[发明专利]一种可周期扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置及试验方法

说明书

一种可周期扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置及试验方法，其装置包括三轴压力室；由气体注入装置和液体注入装置组成的流体注入系统；由围压提供装置、轴压提供装置和由变频电机驱动的活塞装置组成的周期扰动压力加载系统；数据测量与收集系统和恒温箱。试验方法包括制备和安装试件；施加轴压和围压；将三轴压力室置于恒温箱中；试验前试件和管路抽真空；向试样注入气液混合流体；开启周期扰动压力加载系统；分别测量由试件渗流出的气体量和液体量。该发明可模拟深部煤岩体在开采过程中多相流体流动的动态变化规律及不同扰动频率及幅值作用下的煤岩渗透率动态响应特征。

技术领域

本发明涉及渗流力学试验装置，特别是一种可周期扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置及试验方法。

背景技术

煤岩开采深度不断增加，赋存环境不断变化，深部煤岩“三高一扰动”(高地应力、高温度、高流体压力、扰动)特征更加明显。开挖后，岩体的力学响应将表现出与浅埋岩体的根本差别。实际深部工程中，随着工作面和巷道的掘进，周围煤岩体往往经历往复的加卸载扰动过程，是一个循环的扰动加卸载载体。这一过程不仅使煤岩强度发生改变，还会对煤岩渗透率产生影响，而煤岩渗透率变化直接影响瓦斯在煤岩中的运移与赋存，导致局部瓦斯压力变化，反作用于煤岩改变其强度，甚至诱发突出。针对深部煤岩“三高一扰动”的特征，通过对煤岩周期扰动作用下的三轴多相渗流试验，可研究深部煤岩瓦斯运移规律，为深部煤岩及瓦斯开采提供依据。

采取扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置，据文献报道，是在压力室的基础上在轴部承压部件内部设置一根扰动杆，通过连接激振器施加轴向扰动荷载，以实现三轴压力与轴向动态扰动力的共同加载，模拟煤岩开采过程中所受到的振动扰动。这种煤岩三轴多相渗流实验装置采取的扰动为轴向扰动，在围压上不加扰动，扰动幅度及周期也不能随时调整，故其适用范围受限。在煤岩开采中，所涉及到的扰动较为复杂，煤岩不仅在轴向上受动态扰动作用，在环向上同样受到扰动作用，并且扰动频率及幅值多变，故这种试验装置不能模拟深部煤岩的赋存特征进行煤岩周期扰动下的三轴多相渗流试验。

发明内容

针对现有煤岩渗流试验装置在扰动荷载施加上存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可周期扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置及试验方法。

本发明提供的可周期扰动的煤岩三轴多相渗流试验装置，包括三轴压力室、流体注入系统、周期扰动压力加载系统、数据测量与收集系统和恒温箱。

所述三轴压力室包括套筒、由前压头和后压头构成的试件夹持器及轴压施压活塞；所述夹持器的前压头与轴压施压活塞的后端嵌接，轴压施压活塞可在由隔板和与所述套筒前端螺纹连接的前螺帽构成的轴压腔中滑动，前螺帽上有供轴压施压活塞与隔板之间的空气排出的气孔，轴压施压活塞的前端与前螺帽的中心孔密封滑动连接，前螺帽上设有供液压液输入的轴压周期扰动装置接口，夹持器的后压头与后盖嵌接，后盖由与套筒后端螺纹连接的后螺帽固定在套筒的后端，后螺帽上有供液压液输入的透气螺丝，在后盖、前压头、后压头和轴压施压活塞中分别有沿其轴向中心线开设的流体孔道，套筒与前压头、试样和后压头之间形成围压腔，围压腔的下壁有围压周期扰动装置接口。

所述三轴压力室置于所述恒温箱中。

所述流体注入系统包括气体注入系统和液体注入系统；所述气体注入系统包括气瓶、气体调节器、空气压缩机、1号质量流量计；气瓶连接气体调节器和空气压缩机，气体调节器通过1号截止阀与1号质量流量计连接，空气压缩机通过3号截止阀与1号质量流量计连接，1号质量流量计通过2号截止阀与所述后压头中的流体孔道相接；所述液体注入系统包括ISCO泵、内装可动活塞的反应釜和管路过滤器；ISCO泵通过5号截止阀与反应釜相接，反应釜通过管路过滤器与1号三通阀的一端相接，1号三通阀的另外两端中的一端与所述后压头中的流体孔道相接，另一端通过4号截止阀与大气相接；后压头中的流体孔道还与6号截止阀相接。