全文摘要
本实用新型提供了煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源、真空泵、测试组件、信号采集传输组件和地面监控站，所述测试组件包括顶部压板、加载件、试件、底部压板、锚索应力计、扁千斤顶、轴向位移计、径向位移计和气体隔离腔，所述测试组件安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽中，所述信号采集传输组件包括位移采集器、应力采集器和井下信息采集站，应力采集器与锚索应力计连接，位移采集器分别与轴向位移计和径向位移计连接，位移采集器和应力采集器通过线缆与井下信息采集站相连，井下信息采集站通过线缆与地面监控站连接。
主设计要求
1.煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源(1)、真空泵(2)，其特征在于，还包括测试组件(3)、信号采集传输组件和地面监控站(4)，所述测试组件(3)包括顶部压板(5)、加载件(6)、试件(7)、底部压板(8)、锚索应力计(9)、扁千斤顶(10)、轴向位移计(16)、径向位移计(17)和气体隔离腔(11)，气体隔离腔(11)为圆筒体，加载件(6)的一端为圆柱形的加载头(6-1)，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈(12)，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔(13)，底部压板上设有导气通孔(13)和线缆通孔(14)；所述测试组件(3)安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽(15)中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶(10)、锚索应力计(9)、底部压板(8)、试件(7)、加载件(6)和顶部压板(5)，扁千斤顶(10)和顶部压板(5)分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔(11)的下端固定在底部压板(8)上，试件(7)竖放于气体隔离腔(11)中，加载头(6-1)的端面与试件(7)的顶部接触并位于气体隔离腔(11)中，轴向位移计(16)和径向位移计(17)均安装在试件(7)上，轴向位移计(16)和径向位移计(17)的线缆穿过底部压板上的线缆通孔(14)引出气体隔离腔；所述信号采集传输组件包括位移采集器(18)、应力采集器(19)和井下信息采集站(20)，应力采集器(19)与锚索应力计(9)连接，位移采集器(18)分别与轴向位移计(16)和径向位移计(17)连接，位移采集器(18)和应力采集器(19)通过线缆与井下信息采集站(20)相连；所述地面监控站(4)包括地面监控计算机；气源(1)经进气管路与气体隔离腔(11)连通，气体隔离腔(11)经底部压板(8)上的导气通孔(13)与出气管路连通，气源(1)经第一减压阀(21)分别与第一阀门(23)和第二阀门(24)的一端连接，第一阀门(23)的另一端与真空泵(2)连接，第二阀门(24)的另一端经第二减压阀(22)、第一流量计(27)与加载件(6)上的导气通孔(13)连通，在第一流量计(27)与加载件(6)之间的管路上设有第一压力传感器(29)，进气管路上设有连通第二减压阀(22)两端的支管路，支管路上设有第三阀门(25)；底部压板上的导气通孔(13)经第四阀门(26)与第二流量计(28)连接，第二流量计(28)之后的管路上设有第二压力传感器(30)；第一压力传感器(29)、第二压力传感器(30)、第一流量计(27)和第二流量计(28)通过线缆与井下信息采集站(20)连接，井下信息采集站(20)通过线缆与地面监控计算机连接。
设计方案
1.煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源(1)、真空泵(2)，其特征在于，还包括测试组件(3)、信号采集传输组件和地面监控站(4)，
所述测试组件(3)包括顶部压板(5)、加载件(6)、试件(7)、底部压板(8)、锚索应力计(9)、扁千斤顶(10)、轴向位移计(16)、径向位移计(17)和气体隔离腔(11)，气体隔离腔(11)为圆筒体，加载件(6)的一端为圆柱形的加载头(6-1)，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈(12)，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔(13)，底部压板上设有导气通孔(13)和线缆通孔(14)；
所述测试组件(3)安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽(15)中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶(10)、锚索应力计(9)、底部压板(8)、试件(7)、加载件(6)和顶部压板(5)，扁千斤顶(10)和顶部压板(5)分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔(11)的下端固定在底部压板(8)上，试件(7)竖放于气体隔离腔(11)中，加载头(6-1)的端面与试件(7)的顶部接触并位于气体隔离腔(11)中，轴向位移计(16)和径向位移计(17)均安装在试件(7)上，轴向位移计(16)和径向位移计(17)的线缆穿过底部压板上的线缆通孔(14)引出气体隔离腔；
所述信号采集传输组件包括位移采集器(18)、应力采集器(19)和井下信息采集站(20)，应力采集器(19)与锚索应力计(9)连接，位移采集器(18)分别与轴向位移计(16)和径向位移计(17)连接，位移采集器(18)和应力采集器(19)通过线缆与井下信息采集站(20)相连；所述地面监控站(4)包括地面监控计算机；
气源(1)经进气管路与气体隔离腔(11)连通，气体隔离腔(11)经底部压板(8)上的导气通孔(13)与出气管路连通，气源(1)经第一减压阀(21)分别与第一阀门(23)和第二阀门(24)的一端连接，第一阀门(23)的另一端与真空泵(2)连接，第二阀门(24)的另一端经第二减压阀(22)、第一流量计(27)与加载件(6)上的导气通孔(13)连通，在第一流量计(27)与加载件(6)之间的管路上设有第一压力传感器(29)，进气管路上设有连通第二减压阀(22)两端的支管路，支管路上设有第三阀门(25)；底部压板上的导气通孔(13)经第四阀门(26)与第二流量计(28)连接，第二流量计(28)之后的管路上设有第二压力传感器(30)；第一压力传感器(29)、第二压力传感器(30)、第一流量计(27)和第二流量计(28)通过线缆与井下信息采集站(20)连接，井下信息采集站(20)通过线缆与地面监控计算机连接。
2.根据权利要求1所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，扁千斤顶的活塞杆、锚索应力计的应力探头、底部压板上的导气通孔、试件以及加载件的轴线位于同一直线上。
3.根据权利要求2所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，扁千斤顶的活塞杆的直径大于锚索应力计的应力探头的直径，底部压板的尺寸大于锚索应力计的应力探头的尺寸，顶部压板和底部压板的尺寸大于气体隔离腔的外径。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，试件呈圆柱形，试件表面由塑料膜包裹密封，试件由从采面采集的煤岩体加工而成。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，掏槽位于采面前方至少200m。
6.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，气体隔离腔的下端与底部压板之间设有密封件。
7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，底部压板上的线缆通孔与穿过该线缆通孔的线缆之间设有密封件。
8.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，第一减压阀、第二减压阀为电动减压阀，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为电动球阀，第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门均通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制开启与关闭。
9.根据权利要求8所述煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，其特征在于，真空泵通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制真空泵处于运行或停止运行的状态。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于岩土工程领域，涉及煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统。
背景技术
进入深部开采阶段后，煤岩赋存应力和瓦斯压力显著增大，煤与瓦斯共采的实践也迎来了新的挑战。工程实践表明，煤岩体不仅受到荷载作用，还受到流体运移、温度、生物或化学物质作用等众多因素的影响，且各影响因素之间相互联系，形成对煤岩体完整的多场耦合作用，进而影响煤岩体的力学响应，使煤岩体在不同的具体实践中呈现出显著的力学性质差异。煤岩体采动裂隙网络的萌生、扩展和演化对瓦斯在其内的运移具有至关重要的影响，采动裂隙网络始终是煤岩体内最主要的瓦斯运移通道。因此，必须考虑原位应力状态和真实扰动路径的影响，将开采或开挖等工程活动的扰动与煤岩体的渗流特性相结合开展研究。
现有研究方法多为在室内尺度下开展的卸荷应力状态的煤岩体渗透率研究，仅局限于试验条件本身对渗透率的影响进行研究和阐述，尚无关于开采过程中真实采动应力环境影响下的煤岩体采动力学行为及渗流特性研究的报道。
例如，CN104374684A公开了用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，主要包括气源、真空泵、气体稳压增温控制装置、具有试件的MTS围压腔，还包括与这些部件配合的阀门、压力计和流量计等。该测试系统能在MTS岩石力学测试系统准确控制煤岩体加载、记录应力和变形数据的基础上，实现外部气体稳压恒温渗流条件的施加，但是，该测试系统仍然存在以下不足之处有待改进：
(1)虽然该文献中提到了该测试系统可以实现采动过程卸荷煤岩体渗透率的稳定准确测试，但实际上，该测试系统仍然是在实验室状态下进行测试的，其加载方式是理想性的，只能近似地模拟采动应力的变化过程，但实际的采动应力变化是非常复杂的，该测试系统未考虑也无法将真实采动应力环境的影响结合到测试过程中，而煤岩体的渗透率具有显著的应力和孔隙度敏感性，因此采用该测试系统仅通过理想化的模拟采动应力的变化过程是无法实现对煤岩体渗透率进行准确测试的，其测试结果的准确性和可借鉴性都还有待提高。
(2)该测试系统的加载方式为单一线性地加载，而实际上采动应力的演化过程是非常复杂的，该测试系统无法反应支承压力波动特性对于煤岩体渗透率的影响。
(3)该测试系统的测试过程在实验室内完成，并非处于原位环境，需要设计气体加热器和加热控制器预先对气体温度进行调控，而深部开采所处地的温度随着地质条件的差异会有所不同，因此该测试系统难以精确模拟实际的温度条件，由于温度会影响煤岩体中的流体运移等，进而影响煤岩体的力学响应，这也不利于测试结果的准确性的提高。
(4)该测试系统主要是基于MTS岩石力学测试系统进行测试的，属于实验室装置，无法直接在深部开采的地下环境应用。
现有的室内试验线性加载模拟方法只是一种针对材料性质的研究方式，与工程扰动并不相关。为了突破室内尺度的测试系统及试验难以还原现场煤岩体裂隙演化以及渗流特性等原位力学变化特征的瓶颈，开发出能在现场尺度下开展真实扰动路径下煤岩体的力学行为及渗流特性的原位测试装置及相关的测试方法是十分必要的。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，以解决现有室内试验装置不能反映真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性不足。
本实用新型提供的煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统，包括气源、真空泵，测试组件、信号采集传输组件和地面监控站，
所述测试组件包括顶部压板、加载件、试件、底部压板、锚索应力计、扁千斤顶、轴向位移计、径向位移计和气体隔离腔，气体隔离腔为圆筒体，加载件的一端为圆柱形的加载头，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈，加载件上设有开口于加载头端面和加载件侧壁的导气通孔，底部压板上设有导气通孔和线缆通孔；
所述测试组件安装于设置在采面前方的煤岩体上的掏槽中，掏槽中从下到上依次安装扁千斤顶、锚索应力计、底部压板、试件、加载件和顶部压板，扁千斤顶和顶部压板分别与掏槽的底面和顶面接触，掏槽与扁千斤顶和顶部压板接触的部位为水平面，气体隔离腔的下端固定在底部压板上，试件竖放于气体隔离腔中，加载头的端面与试件的顶部接触并位于气体隔离腔中，轴向位移计和径向位移计均安装在试件上，轴向位移计和径向位移计的线缆穿过底部压板上的线缆通孔引出气体隔离腔；
所述信号采集传输组件包括位移采集器、应力采集器和井下信息采集站，应力采集器与锚索应力计连接，位移采集器分别与轴向位移计和径向位移计连接，位移采集器和应力采集器通过线缆与井下信息采集站相连；所述地面监控站包括地面监控计算机；
气源经进气管路与气体隔离腔连通，气体隔离腔经底部压板上的导气通孔与出气管路连通，气源经第一减压阀分别与第一阀门和第二阀门的一端连接，第一阀门的另一端与真空泵连接，第二阀门的另一端经第二减压阀、第一流量计与加载件上的导气通孔连通，在第一流量计与加载件之间的管路上设有第一压力传感器，进气管路上设有连通第二减压阀两端的支管路，支管路上设有第三阀门；底部压板上的导气通孔经第四阀门与第二流量计连接，第二流量计之后的管路上设有第二压力传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计和第二流量计通过线缆与井下信息采集站连接，井下信息采集站通过线缆与地面监控计算机连接。
上述测试系统的技术方案中，扁千斤顶的活塞杆、锚索应力计的应力探头、底部压板上的导气通孔、试件以及加载件的轴线位于同一直线上。
上述测试系统的技术方案中，扁千斤顶的活塞杆的直径大于锚索应力计的应力探头的直径，底部压板的尺寸大于锚索应力计的应力探头的尺寸，顶部压板和底部压板的尺寸大于气体隔离腔的外径。所述的顶部压板和底部压板为矩形或正方形钢板，正方形钢板的边长、矩形钢板的宽度大于气体隔离腔的外径。为了方便测试组件在掏槽中的顺利安装，所述的顶部压板和底部压板可以由多块钢板重叠组合而成。
上述测试系统的技术方案中，试件呈圆柱形，试件表面由塑料膜包裹密封，试件由从采面采集的煤岩体加工而成。
上述测试系统的技术方案中，掏槽位于采面前方至少200m。
上述测试系统的技术方案中，气体隔离腔的下端与底部压板之间设有密封件，底部压板上的线缆通孔与穿过该线缆通孔的线缆之间设有密封件，与加载件上的密封圈配合增加气体隔离腔的密闭性。
上述测试系统的技术方案中，所述扁千斤顶为带压力表的扁千斤顶。
上述测试系统的技术方案中，井下信息采集站是把与之相连的设备采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的部件的设备。具体地，井下信息采集站是把与之相连的第一压力传感器、第二压力传感器、位移采集器、应力采集器、第一流量计、第二流量计采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和真空泵的设备。井下信息采集站可以为井下环网交换机，通过将测试系统的控制总线与信息传输总线整合，将电缆接至井下环网交换机上。优选采用矿用隔爆兼本安型网络交换机，这种类型的网络交换机允许安装在煤矿井下有煤尘和瓦斯爆炸的危险气体环境中，用来使井下可连接到交换机的设备与地面进行数据交换，实现远程控制和远程监测。地面监控站中的地面监控计算机就可以对井下连接到交换机的设备进行管理，通过交换机实现网络计算机对井下相关设备获取数据信息和控制管理的工作。
为了减少人工操控各减压阀、各阀门的开启、关闭、开启程度，以及真空泵的开启和关闭的劳动强度、缩短参数调整的响应时间、提高测试效率，同时减小人工调整误差，上述测试系统的技术方案中，优选的技术方案为：
第一减压阀、第二减压阀为电动减压阀，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为电动球阀，第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门均通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制开启与关闭。真空泵通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制真空泵处于运行或停止运行的状态。
上述测试系统的技术方案中，可在采面前方的煤岩体的不同部位设计多个掏槽并安装测试系统，以实现对不同部位的试件进行同时测定。
采用上述测试系统对煤岩体的力学行为和渗流特性进行原位测试的方法如下：
①从采面现场取芯制作试件，将试件表面用塑料膜包裹密封；
②在采面前方至少200m的采面轨道巷的采煤帮上开挖掏槽，将掏槽的顶面和底面用水泥糊成水平面，晾至水泥凝结；
③在掏槽中安装测试组件，将加载件的导气通孔与进气管路连通，将底部压板上的导气通孔与出气管路连通；
④用扁千斤顶对试件加载至初始应力状态并在后续测试过程中通过调整扁千斤顶使试件始终处于初始应力状态；关闭第四阀门、第一减压阀和第二减压阀，打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，开启真空泵将管路及气体隔离腔中的气体抽出，然后关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门，之后关闭真空泵，打开第一减压阀和第二减压阀向气体隔离腔中通入SF6<\/sub>气体对试件施加围压，在通入SF6<\/sub>气体的过程中调节第四阀门以保持围压条件；
⑤在采动过程中进行测试，通过应力采集器和位移采集器实时采集应力、轴向位移计与径向位移数据，实时传输给地面监控站并记录；
⑥通过分析步骤⑤采集的数据，获得真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性数据。
采用上述测试系统进行测试时，之所以采用SF6<\/sub>作为渗流气体，是因为SF6<\/sub>是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，具有优良的灭弧性能和绝缘性能，不会影响煤矿安全生产。
采用上述测试系统进行测试时，步骤④中的围压条件根据实际测试需求进行确定，例如，可以始终保持恒定围压，围压也可以以逐步增大或减小的方式进行变化。
采用上述测试系统按照上述方法进行测试，可以获得真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性，所述煤岩体的力学行数据为包括：距离采面不同距离超前支承压力分布、试样应力-应变曲线、试件弹性模量及泊松比等岩石力学参数；所述的渗流特性数据包括：应力-渗透率关系曲线等。通过上述测试方法可以得到在采面推进过程中，受采动影响煤岩体渗透率的变化情况，还可以获得包括峰值强度、峰值强度对应的应变、轴向应变、环向应变、体应变、残余强度、割线弹性模量、割线泊松比等在内的煤岩体的力学特性数据，也可以获得包括随应力状态变化的煤岩体渗透率变化情况在内的渗流特性数据。
与现有技术相比，本实用新型产生了以下有益的技术效果：
1.本实用新型提供的煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统括气源、真空泵、测试组件、信号采集传输组件和地面监控站，由于将包括试件在内的测试组件设置在位于采面前方的煤岩体上的掏槽中，因此该测试系统测试的是真实采动应力影响下的煤岩体的力学行为和渗流特性，这一结构特点现是有室内试验装置所不具备的，本实用新型的测试系统解决了现有室内试验装置不能反映真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性的不足。通过本实用新型的测试系统获取的测试结果，能更真实准确地反映煤层开采过程中煤岩体的渗流特性，为瓦斯抽采、防爆水棚、放顶煤开采中顶煤预裂等煤矿安全高效生产提供更可靠、参考和借鉴价值更高的数据。
2.本实用新型提供的测试系统采用的位移计、应力计为数字化、自动化采集，第一减压阀、第二减压阀为电动减压阀，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为电动球阀，各减压阀和阀门以及真空泵都可以通过地面监控计算机远程控制，这样有利于减少人工操控各减压阀、各阀门的开启、关闭、开启程度，以及真空泵的开启和关闭的劳动强度、缩短参数调整的响应时间、提高测试效率，减小人工调整误差。
3.本实用新型提供的测试系统的结构简单紧凑，避免了复杂大型加载系统的繁琐，节省人力与物力，有利于推广应用。
4.采用本实用新型提供的测试系统，可以对真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性进行原位测试，测试过程为超前支承压力影响下的真实采动力学过程，是一种非线性的加载方式，相比较于传统的室内试验方法，更符合现场实际。采用本实用新型提供的测试系统进行测试可以突破室内尺度的测试试验难以还原现场煤岩体裂隙演化以及渗流特性等原位力学变化特征的瓶颈，可以获得真实扰动应力路径下的煤岩体力学参数。
5.采用本实用新型提供的测试系统进行测试，可以获得距离采面不同距离超前支承压力分布、试样应力-应变曲线、试样弹性模量及泊松比等岩石力学参数、应力-渗透率关系曲线等，为瓦斯抽采钻孔位置的确定、支护强度(超前支护、锚杆锚索布置的间排距等)的调节、岩石原位力学理论的研究等提供了试验手段。
6.采用本实用新型提供的测试系统进行测试，可以获得煤岩采动应力变化与渗流特性，获得煤层所处地质环境中原位扰动力学性质，能够为采动岩体力学理论及原位扰动岩体力学提供试验方法，为煤与瓦斯共采工程中的煤层增透效果评价提供新的思路，为煤矿安全生产提供更准确的参考数据。
附图说明
图1是本实用新型所述测试系统的结构示意图；
图2是测试组件及其在掏槽中的安装示意图；
图3是加载头的结构示意图；
图4是掏槽在煤岩体上的布置示意图，图中箭头是指采面推进方向；
图中，1—气源、2—真空泵，3—测试组件、4—地面监控站、5—顶部压板、6—加载件、 6-1—加载头、7—试件、8—底部压板、9—锚索应力计、10—扁千斤顶、11—气体隔离腔、 12—密封圈、13—导气通孔、14—线缆通孔、15—掏槽、16—轴向位移计、17—径向位移计、 18—位移采集器、19—应力采集器、20—井下信息采集站、21—第一减压阀、22—第二减压阀、23—第一阀门、24—第二阀门、25—第三阀门、26—第四阀门、27—第一流量计、28—第二流量计、29—第一压力传感器、30—第二压力传感器。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本实用新型提供的煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统及其使用方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本实用新型作进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述实用新型内容，对本实用新型做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于实用新型保护的范围。
下述各实施例中，采用的扁千斤顶为带压力表的扁千斤顶；采用的锚索应力计为山东恒安电子科技有限公司生产的GPD450M型矿用本安型锚杆(索)应力传感器，安标编号：MFB130447，该应力采集器自带压力采集装置，主要用于测量锚杆(索)应力变化，可用于本实用新型中的压力测量与压力信号自动记录；采用的轴向位移计为美国Epsilon 3542型轴向引伸计，适用于轴向拉伸、压缩的变形测量，在本实用新型中用于测量试件的轴向拉伸、压缩变形，采用的径向位移计为美国Epsilon3544型圆周引伸计，适用于径向的变形测量，在本实用新型中用于测量试件的径向变形；采用的位移采集器是可以用于采集和记录位移信号的仪器，例如可以是数字信号调节器。
井下信息采集站是把与之相连的设备采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的部件的设备。具体地，井下信息采集站是把与之相连的第一压力传感器、第二压力传感器、位移采集器、应力采集器、第一流量计、第二流量计采集到的信号传输给地面监控站，并把地面监控站发出的指令传输给与之相连的第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和真空泵的设备。以下实施例中，井下信息采集站具体是指井下环网交换机，通过将测试系统的控制总线与信息传输总线整合，将电缆接至井下环网交换机(例如，KJJ127矿用隔爆兼本安型网络交换机)上，KJJ127矿用隔爆兼本安型网络交换机允许安装在煤矿井下有煤尘和瓦斯爆炸的危险气体环境中，用来使井下可连接到交换机的设备与地面进行数据交换，实现远程控制和远程监测。地面监控站中的地面监控计算机就可以对井下连接到交换机的设备进行管理，通过交换机实现网络计算机对井下相关设备获取数据信息和控制管理的工作。
实施例1
本实施例中，煤岩体的力学行为和渗流特性原位测试系统的结构示意图如图1所示，包括气源1、真空泵2、测试组件3、信号采集传输组件和地面监控站4。
所述测试组件3的测试组件及其在掏槽中的安装示意图如图2所示，包括顶部压板5、加载件6、试件7、底部压板8、锚索应力计9、扁千斤顶10、轴向位移计、径向位移计和气体隔离腔11。顶部压板5和底部压板8为形状相同的正方形钢板，气体隔离腔11为圆筒体，加载件的结构示意图如图3所示，加载件6由圆柱形的本体和本体一端的圆柱形的加载头6-1 组成，加载头的外径与气体隔离腔的内径匹配，加载头上设有密封圈12，加载件上设有开口于加载头端面和本体侧壁的导气通孔13，底部压板上设有导气通孔13和线缆通孔14，试件 7呈圆柱形，试件表面由塑料膜包裹密封，试件由从采面采集的煤岩体加工而成。顶部压板和底部压板边长为300mm的正方形钢板，厚度根据现场实际情况确定，为方便安装，可做 1～3层。扁千斤顶的活塞杆的直径大于锚索应力计的应力探头的直径，底部压板的尺寸大于锚索应力计的应力探头的尺寸，顶部压板和底部压板的边长大于试件气体隔离腔的外径。
所述测试组件3安装于设置在采面前方200米的煤岩体上的掏槽15中，掏槽由相互连通的外槽和内槽组成，外槽呈拱形结构，内槽呈长方体结构，掏槽的内槽中从下到上依次安装扁千斤顶10、锚索应力计9、底部压板8、试件7、加载件6和顶部压板5，扁千斤顶10和顶部压板5分别与掏槽内槽的底面和顶面接触，掏槽内槽的底面和顶面为水平面，气体隔离腔11的下端通过螺栓固定在底部压板8上；扁千斤顶的活塞杆、锚索应力计的应力探头、底部压板上的导气通孔、试件以及加载件的轴线位于同一直线上，顶部压板的中心和底部压板的中心与试件的轴线在同一直线上。
气体隔离腔的下端与底部压板之间设有密封件，与加载件上的密封圈配合增加气体隔离腔的密闭性，试件7竖放于气体隔离腔11中，加载头6-1的端面与试件7的顶部接触并位于气体隔离腔11中，轴向位移计16和径向位移计17均安装在试件7上，轴向位移计16和径向位移计17的线缆穿过底部压板上的线缆通孔14引出气体隔离腔，底部压板上的线缆通孔与穿过该线缆通孔的线缆之间设有密封件，以增加气体隔离腔的密闭性。
所述信号采集传输组件包括位移采集器18、应力采集器19和井下信息采集站20，应力采集器19与锚索应力计9连接，位移采集器18分别与轴向位移计16和径向位移计17连接，位移采集器18和应力采集器19通过线缆与井下信息采集站20相连；所述地面监控站4包括地面监控计算机。
气源1经进气管路与气体隔离腔11连通，气体隔离腔11经底部压板8上的导气通孔13 与出气管路连通，气源1经第一减压阀21分别与第一阀门23和第二阀门24的一端连接，第一阀门23的另一端与真空泵2连接，第二阀门24的另一端经第二减压阀22、第一流量计27与加载件6上的导气通孔13连通，在第一流量计27与加载件6之间的管路上设有第一压力传感器29，进气管路上设有连通第二减压阀22两端的支管路，支管路上设有第三阀门25；底部压板上的导气通孔13经第四阀门26与第二流量计28连接，第二流量计28之后的管路上设有第二压力传感器30；第一压力传感器29、第二压力传感器30、第一流量计27和第二流量计28通过线缆与井下信息采集站20连接，井下信息采集站20通过线缆与地面监控计算机连接。
第一减压阀、第二减压阀为电动减压阀，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为电动球阀，第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门均通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制开启与关闭。真空泵通过线缆与地面监控计算机连接，通过地面监控计算机远程控制真空泵处于运行或停止运行的状态。
实施例2
本实施例总，以实施例1提供的测试系统为例，说明采用本实用新型提供的测试系统在真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性进行原位测试的方法，包括以下步骤：
①从山西省同煤国电同忻煤矿北三盘区8309综放工作面(地表以下600m)取芯，取芯后做好减震包装，送至地面加工成标准试件。该工作面的煤层硫分(St,d)平均值在2.22％～2.39％之间，为中高硫煤，低磷、挥发分较高、发热量较高，以半暗型煤为主，沥青光泽，致密块状，部分具线理状结构，夹有镜煤和亮煤细条带，含有星散状黄铁矿结核，各煤层煤的真密度一般在1.6kg\/L左右，视密度一般为1.45kg\/L。根据国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》中的有关规定，加工成直径50±2mm，高径比为2±0.2的试件，试件两端面不平行度不大于0.05mm，试件上下端直径偏差不大于0.3mm，试件表面光滑，避免因不规则表面而产生的应力集中现象，试件加工好之后用塑料膜包裹密封。
②在采面前方200m、距离底板1.5m处的采面轨道巷的采煤帮上开挖掏槽，先开挖一个尺寸约为高800mm×宽600mm的拱形结构的外槽，在外槽的基础上继续向煤岩体内壁开挖一个长方体形的内槽，内槽高600mm、宽500mm、深500mm，掏槽开挖完成后，对掏槽的壁面进行打磨，使其无明显棱角，特别是装载测试组件的部位，然后将掏槽的底面、掏槽内槽顶面用水泥糊成水平面，晾至水泥完全凝结。
③在掏槽的内槽中安装测试组件，将加载件的导气通孔与进气管路连通，将底部压板上的导气通孔与出气管路连通。
④用扁千斤顶对试件加载至初始应力状态(即当地垂向应力值，如果没有地应力测量值，则根据σ＝γz进行估算)，本实施例中采用扁千斤顶对试件加载至15MPa，扁千斤顶带有压力表，加载初始压力后，记录一次读数，封死阀门，以防卸压，每隔一段时间观测一次该压力表的读数变化，如果发现压力降低应及时补充至初始压力状态。关闭第四阀门、第一减压阀和第二减压阀，打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，开启真空泵抽真空30min，将管路及气体隔离腔中的气体抽出，然后关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门，之后关闭真空泵，打开第一减压阀和第二减压阀向气体隔离腔中通入SF6<\/sub>气体对试件施加2MPa的围压，在通入 SF 6<\/sub>的过程中调节第四阀门以保持该围压条件。第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门以及第四阀门均通过地面监控站的监控计算机远程控制开启与关闭。
⑤在采动过程中进行测试，通过应力采集器和位移采集器实时采集应力、轴向位移计与径向位移数据，实时传输给地面监控站并记录；在采动过程中，根据测试需要可通过地面监控站的地面监控计算机远程调整第一减压阀、第二阀门、第二减压阀及第四阀门的开启程度来调整围压。
待采面推至掏槽位置时，试件发生变形破坏，测试过程结束。
⑥通过分析步骤⑤采集的数据，获得真实采动应力影响下煤岩体的力学行为和渗流特性数据。
以根据步骤⑤中采集的数据计算获取不同时刻的渗透率为例，说明获取真实采动应力影响下煤岩体的渗流特性数据的方法。假设整个测试过程为等温过程，并满足理想气体状态方程，根据可压缩气体水平线性稳定渗流达西公式，可以计算不同时刻的渗透率，如下：
上式中，K为渗透率，m2<\/sup>；q为SF6<\/sub>气体的流量，m3<\/sup>\/s；p0<\/sub>为试验地点的大气压，以当地实测为准；μ为SF6<\/sub>在试验温度时的粘度系数；A为试件的横截面积，m2<\/sup>；L为试件的长度，m；p1<\/sub>、p2<\/sub>分别为第一压力传感器和第二压力传感器测得的压力，MPa。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201822272974.1
申请日:2018-12-29
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:90(成都)
授权编号:CN209432604U
授权时间:20190924
主分类号:G01N 3/08
专利分类号:G01N3/08;G01N3/12;G01N15/08
范畴分类:31E;
申请人:四川大学
第一申请人:四川大学
申请人地址:610065 四川省成都市武侯区一环路南一段24号
发明人:李聪;高明忠;何志强;彭高友;谢晶;鲁义强;邓光迪;杨明庆;王明耀;王飞
第一发明人:李聪
当前权利人:四川大学
代理人:李蜜;彭立琼
代理机构:51259
代理机构编号:成都天既明专利代理事务所(特殊普通合伙)
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计