入承压水层水箱13中，潜水层水箱16固定连接于垫块6上，下部固连于潜水层过滤网17，防止煤岩进入潜水层水箱16中，承压水层水箱13一侧开有承压水层进水孔15，承压水层进水孔15通过水管与水压泵19连接，潜水层水箱一侧开有潜水层进水孔18，潜水层水箱进水孔18通过水管与水压泵19连接，水泵19中的水加有荧光剂。

温度加载系统包括保温箱20、保温箱门21、热电阻丝22和电流控制操作台23，保温箱20固定连接于底座1，保温箱门21滑动连接于保温箱20前侧，保温箱20内壁的左右和后侧自上而下均匀布置的热电阻丝22，热电阻丝连接于电流控制操作台23。

煤岩试验对象包括至少一个煤岩层单元，煤岩层单元包含煤层24、上覆岩层25、下覆岩层26和断层27，下覆岩层26布置在承压水层过滤网14上，在下覆岩层26上部布置煤层24，在煤层24上部布置上覆岩层25，上覆岩层25与潜水层过滤网17接触，上覆岩层25和下覆岩层26可以布置多层，也可以在岩层内布置断层27、岩溶陷落柱和褶皱等。

三场数据采集与分析系统包括应力传感器28、水压传感器29、温度传感器30和数据收集与分析操作台31，传感器包括应力传感器28、水压传感器29、温度传感器30，岩层与岩层、岩层与煤层、岩层与含水层接触面均布置三种传感器，三种传感器和数据收集与分析操作台31连接，数据收集与分析操作台31包含应力场数据存储器32、渗流场数据存储器33、温度场数据存储器34和三场耦合数据分析器35。

使用上述煤层采动应力场-渗流场-温度场耦合试验系统的方法，其包括以下步骤：

(1)打开保温箱门21，在承压水层箱13和潜水层水箱16之间中间的空间布置煤岩试验对象；

(2)自下而上依次布置下覆岩层26、煤层24、上覆岩层25和断层27试验对象，布置每一层岩层或煤层后同时布置应力传感器28、水压传感器29和温度传感器30；

(3)布置完煤岩试验对象和传感器后，打开水压泵19，向承压水层水箱13和潜水层水箱16内注水，直至注满并达到所需压力，水中预先加入荧光剂；

(4)打开油压加载操作台7，向油压加载装置5加轴向压力，油压加载装置5通过垫块6对含水层和煤岩实验对象施加压力；

(5)打开电流控制操作台23，设定通过不同热电阻丝22的电流大小，然后对热电阻丝22进行通电，热电阻丝22通电后开始发热，对含水层及煤岩试验对象添加所需温度场；

(6)打开数据收集与分析操作台31，传感器开始工作，应力场数据存储器32、渗流场数据存储器33、温度场数据存储器34开始分别收集应力传感器28、水压传感器29、温度传感器30传送的数据，并汇总至三场耦合数据分析器35；

(7)横向滑动纵向滑轨9并调整电机油压支撑柱10的高度，使钻杆12对准煤层24初始开挖位置，打开电机11，电机11带动钻杆12开始对煤层24进行开采；开采至试验所需进尺后退出钻杆1，关闭保温箱门21；

(8)数据收集和分析操作31台自动实时将收集到的三场原始数据保存下来，试验完成后，关闭除三场数据采集与分析系统以外的其他系统，用户可以在数据收集和分析操作台31根据需要分析收集到的原始数据。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。