多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验系统及方法。该系统包括轴向加卸载子系统、侧向加卸载子系统、围压加卸载子系统、裂隙损伤破坏监测子系统、中央密封腔体、充气子系统等，能够同时满足气、固、液三态孔隙介质力学变形破坏损伤特性实验、吸附膨胀变形破坏渗流实验、加卸载气、液、固耦合渗流实验和气/水压裂实验等实验要求；实现对具有时空变异性介质在X、Y、Z三维方向上的渗透率时空变异性的测定，并对实验过程中裂隙扩展和损伤进行同步实时监测。

【技术实现步骤摘要】
多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验方法
本专利技术属于煤岩损伤渗流测试
，具体涉及多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验方法。
技术介绍
裂隙煤岩体中存在的节理裂隙等缺陷严重影响着煤岩体的强度特征和渗透特性。煤岩体渗流特性的研究在各种地质工程应用中占有重要的地位，比如水利水电工程、采矿和石油工程、核废料储存工程。法国Malpasset拱坝(1959)在初次蓄水时发生溃坝，意大利的瓦依昂边坡失稳(1963)等事故引起了人们对裂隙岩体渗流问题的高度重视。裂隙岩体的渗流场受应力环境的影响，而渗流场的变化反过来又对应力场产生影响，这种相互影响称之为应力渗流耦合。渗流场与应力场相互耦合是岩体力学中的一个重要特性。在岩体工程实践中，节理变形影响节理开度及其渗流性质，从而使围岩的渗透和变形性质也发生了变化。例如，煤矿生产中的工作面顶板或底板突水，就是岩体受到应力重分布影响，改变了岩体渗透性，使地下水沿新裂隙进入工作面作业空间；在海底隧道建设中，隧道开挖卸荷引起隧道围岩应力重分布，改变了节理裂隙的渗透特性，引起涌水和突水事故的发生。因此研究应力、渗流、损伤三者的耦合成为研究热点，但目前已存在的岩石渗流试验系统只能进行一维或三维加载下的渗流特性。一维加载下的渗流特性不能满足井下开采真实的应力环境；三维加载压力室结构复杂、功能单一、操作复杂、难以完全保证系统的气密性；现存的岩石渗流试验系统均不能满足对裂隙损伤演化的研究，无法实现应力、渗流、损伤三场耦合；随着煤炭资源开采进入深部阶段，高应力、低渗透问题越来越严重，为了增加煤层透气性，采取水力化措施进行增透，增加裂隙和孔隙率，不仅需要实现气、固耦合渗流，还要实现固、液耦合渗流，已存在的岩石渗流试验系统不能满足这种多功能需求。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验方法，利用不同方向的受力，实时监测记录损伤参数，了解裂缝的渗透特性，解决了现有技术的问题。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术提出采用如下技术方案：一种多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验系统，其特征在于，包括轴向加卸载子系统、侧向加卸载子系统、围压加卸载子系统、裂隙损伤破坏监测子系统、中央密封腔体、充气子系统。进一步的，所述中央密封腔体包括腔身、腔体顶盖、把手、加载杆、加载盘和气体进出口；所述腔体顶盖位于腔身上方；所述加载杆由外部伸入腔体内部，加载杆位于腔体内部的一端均有一个加载盘；加载杆包括顶部加载杆和四个完全相同的侧向加载杆；所述四个侧向加载杆位于同一个垂直于顶部加载杆的平面，且相邻两个侧向加载杆相互垂直，这四个侧向加载杆形成一个十字型，相对的两个侧向加载杆为同一组；所述加载盘上设置有密封圈；顶部加载杆位于腔体顶部，侧向加载杆位于腔体侧壁；所述气体进出口包括瓦斯气体进出口和氮气进出口；所述气体进出口一部分贯通加载盘和加载杆，气口分别位于加载杆露出腔体的一端；另一部分贯通腔体底部，气口位于腔体底部侧壁。通过顶部和侧向的两部分加载杆，能够从多个方位上模拟损伤情况，可以更好的对载荷作用下多相介质整个过程中的裂隙扩展和损伤进行实时监测。进一步的，所述的裂隙损伤破坏监测子系统包括一组传感器、若干个前置放大器和监测仪；所述一组传感器分别布置在所述中央密封腔体的各个加载杆上；每个前置放大器分别连接一个传感器，并接入监测仪。通过传感器接收孔隙介质在加卸载过程中裂隙发育和扩展产生的破坏信号，通过立体定位程序记录煤岩破裂过程的损伤事件数和发生位置坐标，实现多相孔隙介质应力、损伤和渗流强耦合。进一步的，所述轴向加卸载子系统包括控制计算机，液压油泵及加压装置；计算机连接液压油缸向加压装置施压，所述加压装置作用于所述顶部加载杆上。进一步的，所述侧向加卸载子系统包括液压油缸、位移传感器、负载应力传感器和侧向控制计算机；侧向控制计算机控制液压油缸，每一个液压油缸控制所述一组侧向加载杆。轴向和侧向加卸载子系统分别作用于顶部加载杆和侧向加载杆，轴向加卸载子系统和侧向加卸载子系统配合使用可实现多维加卸载过程，只启动轴向加卸载子系统，可实现一维加卸载；只启动侧向加卸载子系统，可实现二维加卸载；轴向加卸载子系统和侧向加卸载子系统配合加卸载可实现三维加卸载过程。进一步的，所述围压加卸载子系统包括氮气瓶、一个减压阀、若干个压力表、一个六角阀、一个流量计和一个截止阀；所述氮气瓶依次通过减压阀、压力表、六角阀、流量计和截止阀之后，接入所述位于腔体底部侧壁的一个气体进出口。进一步的，充气子系统包括瓦斯气瓶、放气管路、一个减压阀，一个六角阀，若干个截止阀、若干个放气阀和压力表；所述瓦斯气瓶依次通过减压阀和压力表后，接入六角阀，六角阀的每条出路分别依次通过放气阀、截止阀、压力表之后，分别接入所述中央密封腔体的一个气体进出口；其中，用作出气口的管路上连接放气管路，该放气管路上设置有放气阀。配合管路和围压加卸载子系统，能够同时满足多相(气、固、液)孔隙介质力学变形破坏损伤特性实验、吸附膨胀变形破坏渗流实验、加卸载气、液、固耦合渗流实验和气/水压裂实验等实验要求。进一步的，所述把手为腔体顶盖上的可拆卸的手柄。该手柄能够方便的将腔体顶盖掀起，便于放置试样。一种多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)加工试样：将待测煤岩体加工为表面平整的立方体的试样；步骤2)密封试样：先在试样表面均匀地涂抹一层密封胶，待密封胶风干后，再在密封胶外封一层热缩管，最后，在试样的六个面上分别开一个圆形孔洞，使试样表面露出；所述圆形孔洞的直径小于加载盘上的密封圈；步骤3)连接管路并将试样放入中央密封腔体内，盖好顶盖，使得顶部加载杆正对试样上表面；步骤4)检查系统气密性：在充气子系统中，打开截止阀，关闭六角阀和减压阀；在围压加卸载子系统中，打开减压阀、六角阀和截止阀，向中央密封腔体内充入2.5MPa的氮气，待压力恒定后，关闭围压加卸载子系统的减压阀和六角阀，观察所有压力表示数是否下降，如没有下降，则气密性良好；步骤5)排氮气：打开放气管路上的放气阀，将中央密封腔体内的氮气排放干净；步骤6)抽真空：将放气管路接到真空泵上，开启真空泵，抽真空12小时，完成后关闭真空泵，将围压加卸载子系统中的截止阀和充气子系统的截止阀和放气阀均关闭，并将放气管路和真空泵断开；步骤7)设定轴向加卸载子系统和侧向加卸载子系统，作用于中央密封腔体加载杆上，待加载盘刚刚接触压紧试样，暂停加载；步骤8)充氮气加围压：打开围压加卸载子系统的减压阀、六角阀和截止阀，给中央密封腔体内充氮气加围压，氮气围压不小于待加的瓦斯压力，并向煤岩试样内填充适量压力的瓦斯，进行48小时的吸附；步骤9)进行限定围压试验：加载围压和氮气围压，设定围压值为X，此时加载的瓦斯压力值为Y，取值时，Y<X；待吸附平衡后，将需要测量方向的截止阀和放气阀打开，待进出口的压力平衡后，记录下进口和出口方向的瓦斯压力p1、p2以及出口瓦斯流量Q；更新X、Y值，进行多次试验；步骤10)进行等效围压试验：保证围压和瓦斯压力差值始终为1.5MPa，每次进行完围压加载和充瓦斯后，都要吸附48h，待吸附平衡后，测定各个方向的渗透性，将要测本文档来自技高网...

【技术保护点】
多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验系统，其特征在于，包括轴向加卸载子系统、侧向加卸载子系统、围压加卸载子系统、裂隙损伤破坏监测子系统、中央密封腔体、充气子系统。

【技术特征摘要】
1.一种多维加卸载多相孔隙介质强耦合损伤渗流实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)加工试样：将待测煤岩体加工为表面平整的立方体的试样(50)；2)密封试样：先在试样表面均匀地涂抹一层密封胶，待密封胶风干后，再在密封胶外封一层热缩管，最后，在试样的六个面上分别开一个圆形孔洞，使试样表面露出；所述圆形孔洞的直径小于加载盘上的密封圈；3)连接管路并将试样放入中央密封腔体内，盖好顶盖(5)，使得顶部加载杆(14)正对试样(50)上表面；4)检查系统气密性：在充气子系统中，打开截止阀，关闭六角阀和减压阀；在围压加卸载子系统中，打开减压阀、六角阀和截止阀，向中央密封腔体内充入2.5MPa的氮气，待压力恒定后，关闭围压加卸载子系统的减压阀和六角阀，观察所有压力表示数是否下降，如没有下降，则气密性良好；5)排氮气：打开放气管路(48)上的放气阀，将中央密封腔体内的氮气排放干净；6)抽真空：将放气管路(48)接到真空泵上，开启真空泵，抽真空12小时，完成后关闭真空泵，将围压加卸载子系统中的截止阀和充气子系统的截止阀和放气阀均关闭，并将放气管路(48)和真空泵断开；7)设定轴向加卸载子系统和侧向加卸载子系统，作用于中央密封腔体加载杆上，待加载盘刚刚接触压紧试样，暂停加载；8)充氮气加围压：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恩元，胡少斌，孔祥国，李楠，房保飞，李学龙，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32