一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统

1.本发明公开涉及煤层注水致裂演化试验系统领域，尤其涉及一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统。


背景技术：

2.冲击地压是一种具有十分严重危害的环境地质问题，煤层注水是防治冲击地压灾害最广泛有效的措施之一。近年来，煤层注水技术在各大煤矿防治灾害技术中得到了越来越广泛的应用。国内外不少专家学者对煤层注水技术进行了深入研究，都取得了不俗的成果。煤层注水防治冲击地压研究大多围绕增加煤体含水率，软化煤体改变力学性质方向研究，但是随着我国煤矿开采深度的增加，煤层所处应力环境更加复杂，经常受到冲击荷载作用，煤层呈现出低渗透现象，因此有必要研究冲击荷载作用下的煤体注水致裂演化过程。
3.对于深部煤层注水研究，国内外学者主要从通过提高注水压力、添加矿物质溶解剂等方式来开展相关试验，忽略了注水致裂过程中煤层受到深部冲击荷载作用时，其内部裂隙发育所发生的变化。因此，科学合理的研究煤层在注水致裂过程中受到冲击荷载作用所产生的裂隙发育特征，对于揭示深部冲击荷载作用下的煤层注水致裂演化规律是非常重要的。研究成果有助于推动深部煤层注水理论的完善，促进深部煤层注水技术的发展，对于深部煤炭开采具有重要意义。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统。所述技术方案如下：
5.根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统，包括试件盒，所述试件盒内放置试件，该多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统还包括：
6.荷载加载组件，用于对试件左、右以及顶部进行支撑，并对试件进行荷载加载；
7.压力腔体组件，用于对试件提供围压；
8.注水致裂组件，用于对试件进行注水致裂；
9.数据监测组件，用于检测加载载荷情况下，试件所受冲击荷载大小及试件轴向产生的形变，以及检测在注水致裂情况下，试件内部裂隙发育影响因素。
10.在一个实施例中，所述荷载加载组件包括：
11.试验台框架，所述试验台框架内安装试件盒；
12.侧端荷载加载单元，所述侧端荷载加载单元设置于试验台框架的一侧；
13.顶部冲击荷载加载单元，所述顶部冲击荷载加载单元设置于试验台框架的上部；
14.侧端支撑单元，所述侧端支撑单元设置于试验台框架与试件盒之间，用于压力腔体提供支撑力。
15.在一个实施例中，所述压力腔体组件包括：
16.下腔体，所述下腔体设置于试验台框架上；
17.腔体顶盖，所述腔体顶盖设置于下腔体的开口处。
18.在一个实施例中，所述注水致裂组件包括：
19.高压注水泵，所述高压注水泵设置于试验台框架的一侧的上部；
20.渗流通道机构，所述渗流通道机构一端与高压注水泵相连接，所述渗流通道机构的另一端与试件盒内部相连接；
21.在一个实施例中，还包括伺服加载机构，所述伺服加载机构设置于试验台框架的一端，且与侧端荷载加载单元、顶部冲击荷载加载单元相连接；伺服加载机构为试件盒的压力腔体内部提供围压。
22.在一个实施例中，所述数据监测组件包括:
23.传感器模块机构，用于监测试验台框架所受荷载加载压力和位移变化值以及监测试件内部裂隙发育数值；
24.数据采集分析装置，所述数据采集分析装置与传感器模块机构相连接，用于接收监测数据。
25.根据本公开实施例的第一方面，提供一种适用于上述的一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统的试验方法，该试验方法包括以下步骤：
26.步骤一：加工长方体试件；
27.步骤二：将加工好的试件安装到试件盒内，且做密封处理；
28.步骤三：通过控制系统将左侧荷载加载单元和顶部冲击荷载加载单元移动至试件表面，然后通过伺服加载装置为压力腔体注入液压油，为试件提供围压，同时避免热缩管被高压水冲破，围压达到设定值之后，按照试验方案通入高压水。
29.步骤四：高压水流动稳定后，通过顶部冲击荷载加载单元对试件施加不同位置的冲击荷载，同时实时监测应力、位移、高频应力、高频位移、内部裂隙发育、水流量等多种实验数据，并通过数据采集分析系统生成数据图表。
30.本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
31.该系统可以根据煤体所处深部冲击荷载力学环境。进行冲击荷载作用下的煤体注水致裂演化试验，并通过高频压力传感器、压力传感器、高频位移传感器、位移传感器、声发射探头、流量计实时采集煤层在冲击荷载作用下的应力、应变、内部裂隙数量、水流量等参数。本其包括伺服加载组件、冲击荷载组件、压力腔组件、注水组件、监测组件。系统运行时，压力腔内充满液压油，为试件提供围压，左侧液压油缸可为试件提供轴压，高压注水泵可以为试件提供高压水，顶部三个独立的冲击荷载压头，可以在注水致裂时模拟煤层所受冲击荷载，监测组件可以实时监测各种参数，进而实现冲击荷载作用下的煤体注水致裂演化过程。
32.当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
33.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
34.图1是本发明所述一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统的结构示意图；
35.图2是本发明所述试验台框架的结构示意图；
36.附图标记：
37.1、高压注水泵
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2、试验台框架
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3、位移传感器
38.4、第一液压油缸
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5、压力传感器
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6、第一传压杆
39.7、伺服加载装置
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801、第一密封圈
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802、第二密封圈
40.803、第三密封圈
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9、试件盒
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10、左压头
41.11、上压头
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12、热缩管
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13、试件
42.14、声发射探头
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15、渗流连接盘
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16、冲击荷载动作器
43.17、高频压力传感器
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18、第二液压油缸
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19、高频位移传感器
44.20、第二传压杆
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21、柔性隔膜
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22、支撑杆
45.23、数据采集分析系统 24、右压头
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201、左侧立柱
[0046][0047]
202、右侧立柱
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203、底部承载台
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204、顶部横柱
具体实施方式
[0048]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0049]
本发明公开实施例所提供的技术方案涉及一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统，尤其涉及煤层注水致裂演化试验系统领域。在相关技术中，对于深部煤层注水研究，国内外学者主要从通过提高注水压力、添加矿物质溶解剂等方式来开展相关试验，忽略了注水致裂过程中煤层受到深部冲击荷载作用时，其内部裂隙发育所发生的变化。基于此，本公开技术方案所提供的一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统，冲击荷载作用下的煤体注水致裂演化试验，并实时采集应力、应变、裂隙发育、水流量等多种试验参数，为揭示深部冲击荷载作用下的煤层注水致裂演化规律提供试验基础。
[0050]
图1示例性示出了本发明公开技术方案所提供的多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统的结构示意图。根据图1至图2可知，两层第三密封圈803试件盒内放置试件，该多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统还包括：荷载加载组件，用于对试件左、右以及顶部进行支撑，并对试件进行荷载加载；压力腔体组件，用于对试件提供围压；注水致裂组件，用于对试件进行注水致裂；数据监测组件，用于检测加载载荷情况下，试件所受冲击荷载大小及试件轴向产生的形变，以及检测在注水致裂情况下，试件内部裂隙发育影响因素。
[0051]
实施例一：
[0052]
荷载加载组件包括：
[0053]
试验台框架2，两层第三密封圈803试验台框架2内安装试件盒9，需要进一步指出的是，试验台框架2包括底部承载台203、左侧立柱201和右侧立柱202、顶部横柱204，其中：
[0054]
底部承载台203的两端分别设置左侧立柱201和右侧立柱202，顶部横柱204的两端分别与左侧立柱201和右侧立柱202的上部相连接；左侧端荷载加载单元包括：一个第一液压油缸4，与第一液压油缸4相连接的第一传压杆6，第一液压油缸4位于左侧立柱201中间的连接钢板24上，利用第一液压油缸4连接第一传压杆6，为试件提供左侧向压力；顶部冲击荷载加载单元包括：三个第二液压缸18，三个第二液压缸18位于顶部横柱204之间的连接钢板上，设置有三个冲击荷载加载的上压头11，冲击荷载作动器16与第一液压缸同轴连接，且冲击荷载作动器16依次通过第二传压杆18与三个上压头11相连接，利用三个上压头为试件提供冲击荷载；侧端支撑单元包括：位于压力腔体和右侧立柱之间支撑杆22，支撑杆22通过钢制连接件分别连接压力腔体和右侧立柱202，为压力腔体提供右侧支撑力。
[0055]
在一个实施例中，两层第三密封圈803压力腔体组件的下腔体通过连接件固定于底部承载台201上方，下腔体左侧留有一个圆形开口，开口内置两层第一密封圈801，保证开口与左侧的第一传压杆6的密封；下腔体右侧留有一个圆形开口，开口内置两层第二密封圈802，保证开口与右侧渗流连接盘15的密封；下腔体左下方留有进回油口，进回油口通过高压管与伺服加载装置7连接，为腔体内试件13提供围压，需要进一步指出的是，提供围压是指，充入高压液压油把安装好热缩管12的试件包裹，给试件13两层第三密封圈803腔体顶盖通过螺栓与下腔体连接，连接面的顶盖区域内置两层密封圈801、连接面的下腔体区域内置两道凹槽，用以保证腔体密封；腔体顶盖留有三个圆形开口，每个开口内置两层第三密封圈803，保证腔体顶盖和三个第二传压杆20之间的密封；腔体顶盖留有注水口，通过高压管和高压注水泵1相连接，为试件13提供高压水；腔体顶盖下部安装有柔性隔膜21，避免上压头11和试件13直接接触造成试件热缩管损伤。
[0056]
在一个实施例中，两层第三密封圈803注水致裂组件包括：
[0057]
高压注水泵1，两层第三密封圈803高压注水泵1设置于试验台框架2的一侧的上部；
[0058]
渗流通道机构包括：高压管路、左压头10、试件13、热缩管12、右压头24、渗流连接盘15、流量计20，两层第三密封圈803注水致裂组件通过密封组件依次连接高压注水泵1、高压管路、左压头10、试件13、右压头24、渗流连接盘15、流量计20，并通过其中的渗流连接盘15的渗流通道为试件提供高压水，其中试件通过硅橡胶和密封箍与左右压头连成一体。
[0059]
在一个实施例中，两层第三密封圈803伺服加载装置为左侧荷载加载单元、顶部冲击荷载加载单元提供动力，并为压力腔体内部提供围压。
[0060]
在一个实施例中，两层第三密封圈803数据监测组件包括:
[0061]
传感器模块机构包括：压力传感器5、位移传感器3、高频压力传感器17、高频位移传感器19，其中，两层第三密封圈803压力传感器5和位移传感器3位于左侧荷载加载单元，用来监测左侧加载单元的压力和位移变化值，进而反映出试件所受左侧压力和侧向形变。两层第三密封圈803高频压力传感器17、高频位移传感器19位于顶部冲击荷载加载单元，用来监测顶部冲击荷载加载单元的压力和位移高频率变化值，进而反映出试件所受冲击荷载大小及试件轴向产生的形变；
[0062]
传感器模块机构还包括：两层第三密封圈803声发射探头14位于下腔体底部，用来监测试件内部裂隙发育数值。两层第三密封圈803流量计20用来监测流通过试件的高压水流量，用来反应试件内部裂隙发育情况。
[0063]
数据采集分析装置23，所述数据采集分析系统23与收集压力传感器5、位移传感器3、高频压力传感器17、高频位移传感器19、声发射探头14、流量计20的输出端相连接，用来收集压力传感器、位移传感器、高频压力传感器、高频位移传感器、声发射探头、流量计所采集到的数据值，并通过采集分析软件对数据进行相关分析，形成图表。
[0064]
实施例二：提供一种适用于上述的一种多位置冲击荷载作用下煤体注水致裂试验系统的试验方法，该试验方法包括以下步骤：
[0065]
步骤一：加工长方体试件，首先从煤矿采集大块煤样，然后包裹养护好，运送至取样中心，运送时要避免煤体受损，再通过数字切割设备，将试件切割成200mm
×
200mm
×
600mm的长方体试件。
[0066]
步骤二：将加工好的试件安装到试件盒内于左压头和右压头中间，竖起排列，将试件侧面和左压头、右压头侧面都均匀涂抹密封胶，待密封胶干透后，用热缩管将左压头、试件、右压头包裹成一个整体，并用密封箍固定，保证密闭性完好。
[0067]
步骤三：通过控制系统将左侧荷载加载单元和顶部冲击荷载加载单元移动至试件表面，然后通过伺服加载装置为压力腔体注入液压油，为试件提供围压，同时避免热缩管被高压水冲破，围压达到设定值之后，按照试验方案通入高压水。
[0068]
步骤四：高压水流动稳定后，通过顶部冲击荷载加载单元对试件施加不同位置的冲击荷载，同时实时监测应力、位移、高频应力、高频位移、内部裂隙发育、水流量等多种实验数据，并通过数据采集分析系统生成数据图表。
[0069]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
[0070]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。