一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统技术方案

一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，属于煤岩体裂隙渗流测量技术领域。所述煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；在旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片的正下方，透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子，图像采集装置包括可见光线发射装置及与计算机相连的CCD相机，试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。所述煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，能够得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。

A 3-D Particle Image Velocimetry System for Coal-rock Fracture Cavity

【技术实现步骤摘要】
一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统
本专利技术涉及煤岩体裂隙渗流测量
，特别涉及一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统。
技术介绍
瓦斯抽采是治理矿井瓦斯灾害的重要措施，由于我国大部分矿区煤层瓦斯储层渗透率低，使得煤层采前预抽效果不甚理想。采动影响是进行瓦斯抽采的一种有效手段，采动引起采场围岩体压力重新分布并使煤岩体破坏(即峰值强度后)，随之引起渗透特性的改变，利于瓦斯抽采。峰后煤岩裂隙腔形貌复杂，裂隙面粗糙度、接触面积、裂隙开度、渗径起伏度、吻合度、法向及切向变形、裂隙内是否有充填物以及充填物的连通率、材料特性等因素对裂隙煤岩的渗流场分布规律有着重大的影响。目前大多研究都是用线性的裂隙面形貌参数来表征裂隙面三维的几何特征，使得裂隙腔许多形貌特征灭失，以此为基础获得的裂隙瓦斯渗流特性在很多情形下是不准确的。随着显微粒子示踪测速技术、3D打印技术及逆向工程的发展，使峰后煤岩裂隙腔复杂形貌重构及其渗流场流态显现成为可能。相关学者利用CT技术开展了大量煤岩结构及渗流特性研究，但仍存在一些不足，稳态渗流是上述煤体渗流模拟研究的前提，而实际的渗流是一个由不稳定到逐渐趋于稳定的动态变化过程。与稳态渗流不同，岩体中非稳态渗流的密度、速度等物理量不仅是空间的函数，还是时间的函数，这大大增加了三维数值模拟研究的难度。且CT扫描获得的是二维切片图，再通过多切片堆叠重构成三维煤岩模型，这个过程中使得裂隙面三维形貌一定程度失真，不能完全反映裂隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，能够得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；在所述旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，M为大于1的正整数，所述旋转盘的端面上周向设有N个通孔，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片一一设置在通孔中并可随旋转盘转动，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片或通孔的正下方；所述透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体；所述流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子；所述图像采集装置包括位于光学镜片上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置以及与计算机相连的CCD相机，所述可见光线发射装置发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片折射后射入CCD相机；所述试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。上述技术方案中，旋转盘上布置焦距不同或厚度不同的光学镜片，驱动机构使旋转盘快速旋转，从而使CCD相机可以拍摄试件不同景深处的图像。旋转盘快速旋转一圈，便可获得以空间为函数的粒子图像；旋转盘转一圈为一个周期，旋转盘周期性地旋转，便可获得以时间为函数的粒子图像，整理这些图像，便可得到以时间、空间为函数的三维粒子流场速度全息图像，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础数据。优选地，所述M个光学镜片的焦距不同且在纵向上覆盖试件；或者所述M个光学镜片的厚度具有如下特性：不同入射光线经过试件纵向上不同位置的示踪粒子反射后经相应厚度的光学镜片折射，出射光线能够射入CCD相机。上述技术方案中，M个厚度不同的光学镜片、M个焦距不同的光学镜片随旋转盘转动，均可使CCD相机拍摄试件不同景深处的图像，即试件纵向上不同平面处裂隙中流体的渗透状态。优选地，所述流体输送装置包括流体箱和示踪粒子发生器，所述流体箱的出口与透光煤岩夹具的流体入口通过第一管道连通，所述第一管道上设有第一阀门，所述示踪粒子发生器的粒子出口与第一管道连通；透光煤岩夹具的流体出口与第二管道连通，所述第二管道上设有第二阀门。上述技术方案中，示踪粒子发生器输出的示踪粒子经第一管道进入透光煤岩夹具中，后进入试件裂隙腔内，在裂隙腔中随流体一起流动，通过CCD相机拍摄示踪粒子的渗流状态，间接反映流体在试件裂隙中的渗透情况。优选地，所述第一管道上设有第一压力传感器，所述第二管道上设有第二压力传感器；和/或所述第一管道上设有第一流量计，所述第二管道上设有第二流量计。压力传感器、流量计用于检测第一管道和第二管道中流体的压力和流量，从而研究流体的压力、流量对流体在试件裂隙中的渗透特性的影响，丰富裂隙渗流基础理论。优选地，所述图像采集装置还包括位于CCD相机前端的显微物镜，和/或所述可见光线发射装置为脉冲激光器。显微物镜起放大作用，使CCD相机拍摄的图像更清晰；相比自然光线，脉冲激光器连续的发出脉冲激光使得示踪粒子反射的光线更强，能更清晰的显示示踪粒子在试件裂隙腔内的流动情况。优选地，所述CCD相机的数量为两个，所述显微物镜的数量也为两个；所述脉冲激光器垂直于光学镜片设置，两个CCD相机对称且倾斜的设在脉冲激光器的两侧。上述技术方案中，一个CCD相机拍摄试件裂隙腔内渗透状态图时，图像采集装置的视场边缘处相对模糊，则图像中试件边缘相对模糊；设置两个CCD相机可以扩大图像采集装置的视场范围，使得到的试件边缘更清晰，从而提高图像整体清晰度。优选地，所述透光煤岩夹具包括形成密封腔体的上夹具和下夹具，试件上部分与上夹具固接，试件下部分与下夹具固接；上夹具与下夹具通过柔性膜或弹性膜密封连接；上夹具和下夹具之间的距离可调，从而改变试件裂隙的张开宽度。上述技术方案中，设置弹性膜可以防止试件裂隙中的流体以及示踪粒子从上夹具与下夹具之间泄漏出去；通过改变试件裂隙的张开宽度，可以研究不同裂隙宽度下流体的渗透特性，进一步丰富裂隙渗流基础理论。而且研究试件裂隙的张开宽度对流体的渗透影响时，无需更换试件以及透光煤岩夹具，实用性强，操作方便。优选地，所述下夹具通过铰接接头安装在固定架上，下夹具上固接有螺柱，上夹具与下夹具之间压设有套在螺柱外的弹性件，螺柱的上部穿过上夹具而位于上夹具的上方，螺柱的上部螺纹连接有螺母。上述技术方案中，通过拧松或拧紧螺母，便可调节上夹具与下夹具之间的距离，从而改变试件裂隙的张开宽度；当试件裂隙面与试件轴线不平行时，通过转动下夹具便可使试件倾斜，使入射光线能够正对裂隙面。优选地，所述试件外壁与密封腔体内壁密封连接。从而保证试件周围的密封性，使流体和示踪粒子只能从试件的裂隙中渗透，保证研究裂隙渗透特性的准确性、真实性。优选地，所述试件位于图像采集装置的视场范围内。本专利技术有益效果：1)将“显微粒子示踪测速技术”引入煤岩裂隙渗流研究中，能够更准确的反应煤岩裂隙中流体的渗流特性，为采动影响后的瓦斯精准抽采提供理论指导和技术原型。2)该煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，通过设置M个焦距不同或厚度不同的光学镜片来改变射入CCD相机中光线的反射平面；旋转盘每转一圈，CCD相机能够拍摄一个周期中试件裂隙腔内全部流体层中的流体的渗透状态图像；CCD相机拍摄多个周期的图像，该三维粒子图像测速试验系统便可得到以时间、空间为函数的高时间分辨率的三维流场速度全息图像，为开展隙腔三维形貌及其对渗流状态和特性的影响研究提供基础本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，其特征在于，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；在所述旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，M为大于1的正整数，所述旋转盘的端面上周向设有N个通孔，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片一一设置在通孔中并可随旋转盘转动，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片或通孔的正下方；所述透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体；所述流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子；所述图像采集装置包括位于光学镜片上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置以及与计算机相连的CCD相机，所述可见光线发射装置发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片折射后射入CCD相机；所述试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。

【技术特征摘要】
1.一种煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，其特征在于，包括旋转盘、驱动旋转盘转动的驱动机构、透光煤岩夹具、流体输送装置和图像采集装置；在所述旋转盘上设置有M个焦距不同或厚度不同的光学镜片，M为大于1的正整数，所述旋转盘的端面上周向设有N个通孔，N＝M或N＝M+1，M个光学镜片一一设置在通孔中并可随旋转盘转动，旋转盘转动时试件位于其中一个光学镜片或通孔的正下方；所述透光煤岩夹具具有装载试件的密封腔体；所述流体输送装置的输出口与透光煤岩夹具的入口连接，流体从密封腔体中试件的一端进入试件的裂隙腔中，后从试件的另一端排出，经过试件裂隙腔的流体中具有示踪粒子；所述图像采集装置包括位于光学镜片上方、且与试件位置对应的可见光线发射装置以及与计算机相连的CCD相机，所述可见光线发射装置发出的光线照射试件，经示踪粒子反射再经光学镜片折射后射入CCD相机；所述试件由裂隙分成上、下两个部分，试件的上部由透光材料制成，或者试件全部由透光材料制成。2.根据权利要求1所述的煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，其特征在于，所述M个光学镜片的焦距不同且在纵向上覆盖试件；或者所述M个光学镜片的厚度具有如下特性：不同入射光线经过试件纵向上不同位置的示踪粒子反射后经相应厚度的光学镜片折射，出射光线能够射入CCD相机。3.根据权利要求1所述的煤岩裂隙腔内三维粒子图像测速试验系统，其特征在于，所述流体输送装置包括流体箱和示踪粒子发生器，所述流体箱的出口与透光煤岩夹具的流体入口通过第一管道连通，所述第一管道上设有第一阀门，所述示踪粒子发生器的粒子出口与第一管道连通；透光煤岩夹具的流体出口与第二管道...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐消寒，艾纯明，马恒，张遵国，王晓琪，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21