[发明专利]一种三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统

权利要求书

1.一种三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于，包括：煤岩体密封箱体、轴压加载装置、围压加载装置、恒压气体加载及流量监测系统、应力监测系统和应变监测系统，所述煤岩体密封箱体包括框架和底座，所述框架固定在底座上，框架的前端面和后端面分别安装带有小孔的有机玻璃板，其余各面由钢板密封而成；

所述煤岩体密封箱体的顶壁内侧安装有多组油压缸，每组油压缸均与一上压板连接，所述油压缸通过高压钢管与所述轴压加载装置连接，所述煤岩体密封箱体的一侧壁内侧安装有压力气囊与一侧压板连接，所述压力气囊通过高压钢管与所述围压加载装置连接，所述煤岩体密封箱体内铺设有保护层和被保护层，所述保护层分为待回采的中心回采区域和边界保护区域，所述中心回采区域内设有模拟回采层，所述模拟回采层包括沿着回采方向依次放置的多个承压柔性气囊，所述多个承压柔性气囊外边缘用矩形框体围起，相邻两所述承压柔性气囊之间用隔板间隔定位，每一所述隔板与所述矩形框体活动连接，所述煤岩体密封箱体的底壁内侧安装有导管连通外界与所述模拟回采层，所述恒压气体加载及流量监测系统包括气体加载装置和电子气体流量计，所述气体加载装置通过高压钢管与所述煤岩体密封箱体的进气孔连接并连通所述被保护层，所述进气孔为位于框架后端面的所述有机玻璃板上的多个小孔，所述电子气体流量计与所述密封箱体的测量孔连接，所述测量孔为位于框架前端面的所述有机玻璃板上与所述进气孔对应设置的多个小孔；

所述应力监测系统包括压力盒和计算机，所述压力盒安装在所述被保护层中的应力测试点上，所述应变监测系统包括光纤光栅传感器、可发出光信号的光纤光栅传感调节仪和数据采集计算机，所述光纤光栅传感器垂直埋设在所述被保护层中的应变测试点上。

2.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述轴压加载装置包括油压罐、与所述油压罐连接的油压泵和设于所述油压泵上的压力表。

3.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述围压加载装置包括高压充气瓶和设于所述高压充气瓶上的压力表。

4.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述气体加载装置包括高压瓦斯瓶和设于其上的减压阀和压力表。

5.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述多组油压缸为四组，每组油压缸包括前后对齐设置的两个油压缸。

6.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述框架前端面和后端面的所述有机玻璃板上的小孔对称设置，均排列为6排，每排为10个。

7.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述应变测试点为10个。

8.根据权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器的光纤套设有保护套管。

9.采用权利要求1所述的三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统进行煤岩体渗透特性测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、铺设模型和组装三维模拟卸压煤岩体渗透特性的测试系统：

步骤101：根据待研究矿井的实际地质条件设定保护层和被保护层的高度；

步骤102：将带有小孔的前、后有机玻璃板分别安装在框架的前端面和后端面上，在框架的底面和其中一侧面均安装钢板形成煤岩体密封箱体的底壁和一侧壁，在所述侧壁内侧安装好压力气囊和侧压板，在所述底壁内侧安装导管至模拟回采层高度，在框架后端面的有机玻璃板上选择小孔作为进气孔并安装导气管直接深入到被保护层中1～2cm，导气管的另一端与气体加载装置连接；

步骤103：将配比好的相似材料按着实验要求对模型进行逐层铺设，并对每一分层进行节理划分，均匀撒上云母粉，再次压实后进行下一层的铺设，框架上与安装有压力气囊和侧压板的侧面相对的另一侧面用宽度为10cm的槽钢随着模型的铺设逐层安装至框架的顶部；当模型铺设至保护层高度位置时，根据模拟保护层的厚度选用合适的承压柔性气囊，并对承压柔性气囊进行充气，达到设计的模拟回采层高度；当模型铺设至被保护层高度位置时，在被保护层中铺设压力盒和光纤光栅传感器，并将数据线通过框架后端面的有机玻璃板上相应的小孔输出连接计算机、光纤光栅传感调节仪和数据采集计算机，同时在框架前端面的有机玻璃板上选择小孔作为测量孔与电子气体流量计连接，最后直至模型铺设完毕；

步骤104：待模型达到一定的稳定程度后，将所述槽钢相间隔的卸掉，使模型晾干，之后在有所述槽钢的一侧安装整块钢板形成煤岩体密封箱体的另一侧壁，最后将安装好上压板和油压缸的顶部钢板盖上，并进行煤岩体密封箱体的密封；

步骤105：将围压加载装置通过煤岩体密封箱体的进气口与所述压力气囊连接，将轴压加载装置与所述油压缸连接；

步骤2、通过围压加载装置和轴压加载装置给模型施加相应的围压和轴压来模拟真实受力环境；

步骤3、对被保护层的煤岩体渗透特性进行测试：对模拟回采层中的承压柔性气囊按照回采方向进行逐一泄气，两相邻承压柔性气囊之间的隔板会随着承压柔性气囊的依次卸压而向开采方向发生倾倒，并通过气体加载装置对被保护层进行气体加载，并随着保护层的开采逐一打开测量孔，待电子气体流量计数值稳定后开始记录数据，同时通过计算机、数据采集计算机对应力、应变数据进行采集；

步骤4：保护层开采完毕，即承压柔性气囊全部卸压后，对数据进行归纳、处理；并根据瓦斯流出被保护层的流量计算煤岩体的渗透性。