一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法技术

本发明专利技术公开了一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法，用于进行煤矿开采采空区破碎煤岩体压实过程中孔隙结构变化及渗流演化特征的测试，同时能够构建破碎煤岩体的孔隙结构。测试方法流程具体为：(1)根据实验设计方案选择合适粒径的破碎煤岩样放置于可视化透明釜体内；(2)实测采空区垮落带压实应力，设计破碎煤岩样实验室加卸载应力路径；(3)按照设计的加卸载应力路径进行破碎煤岩样加载；(4)在应力加载过程中，每增加指定应力，采用全自动气液渗流系统进行气体或者液体的渗透率测试；(5)在加载过程中分别在压实应力达到指定应力的情况下进行CT扫描。最终得出采空区破碎煤岩体压实过程中孔隙结构变化及渗流演化特征。

A Visual Servo Loading Percolation Test Method for Broken Coal and Rock Samples

The invention discloses a visual servo loading seepage test method for fractured coal and rock samples, which can be used for testing pore structure changes and seepage evolution characteristics during compaction of fractured coal and rock mass in goaf of coal mine, and can also construct pore structure of fractured coal and rock mass. The testing process is as follows: (1) Choosing suitable size crushed coal and rock samples according to the experimental design scheme and placing them in the visualized transparent kettle; (2) Measuring the compaction stress of caving zone in goaf and designing the loading and unloading stress path of crushed coal and rock samples in laboratory; (3) Loading crushed coal and rock samples according to the designed loading and unloading stress path; (4) During the process of stress loading, every additional specified stress is added. The permeability of gas or liquid is tested by fully automatic gas-liquid seepage system; (5) CT scanning is carried out when the compaction stress reaches the specified stress during loading. Finally, the pore structure changes and seepage evolution characteristics of fractured coal and rock mass in goaf during compaction are obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法
本专利技术涉属于煤层密闭采空区垮落带压实过程中破碎煤岩体孔隙结构及渗流特征的测试设备及方法，具体涉及一种破碎煤岩样应力-破碎-渗流耦合特征的实测方法，尤其是一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法。
技术介绍
煤层开采过程中上覆岩层一般可划分为“三带”，由下至上依次为垮落带、贯穿裂隙带以及弯曲下层带(弯曲下沉带一般包含离层裂隙带及弯曲变形带)。采空区垮落带一般由采矿引起的上覆岩层破坏并向采空区垮落的岩层带，又称冒落带，根据实验室实测其孔隙率高达30％～45％。由于垮落带孔隙率高，渗透率大，邻近煤层卸压瓦斯、含水层或地表水涌入采空区使其蕴含着大量的瓦斯及水资源。而采空区垮落带渗流特征不仅影响着水及瓦斯资源的高效抽采利用，还影响着残煤氧化自燃，威胁着工作面的安全生产。除此之外，采空区垮落带的渗流力学性质还与地表沉陷、温室气体地下存储、地下水库建设、水资源过滤等密切相关。因此，准确的掌握采空区垮落带渗流特征的时空演化关系对煤矿安全高效生产、采空区水瓦斯等资源利用、环境生态保护等具有重要的意义。然而采空区垮落带由于包含大量有毒有害气体及水资源，一般处于封闭状态，很难进行垮落带压实过程中的孔隙结构及渗透率实测。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术中存在的问题，设计一套破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统并给出了相应的测试方法，以实现垮落带压实过程中的孔隙结构及渗透率实测。该方法简单实用、安全高效、可行性高、精确度高，功能性强。本专利技术的一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法，采用：破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统包括：可视化透明釜体、全自动伺服加载装置、微焦点CT扫描仪、高速摄像机、全自动气液渗流系统以及气液自动切换流量计。测试方法主要包括压实应力路径实测、破碎煤岩样制备、应力测试点选择、CT扫描、渗透率测试、高速摄像机拍摄，孔隙结构重构以及各方法之间的相互配合，实现采空区垮落带破碎煤岩样应力-破碎-渗流耦合特征的实测，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法包括如下步骤：a、在煤矿开采采空区布置钻孔应力计实测采空区应力演化规律，进行实验室加卸载应力路径的设计；b、在采空区垮落带直接选取破碎煤岩块，运回实验室加工至不同粒径大小的破碎煤岩样，其中最大颗粒粒径不大于可视化透明釜体直径的1/5；c、将破碎煤岩样按照煤样在下岩样在上依次放置在透明釜体内，摇匀后测量破碎煤岩样高度；d、根据设计的加卸载应力路径，使用全自动伺服加载装置对破碎煤岩样进行加载；e、根据设计的加卸载应力路径，将应力路径分为若干个应力点；具体为按照应力路径里的最大以及最小应力值等分为5个应力点。在第1与第2个应力点之间插入3个应力点，在第2与第3个应力点之间插入2个应力点，在第3个与第4个应力点之间插入1个应力点，一共11个应力点，因此，将最小至最大应力路径划分为10个应力阶段进行测量。f、在每个应力阶段加载至指定应力点时，运用微焦点CT扫描仪进行破碎煤岩样孔隙破碎结构的CT扫描；具体为在应力达到上述各应力点时，关闭上游阀门和下游阀门，将设备上游接口与下游接口断开。CT扫描体素控制在100微米，为了避免加载时的端部效应影响，每次CT扫描在试件顶部略下约5.0mm的位置开始，将破碎煤岩试样从上到下划分为1000个扫描层，图像分辨率为1024×1024像素。g、在CT扫描结束后，进行破碎煤岩样渗透率的测试；渗透率测试分为液体渗透率测试与气体渗透率测试：液体渗透率测试的具体步骤为：选择合适的液体泵，将液体泵接口与釜体上游接口连接；调节液压泵调压阀至指定液压。关闭气体流量计阀门，打开液体流量计阀门、下游阀门以及上游阀门；最后打开液压泵阀门直至液体流量计读数稳定后进行流量的记录。气体渗透率测试具体的操作步骤为：选择实验气源，将气源接口与上游接口连接；调节气源压力阀至指定气压。关闭液体流量计阀门，打开气体流量计阀门、下游阀门以及上游阀门；最后打开气源阀门直至气体流量计读数稳定后进行流量的记录。设备中残留的液体则可由气体流量计前的液体过滤器过滤掉。h、整个实验过程中，运用高速相机对破碎煤岩样的压实破碎过程进行拍摄；i、在实验结束后，利用Avizo三维可视化及分析应用软件对不同应力状态下的CT扫描图片进行孔隙分维，颗粒破碎的定量描述，并进行可视化三维重构；同时利用ImageJ图像处理软件对高速摄像机图片进行处理，对三维重构模型进一步的修正。最终得出采空区破碎煤岩体压实过程中孔隙结构变化及渗流演化特征。有益效果：采用上述方法能够实现密闭采空区垮落带压实过程中破碎煤岩样应力-破碎-渗流耦合特征的安全高效测量，而准确的掌握采空区垮落带渗流特征的时空演化关系对煤矿安全高效生产、采空区水瓦斯等资源利用、环境生态保护等具有重要的意义。附图说明图1是本专利技术采用的破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统的示意图；图2是本专利技术采用的设计的加卸载应力路径的示意图。图中：1-可视化透明釜体，2-破碎煤岩样，3-全自动伺服加载装置，4-微焦点CT扫描仪，5-高速摄像机，6-气源，7-液压泵，8-液压泵调压阀，9-气源调压阀，10-液压泵压力表，11-气瓶压力表，12-液体流量计，13-气体流量计，14-液压泵阀门，15-气源阀门，16-气体流量计阀门，17-液体流量计阀门，18-下游阀门，19-下游接口，20-气源接口，21-上游接口，22-气液自动切换阀，23-液体过滤器，24-上游阀门，25-液压泵接口。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的一个实施例作进一步的描述：本专利技术采用一套破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统，该系统主要包括：可视化透明釜体1(采用透明树脂材料)、全自动伺服加载装置3、微焦点CT扫描仪4、高速摄像机5、全自动气源6、液压泵7、气瓶压力表11、气体流量计13、液体流量计12，通过气液自动切换阀22实现气液渗流试验的自动切换。本专利技术的破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法主要包括压实应力路径实测、破碎煤岩样制备、应力测试点选择、CT扫描、渗透率测试、高速摄像机拍摄，孔隙结构重构以及各方法之间的相互配合，实现采空区垮落带破碎煤岩样应力-破碎-渗流耦合特征的实测。在煤矿开采采空区布置钻孔应力计实测采空区应力演化规律，进行实验室加卸载应力路径的设计(例如，在采空区垮落带布置压力计，在采煤工作面推进过程中实测垮落带压实应力随时间的演化特征，之后按照时间等比例设计实验室加卸载应力路径，得到设计的加卸载应力路径，如图2所示，图中轴压为采空区实测的压实应力，根据实测采空区最大压实应力为10MPa，瓦斯压力是现场实测采空区瓦斯压力的大小，为0.2MPa；轴压每30分钟增加一次是由于破碎煤岩体对瓦斯存在吸附作用，在实验中发现在30分钟左右，气体流量才会达到平衡。图2中的应力升高阶段对应的是采空区垮落带压实阶段，应力降低阶段则对应的是邻近煤层开采对垮落带的卸压阶段)；在采空区垮落带直接选取破碎煤岩块，运回实验室加工至不同粒径大小的破碎煤岩样2，其中最大颗粒粒径不大于可视化透明釜体1直径的1/5(根据岩土力学尺寸分级指标，当破碎颗粒粒径小于釜体直径的1/5时，可以消除实验过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法，特征在于，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法包括如下步骤：a、在煤矿开采采空区布置钻孔应力计实测采空区应力演化规律，进行实验室加卸载应力路径的设计；b、在采空区垮落带直接选取破碎煤岩块，运回实验室加工至不同粒径大小的破碎煤岩样，其中最大颗粒粒径不大于可视化透明釜体直径的1/5；c、将破碎煤岩样按照煤样在下，岩样在上依次放置在透明釜体内，摇匀后测量破碎煤岩样高度；d、根据设计的加卸载应力路径，使用全自动伺服加载装置对破碎煤岩样进行加载；e、根据设计的加卸载应力路径情况，将应力路径分为若干个指定应力点；具体为按照应力路径里的最大以及最小应力值先等分为5个一级指定应力点，然后在第1与第2个一级指定应力点之间插入3个二级指定应力点，在第2与第3个一级指定应力点之间插入2个二级指定应力点，在第3个与第4个一级指定应力点之间插入1个二级指定应力点，相邻的两个二级指定应力点、或者相邻的一级指定应力点与二级指定应力点之间、或者相邻的两个一级指定应力点之间形成一个应力阶段，将最小至最大应力路径划共分为10个应力阶段进行测量；f、在每个应力阶段加载至指定应力点时进行破碎煤岩样孔隙破碎结构的CT扫描；g、在CT扫描结束后，进行破碎煤岩样渗透率的测试；h、整个实验过程中，运用高速相机对破碎煤岩样的压实破碎过程进行拍摄；i、在实验结束后，利用分析应用软件对不同应力状态下的CT扫描图片进行孔隙分维，颗粒破碎的定量描述，并进行可视化三维重构；同时利用图像处理软件对高速摄像机图片进行处理，对三维重构模型进一步的修正，最终得出采空区破碎煤岩体压实过程中孔隙结构变化及渗流演化特征。...

【技术特征摘要】
1.一种破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法，特征在于，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法包括如下步骤：a、在煤矿开采采空区布置钻孔应力计实测采空区应力演化规律，进行实验室加卸载应力路径的设计；b、在采空区垮落带直接选取破碎煤岩块，运回实验室加工至不同粒径大小的破碎煤岩样，其中最大颗粒粒径不大于可视化透明釜体直径的1/5；c、将破碎煤岩样按照煤样在下，岩样在上依次放置在透明釜体内，摇匀后测量破碎煤岩样高度；d、根据设计的加卸载应力路径，使用全自动伺服加载装置对破碎煤岩样进行加载；e、根据设计的加卸载应力路径情况，将应力路径分为若干个指定应力点；具体为按照应力路径里的最大以及最小应力值先等分为5个一级指定应力点，然后在第1与第2个一级指定应力点之间插入3个二级指定应力点，在第2与第3个一级指定应力点之间插入2个二级指定应力点，在第3个与第4个一级指定应力点之间插入1个二级指定应力点，相邻的两个二级指定应力点、或者相邻的一级指定应力点与二级指定应力点之间、或者相邻的两个一级指定应力点之间形成一个应力阶段，将最小至最大应力路径划共分为10个应力阶段进行测量；f、在每个应力阶段加载至指定应力点时进行破碎煤岩样孔隙破碎结构的CT扫描；g、在CT扫描结束后，进行破碎煤岩样渗透率的测试；h、整个实验过程中，运用高速相机对破碎煤岩样的压实破碎过程进行拍摄；i、在实验结束后，利用分析应用软件对不同应力状态下的CT扫描图片进行孔隙分维，颗粒破碎的定量描述，并进行可视化三维重构；同时利用图像处理软件对高速摄像机图片进行处理，对三维重构模型进一步的修正，最终得出采空区破碎煤岩体压实过程中孔隙结构变化及渗流演化特征。2.如权利要求1所述的破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验测试方法，其特征在于，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验方法采用：破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统，所述破碎煤岩样可视化伺服加载渗流实验系统包括：可视化透明釜体、全自动伺服...

【专利技术属性】
技术研发人员：张村，赵毅鑫，袁耀，李亚博，王军，焦晨耀，何流，吴山西，贾胜，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11