利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法技术

本发明专利技术公开了一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，包括试样准备；基础测试；试件钻注水孔；球形声发射仪安装；安装注水管；安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；注水试验；波速测试；润湿范围反算；同组其它试验；整理试验数据。选用六面体及圆柱体两组不同的原煤试件进行试验，通过基础测试建立润湿区域与波速之间的关系式，再将六面体试件置于专用的真三轴试验测试装置中，巧妙利用六面体试件中部带圆形声发射仪与周边的多个声发射仪之间的距离和激发信号接收时间差，进行润湿范围反算，用于研究注水润湿参数影响扩散半径的作用机理，为有效分布注水钻孔，提高经济效益奠定理论基础。

Test method for accurate measurement of wetting range by wave velocity attenuation

【技术实现步骤摘要】
利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法
本专利技术属于煤岩试样室内试验
，具体涉及一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法。
技术介绍
随浅部煤炭资源的日渐枯竭，深部煤炭资源成为开发主体，但随开采深度增加，地应力与瓦斯压力都随之增加，将直接导致煤层开采过程中产生的煤尘浓度的大幅上升。回采前预先注水湿润煤体，是降低煤层开采时粉尘产生量的最有效方法，是煤矿防尘的最基本、最主要的措施之一。煤体湿润效果的好坏主要反映在煤的润湿程度上(即煤的水分含量)，煤的润湿程度越高，煤层开采时的产尘量就会越小，有利于煤矿防尘，反之，产尘量会越大，将增大煤矿防尘的难度。煤体润湿范围作为重要的润湿评价参数，主要靠理论计算或数值模拟，主要流程是通过单个钻孔煤层注水试验，测定注水钻孔周围煤体含水率的变化，由此计算煤体湿润半径，进而确定煤层注水钻孔的布置。但实际应用过程中上述方法工序复杂，且以经验指导为主，具有较大的不确定性。煤岩介质超声技术是近几十年来发展起来的测量技术之一。通过测量超声波穿透介质后的参数变化，间接探讨了这些介质的力学和结构特性、速度、衰减系数、波形、频率、振幅等。在这些参数中，超声波的波速特性可以在一定程度上反映煤岩的应力状态和含水量，但现有超声测量布置位置、试验方法步骤上还存在局限性，影响测量结果的准确性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用真三轴的试验装置，结合波速衰减特性，提出一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，用于研究注水润湿参数影响扩散半径的作用机理，为有效分布注水钻孔，提高经济效益奠定理论基础。为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，包括以下步骤：步骤一、试样制备；将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；步骤二、基础测试；将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，所述水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪，使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，打开声发射仪，测得两声发射仪之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v＝f(a)，v为波速，a为润湿区域厚度；步骤三、试件钻注水孔；用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔，钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形；步骤四、球形声发射仪安装；将球形声发射仪表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔底部，并保证球形声发射仪与注水孔底部半圆贴合密实；步骤五、安装注水管；选取外径与注水孔直径相等，长度比注水孔深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔之间的缝隙，然后在注水孔口部安装万向密封接头；步骤六、安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置试样，试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；位于前、后、左、右的每个试样垫块的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪，将试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；步骤七、施加三轴应力；通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；步骤八、注水试验；打开真三轴试验测试装置上的声发射仪，通过注水孔对六面体原煤试件高压注水使原煤水力润湿，达到预定时间后，停止注水，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化以及温度等参数信息；步骤九、波速测试；激发中部的球形声发射仪，周边各声发射仪接收，利用球形声发射仪与周边各声发射仪之间的距离s和激发信号接收时间差t，计算波速v＝s/t；步骤十、润湿范围反算；通过步骤二和步骤九，得到六面体原煤试件中部到各声发射仪之间的润湿距离，将其连接起来，获得原煤试件之间注水孔注水润湿范围；步骤十一、同组其它试验；更换原煤试件，改变注水时间，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤三至步骤十；步骤十二、整理试验数据。作为上述方案的优选，所述六面体原煤试样试样为正方体，试样尺寸为200×200×200mm。进一步优选为，所述原煤试件中注水孔的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm；注水孔底部的半圆直径为10mm。本专利技术的有益效果：(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；(5)选用六面体及圆柱体两组不同的原煤试件进行试验，通过基础测试建立润湿区域与波速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、试样制备；/n将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；/n步骤二、基础测试；/n将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，所述水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪(18)，使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，打开声发射仪(18)，测得两声发射仪(18)之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v＝f(a)，v为波速，a为润湿区域厚度；/n步骤三、试件钻注水孔；/n用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔(15)，钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形；/n步骤四、球形声发射仪安装；/n将球形声发射仪(19)表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔(15)底部，并保证球形声发射仪(19)与注水孔底部半圆贴合密实；/n步骤五、安装注水管；/n选取外径与注水孔(15)直径相等，长度比注水孔(15)深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔(15)内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔(15)之间的缝隙，然后在注水孔(15)口部安装万向密封接头(16)；/n步骤六、安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；/n所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置试样(3)，试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服油缸(E)一起移动，上下左右侧的伺服油缸(E)固设在整体环形框架(1)的对应侧外，伺服油缸(E)的活塞杆(7)前端居中位置处设置有载荷传感器(8)，所述载荷传感器(8)的前端穿过主机壳后安装有压头(9)；/n位于前、后、左、右的每个试样垫块(4)的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪(18)，将试样放入六块试样垫块(4)围成的腔体内并通过快锁(14)组合安装后再结合试样垫块(4)接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样(3)密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块(4)之间的密封；/n首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头(16)安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；/n步骤七、施加三轴应力；/n通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；/n步骤八、注水试验；/n打开真三轴试验测试装置上的声发射仪(18)，通过注水孔(15)对六面体原煤试件高压注水使原煤水力润湿，达到预定时间后，停止注水，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化以及温度等参数信息；/n步骤九、波速测试；/n激发中部的球形声发射仪(19)，周边各声发射仪(18)接收，利用球形声发射仪与周边各声发射仪之间的距离s和激发信号接收时间差t，计算波速v＝s/t；/n步骤十、润湿范围反算；/n通过步骤二和步骤九，得到六面体原煤试件中部到各声发射仪之间的润湿距离，将其连接起来，获得原煤试件之间注水孔注水润湿范围；/n步骤十一、同组其它试验；/n更换原煤试件，改变注水时间，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤三至步骤十；/n步骤十二、整理试验数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种利用波速衰减精确测量润湿范围的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试样制备；
将原煤块体切割成六面体及圆柱体各两组，然后分别通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；
步骤二、基础测试；
将圆柱体的原煤试件分别浸泡在不同深度的水容器中48±4小时，所述水容器的顶部、底部分别设置有声发射仪(18)，使原煤试件浸泡于水中部分充分润湿，打开声发射仪(18)，测得两声发射仪(18)之前的波速变化，建立润湿区域与波速之间的关系式：v＝f(a)，v为波速，a为润湿区域厚度；
步骤三、试件钻注水孔；
用钻机在六面体的原煤试件顶部居中位置处钻竖直延伸的注水孔(15)，钻孔结束后，利用半圆钻头将注水孔底部打磨成半圆形；
步骤四、球形声发射仪安装；
将球形声发射仪(19)表面涂抹凡士林，利用软木棍轻轻按压其至注水孔(15)底部，并保证球形声发射仪(19)与注水孔底部半圆贴合密实；
步骤五、安装注水管；
选取外径与注水孔(15)直径相等，长度比注水孔(15)深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔(15)内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔(15)之间的缝隙，然后在注水孔(15)口部安装万向密封接头(16)；
步骤六、安装注水孔的原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；
所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置试样(3)，试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服...

【专利技术属性】
技术研发人员：程卫民，王刚，刘义鑫，孙路路，李进舟，倪冠华，刘震，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37