流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，包括加載裝置和剪切盒；加載裝置包括機(jī)架；機(jī)架的上部設(shè)置豎直液壓缸；機(jī)架的一側(cè)設(shè)置有水平液壓缸；剪切盒包括彼此固定連接的上盒體和下盒體；上盒體和下盒體設(shè)置有容納試件的空腔；上盒體與上蓋固定連接；下盒體與下蓋固定連接；下蓋與墊板固定連接；上蓋中配合有壓桿；壓桿靠近試件的端部螺紋連接有試件壓頭；試件壓頭靠近試件的端部螺紋配合有試件接頭；下盒體面向上盒體的端面設(shè)置有第一密封圈；下盒體在第一密封圈的內(nèi)側(cè)設(shè)置有流體環(huán)道；下盒體在左右兩側(cè)分別設(shè)置有與流體環(huán)道相通的第二流體接頭和第三流體接頭。本發(fā)明可更真實的模擬實際工況，提高試驗精度。
【專利說明】流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種試驗系統(tǒng)，特別是涉及一種用于測試煤巖剪切滲流試驗的系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在礦井生產(chǎn)過程中，采掘工程破壞了原巖應(yīng)力場的平衡和原始瓦斯壓力的平衡，形成了采掘周圍巖體的應(yīng)力重新分布和瓦斯流動。煤層瓦斯(煤層氣)滲透率是反映煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流難易程度的物性參數(shù)，也是瓦斯?jié)B流力學(xué)與工程的重要參數(shù)。因此，煤層瓦斯?jié)B透率或煤層透氣系數(shù)的測算方法研究是瓦斯?jié)B流力學(xué)發(fā)展之關(guān)鍵技術(shù)，也是煤礦安全工作者研究煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列礦山安全問題的關(guān)鍵入手點。
[0003]巖體中存在的孔隙和裂隙等缺陷不但大大改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)(變形模量及強度參數(shù)降低、巖體呈各向異性)，而且嚴(yán)重影響著巖體的滲透特性。裂隙巖體的滲流場受應(yīng)力環(huán)境的影響，而滲流場的變化反過來又對應(yīng)力場產(chǎn)生影響，這種相互影響稱之為滲流應(yīng)力耦合。滲流場與應(yīng)力場相互耦合是巖體力學(xué)中的一個重要特性。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)對煤巖的滲透特性進(jìn)行研究。但現(xiàn)有的試驗系統(tǒng)存在以下問題:1、所應(yīng)用的應(yīng)力加載系統(tǒng)多為手動，因此，應(yīng)力加載過程不能保持勻速，且其精度不能保證，此外，諸如循環(huán)荷載等加載形式不能實現(xiàn)；2、在剪切過程中，側(cè)向的隔水薄片會發(fā)生較大的變形，勢必會抵消一部分的試驗力，而對于固定成分的硅膠材料，存在誤差；3、滲流從一側(cè)試件一側(cè)進(jìn)氣或進(jìn)水，從另一側(cè)流出，因此難以反映真實的工況；4、通入試件剪切盒內(nèi)的瓦斯或水的壓力較小，難以反映真實工況；5、各裝置安裝過程基本上靠手工搬運，不方便操作。
[0005]因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種試驗精度更高的流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種試驗精度更高的流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，包括加載裝置和剪切盒；所述加載裝置包括機(jī)架；所述機(jī)架的上部設(shè)置豎直液壓缸；所述豎直液壓缸上設(shè)置有豎直壓頭；所述機(jī)架的一側(cè)設(shè)置有水平液壓缸；所述水平液壓缸上設(shè)置有水平壓頭；
[0008]所述剪切盒包括彼此固定連接的上盒體和下盒體；所述上盒體和下盒體設(shè)置有容納試件的空腔；
[0009]所述機(jī)架的中部固定有軌道安裝架；所述軌道安裝架的左右兩側(cè)分別固定有第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌；所述第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌上分別配合有至少兩個滾輪；各所述滾輪與移動座連接；所述剪切盒可置于所述移動座上；
[0010]所述上盒體與上蓋固定連接；所述下盒體與下蓋固定連接；所述下蓋與墊板固定連接；
[0011]所述上蓋中配合有壓桿；所述壓桿靠近試件的端部螺紋連接有試件壓頭；所述試件壓頭靠近試件的端部螺紋配合有試件接頭；
[0012]所述壓桿上設(shè)置有沿徑向的第一流體孔和沿軸向的第二流體孔；所述第一流體孔的入口設(shè)置有第一流體接頭；所述第一流體孔和第二流體孔首尾相接；
[0013]試件壓頭和試件接頭上貫通設(shè)置有與所述第二流體孔同心的第三流體孔和第四流體孔；
[0014]所述下盒體面向上盒體的端面設(shè)置有第一密封圈；所述下盒體在第一密封圈的內(nèi)側(cè)設(shè)置有流體環(huán)道；所述下盒體在左右兩側(cè)分別設(shè)置有與所述流體環(huán)道相通的第二流體接頭和弟二流體接頭。
[0015]為便于準(zhǔn)確調(diào)整剪切盒的準(zhǔn)確位置，所述移動座上設(shè)置有由若干第一輥子構(gòu)成的第一滾道；所述機(jī)架在所述水平壓頭的對面螺紋配合有調(diào)節(jié)桿；所述調(diào)節(jié)桿相對機(jī)架的外側(cè)與手輪連接，內(nèi)側(cè)固定有調(diào)節(jié)壓頭。
[0016]為減小剪切變形時上下剪切盒體之間的摩擦力，所述上盒體前后兩側(cè)分別設(shè)置有第一凸緣和第二凸緣；所述下盒體前后兩側(cè)分別設(shè)置有第三凸緣和第四凸緣；
[0017]所述上盒體在所述第一凸緣和第二凸緣的兩側(cè)分別設(shè)置有由若干第二輥子和第三輥子構(gòu)成的第二滾道和第三滾道；所述第二滾道和第三滾道上設(shè)置有夾緊板；
[0018]所述下盒體在所述第三凸緣和第四凸緣的內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有由若干第四輥子和第五輥子構(gòu)成的第四滾道和第五滾道；
[0019]所述下盒體上矩形分布有四個螺紋孔；所述上盒體對應(yīng)所述螺紋孔處設(shè)置有腰形通孔；
[0020]螺栓穿過所述夾緊板和腰形通孔后與所述螺紋孔配合。
[0021]較佳的，所述上盒體與所述上蓋之間設(shè)置有第二密封圈；所述下盒體與所述下蓋之間設(shè)置有第三密封圈；
[0022]所述壓桿下端面與試件壓頭之間設(shè)置有第四密封圈；所述試件壓頭與試件接頭的上端面之間設(shè)置有第五密封圈；所述試件接頭的試件伸入端上設(shè)置有至少一個第六密封圈。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024]1、本發(fā)明對煤巖試件內(nèi)部直接充氣或充水，更真實的模擬了實際工況，從而提高了試驗精度；
[0025]2、將剪切變形時的靜摩擦變?yōu)閯幽Σ粒瑥亩欣跀?shù)據(jù)采集和精確計算；同時，該結(jié)構(gòu)與上下剪切盒之間的環(huán)狀密封相結(jié)合，可向試件內(nèi)注入壓力更大的瓦斯或水，從而能更真實的反映實際工況，提高試驗精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明一【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是圖1的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3是圖1中I處的局部放大圖。
[0029]圖4是本發(fā)明一【具體實施方式】中剪切盒的結(jié)構(gòu)示意圖。[0030]圖5是圖4的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖6是圖4的B-B剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖7是圖6的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0034]如圖1至圖7所示，一種流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，包括加載裝置和剪切盒。加載裝置包括機(jī)架1，機(jī)架I的上部設(shè)置豎直液壓缸2，豎直液壓缸2上設(shè)置有豎直壓頭2a，機(jī)架I的一側(cè)設(shè)置有水平液壓缸3，水平液壓缸3上設(shè)置有水平壓頭4。
[0035]機(jī)架I的中部固定有軌道安裝架5，軌道安裝架5的左右兩側(cè)分別固定有第一導(dǎo)軌6a和第二導(dǎo)軌6b，第一導(dǎo)軌6a和第二導(dǎo)軌6b上分別配合有至四個滾輪7，各滾輪7與移動座8連接，剪切盒可置于移動座8上。
[0036]移動座8上設(shè)置有由若干第一輥子9a構(gòu)成的第一滾道，機(jī)架I在水平壓頭4的對面螺紋配合有調(diào)節(jié)桿10，調(diào)節(jié)桿10相對機(jī)架I的外側(cè)與手輪11連接，內(nèi)側(cè)固定有調(diào)節(jié)壓頭12。
[0037]剪切盒包括彼此固定連接的上盒體13和下盒體14，上盒體13和下盒體14設(shè)置有容納試件的空腔。
[0038]上盒體13與上蓋15固定連接，下盒體14與下蓋16固定連接，下蓋16與墊板17固定連接。
[0039]上蓋15中配合有壓桿18，壓桿18靠近試件的端部螺紋連接有試件壓頭19，試件壓頭19靠近試件的端部螺紋配合有試件接頭20。
[0040]壓桿18上設(shè)置有沿徑向的第一流體孔22a和沿軸向的第二流體孔22b，第一流體孔22a的入口設(shè)置有第一流體接頭21a，第一流體孔22a和第二流體孔22b首尾相接。
[0041]試件壓頭19和試件接頭20上貫通設(shè)置有與第二流體孔22b同心的第三流體孔22c和第四流體孔22d。
[0042]下盒體14面向上盒體13的端面設(shè)置有第一密封圈23a，下盒體14在第一密封圈23a的內(nèi)側(cè)設(shè)置有流體環(huán)道24，下盒體14在左右兩側(cè)分別設(shè)置有與流體環(huán)道相通的第二流體接頭21b和第三流體接頭21c。
[0043]上盒體13前后兩側(cè)分別設(shè)置有第一凸緣13a和第二凸緣13b，下盒體14前后兩側(cè)分別設(shè)置有第三凸緣14a和第四凸緣14b。
[0044]上盒體13在第一凸緣13a和第二凸緣13b的兩側(cè)分別設(shè)置有由若干第二棍子9b和第三輥子9c構(gòu)成的第二滾道和第三滾道；第二滾道和第三滾道上設(shè)置有夾緊板25。
[0045]下盒體14在第三凸緣14a和第四凸緣14b的內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有由若干第四輥子9d和第五輥子9e構(gòu)成的第四滾道和第五滾道。
[0046]下盒體14上矩形分布有四個螺紋孔14c，上盒體13對應(yīng)螺紋孔14c處設(shè)置有腰形通孔13c。
[0047]螺栓26穿過夾緊板25和腰形通孔13c后與螺紋孔14c配合。
[0048]上盒體13與上蓋15之間設(shè)置有第二密封圈23b，下盒體14與下蓋16之間設(shè)置有第三密封圈23c。[0049]壓桿18下端面與試件壓頭19之間設(shè)置有第四密封圈23d，試件壓頭19與試件接頭20的上端面之間設(shè)置有第五密封圈23e，試件接頭20的試件伸入端上設(shè)置有第六密封圈23f。
[0050]利用以上裝置，可按照以下步驟進(jìn)行試驗:
[0051](I)試件制備。
[0052]原煤:將從現(xiàn)場取來的原始煤塊用塑料薄膜密封好置于木箱內(nèi)，然后用細(xì)骨科骨料混凝土進(jìn)行澆灌，以填滿煤塊與木箱之間的間隙，待混凝土硬化完全后再用取芯機(jī)進(jìn)行取芯，最后利用磨床將取出的煤芯小心仔細(xì)地打磨成IOOmmX IOOmmX IOOmm原煤立方體煤樣，并將之置于烘箱內(nèi)烘干，再用干燥箱存放；
[0053]型煤:將所取原始煤塊用粉碎機(jī)粉碎，通過振動篩篩選煤粒粒徑為40?80目之間的煤粉顆粒，然后在這些篩選出來的煤粉中加入少量純凈水和均勻后置于成型模具中在200t剛性實驗機(jī)上以IOOMPa的壓力壓制成IOOmmX IOOmmX IOOmm的煤樣，最后將制備好的型煤煤樣烘干后放置于干燥箱內(nèi)。
[0054](2)試件安裝及裝機(jī)。
[0055]將放置有剪切盒下盒體的移動座8從機(jī)架I中推出，用起吊裝置(圖中未示出)將豎直壓頭2a、上盒體13吊起，把試件二分之一放在下盒體中部。檢查下盒體上密封圈是否位于凹槽中，然后將上盒體對準(zhǔn)試件放下，將固定板擰緊；將壓桿18對準(zhǔn)上盒體安裝，將螺絲擰緊；將移動座8推進(jìn)機(jī)架I中，使剪切盒進(jìn)入預(yù)定試驗工位；將瓦斯進(jìn)氣管與第一流體接頭21a連接好，將瓦斯出氣管與流量計連接好；檢查各系統(tǒng)是否正常工作。
[0056](3)抽真空。
[0057]檢查實驗容器氣密性，關(guān)閉進(jìn)氣口截止閥，開啟出氣口截止閥，由外部出氣口抽真空，持續(xù)兩小時；關(guān)閉真空泵，關(guān)閉出口截止閥。
[0058](4)瓦斯吸附。
[0059]脫氣后，關(guān)閉三通閥門，調(diào)節(jié)高壓甲烷鋼瓶出氣閥門，施加預(yù)定的瓦斯壓力，向試驗腔內(nèi)充氣，充氣時間一般為12h，使煤樣瓦斯充分吸附平衡。
[0060](5)進(jìn)行試驗。
[0061]開啟出氣口截止閥；開啟壓力試驗機(jī)和各測量系統(tǒng)，按照制定的試驗方案進(jìn)行加載方式、瓦斯壓力等參數(shù)。通過壓力試驗機(jī)系統(tǒng)記錄剪應(yīng)力和剪切位移；觀察數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中出氣口壓力變化隨時間的變化規(guī)律，可動態(tài)測定以下參數(shù):剪應(yīng)力、剪切位移、瓦斯流量
坐寸ο
[0062](6)實驗停止。
[0063]關(guān)掉瓦斯氣瓶減壓閥，卸掉切向力，最后卸掉法向應(yīng)力，卸載完成后，關(guān)掉到切滲流系統(tǒng)油泵。
[0064]7)數(shù)據(jù)存儲。
[0065]保存數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)；分離上盒體和下盒體，取出試件，觀察試件形態(tài)；并清理盒體底座內(nèi)臟物。
[0066]可重復(fù)(2)- (6)步驟進(jìn)行下一次試驗。
[0067]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，包括加載裝置和剪切盒；所述加載裝置包括機(jī)架(1);所述機(jī)架(1)的上部設(shè)置豎直液壓缸(2 );所述豎直液壓缸(2 )上設(shè)置有豎直壓頭(2a);所述機(jī)架(1)的一側(cè)設(shè)置有水平液壓缸(3);所述水平液壓缸(3)上設(shè)置有水平壓頭(4); 所述剪切盒包括彼此固定連接的上盒體(13)和下盒體(14);所述上盒體(13)和下盒體(14)設(shè)置有容納試件的空腔； 其特征是:所述機(jī)架(1)的中部固定有軌道安裝架(5);所述軌道安裝架(5)的左右兩側(cè)分別固定有第一導(dǎo)軌(6a)和第二導(dǎo)軌(6b);所述第一導(dǎo)軌(6a)和第二導(dǎo)軌(6b)上分別配合有至少兩個滾輪(7);各所述滾輪(7)與移動座(8)連接；所述剪切盒可置于所述移動座(8)上； 所述上盒體(13)與上蓋(15)固定連接；所述下盒體(14)與下蓋(16)固定連接；所述下蓋(16)與墊板(17 )固定連接； 所述上蓋(15)中配合有壓桿(18);所述壓桿(18)靠近試件的端部螺紋連接有試件壓頭(19);所述試件壓頭(19)靠近試件的端部螺紋配合有試件接頭(20)； 所述壓桿(18)上設(shè)置有沿徑向的第一流體孔(22a)和沿軸向的第二流體孔(22b);所述第一流體孔(22a)的入口設(shè)置有第一流體接頭(21a);所述第一流體孔(22a)和第二流體孔(22b)首尾相接； 試件壓頭(19)和試件接頭(20)上貫通設(shè)置有與所述第二流體孔(22b)同心的第三流體孔(22c)和第四流體孔(22d)； 所述下盒體(14)面向上盒體(13)的端面設(shè)置有第一密封圈(23a);所述下盒體(14)在第一密封圈(23a)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有流體環(huán)道(24);所述下盒體(14)在左右兩側(cè)分別設(shè)置有與所述流體環(huán)道相通的第二流體接頭(21b)和第三流體接頭(21c)。
2.如權(quán)利要求1所述的流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，其特征是:所述移動座(8)上設(shè)置有由若干第一輥子(9a)構(gòu)成的第一滾道；所述機(jī)架(1)在所述水平壓頭(4)的對面螺紋配合有調(diào)節(jié)桿(10);所述調(diào)節(jié)桿(10)相對機(jī)架(1)的外側(cè)與手輪(11)連接，內(nèi)側(cè)固定有調(diào)節(jié)壓頭(12)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，其特征是:所述上盒體(13)前后兩側(cè)分別設(shè)置有第一凸緣(13a)和第二凸緣(13b);所述下盒體(14)前后兩側(cè)分別設(shè)置有第三凸緣(14a)和第四凸緣(14b)； 所述上盒體(13)在所述第一凸緣(13a)和第二凸緣(13b)的兩側(cè)分別設(shè)置有由若干第二輥子(9b)和第三輥子(9c)構(gòu)成的第二滾道和第三滾道；所述第二滾道和第三滾道上設(shè)置有夾緊板(25)； 所述下盒體(14)在所述第三凸緣(14a)和第四凸緣(14b)的內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有由若干第四輥子(9d)和第五輥子(9e)構(gòu)成的第四滾道和第五滾道； 所述下盒體(14)上矩形分布有四個螺紋孔(14c);所述上盒體(13)對應(yīng)所述螺紋孔(14c)處設(shè)置有腰形通孔(13c); 螺栓(26)穿過所述夾緊板(25)和腰形通孔(13c)后與所述螺紋孔(14c)配合。
4.如權(quán)利要求1或2所述的流固耦合煤巖剪切-滲流試驗裝置，其特征是:所述上盒體(13)與所述上蓋(15)之間設(shè)置有第二密封圈(23b);所述下盒體(14)與所述下蓋(16)之間設(shè)置有第三密封圈(23c)；所述壓桿(18)下端面與試件壓頭(19)之間設(shè)置有第四密封圈(23d);所述試件壓頭(19)與試件接頭(20) 的上端面之間設(shè)置有第五密封圈(23e);所述試件接頭(20)的試件伸入端上設(shè)置有至少一個第六密封圈(23f)。
【文檔編號】G01N15/08GK103743633SQ201410036402
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】許江, 尹光志, 王維忠, 彭守建, 李波波, 蔣長寶, 劉 東, 劉義鑫, 葉桂兵, 程立朝 申請人:重慶大學(xué)