真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统及以该测试系统为基础的原位测试方法，所述测试系统包括气源、真空泵、测试组件、信号采集传输组件和地面监控站，所述测试组件包括顶部压板、加载件、试件、底部压板、锚索应力计、扁千斤顶、轴向位移计、径向位移计和气体隔离腔，所述测试组件安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽中，所述信号采集传输组件包括位移采集器、应力采集器和井下信息采集站，应力采集器与锚索应力计连接，位移采集器分别与轴向位移计和径向位移计连接，位移采集器和应力采集器通过线缆与井下信息采集站相连，井下信息采集站通过线缆与地面监控站连接。

In-situ testing method and system for mechanical behavior and seepage characteristics of coal and rock mass under real mining stress

The present invention provides an in-situ testing system for mechanical behavior and seepage characteristics of coal and rock mass under the influence of real mining stress and an in-situ testing method based on the testing system. The testing system includes gas source, vacuum pump, testing component, signal acquisition and transmission component and ground monitoring station. The testing component includes top pressure plate, loading component, test piece, bottom pressure plate and anchor cable stress. The test module is installed in the cutting of coal and rock mass set in front of the mining face. The signal acquisition and transmission module includes displacement collector, stress collector and underground information acquisition station. The stress collector is connected with the anchor cable stress meter, and the displacement collector is respectively connected with the axial displacement meter and the radial displacement meter. Connection, displacement collector and stress collector are connected with underground information collection station by cable, underground information collection station is connected with ground monitoring station by cable.

【技术实现步骤摘要】
真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试方法及系统
本专利技术属于岩土工程领域，涉及真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试方法及测试系统。
技术介绍
进入深部开采阶段后，煤岩赋存应力和瓦斯压力显著增大，煤与瓦斯共采的实践也迎来了新的挑战。工程实践表明，煤岩体不仅受到荷载作用，还受到流体运移、温度、生物或化学物质作用等众多因素的影响，且各影响因素之间相互联系，形成对煤岩体完整的多场耦合作用，进而影响煤岩体的力学响应，使煤岩体在不同的具体实践中呈现出显著的力学性质差异。煤岩体采动裂隙网络的萌生、扩展和演化对瓦斯在其内的运移具有至关重要的影响，采动裂隙网络始终是煤岩体内最主要的瓦斯运移通道。因此，必须考虑原位应力状态和真实扰动路径的影响，将开采或开挖等工程活动的扰动与煤岩体的渗流特性相结合开展研究。现有研究方法多为在室内尺度下开展的卸荷应力状态的煤岩体渗透率研究，仅局限于试验条件本身对渗透率的影响进行研究和阐述，尚无关于开采过程中真实采动应力环境影响下的煤岩体采动力学行为及渗流特性研究的报道。例如，CN104374684A公开了用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，主要包括气源、真空泵、气体稳压增温控制装置、具有试件的MTS围压腔，还包括与这些部件配合的阀门、压力计和流量计等。该测试系统能在MTS岩石力学测试系统准确控制煤岩体加载、记录应力和变形数据的基础上，实现外部气体稳压恒温渗流条件的施加，但是，该测试系统仍然存在以下不足之处有待改进：(1)虽然该文献中提到了该测试系统可以实现采动过程卸荷煤岩体渗透率的稳定准确测试，但实际上，该测试系统仍然是在实验室状态下进行测试的，其加载方式是理想性的，只能近似地模拟采动应力的变化过程，但实际的采动应力变化是非常复杂的，该测试系统未考虑也无法将真实采动应力环境的影响结合到测试过程中，而煤岩体的渗透率具有显著的应力和孔隙度敏感性，因此采用该测试系统仅通过理想化的模拟采动应力的变化过程是无法实现对煤岩体渗透率进行准确测试的，其测试结果的准确性和可借鉴性都还有待提高。(2)该测试系统的加载方式为单一线性地加载，而实际上采动应力的演化过程是非常复杂的，该测试系统无法反应支承压力波动特性对于煤岩体渗透率的影响。(3)该测试系统的测试过程在实验室内完成，并非处于原位环境，需要设计气体加热器和加热控制器预先对气体温度进行调控，而深部开采所处地的温度随着地质条件的差异会有所不同，因此该测试系统难以精确模拟实际的温度条件，由于温度会影响煤岩体中的流体运移等，进而影响煤岩体的力学响应，这也不利于测试结果的准确性的提高。(4)该测试系统主要是基于MTS岩石力学测试系统进行测试的，属于实验室装置，无法直接在深部开采的地下环境应用。现有的室内试验线性加载模拟方法只是一种针对材料性质的研究方式，与工程扰动并不相关。为了突破室内尺度的测试系统及试验难以还原现场煤岩体裂隙演化以及渗流特性等原位力学变化特征的瓶颈，开发出能在现场尺度下开展真实扰动路径下煤岩体的力学行为及渗流特性的原位测试装置及相关的测试方法是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试方法及系统，以解决现有室内试验装置及方法不能反映真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性不足。本专利技术提供的真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源、真空泵，测试组件、信号采集传输组件和地面监控站，所述测试组件包括顶部压板、加载件、试件、底部压板、锚索应力计、扁千斤顶、轴向位移计、径向位移计和气体隔离腔，气体隔离腔为圆筒体，加载件的一端为圆柱形的加载头，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔，底部压板上设有导气通孔和线缆通孔；所述测试组件安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶、锚索应力计、底部压板、试件、加载件和顶部压板，扁千斤顶和顶部压板分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔的下端固定在底部压板上，试件竖放于气体隔离腔中，加载头的端面与试件的顶部接触并位于气体隔离腔中，轴向位移计和径向位移计均安装在试件上，轴向位移计和径向位移计的线缆穿过底部压板上的线缆通孔引出气体隔离腔；所述信号采集传输组件包括位移采集器、应力采集器和井下信息采集站，应力采集器与锚索应力计连接，位移采集器分别与轴向位移计和径向位移计连接，位移采集器和应力采集器通过线缆与井下信息采集站相连；所述地面监控站包括地面监控计算机；气源经进气管路与气体隔离腔连通，气体隔离腔经底部压板上的导气通孔与出气管路连通，气源经第一减压阀分别与第一阀门和第二阀门的一端连接，第一阀门的另一端与真空泵连接，第二阀门的另一端经第二减压阀、第一流量计与加载件上的导气通孔连通，在第一流量计与加载件之间的管路上设有第一压力传感器，进气管路上设有连通第二减压阀两端的支管路，支管路上设有第三阀门；底部压板上的导气通孔经第四阀门与第二流量计连接，第二流量计之后的管路上设有第二压力传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计和第二流量计通过线缆与井下信息采集站连接，井下信息采集站通过线缆与地面监控计算机连接。上述测试系统的技术方案中，扁千斤顶的活塞杆、锚索应力计的应力探头、底部压板上的导气通孔、试件以及加载件的轴线位于同一直线上。上述测试系统的技术方案中，扁千斤顶的活塞杆的直径大于锚索应力计的应力探头的直径，底部压板的尺寸大于锚索应力计的应力探头的尺寸，顶部压板和底部压板的尺寸大于气体隔离腔的外径。所述的顶部压板和底部压板为矩形或正方形钢板，正方形钢板的边长、矩形钢板的宽度大于气体隔离腔的外径。为了方便测试组件在掏槽中的顺利安装，所述的顶部压板和底部压板可以由多块钢板重叠组合而成。上述测试系统的技术方案中，试件呈圆柱形，试件表面由塑料膜包裹密封，试件由从采面采集的煤岩体加工而成。上述测试系统的技术方案中，掏槽位于采面前方至少200m。上述测试系统的技术方案中，气体隔离腔的下端与底部压板之间设有密封件，底部压板上的线缆通孔与穿过该线缆通孔的线缆之间设有密封件，与加载件上的密封圈配合增加气体隔离腔的密闭性。上述测试系统的技术方案中，所述扁千斤顶为带压力表的扁千斤顶。上述测试系统的技术方案中，井下信息采集站是把与之相连的设备采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的部件的设备。具体地，井下信息采集站是把与之相连的第一压力传感器、第二压力传感器、位移采集器、应力采集器、第一流量计、第二流量计采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和真空泵的设备。井下信息采集站可以为井下环网交换机，通过将测试系统的控制总线与信息传输总线整合，将电缆接至井下环网交换机上。优选采用矿用隔爆兼本安型网络交换机，这种类型的网络交换机允许安装在煤矿井下有煤尘和瓦斯爆炸的危险气体环境中，用来使井下可连接到交换机的设备与地面进行数据交换，实现远程控制和远程监测。地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源(1)、真空泵(2)，其特征在于，还包括测试组件(3)、信号采集传输组件和地面监控站(4)，所述测试组件(3)包括顶部压板(5)、加载件(6)、试件(7)、底部压板(8)、锚索应力计(9)、扁千斤顶(10)、轴向位移计(16)、径向位移计(17)和气体隔离腔(11)，气体隔离腔(11)为圆筒体，加载件(6)的一端为圆柱形的加载头(6‑1)，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈(12)，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔(13)，底部压板上设有导气通孔(13)和线缆通孔(14)；所述测试组件(3)安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽(15)中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶(10)、锚索应力计(9)、底部压板(8)、试件(7)、加载件(6)和顶部压板(5)，扁千斤顶(10)和顶部压板(5)分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔(11)的下端固定在底部压板(8)上，试件(7)竖放于气体隔离腔(11)中，加载头(6‑1)的端面与试件(7)的顶部接触并位于气体隔离腔(11)中，轴向位移计(16)和径向位移计(17)均安装在试件(7)上，轴向位移计(16)和径向位移计(17)的线缆穿过底部压板上的线缆通孔(14)引出气体隔离腔；所述信号采集传输组件包括位移采集器(18)、应力采集器(19)和井下信息采集站(20)，应力采集器(19)与锚索应力计(9)连接，位移采集器(18)分别与轴向位移计(16)和径向位移计(17)连接，位移采集器(18)和应力采集器(19)通过线缆与井下信息采集站(20)相连；所述地面监控站(4)包括地面监控计算机；气源(1)经进气管路与气体隔离腔(11)连通，气体隔离腔(11)经底部压板(8)上的导气通孔(13)与出气管路连通，气源(1)经第一减压阀(21)分别与第一阀门(23)和第二阀门(24)的一端连接，第一阀门(23)的另一端与真空泵连接(2)，第二阀门(24)的另一端经第二减压阀(22)、第一流量计(27)与加载件(6)上的导气通孔(13)连通，在第一流量计(27)与加载件(6)之间的管路上设有第一压力传感器(29)，进气管路上设有连通第二减压阀(22)两端的支管路，支管路上设有第三阀门(25)；底部压板上的导气通孔(13)经第四阀门(26)与第二流量计(28)连接，第二流量计(28)之后的管路上设有第二压力传感器(30)；第一压力传感器(29)、第二压力传感器(30)、第一流量计(27)和第二流量计(28)通过线缆与井下信息采集站(20)连接，井下信息采集站(20)通过线缆与地面监控计算机连接。...

【技术特征摘要】
1.真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源(1)、真空泵(2)，其特征在于，还包括测试组件(3)、信号采集传输组件和地面监控站(4)，所述测试组件(3)包括顶部压板(5)、加载件(6)、试件(7)、底部压板(8)、锚索应力计(9)、扁千斤顶(10)、轴向位移计(16)、径向位移计(17)和气体隔离腔(11)，气体隔离腔(11)为圆筒体，加载件(6)的一端为圆柱形的加载头(6-1)，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈(12)，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔(13)，底部压板上设有导气通孔(13)和线缆通孔(14)；所述测试组件(3)安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽(15)中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶(10)、锚索应力计(9)、底部压板(8)、试件(7)、加载件(6)和顶部压板(5)，扁千斤顶(10)和顶部压板(5)分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔(11)的下端固定在底部压板(8)上，试件(7)竖放于气体隔离腔(11)中，加载头(6-1)的端面与试件(7)的顶部接触并位于气体隔离腔(11)中，轴向位移计(16)和径向位移计(17)均安装在试件(7)上，轴向位移计(16)和径向位移计(17)的线缆穿过底部压板上的线缆通孔(14)引出气体隔离腔；所述信号采集传输组件包括位移采集器(18)、应力采集器(19)和井下信息采集站(20)，应力采集器(19)与锚索应力计(9)连接，位移采集器(18)分别与轴向位移计(16)和径向位移计(17)连接，位移采集器(18)和应力采集器(19)通过线缆与井下信息采集站(20)相连；所述地面监控站(4)包括地面监控计算机；气源(1)经进气管路与气体隔离腔(11)连通，气体隔离腔(11)经底部压板(8)上的导气通孔(13)与出气管路连通，气源(1)经第一减压阀(21)分别与第一阀门(23)和第二阀门(24)的一端连接，第一阀门(23)的另一端与真空泵连接(2)，第二阀门(24)的另一端经第二减压阀(22)、第一流量计(27)与加载件(6)上的导气通孔(13)连通，在第一流量计(27)与加载件(6)之间的管路上设有第一压力传感器(29)，进气管路上设有连通第二减压阀(22)两端的支管路，支管路上设有第三阀门(25)；底部压板上的导气通孔(13)经第四阀门(26)与第二流量计(28)连接，第二流量计(28)之后的管路上设有第二压力传感器(30)；第一压力传感器(29)、第二压力传感器(30)、第一流量计(27)和第二流量计(28)通过线缆与井下信息采集站(20)连接，井下信息采集站(20)通过线缆与地面监控计算机连接。2.根据权利要求1所述真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，扁千斤顶的活塞杆、锚索应力计的应力探头、底部压板上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明忠，李聪，张茹，张泽天，谢晶，鲁义强，邓光迪，何志强，彭高友，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51