技术领域：
[0001] 本
发明属于矿山工程技术领域，尤其涉及一种三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统。背景技术：
[0002] 在多
煤层开采矿井中瓦斯灾害防治、应用保护层开采技术防治煤与瓦斯突出灾害的煤层开采过程中，由于煤层的采掘会造成邻近煤岩体卸压，应
力状态发生变化，并产生大量裂隙，在裂隙带内煤岩体的渗透特性会产生显著变化，影响着瓦斯的流动和聚集特征，为了提高卸压瓦斯的抽采效率、避免卸压瓦斯灾害的发生，需要研究邻近煤岩体渗透特性的演化规律，以指导瓦斯抽采方案的设计。现有的试验装置通常包括试验
箱体、压力加载系统、气体加载及流量监测系统、
应力应变测量系统，试验箱体宽度小，一般不超过30cm，只能进行二维
变形条件下渗流特性研究，试验箱体内设有保护层和被保护层，但所述保护层在开采的过程中，没有设定保护边界，只能进行二维条件下的
平面应力应变监测，因此未能模拟出保护层开采过程中其四周真实的受力条件，那么渗透率、应变应力的测量结果也不够准确，对瓦斯抽采方案的设计造成一定影响。发明内容：
[0003] 针对
现有技术存在的
缺陷，本发明提供一种三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其能真实模拟保护层开采过程中的四周受力条件，精准测量保护层煤岩体的应变应力和渗透率。
[0004] 本发明采用如下技术方案：提供一种三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，包括煤岩体密封箱体、轴压加载装置、围压加载装置、恒压气体加载及流量监测系统、应力监测系统和应变监测系统，所述煤岩体密封箱体包括
框架和底座，所述框架固定在底座上，框架的前端面和后端面分别安装带有小孔的有机玻璃板，其余各面由
钢板密封而成；
[0005] 所述煤岩体密封箱体的顶壁内侧安装有多组油压缸，每组油压缸均与一上
压板连接，所述油压缸通过高压钢管与所述轴压加载装置连接，所述煤岩体密封箱体的一
侧壁内侧安装有压力气囊与一侧压板连接，所述压力气囊通过高压钢管与所述围压加载装置连接，所述煤岩体密封箱体内铺设有保护层和被保护层，所述保护层分为待回采的中心回采区域和边界保护区域，所述中心回采区域内设有模拟回采层，所述模拟回采层包括沿着回采方向依次放置的多个承压柔性气囊，所述多个承压柔性气囊外边缘用矩形框体围起，相邻两所述承压柔性气囊之间用隔板间隔
定位，所述煤岩体密封箱体的底壁内侧安装有
导管连通外界与所述模拟回采层，所述恒压气体加载及流量监测系统包括气体加载装置和
电子气体流量计，所述气体加载装置通过高压钢管与所述煤岩体密封箱体的进气孔连接并连通所述被保护层，所述进气孔为位于框架后端面的所述有机玻璃板上的多个小孔，所述电子气体流量计与所述密封箱体的测量孔连接，所述测量孔为位于框架前端面的所述有机玻璃板上与所述进气孔对应设置的多个小孔；
[0006] 所述应力监测系统包括压力盒和计算机，所述压力盒安装在所述被保护层中的应力测试点上，所述应变监测系统包括光纤光栅
传感器、可发出光
信号的光纤光栅传感调节仪和
数据采集计算机，所述光纤光栅传感器垂直埋设在所述被保护层中的应变测试点上。
[0007] 所述轴压加载装置包括油压罐、与所述油压罐连接的油压
泵和设于所述油压泵上的压力表。
[0008] 所述围压加载装置包括高压充气瓶和设于所述高压充气瓶上的压力表。
[0009] 所述气体加载装置包括高压瓦斯瓶和设于其上的减压
阀和压力表。
[0010] 所述多组油压缸为四组，每组油压缸包括前后对齐设置的两个油压缸。
[0011] 所述框架前端面和后端面的所述有机玻璃板上的小孔对称设置，均排列为6排，每排为10个。
[0012] 所述应变测试点为10个。
[0013] 所述光纤光栅传感器的光纤套设有保护
套管。
[0014] 本发明还提供一种采用上述三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统进行煤体渗透特性测试的方法，包括以下步骤：
[0015] 步骤1、铺设模型和组装三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统：
[0016] 步骤101：根据待研究矿井的实际地质条件设定保护层和被保护层的高度；
[0017] 步骤102：将带有小孔的前、后有机玻璃板分别安装在框架的前端面和后端面上，在框架的底面和其中一侧面均安装钢板形成煤岩体密封箱体的底壁和一侧壁，在所述侧壁内侧安装好压力气囊和侧压板，在所述底壁内侧安装导管至模拟回采层高度，在框架后端面的有机玻璃板上选择小孔作为进气孔并安装导气管直接深入到被保护层中1～2cm，导气管的另一端与气体加载装置连接；
[0018] 步骤103：将配比好的相似材料按着实验要求对模型进行逐层铺设，并对每一分层进行节理划分，均匀撒上
云母粉，再次
压实后进行下一层的铺设，框架上与安装有压力气囊和侧压板的侧面相对的另一侧面用宽度为10cm的槽钢随着模型的铺设逐层安装至框架的顶部；当模型铺设至保护层高度
位置时，根据模拟保护层的厚度选用合适的承压柔性气囊，并对承压柔性气囊进行充气，达到设计的模拟回采层高度；当模型铺设至被保护层高度位置时，在被保护层中铺设压力盒和光纤光栅传感器，并将数据线通过框架后端面的有机玻璃板上相应的小孔输出连接计算机、光纤光栅传感调节仪和数据采集计算机，同时在框架前端面的有机玻璃板上选择小孔作为测量孔与电子气体流量计连接，最后直至模型铺设完毕；
[0019] 步骤104：待模型达到一定的稳定程度后，将所述槽钢相间隔的卸掉，使模型晾干，之后在有所述槽钢的一侧安装整
块钢板形成煤岩体密封箱体的另一侧壁，最后将安装好上压板和油压缸的顶部钢板盖上，并进行煤岩体密封箱体的密封；
[0020] 步骤105：将围压加载装置通过煤岩体密封箱体的进气口与所述压力气囊连接，将轴压加载装置与所述油压缸连接；
[0021] 步骤2、通过围压加载装置和轴压加载装置给模型施加相应的围压和轴压来模拟真实受力环境；
[0022] 步骤3、对被保护层的煤岩体渗透特性进行测试：对模拟回采层中的承压柔性气囊按照回采方向进行逐一泄气，两相邻承压柔性气囊之间的隔板会随着承压柔性气囊的依次卸压而向开采方向发生倾倒，并通过气体加载装置对被保护层进行气体加载，并随着保护层的开采逐一打开测量孔，待电子气体流量计数值稳定后开始记录数据，同时通过计算机、数据采集计算机对应力、应变数据进行采集；
[0023] 步骤4：保护层开采完毕，即承压柔性气囊全部卸压后，对数据进行归纳、处理；并根据瓦斯流出被保护层的流量计算煤岩体的渗透性。
[0024] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0025] 1、所述保护层分为待回采的中心回采区域和边界保护区域，所述中心回采区域内设有模拟回采层，用于模拟回采过程，所述边界保护区域对所述中心回采区域实行保护，使得保护层回采过程中，回采面四周均受到保护边界约束，更加真实的模拟出了保护层回采过程中其四周的受力条件，使得应变应力、渗透率测量结果更加接近实际；
[0026] 2、所述模拟回采层包括沿着回采方向依次放置的多个承压柔性气囊，可模拟上保护层开采、下保护层开采和多煤层开采过程中固气耦合特征；所述多个承压柔性气囊用一矩形框体围起，相邻两所述承压柔性气囊之间用隔板间隔定位，且所述煤岩体密封箱体的底壁内侧安装有导管连通外界与所述模拟回采层，所述隔板与所述矩形框体共同保证了模拟回采过程中承压柔性气囊的形状
稳定性；所述导管实现对所述承压柔性气囊填充或排泄气体、
水等介质的控制，在对保护层回采过程中按照时间相似比沿着回采方向将每个承压柔性气囊依次通过所述导管泄气或排水以达到模拟回采效果，因此解决了在有边界保护区域存在时对模拟回采过程的控制；
[0027] 3、所述光纤光栅传感调节仪发出的
光信号传输至所述光纤光栅传感器，经过所述光纤光栅传感器处理后，符合反射条件的光被反射，反射光被所述光纤光栅传感调节仪接收，所述光纤光栅传感调节仪对这些
波长进行识别，将得到的应力传感信息传输给数据采集计算机进行处理分析，得到的应变信息更加精确。
附图说明：
[0028] 图1为本发明
实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统的结构示意图；
[0029] 图2为本发明实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统中煤岩体密封箱体的立体图；
[0030] 图3为本发明实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统中恒压气体加载及流量监测系统与煤岩体密封箱体的连接结构示意图；
[0031] 图4为本发明实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统中煤岩体密封箱体的前、后端面上有机玻璃板上小孔布置示意图；
[0032] 图5为本发明实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统中被保护层、模拟回采层布置示意图；
[0033] 图6为本发明实施例提供的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统中被保护层中光纤光栅传感器布置示意图；
[0034] 本实施例中：1-被保护层，2-保护层，3-油压缸，4-上压板，5-侧压板，6-框架，7-承压柔性气囊，8-油压泵，9-油压罐，10-高压钢管，11-高压瓦斯瓶，12-压力表，13-底座，14-导管，15-压力气囊，16-高压充气瓶，17-隔板，18-电子气体流量计，19-压力盒，20-小孔，21-有机玻璃板，22-光纤，23-光纤光栅传感器，24-中心回采区域，25-边界保护区域，26-回采方向，30-煤岩体密封箱体。
具体实施方式：
[0035] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036] 参考图1，本发明提供的一种三维模拟卸压煤岩体的渗透特性测试系统，包括煤岩体密封箱体30、轴压加载装置、围压加载装置、恒压气体加载及流量监测系统、应力监测系统和应变监测系统。所述煤岩体密封箱体30包括框架6和底座13，所述框架6固定在所述底座13上，所述框架6内腔的尺寸为1700mm×1200mm×1300mm，所述框架6的前端面和后端面分别安装带有小孔20的有机玻璃板21，其余各面由钢板密封而成，即为所述煤岩体密封箱体30的左侧壁、右侧壁、底壁和顶壁，所述有机玻璃板21用柔性
密封胶带与框架之间密封。
[0037] 如图1和图2所示，所述煤岩体密封箱体30的顶壁内侧安装有4组油压缸3，每组油压缸3包括前后对齐设置的2个油压缸3，共计8个油压缸3，每组油压缸3均与1片上压板4连接，共计4片上压板4，所述8个油压缸3均通过高压钢管10与所述轴压加载装置连接，所述煤岩体密封箱体30的左侧壁内侧安装有压力气囊15与一侧压板5连接，所述压力气囊15通过高压钢管10与所述围压加载装置连接，所述8个油压缸3与所述压力气囊15通过所述上压板4和侧压板5可以对煤岩体均匀施加轴压和围压，模拟不同压力条件下的应力环境。
[0038] 所述轴压加载装置包括油压罐9、与所述油压罐9连接的油压泵8和设于所述油压泵8上的压力表12，所述围压加载装置包括高压充气瓶16和设于所述高压充气瓶16上的压力表12，所述压力表12实现对加载轴压、围压的压力大小的监测与控制。
[0039] 如图1和图3所示，所述恒压气体加载及流量监测系统包括气体加载装置和电子气体流量计18，所述煤岩体密封箱体30内铺设有被保护层1和保护层2，为了能够真实的模拟瓦斯在煤层中的运移特征，所述气体加载装置通过高压钢管10与所述煤岩体密封箱体30的进气口连接，对所述被保护层1充气，所述气体加载装置包括高压瓦斯瓶11和设于其上的减压阀和压力表12；所述电子气体流量计18与所述密封箱体30的测量孔连接，来测量被保护层1在保护层开采条件下的渗透率。如图4所示，所述框架6的前、后端面上的所述有机玻璃板21上的小孔20对称设置，均排列为6排，每排为10个，所述进气孔为位于框架6后端面的所述有机玻璃板21上的多个小孔20，所述测量孔为位于框架6前端面的所述有机玻璃板21上与所述进气孔对应设置的多个小孔20。
[0040] 如图1和图5所示，所述保护层2分为待回采的中心回采区域24和边界保护区域25，所述中心回采区域24内设有模拟回采层，所述模拟回采层包括沿着回采方向依次规则放置的多个长度为600mm、宽度为100mm的承压柔性气囊7，所述多个承压柔性气囊7外边缘用高度为30mm的矩框体围起，本实施例中采用的是矩形木框，相邻两所述承压柔性气囊7之间用隔板17间隔定位，每一所述隔板17与所述矩形框体活动连接，所述隔板17的放置方向与回采方向垂直，所述隔板17之间的间距根据承压柔性气囊7在回采方向的边长来定，使得所述隔板17与所述承压柔性气囊7相粘接，并保证隔板17只允许沿开采方向活动，本实施例中隔板17的间距为100mm，本实施例中隔板17采用的是薄木板，且所述煤岩体密封箱体30的底壁内侧安装有导管14连通外界与所述模拟回采层，所述导管14用于实现对所述承压柔性气囊7充气、排气的控制，煤岩
体模型装填过程中将所述承压柔性气囊7充气达到所述保护层2高度，在对保护层回采过程中按照时间相似比沿着回采方向将每个承压柔性气囊7依次通过所述导管14排气以达到模拟回采效果，所述两相邻承压柔性气囊7之间的隔板17会随着所述承压柔性气囊7的依次卸压而向开采方向发生倾倒，因此所述隔板17并不会对保护层开采产生影响。在其他实施例中承压柔性气囊7可以用水当作介质。
[0041] 所述应力监测系统包括压力盒19和计算机，所述压力盒19在煤岩体模型装填过程中埋设到所述被保护层1中所
选定的应力测试点上，其通过数据
导线与计算机连接；所述应变监测系统包括光纤光栅传感器23、可发出光信号的光纤光栅传感调节仪和数据采集计算机，所述光纤光栅传感器23在煤岩体模型装填过程中垂直埋设在所述被保护层1中所选定的应变测试点上，如图6所示，在所述被保护层1中共布置10个应变测试点，通过保护层的开采使被保护层1内部发生应力、应变的变化，进而使埋入其中的所述光纤光栅传感器23的光纤光栅产生轴向应变，发生波长的偏移，通过波长偏移量的分析可以确定光纤光栅的受力情况。其中光纤22埋入所述被保护层1前加保护套管，主要作用可以保护光纤22，并使光纤22与所述被保护层1的
接触面积增大减小试验中光纤22对材料的破坏。所述光纤光栅传感调节仪发出的光
信号传输至所述光纤光栅传感器23，经过所述光纤光栅传感器23处理后，符合反射条件的光被反射，反射光被所述光纤光栅传感调节仪接收，所述光纤光栅传感调节仪对这些波长进行识别，将得到的应变传感信息传输给数据采集计算机进行处理分析。
[0042] 所述框架6的前、后端面上的所述有机玻璃板21上的小孔20可作为所述压力盒19与所述计算机之间、所述光纤光栅传感器23与所述光纤光栅传感调节仪，数据采集计算机之间的引线通道。
[0043] 本发明还提供了一种采用上述测试系统进行煤体渗透特性测试的方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤1、铺设模型和组装三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统：
[0045] 步骤101：根据待研究矿井的实际地质条件设定保护层和被保护层的高度；
[0046] 步骤102：将前、后有机玻璃板、左侧钢板和底部钢板安装在框架的前端面、后端面、左侧面和底面上，在左侧钢板内侧安装好压力气囊和侧压板，在底部钢板内侧安装导管至模拟回采层高度，在框架后端面的有机玻璃板上选择小孔作为进气孔并安装导气管直接深入到被保护层中1～2cm，导气管的另一端与气体加载装置连接；
[0047] 步骤103：将配比好的相似材料按着实验要求对模型进行逐层铺设，并对每一分层进行节理划分，均匀撒上云母粉，再次压实后进行下一层的铺设，框架上与安装有压力气囊和侧压板的侧面相对的另一侧面用宽度为10cm的槽钢随着模型的铺设逐层安装至框架的顶部；当模型铺设至保护层高度位置时，根据模拟保护层的厚度选用合适的承压柔性气囊，并对承压柔性气囊进行充气，达到设计的模拟回采层高度；当模型铺设至被保护层高度位置时，在被保护层中铺设压力盒和光纤光栅传感器，并将数据线通过框架后端面的有机玻璃板上相应的小孔输出连接计算机、光纤光栅传感调节仪和数据采集计算机，同时在框架前端面的有机玻璃板上选择小孔作为测量孔与电子气体流量计连接，最后直至模型铺设完毕；
[0048] 步骤104：待模型达到一定的稳定程度后，将框架的右侧面的槽钢相间隔的卸掉，使模型晾干，之后在框架右侧面安装整块钢板，最后将安装好上压板和油压缸的顶部钢板盖上，并进行煤岩体密封箱体的密封；
[0049] 步骤105：将围压加载装置通过煤岩体密封箱体的进气口与所述压力气囊连接，将轴压加载装置与所述油压缸连接；
[0050] 步骤2、通过围压加载装置和轴压加载装置给模型施加相应的围压和轴压来模拟真实受力环境；
[0051] 步骤3、对被保护层的煤岩体渗透特性进行测试：对模拟回采层中的承压柔性气囊按照回采方向进行逐一泄气，两相邻承压柔性气囊之间的隔板会随着承压柔性气囊的依次卸压而向开采方向发生倾倒，并通过气体加载装置对被保护层进行气体加载，并随着保护层的开采逐一打开测量孔，待电子气体流量计数值稳定后开始记录数据，同时通过计算机、数据采集计算机对应力、应变数据进行采集；
[0052] 步骤4：保护层开采完毕，即承压柔性气囊全部卸压后，对数据进行归纳、处理；并根据瓦斯流出被保护层的流量计算煤岩体的渗透性。
[0053] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明
权利要求所限定的范围。
