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一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法

阅读：1027发布：2020-05-22

专利汇可以提供一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法，包括真三轴压力室、支架、加载装置、瓦斯渗流装置、CT扫描系统及控制/监测装置。真三轴压力室包括盖板和桶体；支架包括顶板、底板及立柱，位于CT扫描区内的装置均由碳纤维材料制成；加载装置包括轴压、侧压以及围压加载装置，提供实验所需的轴压、侧压和围压；瓦斯渗流装置控制着瓦斯气经过煤体并获取排出的瓦斯流量，研究渗透率变化；CT扫描装置包括CT 放射源和CT探测器，实时观察试件内部变化。实现了真三轴应力 -应变-渗流与CT实时配合，对于研究真三轴应力状态下煤岩体孔裂隙的扩展和渗透率演化规律具有重要意义。，下面是一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，其主要由：真三轴压力室、支架、加载装置、瓦斯渗流装置、CT扫描系统以及控制/监测装置组成，其中：
所述支架由顶板、底板以及4根立柱组成，顶板底板中心设有中心孔，顶板和底板内侧面的中心位置处焊接有加载室底座，顶板和底板由立柱连接，并由螺栓固定；
所述真三轴压力室包括盖板和桶体，桶体在两侧同一高度水平位置开设有圆孔，圆孔外侧处连接有侧压加载装置，底部开设中心孔，下加载室活塞压杆通过此处延伸至桶内；桶体底部开设排气口、下部位置上设有排液口，桶体与盖板之间有O型圈提供密封，且在桶体上端周围开设有螺栓孔，链接桶体与盖板；
所述盖板上预设有进液口，与出液口配合使用，提供实验条件所需的围压，盖板上开设有进气口，与排气口配合使用用以连接供气装备和试件渗流通道，盖板中间位置开设有中心孔，上加载室活塞压杆通过中心孔延伸至桶内；
所述加载装置包括轴压加载室、侧压加载室和围压加载装置；所述的轴向加载室安置于支架顶板、底板所焊接的加载室底座处；所述轴压加载室包括上压力室、下压力室，轴向位移传感器1、2，轴压传感器1、2，上压柱、下压柱、上压头、下压头，左压力室、右压力室，侧向位移传感器1、2，左压柱、右压柱、左压头、右压头以及若干压块、垫片；
所述上(下)、左(右)压力室连接有活塞压柱，活塞压柱前部连接有上(下)、左(右)压头，压头与压块连接，共同配合为试件提供所需实验条件的轴压、侧压，各压块之间有垫片相互隔断，防止出现刚性碰撞，影响实验结果；所述围压加载方式为柔性加载，通过压力泵经通过上部进液口为实验提供所需围压；
所述位移传感器设置在煤岩体试件的上下左右前后的6个方向上各设置一个，监测试件在实验过程中的应变变化；
所述瓦斯渗流装置，高压气瓶气体通过导管连接到进气口处的渗流管上，并最终从上压头进气口流经煤岩体试件，通过下压头出气口、底座预留的出气口经气体流量计流出；
所述CT扫描系统包括位于真三轴实验仪前后两侧的CT 放射源和CT探测器组成，能为试件提供实时扫描。
2.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，其特征在于：
真三轴试验仪前后两侧方向设有CT放射源和CT探测器，在进行真三轴渗流实验同时可以进行实时扫描。
3.根据权利要求2所述的一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，其特征在于：
上压头、下压头处预留有气体流经通道，在开展力学强度测试实验的同时，进行气体渗流实验。
4.根据权利要求1或3所述的一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，其特征在于：位于扫描区的实验装置配件均是由碳纤维组成，其余部位均采用钢材制成。
5.根据权利要求4所述的一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，其特征在于：
为实验环境提供轴向压力的上、下压力室均固定于顶板、底板上，较为稳固。
6.根据权利要求5所述的一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验方法，其特征在于，包括以下实验步骤：
1)首先把准备好的煤岩体试件进行预处理，之后在试件表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将煤岩体试件包裹牢固，并利用卡箍固定于上下压头上。
2)将制备完善的试件放置好，将轴压、侧压加载系统安装到位，连接瓦斯渗流装置，向压力室中注满液压油、装配盖板；
3)打开控制/监测装置，设定实验温度，恒定；
4)打开瓦斯罐阀门，观测流量值并保持读数恒定，待数值保持恒定后关闭排气阀同时保持瓦斯罐阀门开启状态不变，让煤岩体试件恒定吸附瓦斯气体48h；
5)恒定48h后打开排气阀，待流量计读数再次稳定后，加载轴压、侧压、围压进行试验，同时记录煤岩体试件应力-应变-渗流变化，并进行CT扫描，至试件破坏，CT扫描装置获取全过程孔裂隙发育变化。

说明书全文

一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种物理模拟实验研究，尤其适用于一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法。

背景技术

[0002] 煤岩体的变形破坏特征及渗透率的研究对于防治井下开采工作各种动力灾害的具有重要意义。含瓦斯煤层在上覆岩层压力、构造应力和瓦斯压力的共同作用下处于稳定平衡状态。在开采活动的影响下，伴随煤体孔隙连通和裂隙扩展，局部能量聚集，煤体逐渐进入非稳定平衡状态，一旦受到扰动就会促发煤矿复杂动力灾害。

[0003] 应力对于含瓦斯煤体力学特性和渗流规律有着较大的影响，真三轴流固耦合系统能够准确地模拟、分析工程中煤岩体的受力状况，分析其在三向不同应力情况下强度、变形特性与渗透率变化规律。真三轴流固耦合系统能够在煤岩体试件的各个面上施加符合客观条件的应力，并对试件的应变、渗透率进行实时监测，实现各种应力的加载方式，进而更为系统、全面地揭示应变与渗流之间的关系。

[0004] 煤岩体的破坏往往都是从其内部的微裂隙、微孔隙开始，最终相互贯通引起宏观破坏，对渗透率产生影响，所以弄清煤岩体内部损伤破坏情况极为关键。而CT扫描技术能够对煤岩体内部的结构变化进行观测，全面了解其内部的变化。但是由于设备的局限，CT扫描往往是在煤岩体从真三轴瓦斯渗流实验台上卸取之后进行的，未能够实现进行观测。

[0005] 所以将CT扫描技术与真三轴渗流实验系统相结合，实现真正意义上的实时扫描，对煤岩体受到三向应力条件下强度和变形情况进行研究，借助CT扫描图像观测内部孔裂隙变化情况，结合渗透率变化规律可以将煤岩体的变形、内部孔裂隙的扩展以及煤岩体瓦斯渗流规律进行综合研究，实现全面、系统研究。

[0006] 与本发明申请相关的有：

[0007] 1.中国专利CN201510409976.9公开的一种基于煤层气的热流固耦合真三轴剪切渗流实验装置，包括分体结构式的试验盒及特殊结构橡胶托盘，结构简便，精度高，模拟的真实性、准确性和可靠性高。

[0008] 2.中国专利CN201610120372.2提出一种真三轴流固耦合煤体渗流实验装置，包括加载单元、流体单元、及控制单元，能够准确地模拟、分析煤体在三向不等应力条件下的渗透率变化规律。

[0009] 以上两个专利主要涉及研究真三轴条件下煤体的瓦斯渗流情况，由于试验装置整体框架、支架以及桶体等是由金属材料制成，CT机发出的射线不能穿透，无法实现真三轴试验仪和CT扫描的实时配合。而为了了解煤体内部孔裂隙发展情况传统做法是将试件进行卸取，然后再进行CT扫描，但是在操作过程中势必会对试件产生破坏，造成实验结果的误差。

[0010] 3.中国专利CN201310471580.8公开的带CT扫描的三轴压力室，用于配合Micro-focus CT观察和研究试件在常规三轴压力下力学性质的细观变化。

[0011] 4中国专利CN201510577392.2涉及的一种带CT实时扫描系统的真三轴实验装置及方法，包括压力室、支架、加载装置及扫描仪，能够实现真三轴和CT扫描实验的实时配合，对于研究真三轴应力状态下煤岩体中微裂隙和微孔洞的扩展、演化有重要意义。

[0012] 上述两个专利提出的实验装置虽然能够实现煤岩体加载的CT实时扫描，但是涉及的均是力学特性，研究试件损伤变形规律，没有考虑到煤岩体内部瓦斯气体的渗透率在实验过程中的变化趋势，不能进行瓦斯气渗流研究，无法对煤岩体进行全面、系统的研究。发明内容：

[0013] 本发明的目的在于提供一种能够进行实时扫描、可使用瓦斯作为流体介质进行流固耦合实验的试验装置，模拟、分析煤岩体在三向应力条件下应力-变形-渗流-孔裂隙发育变化规律。

[0014] 为实现上述目的，其技术方案如下：一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，包括真三轴压力室，承载实验装置的支架，为煤岩体试件提供轴压、侧压、围压的加载装置，为试件提供渗流环境的瓦斯渗流装置，能对煤岩体试件进行实时观测的CT扫描系统，CT扫描系统包括设置于真三轴实验机前后两侧的放射源和探测器，以及控制/采监测装置；所述真三轴压力室包括开设有进液/气口、排液/气口和加载系统位置口的桶体、盖板；所述支架包括带有加载装置底座的顶底板和连接顶底板的立柱；所述加载装置包括上、下、左、右四个位置处的压力室及其相关配件的和围压加载液压泵；为了实现CT系统的实时扫描，以上所述位于CT扫描区域内的真三轴压力室、支架以及加载系统部分配件均为碳纤维材质。

[0015] 所述支架顶、底板由于不需要进行扫描，是由矩形厚钢板组成，在顶板、底板内侧面上设置有压力室底座，所述的上、下压力室固定于底座上。

[0016] 所述桶体上部敞开，底部中心位置处开设中心孔，盖板与桶体底部相对位置处亦开设有中心孔，盖板与桶体采用法兰连接，连接处设有O型圈。

[0017] 所述位于上、下压力室包括液压缸、活塞压柱以及压柱前端的压头组成，上压力室和下压力室活塞压柱从盖板和桶底中心孔中伸入压力室中，并与压头相连接，最终将轴压传至煤岩体试件上，中心孔边缘设置有O型圈，保证密闭性。

[0018] 所述的桶体左右两侧同一个高度水平对称位置设有孔洞，并连接有左、右压力室，压力室焊接在桶体上，压力室中有活塞压柱伸出，压柱前端连接压头、压头与压块相连，可以将实验所需的侧压传至煤岩体试件上，各压块之间有垫片，防止发生刚性碰撞。

[0019] 所述的盖板上设置有进液口、压力传感器，所述的桶体底部设有排气口、下部位置上开有排液口，进液口通过导管与外部液压泵相连，与出液口配合，根据压力传感器上的数值为试件提供实验条件所需的围压。

[0020] 所述上压头和下压头内部均设有瓦斯渗流通道，外部高压气瓶通过导线经进气口与上压头预设的瓦斯通道连接，下压头预设的瓦斯通道经底部排气口与外部的气体流量计相连，整个渗流装置为实验提供所需的气体环境，气体流量计读取流经煤岩体试件的瓦斯流量。

[0021] 所述桶体内部预设有温度控制装置，可以对实验的温度环境进行控制，保持温度的恒定，防止出现实验误差。

[0022] 所述桶体及盖板上各个孔周围均装有O型圈进行密封。

[0023] 所述真三轴压力室中，围绕煤岩体试件所在位置上、下、左、右、前、后6个方位均设有位移传感器，通过导线与外部控制/监测装置连接，实时监测煤岩体试件应变变化。

[0024] 所述上下压头左右各压块边缘均设有倒角，防止出现各个加载组件之间的刚性接触，一方面防止影响实验结果，另一方面为了延长设备配件的使用年限。

[0025] 所述的CT扫描装置包括在真三轴仪前后两侧设置的CT放射源和CT探测器，且位于扫描区域的各配件均为碳纤维材质。

[0026] 上述一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0027] 1)首先把准备好的煤岩体试件进行预处理，之后在试件表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将煤岩体试件包裹牢固，并利用卡箍固定于上下压头上；

[0028] 2)将制备完善的试件放置好，将轴压、侧压加载系统安装到位，连接瓦斯渗流装置，向压力室中注满液压油、装配盖板；

[0029] 3)打开控制/监测装置，设定实验温度，恒定；

[0030] 4)打开瓦斯罐阀门，观测流量值并保持读数恒定，待数值保持恒定后关闭排气阀同时保持瓦斯罐阀门开启状态不变，让煤岩体试件恒定吸附瓦斯气体48h；

[0031] 5)恒定48h后打开排气阀，待流量计读数再次稳定后，加载轴压、侧压、围压进行试验，同时记录煤岩体试件应力-应变-渗流变化，并进行CT扫描，至试件破坏，CT扫描装置获取全过程孔裂隙发育变化。

[0032] 在上述全试验过程中，控制/监测系统全程记录压力读数、试件各方向的位移变化以及瓦斯压力、流量计读数等信息，CT扫描装置在所需时刻对试件进行扫描获取试件内部孔裂隙发育程度。

[0033] 本发明的积极效果：

[0034] 1)本发明实验装置所有位于扫描区的配件材质均为碳纤维，放射线能够穿透，克服了传统实验无法实时进行CT扫描的缺陷；

[0035] 2)本发明将真三轴流固耦合瓦斯渗流系统与CT扫描仪结合起来，能够实现应力-应变-渗流-孔裂隙耦合的同步研究，对于煤岩样试件的研究无疑更加丰富、全面；

[0036] 3)本发明装置对于研究真三轴应力状态下煤岩体试件渗透率变化、孔裂隙实时发育及其相互关系规律具有极为重要的意义；

[0037] 4)本发明极大丰富了真三轴可视、渗流实验领域的研究。附图说明

[0038] 图1为本发明总装置的总视图

[0039] 图2为本发明总装置的主视图(图中线头方向表示数据传输方向)

[0040] 图3为本发明去掉前侧CT放射源外部结构示意图

[0041] 图4为本发明实验装置俯视图

[0042] 图5为本发明实验装置真三轴压力室透视图

[0043] 其中，

[0044] 0-实验煤岩体试件，1-真三轴压力室，11-压力室盖板，12-进液口，13-桶体，14-排液口，15-排气口，16-进气口，17-围压传感器，21-立柱，22-顶板，23-底板，310-上压力室，311-上压柱，312-轴向位移传感器1，313-轴压传感器1，314-上压头，320-下压力室，321-下压柱，322-轴向位移传感器2，323-轴压传感器2，324-下压头，410-右压力室，411-侧压传感器1，412-侧向位移传感器1，413-右压柱，414-右压头，415-垫片，416-压块，420-左压力室，
421-侧压传感器2，422-侧向位移传感器2，423-左压柱，424-左压头，425-垫片，426-压块，
5-高压气瓶，51-渗流管，52-铁丝网，53-流量计，61-CT放射源，62-CT探测器，7-监测控制系统

具体实施方式

[0045] 下面结合附图和具体实施示例对本发明做进一步的详细描述。

[0046] 如图所示一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置，包括三轴压力室1、支架2、加载装置3、4、瓦斯渗流装置5、CT扫描系统6以及控制监测装置7。真三轴压力室1由盖板
11、桶体13组成，所述盖板上留有进液口12和中心孔，桶体13上部敞口，底部与盖板11对称位置留有中心孔，桶体13下部预设排液口14。

[0047] 上述支架由立柱21和顶板22、底板23组成；立柱贯穿于顶板22、底板23的4个角上预设的贯通孔，构成支架2；顶板22、底板23由高强度钢材制成，立柱材质为碳纤维；所述的顶板内侧中心位置处装有加载室底座31，上加载室310固定在顶板内侧底座31处，装配于顶板22上，上加载室活塞压柱311通过盖板11中心孔延伸至桶体13中，连接至上压头314，上加载室外侧设有压力传感器313；底板内侧中心位置处装有加载室底座32，下加载室320固定于底板底座32，装配在底板22上，下加载室活塞压柱321通过桶底中心孔延伸至桶体13内，连接下压头324，下加载室外侧设有压力传感器323，轴压加载室将轴压通过压柱-压头传至试件0上；压柱311、321与桶体1、盖板11接触处设有O型圈，保证密封性；盖板11与桶体13采用法兰连接，连接处亦设有O型圈。

[0048] 在真三轴压力室桶体13两侧同一水平高度处开有孔洞，左、右压力室410、420焊接在孔洞外侧，左、右活塞压柱413、423前端连接有左、右压头414、424，压头与压块415、425相连，为防止出现刚性碰撞，各压块之间采用垫片416、426隔开；压柱413、423，压头414、424，压块415、425均采用炭纤维材料制作而成；侧压传力顺序为压力室-压柱-压头-压块-煤岩体试件；

[0049] 所述盖板上设有进液口12、进气口16、压力传感器17，所述的桶体底部设有排气口15、下部位置上开有排液口14，进液口12通过导管与外部液压泵相连，与出液口14配合，根据压力传感器17上的数值为试件提供实验条件所需的围压。

[0050] 所述上压头314和下压头324内部均设有瓦斯渗流通道51，外部高压气瓶5通过导线经进气口16与上压头预设的瓦斯通道52连接，下压头预设的瓦斯通道经底部排气口15与外部的气体流量计53相连，整个渗流装置为实验提供所需的气体环境，气体流量计53读取流经煤岩体试件的瓦斯流量。

[0051] 所述桶体内部预设有温度控制装置，可以对实验的温度环境进行控制，保持温度的恒定，防止出现实验误差。

[0052] 所述桶体及盖板上各个孔周围均装有O型圈进行密封。

[0053] 所述真三轴压力室中，围绕煤岩体试件所在位置上、下、左、右、前、后6个方位均设有位移传感器312、322、422、412、112、122，通过数据线与外部控制/监测系统7连接，实时监测煤岩体试件应变变化。

[0054] 所述上压头314、下压头324左右各压块边缘均设有倒角，防止出现各个加载组件之间的刚性接触，一方面防止影响实验结果，另一方面为了延长设备配件的使用年限；

[0055] 所述的CT扫描装置包括在真三轴仪前后两侧设置的CT放射源61和CT探测器62，且位于扫描区域的各配件均为碳纤维材质。

[0056] 为更好地理解本发明，下面详细说明上述一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验方法。

[0057] 上述一种带CT实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0058] 1)首先把准备好的煤岩体试件进行预处理，之后在试件表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将煤岩体试件包裹牢固，并利用卡箍固定于上下压头上；

[0059] 2)将制备完善的试件放置好，将轴压、侧压加载系统安装到位，连接瓦斯渗流装置，向压力室中注满液压油、装配盖板；

[0060] 3)打开控制/监测装置，设定实验温度，恒定；

[0061] 4)打开瓦斯罐阀门，观测流量值并保持读数恒定，待数值保持恒定后关闭排气阀同时保持瓦斯罐阀门开启状态不变，让煤岩体试件恒定吸附瓦斯气体48h；

[0062] 5)恒定48h后打开排气阀，待流量计读数再次稳定后，加载轴压、侧压、围压进行试验，同时记录煤岩体试件应力-应变-渗流变化，并进行CT扫描，至试件破坏，CT扫描装置获取全过程孔裂隙发育变化。

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