本發(fā)明屬于煤層致裂，具體涉及一種高壓水環(huán)境煤巖受載超聲振動空化致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著增透技術(shù)不斷發(fā)展，在增透過程中對煤體產(chǎn)生的裂隙擴(kuò)展及裂紋延伸方向有了研究，比如cn202222009036.9披露了一種模擬瓦斯抽采鉆孔孔周表面裂隙演化及其監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)裝置，其通過在實(shí)驗(yàn)?zāi)M箱內(nèi)鋪設(shè)模擬煤層和巖層并通入瓦斯氣體，上方進(jìn)行壓力加載，以模擬不同條件下的瓦斯抽采鉆孔的環(huán)境。前述公開專利為常規(guī)的單軸加載，無法模擬煤樣在超聲增透致裂過程中煤表面裂紋演化過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的第一個目的是提供一種高壓水環(huán)境煤巖受載超聲振動空化致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本發(fā)明的第二個目的是提供一種基于前述高壓水環(huán)境煤巖受載超聲振動空化致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。

2、為達(dá)到上述第一個目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：高壓水環(huán)境煤巖受載超聲振動空化致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于放置煤樣的頂部設(shè)有蓋板的超聲激勵槽、超聲激勵系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、注氣排氣系統(tǒng)、以及表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)；加載系統(tǒng)對超聲激勵槽中的煤樣施加應(yīng)力，注水系統(tǒng)向超聲激勵槽中注入高壓水以使煤樣處于高壓水環(huán)境，超聲激勵系統(tǒng)產(chǎn)生超聲波以致裂超聲激勵槽中的煤樣，表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煤樣表面裂紋，注氣排氣系統(tǒng)向超聲激勵槽中注入和排出氣體以使煤樣進(jìn)行吸附解吸試驗(yàn)。

3、上述技術(shù)方案，煤樣由加載系統(tǒng)固定并模擬地應(yīng)力，煤樣由超聲致裂或在高壓水環(huán)境下進(jìn)行超聲致裂，通過表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煤樣表面裂紋或者內(nèi)部裂隙、以及裂紋的擴(kuò)展方向和程度，以獲得煤樣表面變形及裂紋擴(kuò)展的信息，煤樣超聲致裂后，再進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn)，以研究超聲或者帶水壓超聲對煤樣裂紋擴(kuò)展和吸附有什么影響。本發(fā)明為集應(yīng)力加載、高壓水超聲振動、超聲致裂吸附解吸于一體的致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)用性強(qiáng)。

4、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，超聲激勵系統(tǒng)包括超聲發(fā)生器、以及通過超聲線纜與超聲發(fā)生器相連的安裝在超聲激勵槽側(cè)壁上的若干超聲換能器，若干超聲換能器發(fā)出的超聲頻率相同或不同。

5、上述技術(shù)方案，在超聲激勵槽側(cè)壁上安裝若干超聲換能器，超聲效果好，而且若干超聲換能器的超聲頻率相同或不同，可根據(jù)情況實(shí)現(xiàn)高壓水多頻超聲振動，觀察煤樣裂紋情況。

6、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，若干超聲換能器沿高度方向間隔和周向間隔設(shè)置在超聲激勵槽側(cè)壁上；和/或超聲激勵槽的側(cè)壁為具有空腔的雙層結(jié)構(gòu)，空腔中填充有水，超聲換能器的超聲發(fā)射端位于空腔中。

7、上述技術(shù)方案，超聲更均勻，致裂效果更好；超聲換能器直接接觸水發(fā)生超聲，利于超聲的傳播，使超聲激勵槽內(nèi)的水分子振動，并產(chǎn)生聚焦效應(yīng)，利于致裂煤樣。

8、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，加載系統(tǒng)包括液壓缸，液壓缸的液壓桿穿過蓋板向下伸入超聲激勵槽中，液壓桿的下端固接有位于煤樣上方且能夠覆蓋煤樣上表面的加壓板。

9、上述技術(shù)方案，液壓缸的加載負(fù)荷大且可靠性高，經(jīng)濟(jì)性更好。

10、在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，蓋板與超聲激勵槽頂壁可拆卸固接，蓋板套設(shè)在液壓桿外并與液壓桿外壁密封連接，蓋板為由至少兩個子板組成的可拆卸結(jié)構(gòu)；或者蓋板與液壓桿固接，蓋板外壁與超聲激勵槽內(nèi)壁豎向滑動連接且密封連接。

11、上述技術(shù)方案，提供了蓋板與超聲激勵槽和液壓桿連接的兩種實(shí)現(xiàn)方式，方便蓋板從超聲激勵槽上拆下。

12、在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，注水系統(tǒng)包括與超聲激勵槽連接的與超聲激勵槽內(nèi)部相通的第一注水管，第一注水管的入口與加壓水源相連，第一注水管上設(shè)有用于調(diào)節(jié)壓力的第一調(diào)壓閥。

13、上述技術(shù)方案，第一注水管用于向超聲激勵槽內(nèi)注入高壓水，通過控制第一調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力，便可對煤樣所處環(huán)境施加一定水壓。

14、在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，超聲激勵槽側(cè)壁的底部還安裝有與超聲激勵槽內(nèi)部相通的出水管，出水管上設(shè)有出水閥。

15、上述技術(shù)方案，通過設(shè)置出水管和出水閥，便于超聲致裂煤樣實(shí)驗(yàn)后，排出超聲激勵槽中的水。

16、在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，注氣排氣系統(tǒng)包括與超聲激勵槽連接的且與其內(nèi)部相通的注氣管和出氣管，注氣管的進(jìn)氣口與儲氣罐相連，儲氣罐的下游還設(shè)連接與注氣管的進(jìn)氣口相連的參考罐，注氣管上設(shè)有調(diào)氣閥，出氣管能夠與抽真空泵相連，出氣管上設(shè)有出氣閥；超聲激勵槽還連接有用于檢測其內(nèi)氣壓的壓力傳感器，壓力傳感器的信號輸出端與壓力儀相連。

17、上述技術(shù)方案，儲氣罐為提供氣體的氣源，參考罐起穩(wěn)壓的作用，注氣管用于向超聲激勵槽中注入氣體，調(diào)氣閥調(diào)節(jié)壓力，便可對煤樣所處環(huán)境施加一定氣壓，利于煤樣進(jìn)行吸附試驗(yàn)，壓力傳感器用于檢測超聲激勵槽中的氣壓；出氣管用于對超聲激勵槽抽真空、以及排出超聲激勵槽中氣體以進(jìn)行解析試驗(yàn)。

18、在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，煤樣的表面噴涂有人工散斑，超聲激勵槽的側(cè)壁上對應(yīng)人工散斑的區(qū)域設(shè)有可視化窗口，表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)包括對人工散斑進(jìn)行照明的照明裝置、以及拍攝人工散斑的相機(jī)裝置。

19、上述技術(shù)方案，人工散斑配合可視化窗口形成dic可視化散斑，照明裝置對人工散斑打光，便于相機(jī)裝置對煤樣表面裂紋進(jìn)行監(jiān)測。

20、為達(dá)到上述第二個目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：高壓水環(huán)境煤巖受載超聲振動空化致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

21、s1，根據(jù)煤樣特性控制加載系統(tǒng)對煤樣施加應(yīng)力以模擬地應(yīng)力；

22、s2，關(guān)閉蓋板；

23、s3，啟動超聲激勵系統(tǒng)，通過超聲振動致裂煤樣，表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煤樣表面變形及裂紋擴(kuò)展的信息；或在超聲振動之前通過注水系統(tǒng)向超聲激勵槽中注入高壓水以使煤樣處于高壓水環(huán)境，通過超聲振動空化致裂煤樣；

24、s4，致裂煤樣結(jié)束后，排凈超聲激勵槽中的水；

25、s5，對超聲激勵槽抽真空；

26、s6，通過注氣排氣系統(tǒng)向超聲激勵槽中注入氣體并達(dá)到設(shè)定壓力，煤樣進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)；

27、s7，提高超聲激勵槽中氣壓，進(jìn)行階梯吸附試驗(yàn)，直至超聲激勵槽中氣壓達(dá)到最高吸附壓力后，通過注氣排氣系統(tǒng)排出超聲激勵槽中氣體，煤樣進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)；

28、s8，通過如下公式獲取煤樣吸附氣體量：

29、

30、其中，qn為第n次充入氣體后煤樣累計(jì)吸附氣體量；qn-1為第n-1次充入氣體后煤樣累計(jì)吸附氣體量；vm為氣體摩爾體積；t為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度；r為氣體常數(shù)；m為煤樣質(zhì)量；vc為串聯(lián)在超聲激勵槽進(jìn)氣口上的參考罐的容積；vf為超聲激勵槽的容積；pn0為注氣排氣系統(tǒng)參考罐初始壓力；zn0為吸附壓力pn0和溫度t條件下的氣體壓縮因子；pn-1為第n-1次充入氣體后的吸附平衡壓力；zn-1為吸附壓力pn-1和溫度t條件下ch4壓縮系數(shù)；pn為吸附平衡壓力；zn為吸附壓力pn和溫度t條件下的氣體壓縮因子。

31、本發(fā)明可用于研究超聲或者帶水壓超聲對煤樣裂紋擴(kuò)展和吸附有什么影響，而且還可通過計(jì)算獲得煤樣吸附氣體量，更直觀的獲得超聲或者帶水壓超聲對煤樣吸附的影響。

32、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。