[发明专利]含瓦斯煤体水力致裂裂隙场声发射定位监测装置及方法

摘要

一种含瓦斯煤体水力致裂裂隙场声发射定位监测装置及方法，属于煤矿瓦斯灾害防治及微震监测装置及方法。监测装置：在第一密封腔体内连接有第二密封腔体，两个密封腔体与地应力模拟模块连接，瓦斯吸附解吸模块与水力致裂模块连接后与第二密封腔体的柱塞连接，声发射定位监测模块的传感器连接在第二密封腔体的壁上。方法：安装声发射传感器，将煤样放入第二密封腔体，建立空间坐标系；将瓦斯气体在注入煤样，使煤样充分吸附瓦斯；向煤样施加围压和垂直压力；向煤体内注入带有示踪颜色的高压水，开启声发射定位监测系统，对监测到的声发射信号进行分析，并对水力致裂引起的煤体破裂事件进行定位监测，实现对水力致裂裂隙场演化的实时监测。

主权项

1.一种使用含瓦斯煤体水力致裂裂隙场声发射定位监测装置的监测方法，其特征在于：/n监测装置包括：第一密封腔体、第二密封腔体、地应力模拟模块、瓦斯吸附解吸模块、水力致裂模块和声发射定位监测模块；在第一密封腔体内连接有第二密封腔体，两个密封腔体与地应力模拟模块连接，瓦斯吸附解吸模块与水力致裂模块连接后与第二密封腔体的柱塞(2)连 接，声发射定位监测模块的传感器连接在第二密封腔体的壁上；/n所述的第一密封腔体由底座(5)、设在底座(5)上的钢板(4)、橡胶筒(6)以及上盖(3)围成；所述的钢板(4)为圆管状，底座(5)和上盖(3)分别位于圆管的上部和底部构成圆筒；橡胶筒(6)位于圆筒内；所述的底座上设有通向第一密封腔体 内的左通道和右通道，左通道和右通道入口处分别设有封胶螺栓；/n所述的第二密封腔体在第一密封腔体内，由底座(5)、设在底座上的上端面开口的橡胶筒(6)、上盖(3)和柱塞(2)围成；橡胶筒(6)位于底座(5)和上盖(3)之间，在上盖(3)上有柱塞(2)，在柱塞(2)上有连通孔，在第二密封腔体内置煤样；/n所述的声发射定位监测模块包括：声发射定位监测主机(26)、前置放大器(27)、信号传输线(28)、声发射传感器(29)以及传感器安装装置(30)；位于橡胶筒(6)上的传感器安装装置(30)上连接有声发射传感器(29)；声发射传感器（29）连接信号传输线（28），信号传输线（28）通过上盖和橡胶筒上的出线孔引出第二密封腔体并与前置放大器（27）和声发射定位监测主机(26)顺序连接，声发射定位监测主机通过对声发射传感器接受的声发射信号进行分析，并对水力致裂裂缝进行定位；/n所述的地应力模拟模块包括施加垂直压力的加载压力机(1)和柱塞(2)以及 施加围岩应力的油泵(8)、高压油管(9)和排液管(10)；柱塞(2)穿过上盖(3)进入第二腔体内；所述的上盖(3)与柱塞(2)之间有密封圈密封；所述的高压油管(9)一端连接油泵(8)，另一端通过封胶螺栓(13)通向第一密封腔体；所述的高压油管(9)上设有油路阀门(11)，所述的排液管(10)与第一密封腔体相通，在排液管(10)上设有卸压阀门(12)；/n所述的瓦斯吸附解吸模块包括：瓦斯罐(21)、三通阀(25)和瓦斯导管(24)；瓦斯导管(24)一端与瓦斯罐(21)相连，另一端与三通阀(25)相连，瓦斯导管(24) 上设有瓦斯压力表(22)和瓦斯阀门(23)；/n所述的水力致裂模块包括：柱塞泵(14)、压裂孔(19)和压裂管(18)；压裂管(18)穿过柱塞(2)上的连通孔，并与位于第二密封腔体内的压裂孔(19)相连接，在压裂孔(19)的端部连接有密封胶(20)；所述的压裂孔(19)位于煤样上；柱塞泵(14)通过连接管和密封螺栓(17)与压裂管(18)连接，压裂管(18)进入压裂孔(19)与煤样(7)相连；所述的压裂管(18)与柱塞泵(14)相连的连接管上设有压力表(15)、水路阀门(16)和瓦斯吸附解吸模块的三通阀(25)；所述的压裂管(18)的外径为10mm，内径为6mm；/n包括如下步骤：/n(1)将原煤加工成直径100mm，高度200mm的圆柱体煤样；所述压裂孔直径为12mm，孔深为120～130mm；压裂管的外径为10mm，内径为6mm，将压裂管一端插入压裂孔，直至压裂管距离压裂孔底部2～4mm，然后用密封胶对插入压裂孔内的压裂管管段进行密封；/n(2)在实验中共采用8个声发射传感器，分别布置在煤样1/3和2/3高度截面两个互相垂直的直径两个端点，并利用传感器安装装置将声发射传感器布置在煤样四周的橡胶筒壁内；并用有机硅胶将声发射传感器与煤样进行耦合；以煤样的底面中心为原点建立空间坐标系，确定各个声发射传感器的空间坐标；/n(3)待封孔完全凝固后，将煤样从第二腔体的上部装入，安装好上盖和柱塞；/n(4)开启声发射定位监测系统，通过折铅试验检查声发射传感器与煤样是否接触良好；/n(5)关闭油路阀门和水路阀门，打开瓦斯阀门，瓦斯气体在指定低压下通过瓦斯导管和压裂管进入煤样，使煤样充分吸附瓦斯气体后关闭瓦斯阀门；/n(6)打开油路阀门，通过油泵向所述第一密封腔体内施加围压，直至达到围压后使围压维持在该值；/n(7)启动压力机，通过柱塞向煤样施加垂直方向的压力，直至达到压力并维持在该压力值；/n(8)打开水路阀门，利用柱塞泵向煤样注入带有示踪颜色的高压水，同时开启声发射定位监测系统；/n(9)在水力致裂过程中，声发射传感器实时采集水力致裂导致煤体破裂的声发射信号；/n(10)当水压出现突然降低并持续低于0.5MPa时，关闭柱塞泵和水路阀门，停止注液；关闭压力机并同时关闭声发射定位监测系统，实验结束；/n(11)实验结束后，打开油路卸压阀门，放出第一密封腔体内的油液；利用声发射定位监测主机对声发射波形进行分析，自动拾取波形到时数据，根据声发射传感器空间坐标、波形到时和波速数据，对水力致裂引起的煤体破裂事件进行震源定位，并将定位结果在空间坐标系内进行实时显示，实现对水力致裂裂隙场演化过程的实时监测；/n（12）将通过带有颜色的示踪水痕迹得到的煤体破裂形态与声发射定位监测的裂隙场监测结果进行比对分析，进一步研究水力致裂裂隙场演化规律和机理。/n