【技术实现步骤摘要】
本申请涉及深部低渗煤层增透实验设备，尤其涉及一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置及实验方法。
技术介绍
1、煤炭是我国主体能源和兜底能源，相当长一段时期内仍是我国能源安全的稳定器和压舱石。与煤伴生瓦斯的高效抽采与利用，可杜绝矿井瓦斯事故、减少温室气体排放、改善能源供应结构、推动双碳目标实现。我国大部分深部煤层瓦斯赋存具有“三高两低”特征(三高：煤层高瓦斯含量、高可塑性结构、高吸附瓦斯能力，两低：煤层渗透率低、强化措施下煤层常规破裂裂隙占比低)，尤其是深部煤层渗透率低，使得采用常规钻孔预抽煤层瓦斯效果不理想。为提高煤层瓦斯预抽率、缩短预抽时间，应对煤层采取强化增流措施。
2、超声波(频率高于20khz的声波)增透技术作为物理场增透技术的一种，已在常规油气增产、煤层气储层改造等领域得到了广泛应用。在超声波激励过程中，以水为介质激励煤体时，煤体中会产生大量的空化气泡，当压力达到一定值时，气泡迅速收缩扩张破裂，在此过程中产生冲击波，对煤体孔裂隙结构产生破坏，能有效提高煤层瓦斯抽采效率。但是现有实验室只能观测超声激励作用前后煤体的孔裂隙结构和渗流特性变化，且不能完全模拟现场施工方式对煤体进行增透。通过现有技术，无法实现模拟实验煤样与赋存煤样性质的一致性且模拟现场施工方式对煤体进行超声空化增透，以及增透过程中实时监测煤体三维破裂时空演化规律。
技术实现思路
1、本申请实施例通过提供一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置及实验方法，解决了现有技术无法实现模拟实验煤样与赋
2、为了实现上述目的，本专利技术实施例的技术方案是：
3、第一方面，本专利技术实施例提供了一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置，包括：三轴加载模块、超声空化增透模块、应变监测模块、声发射监测模块以及数据分析模块；三轴加载模块具有能够容纳不同尺寸煤样的空间，用于根据煤样赋存特征，模拟深部地层应力环境下煤样的赋存环境；超声空化增透模块设置在煤样中心的钻孔内，用于发出超声波并作用于钻孔内的介质，实现模拟超声空化增透煤层现场施工方式对煤样进行增透；应变监测模块，设置在煤样表面，用于全过程监测煤样在超声空化增透作用下的形变量；声发射监测模块，通过设置在煤样表面的声发射传感器采集超声空化增透作用下煤样产生的声发射信号；数据分析模块，与应变监测模块和声发射监测模块电连接，用于根据声发射信号确定煤样破裂震源，并结合煤样在超声空化增透作用下的形变量，确定煤样内部三维破裂时空演化规律。
4、在一些可能的实现方式中，三轴加载模块，包括分别设置在x、y、z三个方向上的加载板；其中，z方向上的加载板中心设置有通孔。
5、在一些可能的实现方式中，赋存环境至少包括：温度、地应力、地层流体介质条件下煤层气富集成藏、吸附以及解吸过程。
6、在一些可能的实现方式中，超声空化增透模块，包括：超声波控制箱、超声波发生器以及超声波换能器；超声波换能器与超声波发生器电连接，超声波发生器设置在超声波控制箱内；超声波换能器能够穿过加载板上的通孔放入煤样中心的钻孔内，并能够将超声波发生器发出的超声波信号转换为能量波，作用于通孔内的介质。
7、在一些可能的实现方式中，煤样中心的钻孔内的介质为水。
8、在一些可能的实现方式中，应变监测模块，包括：数据采集单元和分别设置在x、y、z三个方向上的应变片；其中，每个应变片紧贴煤样表面，数据采集单元和应变片电连接，用于获取应变片采集的煤样在超声空化增透作用下的形变量。
9、在一些可能的实现方式中，声发射监测模块，包括多个声发射传感器和对应的多个声发射信号放大器、内嵌式声发射探头加载板以及声发射系统采集仪；其中，每个声发射传感器对应和一个声发射信号放大器连接，声发射传感器的位置与内嵌式声发射探头加载板预设的探头位置对应；声发射系统采集仪分别连接每个声发射信号放大器，用于收集声发射信号。
10、在一些可能的实现方式中，声发射传感器与煤样紧密贴合，且接触端对接交界面涂有耦合剂。
11、在一些可能的实现方式中，演化规律至少包括煤样破裂的位置、形态、裂纹扩展速度。
12、第二方面，本专利技术实施例提供了一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验方法，应用于第一方面的超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置，包括：根据煤样的赋存特征，通过三轴加载模块模拟深部地层应力环境下煤样的赋存环境；利用超声空化增透模块模拟超声空化增透煤层现场施工方式，对设置在三轴加载模块内的煤样进行增透；通过应变监测模块全过程监测煤样在超声空化增透作用下的形变量；通过声发射监测模块的声发射传感器采实时集超声空化增透作用过程中煤样内部破裂产生的声发射信号；通过数据分析模块获取形变量和声发射信号，并通过声发射信号通过预设的震源定位函数确定煤样破裂震源，同时结合形变量，分析获得深部地层应力环境下煤样内部三维破裂时空演化规律。
13、本专利技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
14、本专利技术实施例中，通过模拟深部地层应力环境条件，在煤样中进行钻孔，利用超声空化增透模块对煤体增透，模拟超声空化增透煤层现场施工方式对煤体进行增透，实时监测超声空化增透煤层过程中煤体内部三维破裂时空演化规律。通过全面了解煤体内部的破裂规律，为超声空化增透煤层抽采瓦斯的相关研究提供支持，实现煤与瓦斯安全共采、保障矿井安全生产。
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1.一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置，其特征在于，包括：三轴加载模块、超声空化增透模块、应变监测模块、声发射监测模块以及数据分析模块；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三轴加载模块，包括分别设置在x、y、z三个方向上的加载板；其中，z方向上的所述加载板中心设置有通孔。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述赋存环境至少包括：温度、地应力、地层流体介质条件下煤层气富集成藏、吸附以及解吸过程。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述超声空化增透模块，包括：超声波控制箱、超声波发生器以及超声波换能器；
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述煤样中心的钻孔内的介质为水。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变监测模块，包括：数据采集单元和分别设置在所述x、y、z三个方向上的应变片；其中，每个所述应变片紧贴所述煤样表面，所述数据采集单元和所述应变片电连接，用于获取所述应变片实时采集的所述煤样在超声空化增透作用过程中的形变量。
7.根据权利要求6所述的装置，其
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述声发射传感器与所述煤样紧密贴合，且接触端对接交界面涂有耦合剂。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述演化规律至少包括所述煤样破裂的位置、形态、裂纹扩展速度。
10.一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验方法，应用于权利要求1至9任一项所述的超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种超声空化增透煤层三维破裂时空演化实验装置，其特征在于，包括：三轴加载模块、超声空化增透模块、应变监测模块、声发射监测模块以及数据分析模块；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三轴加载模块，包括分别设置在x、y、z三个方向上的加载板；其中，z方向上的所述加载板中心设置有通孔。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述赋存环境至少包括：温度、地应力、地层流体介质条件下煤层气富集成藏、吸附以及解吸过程。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述超声空化增透模块，包括：超声波控制箱、超声波发生器以及超声波换能器；
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述煤样中心的钻孔内的介质为水。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变监测模块，包括：数据采集单元...
【专利技术属性】
技术研发人员：李树刚，王瑞哲，严敏，林海飞，潘红宇，杨晓娜，罗荣卫，魏宗勇，秦雷，张笑盈，仇悦，周行，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
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