三轴复合物理场耦合加载扫描装置和加载扫描方法与流程

本发明涉及采矿工程高端试验装备制造，具体涉及一种三轴复合物理场耦合加载扫描装置和加载扫描方法。

背景技术：

1、煤矿作为统一整体，其同时包含应力、裂隙、流体、温度等复合物理场，深部开采的影响显然不会仅仅局限于应力场影响下的冲击地压，而各物理场之间的关联也较为复杂。工业ct在位扫描三轴复合物理场耦合加载装置是研究深部开采复合物理场耦合煤岩力学、渗流、能量演化特性的重要手段和仪器，为煤矿深部开采提供可靠的研究手段，对于深部开采安全具有至关重要的作用。

2、相关技术中的加载扫描设备存在如下问题：

3、1、目前大多数设备只能获得经过压缩、渗流、温度损伤后的煤岩断裂的宏观结果，无法观测煤岩体内部裂隙场、流体场、能量场演化的细观过程。

4、2、采用千斤顶进行轴向加载，容易引起侧压从而影响试验精度。此外，扫描图像受环装伪影影响明显，无法准确获得岩石损伤断裂过程的全貌。

5、3、目前多数设备主要实现了高温试验，而关于煤岩高低温循环冲击下的损伤断裂特征目前还有待实现。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明实施例提出一种三轴复合物理场耦合加载扫描装置，该三轴复合物理场耦合加载扫描装置试验精度高，并能够观测到多种试验参数下岩芯试样内部裂隙场、流体场、能量场演化的细观过程。

3、本发明实施例还提出一种加载扫描方法。

4、本发明实施例的三轴复合物理场耦合加载扫描装置包括扫描装置和模型系统，所述模型系统包括：

5、岩芯夹持器，所述岩芯夹持器为非金属材质，且所述岩芯夹持器用于对岩芯试样进行装夹，所述岩芯夹持器设置有围压腔，所述围压腔设置在所述岩芯试样的外周；

6、注入系统，所述注入系统与所述岩芯夹持器连接，且所述注入系统用于向所述岩芯试样注入驱替介质；

7、围压加载装置，所述围压加载装置包括调温装置、围压泵和围压管路，所述围压管路的一端与所述围压腔的入口连通，所述围压管路的另一端与所述围压腔的出口连通，所述围压泵和所述调温装置设置于所述围压管路，所述调温装置用于调节所述围压管路中流体的温度，所述围压泵用于对所述流体加压并使所述流体在所述围压管路中循环流动；

8、轴压加载装置，所述轴压加载装置用于向所述岩芯试样施加轴向力。

9、本发明实施例的三轴复合物理场耦合加载扫描装置中，围压加载装置通过围压管路中循环的流体对岩芯试样进行围压加载，同时可以通过调温装置测试不同温度参数下的岩芯试样的损伤断裂特征。

10、在一些实施例中，所述岩芯夹持器包括壳体、第一活塞和第二活塞，所述壳体的内部设置有轴压腔，所述第一活塞包括受压部，所述受压部滑动配合于所述轴压腔以使所述第一活塞能够相对于所述壳体轴向移动，所述岩芯试样位于所述第一活塞和所述第二活塞之间。

11、在一些实施例中，所述轴压加载装置包括轴压泵，所述轴压泵与所述轴压腔连通，所述轴压泵用于向所述轴压腔内提供带压介质，进而驱动所述第一活塞移动以向所述岩芯试样施加轴向压力。

12、在一些实施例中，所述轴压腔的两端分别设置有第一接口和第二接口，轴压加载装置还包括换向阀。

13、在一些实施例中，所述注入系统包括注入泵和活塞容器，所述活塞容器连接在所述注入泵和所述岩芯夹持器之间，所述活塞容器用于容纳所述驱替介质，所述注入泵用于对所述活塞容器施加压力，以使所述驱替介质进入所述岩芯试样。

14、在一些实施例中，所述围压加载装置包括跟踪泵，所述跟踪泵设置于所述围压管路，并用于对所述围压管路中的压力波动进行补偿，以使所述围压管路中的压力恒定。

15、在一些实施例中，所述模型系统包括控制采集系统，所述控制采集系统包括压力传感器、温度传感器和计量装置，所述压力传感器和所述温度传感器分别能够检测所述驱替介质的压力和温度，所述计量装置用于计量所述岩芯试样产出液的量。

16、在一些实施例中，所述控制采集系统还包括声发射探头，所述声发射探头设置于所述第一活塞和所述第二活塞。

17、在一些实施例中，所述扫描装置包括射线源、样品台和探测器，所述样品台位于所述射线源和所述探测器之间，所述样品台用于安装所述模型系统，且所述样品台能够转动。

18、本发明实施例的加载扫描方法基于上述任一实施例的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，并包括以下步骤：

19、步骤一：制备岩芯试样；

20、步骤二：在所述岩芯试样的两端分别固定垫块，然后将所述岩芯试样和所述垫块利用热缩管封装，并将所述热缩管装入岩芯夹持器中；

21、步骤三：启动扫描装置对空置的样品台进行扫描；

22、步骤四：在所述样品台上安装所述岩芯夹持器，启动轴压加载装置和围压加载装置对所述岩芯试样进行加载，启动控制采集系统；

23、步骤五：启动扫描装置，获得所述岩芯试样在探测器的成像区域中心位置的投影数据，然后使样品台按照设定角度旋转，且每旋转设定角度记录一次所述投影数据，直至转动完成360°后停止扫描；

24、步骤六：根据所述投影数据重建并生成所述岩芯试样在此次试验参数下的三维结构图；

25、步骤七：改变试验参数并重复所述步骤六、所述步骤七直至获取在所述试验参数下所述岩芯试样的三维结构图。

技术特征：

1.一种三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，包括扫描装置和模型系统，所述模型系统包括：

2.根据权利要求1所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述岩芯夹持器包括壳体、第一活塞和第二活塞，所述壳体的内部设置有轴压腔，所述第一活塞包括受压部，所述受压部滑动配合于所述轴压腔以使所述第一活塞能够相对于所述壳体轴向移动，所述岩芯试样位于所述第一活塞和所述第二活塞之间。

3.根据权利要求2所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述轴压加载装置包括轴压泵，所述轴压泵与所述轴压腔连通，所述轴压泵用于向所述轴压腔内提供带压介质，进而驱动所述第一活塞移动以向所述岩芯试样施加轴向压力。

4.根据权利要求3所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述轴压腔的两端分别设置有第一接口和第二接口，轴压加载装置还包括换向阀。

5.根据权利要求2所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述注入系统包括注入泵和活塞容器，所述活塞容器连接在所述注入泵和所述岩芯夹持器之间，所述活塞容器用于容纳所述驱替介质，所述注入泵用于对所述活塞容器施加压力，以使所述驱替介质进入所述岩芯试样。

6.根据权利要求2所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述围压加载装置包括跟踪泵，所述跟踪泵设置于所述围压管路，并用于对所述围压管路中的压力波动进行补偿，以使所述围压管路中的压力恒定。

7.根据权利要求2所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述模型系统包括控制采集系统，所述控制采集系统包括压力传感器、温度传感器和计量装置，所述压力传感器和所述温度传感器分别能够检测所述驱替介质的压力和温度，所述计量装置用于计量所述岩芯试样产出液的量。

8.根据权利要求7所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述控制采集系统还包括声发射探头，所述声发射探头设置于所述第一活塞和所述第二活塞。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括射线源、样品台和探测器，所述样品台位于所述射线源和所述探测器之间，所述样品台用于安装所述模型系统，且所述样品台能够转动。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的三轴复合物理场耦合加载扫描装置的加载扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及采矿工程高端试验装备制造技术领域，并公开了一种三轴复合物理场耦合加载扫描装置和加载扫描方法。三轴复合物理场耦合加载扫描装置包括扫描装置和模型系统，模型系统包括岩芯夹持器、注入系统、围压加载装置和轴压加载装置，岩芯夹持器为非金属材质，岩芯夹持器设置有围压腔；围压加载装置包括调温装置、围压泵和围压管路，围压管路与围压腔连通，围压泵和调温装置设置于围压管路，调温装置用于调节围压管路中流体的温度，围压泵用于对流体加压并使流体在围压管路中循环流动。围压加载装置通过围压管路中循环的流体对岩芯试样进行围压加载，同时可以通过调温装置测试不同温度参数下的岩芯试样的损伤断裂特征。

技术研发人员：李晓鹏,王书文,李海涛,吕玉磊,齐庆新,陈国华,郑建伟,李照军,袁红辉,李向上,杨冠宇,雷国荣
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29