本實用新型涉及一種三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置，屬于試驗裝置技術領域。

背景技術：

煤巖水力壓裂試驗裝置是煤巖水力壓裂室內物理模擬試驗的主要設備，也是研究和認識煤巖水壓裂縫形態(tài)及裂縫擴展規(guī)律的重要方法，但目前，國內外開展煤巖水力壓裂物理模擬試驗所用的試驗設備大多是在真三軸壓裂儀上進行改造、重組而來，導致體積都很龐大，操作比較復雜，樣品室尺寸小，圍壓施加不可調等。

而目前常采用的煤巖裂縫檢測方法是在注水壓裂后使用鋼鋸、鐵釬等工具將煤巖試樣劈開，以觀察裂縫的形狀和分布，這種方法雖然可行，但具有一定的局限性，只能對主裂縫面進行觀測，而其他的裂縫發(fā)育無法觀測，且在煤巖劈裂過程中，原有的裂縫必會遭到破壞，并且是否在原有裂縫基礎上產生新裂縫無法判斷，極大影響了試驗結果的準確性。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服上述現有技術中的缺陷，提供一種三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置，采用超聲波無損檢測的方式在不損害煤巖試樣的情況下實現對煤巖水力壓裂前后裂縫參數的檢測，克服了現有檢測方法中必須破敗煤巖才能觀測裂縫的形狀及分布的缺點。

實現本實用新型目的所采用的技術方案為，一種三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置，至少包括三軸向圍壓加載系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)和控制器，三軸向圍壓加載系統(tǒng)中的6個液壓缸均通過液壓控制系統(tǒng)控制，所述液壓控制系統(tǒng)包括油箱、液壓泵、截止閥、溢流閥、6個電磁換向閥、6個液控單向閥和6個可調式節(jié)流閥，油箱、液壓泵和截止閥通過油管順序連通構成主油路，溢流閥連通于主油路上，液控單向閥和可調式節(jié)流閥分別連通于電磁換向閥的不同油口上構成支油路，三軸向圍壓加載系統(tǒng)中的6個液壓缸分別通過6條支油路控制，支油路的電磁換向閥接入主油路；三軸向圍壓加載系統(tǒng)的固定架上在與其中3個液壓缸活塞桿的工作極限位置相對應處均設有一對行程開關；還包括注水系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)，所述注水系統(tǒng)由水泵、上加壓軸、上壓板、注水管和密布有孔隙的射流管構成，水泵、注水管和射流管依次連通，射流管伸入煤巖試樣頂部的鉆孔中，其上端通過上加壓軸和上壓板固定，上加壓軸與其中一個液壓缸的活塞桿連接；所述數據采集系統(tǒng)包括用于檢測注水系統(tǒng)的注水壓力和流量的壓力傳感器和流量傳感器；所述煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)為超聲波無損檢測系統(tǒng)，煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)、壓力傳感器、流量傳感器和行程開關均連接控制器的信號輸入端，水泵和上述各電磁換向閥均連接控制器的信號輸出端。

所述主油路的進油部分和回油部分上分別連通有吸油過濾器和回流過濾器。

各支油路上均安裝有壓力表。

行程開關作用的3個液壓缸所對應的3條支油路中均設有液壓鎖。

所述控制器為嵌入式單片機。

由上述技術方案可知，本實用新型提供的三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置，主體包括三軸向圍壓加載系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)和控制器，三軸向圍壓加載系統(tǒng)包括固定架和6個液壓缸，分別實現XYZ三軸向雙向加載，可以模擬三軸向相同圍壓和不同圍壓的試驗環(huán)境，通過液壓控制系統(tǒng)中的電磁換向閥控制液壓缸活塞桿的伸縮，實現煤巖三軸向圍壓的加載和調節(jié)，采用煤巖頂部鉆孔下射流管注水的方式實現煤巖的水力壓裂，通過煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)檢測水力壓裂前后煤巖的裂縫信息，為煤巖水壓裂縫擴展機理的分析提供試驗依據，為煤巖水壓裂縫擴展數值模擬算法提供數據支持和試驗驗證。煤巖裂縫參數包括裂縫長度、寬度、深度、傾角和方位角等等，采用超聲波無損檢測技術檢測水力壓裂前后煤巖裂縫的信息，并根據檢測系統(tǒng)檢測到的信息觀察和分析出水力壓裂前后煤巖裂縫的參數，該裂縫參數為煤巖水壓裂縫擴展機理的分析提供了試驗依據，為煤巖水壓裂縫擴展數值模擬算法提供數據支持以及驗證算法的正確性。

液壓控制系統(tǒng)中，通過信號傳輸端口和繼電器控制電磁換向閥，電磁換向閥用于控制液壓缸活塞桿的伸縮以實現煤巖三軸向圍壓的加載和調節(jié)，壓力表用于控制試驗所設定的圍壓，單向閥用于在三軸向圍壓加載系統(tǒng)圍壓加載時起保壓作用，可調式節(jié)流閥用于在頂進加載圍壓時對液壓缸活塞桿進行速度控制，三軸向圍壓加載系統(tǒng)的其中3個液壓缸在其活塞桿的工作極限位置處均設有一對行程開關，此3個液壓缸要求作用方向分別為X軸向、Y軸向和Z軸向，在此3個液壓缸的控制支油路上安裝液壓鎖，用于定位液壓缸，使液壓缸在不工作時其活塞桿迅速、平穩(wěn)、可靠且長時間地被鎖住，不會因為外力而移動。

與現有技術相比，本實用新型提供的三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置具有如下優(yōu)點：

1、本裝置結構較簡單，通過液壓缸、電磁換向閥和壓力表實現煤巖三軸向圍壓的加載和調節(jié)，圍壓控制范圍大，誤差小，克服了現有試驗裝置圍壓不可調問題，并且借助電磁換向閥和壓力表可以模擬三軸向相同圍壓和不同圍壓的試驗環(huán)境，使試驗結果更具有科學性和指導性。

2、煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)采用超聲波無損檢測的方式，在不損害煤巖樣品的情況下實現對煤巖水力壓裂前后裂縫參數的檢測，克服了現有檢測方法中必須破敗煤巖才能觀測裂縫的形狀及分布的缺點，極大的提高了試驗結果的準確性。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置的整體結構圖。

其中：100-三軸向圍壓加載系統(tǒng)，200-煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)，300-注水系統(tǒng)，400-煤巖試驗，500-鉆孔；1-固定架，2-水泵，3-控制器。

圖2為液壓控制系統(tǒng)的液壓控制回路圖。

其中：6-油箱，7-吸油過濾器，8-截止閥，9-液壓泵，10-溢流閥，11-回流過濾器，12-電磁換向閥A，13-電磁換向閥B，14-電磁換向閥C，15-電磁換向閥D，16-電磁換向閥E，17-電磁換向閥F，18-液控單向閥A，19-液控單向閥B，20-液控單向閥C，21-液控單向閥D，22-液控單向閥E，23-液控單向閥F，24-壓力表A，25-可調式節(jié)流閥A，26-液壓缸A，27-壓力表B，28-可調式節(jié)流閥B，29-液壓缸B，30-壓力表C，31-可調式節(jié)流閥C，32-液壓缸C，33-行程開關A，34-液壓缸D，35-液壓鎖A，36-可調式節(jié)流閥D，37-壓力表D，38-液壓缸E，39-行程開關B，40-液壓鎖B，41-可調式節(jié)流閥E，42-壓力表E，43-行程開關C，44-液壓缸F，45-液壓鎖C，46-可調式節(jié)流閥F，47-壓力表F。

圖3為注水結構示意圖。

其中：48-上壓板，49-射流管，50-上加壓軸，51-注水軸。

圖4為注水結構的安裝結構圖。

其中：52-軸連接螺套，53-注水管連接螺套。

圖5為煤巖水壓裂縫超生波檢測主視圖。

其中：T-超聲波發(fā)射換能器，R-超聲波接收換能器。

圖6為煤巖水壓裂縫超生波檢測俯視圖。

其中：T-超聲波發(fā)射換能器，R-超聲波接收換能器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細具體說明，本實用新型的內容不局限于以下實施例。

參見圖1，本實用新型提供的三軸向圍壓的煤巖水力壓裂試驗裝置，包括三軸向圍壓加載系統(tǒng)100、液壓控制系統(tǒng)、煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)200、注水系統(tǒng)300、數據采集系統(tǒng)和控制器3，控制器為嵌入式單片機；

三軸向圍壓加載系統(tǒng)100包括固定架1和6個液壓缸26、29、32、34、38、44(如圖2所示)，6個液壓缸均通過液壓控制系統(tǒng)控制，分別實現XYZ三軸向雙向加載，所述液壓缸選用活塞桿直徑為100mm、行程為300mm、缸體內徑為200mm、缸體外徑為245mm、流量約為94.25L/min的液壓缸，固定架上在與其中3個液壓缸34、38、44的活塞桿的工作極限位置相對應處均設有一對行程開關33、39、43(如圖2所示)，此3個液壓缸34、38、44在X軸向、Y軸向和Z軸向各包含一個；

參見圖2，所述液壓控制系統(tǒng)由油箱6，液壓泵9，截止閥8，溢流閥10，吸油過濾器7，回流過濾器11，6個電磁換向閥12、13、14、15、16、17，6個液控單向閥18、19、20、21、22、23，6個可調式節(jié)流閥25、28、31、36、41、46，6個壓力表24、27、30、37、42、47，以及3個液壓鎖35、40、45構成，油箱6選用容積為2200L的油箱；液壓泵9選用排量為200ml/r、額定壓力為16MPa、額定轉速為2000r/min的外嚙合齒輪泵；電磁換向閥均選用工作壓力為31.5MPa左右、最大排量為360L/min的三位四通換向閥；單向閥均選用工作壓力為0.5～31.5MPa、最大排量為360L/min的液控單向閥；可調式節(jié)流閥均選用規(guī)格為工作壓力0.5～20MPa，最大排量為20L/min的可調式節(jié)流閥；液壓鎖均選用規(guī)格為工作壓力為0.5～31.5Mpa、最大排量為25L/min的液壓鎖；吸油過濾器7選用過濾精度為80μm、額定壓力為15MPa的網式濾油器；回油濾油器11選用過濾精度為25um，額定壓力為15MPa的紙質濾油器；油箱、液壓泵和截止閥通過油管順序連通構成主油路，吸油過濾器和回流過濾器分別連通于主油路的進油部分和回油部分上，溢流閥連通于主油路的回油部分上，液控單向閥和可調式節(jié)流閥分別連通于電磁換向閥的不同油口上構成支油路，支油路的電磁換向閥接入主油路，6個壓力表分別安裝于各支油路上，三軸向圍壓加載系統(tǒng)中的6個液壓缸26、29、32、34、38、44分別通過6條支油路控制，3個液壓鎖35、40、45分別連通于行程開關作用的3個液壓缸34、38、44所對應的3條支油路中；

參見圖3，所述注水系統(tǒng)由水泵2(如圖1所示)、上加壓軸50、上壓板48、注水管51和密布有孔隙的射流管49構成，水泵選用流量為50L/h、壓力為10MPa、進出口徑為10mm、功率為1.1kw的計量水泵，水泵、注水管51和射流管48依次連通，注水管51于射流管48通過中空的上加壓軸50連接且連通，具體連接結構參見圖4，上加壓軸50通過軸連接螺套52與上液壓缸相連，水泵的水管通過注水管連接螺套53與注水管51相連，上壓板48位于上加壓軸50的底端、射流管48的頂端，射流管48上端通過上加壓軸和上壓板固定、下部伸入煤巖試樣400頂部的鉆孔500中(如圖1所示)，上加壓軸與其中一個液壓缸的活塞桿連接，采用煤巖頂部鉆孔下射流管注水的方式實現煤巖的水力壓裂，使結果更符合真實的煤儲層水力壓裂情況；

所述數據采集系統(tǒng)包括用于檢測注水系統(tǒng)的注水壓力和流量的壓力傳感器和流量傳感器，所述的壓力傳感器根據煤巖水力壓裂試驗要求選用量程為2～200Mpa、精度為0.5％、供電電壓為±24V、可以在-30～75℃工作的液體壓力傳感器，所述的流量傳感器選用流量檢測范圍為0.04～0.4L/h、精度為1％、儀表口徑為4mm、供電電源為12V、常規(guī)耐壓為6.4MPa的液體渦輪流量傳感器；

煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)用于檢測煤巖試樣的煤巖裂縫參數，上述煤巖裂縫參數包括裂縫長度、寬度、深度、傾角和方位角等等，該裂縫參數為煤巖水壓裂縫擴展機理的分析提供了試驗依據，為煤巖水壓裂縫擴展數值模擬算法提供數據支持以及驗證算法的正確性，所述煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)為超聲波無損檢測系統(tǒng)，煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)、壓力傳感器、流量傳感器和行程開關均連接控制器的信號輸入端，水泵和上述各電磁換向閥均連接控制器的信號輸出端，通過端口和繼電器控制電磁換向閥以實現煤巖三軸向圍壓的加載和調節(jié)。

本實用新型的液壓控制系統(tǒng)工作流程為：閉合電磁開關，液壓泵9開始工作，同時三位四通電磁換向閥15、16、17處于左位，液壓缸34、38、44的活塞桿頂進，當活塞桿的觸頭碰到行程開關時，三位四通電磁換向閥15、16、17處于中位，由于液壓鎖的作用液壓缸34、38、44的活塞桿保持原位，將煤巖試樣放置在三側加壓板上進行定位，通過一段時間的延遲，三位四通電磁換向閥12、13、14處于右位，液壓缸26、29、32的活塞桿頂進對煤巖施加三軸圍壓，當達到設定圍壓后，三位四通電磁換向閥12、13、14處于中位，由于保壓回路的作用，液壓缸26、29、32的活塞桿在一段時間(根據注水壓裂試驗要求設定)保持設定壓力；等注水壓裂結束后，液壓缸26、29、32的活塞桿收回，取下煤巖試樣，通過一段時間的延遲，液壓缸34、38、44的活塞桿收回，當活塞桿的觸頭碰到行程開關時，三位四通電磁換向閥15、16、17處于中位，并且電磁開關關閉，整個水力壓裂試驗結束。

上述煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)采用的超聲波無損檢測技術是使用發(fā)射換能器激發(fā)出一定頻率的聲波在被檢測煤巖試樣中傳播，由于煤巖試樣存在裂縫、孔隙、斷層等缺陷，聲波在煤巖缺陷中傳播的參數與在無缺陷區(qū)傳播參數存在較大的差異，通過接受換能器將這些聲波接收、轉化為可處理信號(一般為電信號)，通過分析這些信號(包含聲波傳播的時間、速度，振幅和頻率等)，就可以了解煤巖試樣內部缺陷的分布情況；

煤巖水壓裂縫檢測系統(tǒng)采用的超聲波無損檢測方法選用接收信號覆蓋范圍廣，處理簡單，處理后的信號更能反映煤巖水壓裂縫情況的透射法來實現煤巖水壓裂縫的檢測；優(yōu)選的，使用超聲波無損檢測透射法對煤巖裂縫進行檢測時使用鉆孔測法，如圖5和圖6所示，以注水孔作為豎向測試孔(一般注水孔直徑應比換能器直徑大5～10mm)，檢測時采用一個位于測孔，且在測孔中豎直方向以一定的速度勻速運動徑向振動式換能器R，與分別固定在平行于測孔的四個側面上的厚度振動式換能器T，進行測試，為避免由于煤巖多孔隙等特殊構造引起較大的檢測誤差，在進行檢測時應滿足以下要求：1、檢測部位應具有兩對相互平行的測試面；2、檢測區(qū)范圍應大于含原生裂縫區(qū)域，防止漏檢煤巖水壓裂縫試驗后的新生裂縫；3、在檢測區(qū)布置測試點時，應盡量使平行于測孔的側面上的厚度振動式換能器T連線與附近的煤巖層理面平行，以降低超聲波衰減度。

利用超聲波進行煤巖裂縫檢測的主要步驟為：發(fā)射換能器激發(fā)脈沖聲波通過煤巖試樣后利用接收換能器進行數據接收，激發(fā)和接收都由計算機系統(tǒng)控制，并使用計算機系統(tǒng)進行數據處理(采用小波分析)，通過屏幕顯示波形等數據。

以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書內容所做的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。