[发明专利]耦合致裂造腔体积可视化测试系统及裂隙发育分析方法

权利要求书

1.耦合致裂造腔体积可视化测试系统，其特征在于：包括煤岩体实验平台、耦合致裂机构和可视化测量机构，所述煤岩体实验平台包括计算机(8)、实验箱(1)和设置在实验箱(1)内的相似模拟煤岩体(2)，实验箱(1)的侧壁和顶板上均安装有用于向相似模拟煤岩体(2)施加压力的气缸(3)，气缸(3)通过气缸驱动器(13)由计算机(8)控制，相似模拟煤岩体(2)为立方体相似模拟煤岩体，所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设有多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器(4)，所述立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层(5)，所述立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设有钻孔(6)，数据检测层(5)包括围绕钻孔(6)中心对称设置的多个传感器组件(7)，传感器组件(7)由压力传感器(7-1)和温度传感器(7-2)，压力传感器(7-1)、温度传感器(7-2)和声发射传感器(4)均与计算机(8)进行数据通信；

所述耦合致裂机构包括向钻孔(6)内注水且用于调节水压参数的注水机(12)、向注水后获得的固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内填装的炸药和起爆所述炸药的起爆器，注液机(12)与算机(8)进行通信；

所述可视化测量机构包括向耦合致裂产生的造腔内注入填充所述造腔的填充蜡的注蜡机(15)和用于扫描所述填充蜡填充的造腔体积的三维扫描仪(14)，三维扫描仪(14)和注蜡机(15)均与计算机(8)进行通信；

计算机(8)上连接有显示器(11)、用于设定固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体中裂隙发育时间的计时器(9)和用于提示实验人员裂隙发育充分的提示器(10)；

所述声发射传感器(4)的数量为六个，六个所述声发射传感器(4)分别为第一声发射传感器(4-1)、第二声发射传感器(4-2)、第三声发射传感器(4-3)、第四声发射传感器(4-4)、第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)，第一声发射传感器(4-1)和第二声发射传感器(4-2)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和前侧面的相交边的两个顶点位置处，第三声发射传感器(4-3)安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和后侧面的相交边的中点位置处，第四声发射传感器(4-4)安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和前侧面的相交边的中点位置处，第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和后侧面的相交边的两个顶点位置处；

所述钻孔(6)的深度为0.2h～0.8h，其中，h为所述立方体相似模拟煤岩体的边长。

2.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试系统，其特征在于：所述三维扫描仪(14)为手持式三维扫描仪。

3.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试系统，其特征在于：所述提示器(10)为指示灯或无线通信模块。

4.按照权利要求3所述的耦合致裂造腔体积可视化测试系统，其特征在于：所述无线通信模块为与实验人员手机通信的GSM模块或短信猫模块。

5.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试系统，其特征在于：所述数据检测层(5)的层数为多层，所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个。

6.利用如权利要求1所述系统进行耦合致裂造腔体积可视化测试及裂隙发育分析的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、预制立方体相似模拟煤岩体：根据实际待模拟的煤岩体的物理特性，利用相似模拟方法向立方体容器内注入预制材料，养护t时间后建立立方体相似模拟煤岩体，并在建立立方体相似模拟煤岩体的过程中，在立方体相似模拟煤岩体内埋设数据检测层(5)，在立方体相似模拟煤岩体的顶部中心位置处竖直向内开设钻孔(6)；

所述立方体容器的数量为多个，可同时预制多个所述立方体相似模拟煤岩体；

步骤二、煤岩体实验平台的搭建，过程如下：

步骤201、取一个所述立方体相似模拟煤岩体放置在实验箱(1)内，利用计算机(8)控制气缸驱动器(13)使实验箱(1)的侧壁和顶板上安装的多个气缸(3)向所述立方体相似模拟煤岩体施加压力，模拟所述实际待模拟的煤岩体受环境周围岩体的压力；

步骤202、在所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设多个用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的声发射传感器(4)，所述声发射传感器(4)的数量为六个，六个所述声发射传感器(4)分别为第一声发射传感器(4-1)、第二声发射传感器(4-2)、第三声发射传感器(4-3)、第四声发射传感器(4-4)、第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)，第一声发射传感器(4-1)和第二声发射传感器(4-2)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和前侧面的相交边的两个顶点位置处，第三声发射传感器(4-3)安装在所述立方体相似模拟煤岩体底面和后侧面的相交边的中点位置处，第四声发射传感器(4-4)安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和前侧面的相交边的中点位置处，第五声发射传感器(4-5)和第六声发射传感器(4-6)分别安装在所述立方体相似模拟煤岩体顶面和后侧面的相交边的两个顶点位置处，六个所述声发射传感器(4)全范围实时探测所述立方体相似模拟煤岩体内裂缝情况；

步骤203、将数据检测层(5)和声发射传感器(4)与计算机(8)连接，实现数据检测层(5)和声发射传感器(4)与计算机(8)的数据通信，完成煤岩体实验平台的搭建；

步骤三、耦合致裂，过程如下：

步骤301、注水致裂：通过注水机(12)调节注水的压力参数，使用注水机(12)向钻孔(6)内注水，直至所述立方体相似模拟煤岩体有渗水或注水压力降低，同时建立注水机(12)与计算机(8)的通信；

步骤302、固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的形成：通过计时器(9)设定所述立方体相似模拟煤岩体注水后静置的时间阈值，利用计时器(9)计时，当所述立方体相似模拟煤岩体注水后静置时间达到计时器(9)设定的时间阈值时，计算机(8)控制提示器(10)提示实验人员静置时间完成，实现注水致裂的裂隙的充分发育，得到固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体；

步骤303、气态介质传导致裂：向固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的钻孔(6)内填装炸药，利用起爆器起爆所述炸药，计算机(8)利用温度传感器(7-2)采集温度数据，得到爆破时气体在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体中的传导致裂数据，实现耦合致裂，所述固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体经所述炸药爆破后形成造腔；

发射传感器(4)获取的耦合致裂后裂纹数量，V为所述立方体相似模拟煤岩体的体积；

步骤五、获取耦合致裂产生的造腔的体积：待所述造腔冷却后，通过注蜡机(15)向所述造腔内注入融化的填充蜡，使得蜡液充满整个所述造腔，所述填充蜡中添加有凝结胶，待添加有凝结胶的填充蜡凝固后将所述固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体去除，取出造腔内凝固的添加有凝结胶的填充蜡，利用三维扫描仪(14)对凝固的添加有凝结胶的填充蜡进行标注和扫描，得到耦合致裂产生的造腔的体积，同时可观察凝固的添加有凝结胶的填充蜡的外形，获取裂隙的扩展方向、扩展范围和扩展深度；

步骤六、煤岩体实验平台的更新：拆卸声发射传感器(4)，计算机(8)控制气缸驱动器(13)使气缸(3)缩回，清除实验箱(1)内固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的残留物；

步骤七、多次循环步骤二至步骤六，获取注水的不同压力参数和固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的钻孔(6)内填装炸药的不同单耗量导致的耦合致裂数据；

步骤八、建立BP神经网络，过程如下：

步骤801、BP神经网络初始化：计算机(8)以注水压力p和炸药单耗量d为BP神经网络的输入层节点，以耦合致裂产生的造腔的体积v和耦合致裂的裂隙密度ρ为BP神经网络的输出层节点；然后，根据公式r＝2a+1，计算BP神经网络的隐含层节点数r，a为BP神经网络的输入层节点数量且a＝2；

步骤802、根据公式计算机(8)计算隐含层输入γ_Ir、隐含层输出γ_Or、输出层输入y_IR和输出层输出y_OR，其中，i为隐含层节点编号且i＝1,...,r，S为输入层节点编号且S＝1和2，R为输出层节点编号且R＝1和2，u_S为输入层第S个节点的输入值，W_Si为输入层第S个节点至隐含层第i个节点之间的初始连接权值，b_i为隐含层第i个节点的阈值，f(·)为隐含层的传输函数且f(·)为trainlm函数，ω_iR为隐含层第i个节点至输出层第R个节点之间的初始连接权值，b_R为输出层第R个节点的阈值，F(·)为输出层的传输函数且F(·)为logsig传输函数；

步骤803、根据公式计算机(8)计算迭代误差e，其中，q_R为输出层第R个节点的实际输出值；

步骤804、修正输入层至隐含层之间的连接权值和隐含层至输出层之间的连接权值：根据公式对输入层第S个节点至隐含层第i个节点之间的初始连接权值W_Si和隐含层第i个节点至输出层第R个节点之间的初始连接权值ω_iR进行修正，Z为学习次数编号且Z＝1,...,z，得到输入层第S个节点至隐含层第i个节点之间的第Z次修正的修正连接权值和隐含层第i个节点至输出层第R个节点之间的的第Z次修正的修正连接权值μ为学习速率且μ＝0.01，当Z＝1时，

步骤805、z次重复步骤802至步骤804，直至迭代误差满足e≤1×10^-5，获取BP神经网络；

步骤九、分析耦合致裂产生的造腔的体积及裂隙的发育：计算机(8)更换注水压力p和炸药单耗量d，并将更换的新的注水压力和炸药单耗量输入BP神经网络，获取耦合致裂产生的造腔的体积的估计值和耦合致裂的裂隙密度的估计值，实现耦合致裂的定量化分析。