CN108007784A - 耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法 - Google Patents

耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法，该可视化测试***包括煤岩体实验平台、耦合致裂机构和可视化测量机构；该方法包括步骤：一、预制立方体相似模拟煤岩体；二、煤岩体实验平台的搭建；三、耦合致裂；四、计算耦合致裂的裂隙密度；五、获取耦合致裂产生的造腔的体积；六、煤岩体实验平台的更新；七、获取不同注水压力和不同***单耗量导致的耦合致裂数据；八、建立BP神经网络；九、分析耦合致裂产生的造腔的体积及裂隙的发育。本发明可通过耦合致裂获取造腔，采用三维扫描仪可视化观测造腔的体积，获取耦合致裂中裂隙的扩展范围度，并建立BP神经网络分析耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系，直观有效。

Description

耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法
技术领域
本发明属于耦合致裂造腔体积测试技术领域，具体涉及一种耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法。
背景技术
在对***和注水单独作用机制及破坏规律研究的基础上，开展***动载作用下固液耦合态煤岩体的破坏特性研究，采用理论分析和数值计算的方式研究耦合致裂效果，定量化评估耦合致裂后强度的劣化程度，但是对于实施***动载以后造腔体积的大小却没有进行测量，不清楚造腔内部情况。现有的措施只是在固液耦合的基础上施加***动载，定量化评估耦合致裂后强度的劣化程度，缺乏对造腔内的体积及裂隙的发育情况进行测量。因此，现如今缺少耦合致裂造腔体积可视化测试***及裂隙发育分析方法，通过耦合致裂获取造腔，利用融化的蜡获取造腔模型，采用三维扫描仪可视化观测造腔的体积，获取耦合致裂中裂隙的扩展范围度，并建立BP神经网络分析耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系，操作简单，直观有效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种耦合致裂造腔体积可视化测试***，其设计新颖合理，可通过耦合致裂获取造腔，采用三维扫描仪可视化观测造腔的体积，获取耦合致裂中裂隙的扩展范围度，操作简单，直观有效，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：耦合致裂造腔体积可视化测试***，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、实验箱和设置在实验箱内的相似模拟煤岩体，实验箱的侧壁和顶板上均安装有用于向相似模拟煤岩体施加压力的气缸，气缸通过气缸驱动器由计算机控制，相似模拟煤岩体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，所述立方体相似模拟煤岩体内预先埋设有数据检测层，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，数据检测层包括围绕钻孔中心对称设置的多个传感器组件，传感器组件由压力传感器和温度传感器，压力传感器、温度传感器和声发射传感器均与计算机进行数据通信；
所述耦合致裂机构包括向钻孔内注水且用于调节水压参数的注水机、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***和起爆所述***的***，注液机与算机进行通信；
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和用于扫描所述填充蜡填充的造腔体积的三维扫描仪，三维扫描仪和注蜡机均与计算机进行通信；
计算机上连接有显示器、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和用于提示实验人员裂隙发育充分的提示器。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述声发射传感器的数量为六个，六个所述声发射传感器分别为第一声发射传感器、第二声发射传感器、第三声发射传感器、第四声发射传感器、第五声发射传感器和第六声发射传感器，第一声发射传感器和第二声发射传感器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，第五声发射传感器和第六声发射传感器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。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述三维扫描仪为手持式三维扫描仪。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述钻孔的深度为0.2h～0.8h，其中，h为所述立方体相似模拟煤岩体的边长。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述提示器为指示灯或无线通信模块。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，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***模块。
上述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述数据检测层的层数为多层，所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可实现可视化检测耦合致裂产生的造腔的体积，并建立BP神经网络分析耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系的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，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；
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内，利用计算机控制气缸驱动器使实验箱的侧壁和顶板上安装的多个气缸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，所述声发射传感器的数量为六个，六个所述声发射传感器分别为第一声发射传感器、第二声发射传感器、第三声发射传感器、第四声发射传感器、第五声发射传感器和第六声发射传感器，第一声发射传感器和第二声发射传感器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，第五声发射传感器和第六声发射传感器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、将数据检测层和声发射传感器与计算机连接，实现数据检测层和声发射传感器与计算机的数据通信，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：通过注水机调节注水的压力参数，使用注水机向钻孔内注水，直至所述立方体相似模拟煤岩体有渗水或注水压力降低，同时建立注水机与计算机的通信；
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设定的时间阈值时，计算机控制提示器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内填装***，利用***起爆所述***，计算机利用温度传感器采集温度数据，得到***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******后形成造腔；
步骤四、根据公式计算耦合致裂的裂隙密度ρ，其中，N为声发射传感器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，计算机控制气缸驱动器使气缸缩回，清除实验箱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内填装***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：计算机以注水压力p和***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、根据公式计算机计算隐含层输入γIr、隐含层输出γOr、输出层输入yIR和输出层输出yOR，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，uS为输入层第S个节点的输入值，WSi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，bi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，ωiR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，bR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、根据公式计算机计算迭代误差e，其中，qR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WSi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ωiR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：计算机更换注水压力p和***单耗量d，并将更换的新的注水压力和***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。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的可视化测试***，通过在实验箱的侧壁和顶板上均设置气缸，用于向相似模拟煤岩体施加压力，便于模拟实际煤岩体所受周围岩体压力，相似模拟煤岩体为内置数据检测层的立方体相似模拟煤岩体，制作简单，数据检测层由围绕钻孔中心对称设置的多个传感器组件组成，测量立方体相似模拟煤岩体受压和温度变化均匀，便于推广使用。
2、本发明采用的可视化测试***，通过在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内填装***，获取耦合致裂产生的造腔，通过声发射传感器对耦合致裂产生的裂隙进行定位以及统计裂隙数据，调制填充蜡注入造腔内，待填充蜡凝固后，利用三维扫描仪获取造腔的体积，去除立方体相似模拟煤岩体残留物后便于可视化观测观察裂纹的扩展方向、扩展深度和扩展范围，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明采用的方法，步骤简单，通过预制多个立方体相似模拟煤岩体，针对每个立方体相似模拟煤岩体调节不同的液水压力以及在形成的固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体中变化不同的***单耗量，获取注液压力和***荷载参数对固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的裂纹扩展数据，另外，在***结束后利用声发射传感器获取耦合致裂的裂隙密度，同时利用三维扫描仪获取造腔的体积，建立BP神经网络分析耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系，操作简单，直观有效，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，可通过耦合致裂获取造腔，采用三维扫描仪可视化观测造腔的体积，获取耦合致裂中裂隙的扩展范围度，并建立BP神经网络分析耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系，操作简单，直观有效，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的可视化测试***中煤岩体实验平台的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为本发明采用的可视化测试***中相似模拟煤岩体和声发射传感器的安装关系示意图。
图4为本发明采用的可视化测试***的电路原理图。
图5为本发明采用的方法的流程框图。
附图标记说明:
1—实验箱； 2—相似模拟煤岩体； 3—气缸；
4—声发射传感器； 4-1—第一声发射传感器；
4-2—第二声发射传感器； 4-3—第三声发射传感器；
4-4—第四声发射传感器； 4-5—第五声发射传感器；
4-6—第六声发射传感器； 5—数据检测层；
6—钻孔； 7—传感器组件； 7-1—压力传感器；
7-2—温度传感器； 8—计算机； 9—计时器；
10—提示器； 11—显示器； 12—注水机；
13—气缸驱动器； 14—三维扫描仪； 15—注蜡机。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，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；
需要说明的是，根据实际煤岩体的物理特性制作与其物理特性相似的相似模拟煤岩体2，将相似模拟煤岩体2设置在实验箱1内，实际使用中实验箱1采用防爆实验箱，避免实验失误造成不必要的破坏和损失，实验箱1的侧壁和顶板上均安装用于向相似模拟煤岩体2施加压力的气缸3的目的是模拟实际煤岩体所受周围岩体压力，符合实际情况，相似模拟煤岩体2采用立方体相似模拟煤岩体的目的一是便于相似模拟煤岩体2的制作，二是便于预先布设数据检测层5，实际使用中，需在相似模拟煤岩体2顶端中心位置处向下开设钻6孔，数据检测层5绕钻孔6中心对称的位置处布设，便于均匀的测量实验数据，数据获取可靠性高；本实施例中，所述数据检测层5的层数为多层；实际使用中，根据力的传播特性以及立方体相似模拟煤岩体的尺寸，没间隔20cm～30cm布设一层数据检测层5，测量精度高。
实际使用时，在所述立方体相似模拟煤岩体的边缘位置处布设多个声发射传感器4，用于监测立方体相似模拟煤岩体裂纹扩展情况的，本实施例中，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；保证了立方体相似模拟煤岩体的底面、前侧面、顶面和后侧面上均包括三个声发射传感器，利用位于底面的第一声发射传感器4-1、第二声发射传感器4-2和第三声发射传感器4-3由下至上探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于顶面的第四声发射传感器4-4、第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6由上至下探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于前侧面的第一声发射传感器4-1、第二声发射传感器4-2和第四声发射传感器4-4由前至后探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，利用位于后侧面的第三声发射传感器4-3、第五声发射传感器4-5和第六声发射传感器4-6由后至前探测立方体相似模拟煤岩体内裂纹数据，实现全方位对立方体相似模拟煤岩体进行裂纹探测，采用六个所述声发射传感器4的目的一是避免造成多余声发射传感器4的使用带来的资源浪费，增加成本，同时增大数据处理的复杂度；二是为了确保全方位对立方体相似模拟煤岩体进行裂纹探测，探测效果好。
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***和起爆所述***的***，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；
本实施例中，所述三维扫描仪14为手持式三维扫描仪。
需要说明的是，利用注水机12调节注水压力对立方体相似模拟煤岩体注水，获取固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体，通过在固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体内填装***，获取耦合致裂后形成的造腔，待造腔冷却后，利用三维扫描仪14可视化的扫描造腔体积，三维扫描仪14采用手持式三维扫描仪，使用方便，扫描全面，获取造腔的体积的同时可观察裂隙的扩展方向、深度和范围。
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。
需要说明的是，计算机8上连接计时器9的目的是用于设定注水后裂隙发育时间，实际使用中，计时器9可替代实验人员人工记录时间，避免耽误或错过实验时间，使形成固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体错过最佳时机，计算机8上连接提示器10的目的是主动提示实验人员，本实施例中，所述提示器10为指示灯或无线通信模块；其中，所述无线通信模块为与实验人员手机通信的GSM模块或***模块，实现实验装置的自动化运行。
本实施例中，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。
需要说明的是，钻孔6的深度过低或过深时，***起不到充分的***效果，容易造成实验的失效，优选的钻孔6的深度采用0.6h。
本实施例中，所述立方体相似模拟煤岩体的数量为多个，满足多次实验的需求。
如图5所示的一种耦合致裂造腔体积可视化测试及裂隙发育分析方法，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；
需要说明的是，通过预制多个立方体相似模拟煤岩体，针对每个立方体相似模拟煤岩体调节不同的液水压力以及在形成的固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体中变化不同的***单耗量，获取注液压力和***荷载参数对固液耦合态的立方体相似模拟煤岩体的裂隙扩展数据。
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***，利用***起爆所述***，计算机8利用温度传感器7-2采集温度数据，得到***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******后形成造腔；
步骤四、根据公式计算耦合致裂的裂隙密度ρ，其中，N为声发射传感器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；
需要说明的是，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的目的是得到可视化造腔的实际体积，此时可直观的观察造腔内裂隙的发育情况，但是，实际情况中，耦合质裂后有的裂隙细小，不足以填充待添加有凝结胶的填充蜡，且细小的裂隙形成的腔体微小，其体积可忽略不计，但是又不可忽略耦合质裂产生的裂隙，因此，利用声发射传感器4定位所有的裂隙位置并统计裂隙的数量，获取的耦合致裂后裂纹数量。
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***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***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γIr、隐含层输出γOr、输出层输入yIR和输出层输出yOR，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，uS为输入层第S个节点的输入值，WSi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，bi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，ωiR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，bR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；trainlm函数和logsig传输函数收敛速度快，误差小，对数据的适应性强。
步骤803、根据公式计算机8计算迭代误差e，其中，qR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WSi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ωiR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，
需要说明的是，利用第Z-1次的连接权值更新第Z次的连接权值，并将第Z次的连接权值赋予步骤802中的初始连接权值进行BP网络输出，利用BP网络的输出和实际可视化测量的输出进行比较，训练得到满足需求的BP神经网络。
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***单耗量d，并将更换的新的注水压力和***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。
本发明使用时，利用BP神经网络预测方法建立耦合致裂参数与腔体体积及裂隙发育间的关系，可实现定量的分析耦合致裂参数与造腔体积之间的关系，且利用裂隙密度确定耦合致裂中裂隙的发育以及耦合致裂后煤岩体的强度，为后期制定合理的耦合致裂方案提供依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.耦合致裂造腔体积可视化测试***，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***和起爆所述***的***，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)。
2.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：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。
3.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述三维扫描仪(14)为手持式三维扫描仪。
4.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：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。
5.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，其特征在于：所述提示器(10)为指示灯或无线通信模块。
6.按照权利要求5所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，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***模块。
7.按照权利要求1所述的耦合致裂造腔体积可视化测试***，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。
8.利用如权利要求1所述***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***，利用***起爆所述***，计算机(8)利用温度传感器(7-2)采集温度数据，得到***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******后形成造腔；
步骤四、根据公式计算耦合致裂的裂隙密度ρ，其中，N为声发射传感器(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***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***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γIr、隐含层输出γOr、输出层输入yIR和输出层输出yOR，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，uS为输入层第S个节点的输入值，WSi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，bi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，ωiR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，bR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，qR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WSi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ωiR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***单耗量d，并将更换的新的注水压力和***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。
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