一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴试验装置及方法，包括真三轴压力室、支架、加载装置、供水装置、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；供水装置控制着水经过煤体并获取排出的水流量，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。

A true triaxial experimental device and method based on water seepage with CT real-time scanning

The invention provides a true triaxial test device and method based on water seepage with CT real-time scanning, including true triaxial pressure chamber, bracket, loading device, water supply device, CT scanning system and control / monitoring device. The true triaxial pressure chamber includes a cover plate and a can body; the bracket includes a top plate, a bottom plate and a column, and the devices located in the CT scanning area are made of carbon fiber materials; the loading device includes an axial pressure, a lateral pressure and a confining pressure loading device, which provides the axial pressure, a lateral pressure and an confining pressure required for the experiment; the water supply device controls the water flow through the coal body and obtains the discharged water flow to study the permeability change; the CT scanning device It includes CT radiation source and CT detector to observe the internal changes of the specimen in real time. The real-time cooperation of true triaxial stress-strain-seepage and CT is realized, which is of great significance for the study of the law of pore crack propagation and permeability evolution of coal and rock mass under true triaxial stress.

【技术实现步骤摘要】
一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置及方法
本专利技术涉及一种物理模拟实验研究，尤其适用于一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置及方法。
技术介绍
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，是研究瓦斯气体或者水在煤岩体中运移的基本特征，对其研究最常用的是实验室模拟实验。对于这一方面的研究中，现有的实验设备和实验方法均由一个共同的特点，那就是所进行的研究较为单一，只能进行煤样试件气体渗流或者力学参数研究。但是对于煤岩体来说，井下的流体不只是有瓦斯气体，地下水的渗流对于井工开采和灾害事故的防治骑着极为重要的作用，这是不能忽略的。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。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内部水渗流规律进行综合分析，实现全面、系统研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够进行实时扫描、可使用水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-水渗流-孔裂隙发育变化规律。为实现上述目的，其技术方案如下：一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置，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供水装置，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/监测装置；所述真三轴压力室包括开设有进油/水口、排油/水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。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。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。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。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。所述的盖板上设置有进油口、压力传感器，所述的桶体底部设有排水口、下部位置上开有排油口，进油口通过导管与外部液压泵相连，与出油口配合，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。所述上压头和下压头内部均设有水渗流通道，外部供水装置通过导管经进水口与上压头预设的水渗流通道连接，下压头预设的水渗流通道经底部排水口与外部的液体流量计相连，整个供水装置为实验提供所需的渗流环境，液体流量计读取流经煤岩体试件的水流量。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。所述桶体及盖板上各个孔周围均装有O型圈进行密封。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。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。所述的CT扫描装置包括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。上述一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验方法，其特征在于，包括以下步骤：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)打开供水装置阀门，观测流量值并保持读数恒定，待数值保持恒定后关闭排水阀同时保持供水装置阀门开启状态不变，让煤岩体试件恒定吸附48h；5)恒定48h后打开排水阀，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-水渗流变化，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。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。本专利技术的积极效果：1)本专利技术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；2)本专利技术将真三轴流固耦合渗流系统与CT扫描仪结合起来，能够实现应力-应变-水渗流-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；3)本专利技术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；4)本专利技术极大丰富了真三轴可视、渗流实验领域的研究。附图说明图1为本专利技术总装置的总图图2为本专利技术总装置的主视图(图中线头方向表示数据传输方向)图3为本专利技术去掉前侧CT放射源外部结构示意图图4为本专利技术实验装置俯视图图5为本专利技术实验装置真三轴压力室透视图其中，0-实验煤岩体试件，1-真三轴压力室，11-压力室盖板，12-进油口，13-桶体，14-排油口，15-排水口，16-进水口，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-侧向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置，其主要由：真三轴压力室、支架、加载装置、供水装置、CT扫描系统以及控制/监测装置组成，其中：/n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；/n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；桶体底部开设排水口、下部位置上设有排油口，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，连接桶体与盖板；/n所述盖板上预设有进油口，与排油口配合使用，提供实验条件所需的围压，盖板上开设有进水口，与排水口配合使用用以连接供水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；/n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；/n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油口为实验提供所需围压；/n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；/n所述水渗流装置，液体通过导管连接到进水口处的渗流管上，并最终从上压头进水口流经煤岩体试件，通过下压头出水口、底座预留的出水口经流量计流出；/n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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种带CT实时扫描基于水渗流的真三轴实验装置，其主要由：真三轴压力室、支架、加载装置、供水装置、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；桶体底部开设排水口、下部位置上设有排油口，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，连接桶体与盖板；
所述盖板上预设有进油口，与排油口配合使用，提供实验条件所需的围压，盖板上开设有进水口，与排水口配合使用用以连接供水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油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；
所述水渗流装置，液体通过导管连接到进水口处的渗流管上，并最终从上压头进水口流经煤岩体试件，通过下压头出水口、底座预留的出水...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，杜锋，郭阳阳，董虎子，王亮，徐超，辛程鹏，
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