CN109323974A - 一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤层气(矿井瓦斯)开采技术领域，特别是一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，包括步骤a：制作煤样，在所述煤样上预置钻孔，向所述钻孔内注入一定压力的液体；步骤b：安装高功率脉冲发生机构，使用导线将高功率脉冲发生机构与所述钻孔相连接；步骤c：安装冲击波检测机构；步骤d：使所述高功率脉冲发生机构向所述钻孔内的液体发射高功率脉冲，在所述液体中形成冲击波，致裂所述煤样；步骤e：使用所述冲击波检测机构检测并分析所述煤样内的冲击波特征。采用本发明的有益效果为：能够确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量，对冲击波特性、冲击波作用煤体的损伤破坏规律进行研究，对不同波形及能量的冲击波致裂煤体规律进行数值计算分析。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气(矿井瓦斯)开采技术领域，特别是一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，我国对煤层的开发取得了突破性的进展。随着我国煤需求量的逐年增加，我国对煤层的开采也逐步向深部转移。深部煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高，容易导致矿井生产过程中发生煤与瓦斯突出动力灾害。为了防治发生煤与瓦斯突出灾害，确保安全生产，在对煤层进行开采前，需要对煤层中的瓦斯进行抽采。然而，深部煤层的透气性普遍较低，因而瓦斯抽采难度较大，为了降低瓦斯抽采的难度，在抽采瓦斯前需要采取措施增加煤层的渗透性。
煤层致裂增渗技术是解决深部低透气性煤层普遍存在微孔隙、低渗透率和高吸附难题的重要方法，国内外的学者对煤层致裂增渗技术进行了大量探索，取得了一定的进展。目前常用的煤层增渗技术主要有：开采保护层、密集钻孔、水力压裂、高压水射流割缝以及深孔松动***等。这些技术普遍存在工艺复杂、施工量大、成本高及应用范围有限等缺点。
近些年来，高功率脉冲技术被提出应用于煤层增透领域，在现场应用中取得了较好的效果。在采用高功率脉冲技术增加煤层渗透性的过程中，研究人员发现，高功率脉冲技术作用于煤层的增渗效果受到脉冲能量和煤体自身理化特征的影响，即采用高功率脉冲致裂煤体时，选用不同脉冲能量的高功率脉冲对相同理化特征的煤体进行致裂，致裂后煤体的渗透性并不相同；选用相同脉冲能量的高功率脉冲对不同理化特征的煤体进行致裂，致裂后煤体的渗透性也不相同。
在煤层开采的过程中，不同地区的煤层，其自身理化特征并不相同。采用高功率脉冲致裂煤体时，为了确保致裂后的煤体具有较好的渗透性，需要提前确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对采用高功率脉冲致裂煤体时，如何确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量的问题，提供一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，包括
步骤a：制作煤样，在所述煤样上预置钻孔，向所述钻孔内注入一定压力的液体；
步骤b：安装高功率脉冲发生机构，使用导线将高功率脉冲发生机构与所述钻孔相连接；
步骤c：安装冲击波检测机构；
步骤d：使所述高功率脉冲发生机构向所述钻孔内的液体发射高功率脉冲，在所述液体中形成冲击波，致裂所述煤样；
步骤e：使用所述冲击波检测机构检测并分析所述煤样内的冲击波特征。
本申请的高功率脉冲，是指脉冲功率在10KW以上的脉冲。上述方案中的冲击波检测机构可选用市面上常见的冲击波检测仪。上述方案中的液体可选用水或其他现有的可以被电引爆的含能材料。上述方案中，通过在煤样上预置钻孔，并向钻孔内注入一定压力的液体，当高功率脉冲发生机构工作时，高功率脉冲发生机构向钻孔内的液体发射高功率脉冲，在液体中形成冲击波，致裂煤样。采用这样的方式对煤样进行致裂的致裂效果较好。
在实验开始前根据实验需要制作出多组相同的煤样。实验时，将冲击波检测机构的多个传感器埋设在煤样的内部的不同位置，随后使高功率脉冲发生机构以不同脉冲能量的高功率脉冲对不同组的煤样的钻孔内填充的液体进行击穿，使液体产生冲击波对煤样进行致裂，并逐个记录各组煤样所对应的脉冲能量。煤样的破坏形式可分为抗拉破坏和抗压破坏，在钻孔附近的破坏通常为抗压破坏。煤样的抗拉强度小于其抗压强度，随着冲击波在煤样内传播，冲击波的破坏能力逐渐减小，当冲击波的无法造成煤样的抗压破坏时，煤样的破坏形式转变为抗拉破坏。冲击波检测机构对采集到的冲击波信号进行分析，能够获知煤样内不同区域受到破坏的形式，同时冲击波检测机构对采集到的冲击波信号的位置进行分析，从而能够得到煤样内受到破坏的区域的大小。通过对比不同组煤样内受到破坏的区域的大小，即可确定内部破坏区域最大的一组煤样。通过查询该组煤样所对应的脉冲能量即可确定使煤样致裂效果较好时所需的脉冲能量，从而解决了采用高功率脉冲致裂煤样时，如何确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量的问题。
采用高功率脉冲致裂煤体的过程中，研究人员发现，采用相同脉冲能量的高功率脉冲对同一煤体进行致裂的过程中，当对同一煤体进行致裂的频率不同时，即在一定时间内对同一煤体进行致裂的次数不同时，煤体的致裂效果也不相同。为了确保致裂后的煤体具有较好的渗透性，为此，需要提前确定选择何种频率对煤体进行致裂。
使用上述方案所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法进行实验时，首先保持对煤体进行致裂的频率相同的情况下，选用不同的脉冲能量进行实验，确定致裂效果好时所需的脉冲能量；然后保持高功率脉冲的脉冲能量不变的情况下，采用不同的频率对不同组的煤样进行致裂。致裂完成后，通过对不同组的煤样的内部进行检测，确定孔隙率最大的一组煤样，即可确定以何种频率对煤样进行致裂时，煤样的致裂效果好。
上述方案中，采用冲击波检测机构对煤样内的冲击波信号进行检测并进行分析，从而研究人员能够实现对高功率脉冲冲击波的产生、传播机理以及煤样的破裂机理进行分析，同时还能够实现对冲击波特性、冲击波致裂煤样规律的实验研究，并对不同波形能量冲击波致裂规律进行数值计算分析。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤f：安装声发射检测机构，使用所述声发射检测机构对所述煤样内的声发射特征进行检测和分析。
上述优选方案中的声发射检测机构可选用市面上常见的声发射检测仪。实验时，将声发射检测机构的传感器贴合在煤样的表面，随后高功率脉冲发生机构发射高功率脉冲对煤样进行致裂，煤样内的不同区域逐渐发生破裂，并产生声发射信号，声发射检测机构检测不同区域破裂时产生的声发射信号，并记录检测到的声发射信号的先后顺序。待煤样致裂完成后，声发射检测机构对采集到的声发射信号进行分析，并采用计算机进行建模，能够在计算机上清楚地反映煤样不同区域产生破坏的动态过程。通过对声发射和冲击波共同进行分析，能够更加准确地得出煤样内部的破裂范围。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤g：安装三轴加压***，使用所述三轴加压***对所述煤样施加三轴压力。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤h：安装瓦斯注入***，使用所述瓦斯注入***向所述煤样的内部注入瓦斯。
煤资源是我国主要能源之一，随着经济的发展，对煤资源的开采逐渐向深部转变。深部煤层所具有的高地应力、高瓦斯和低渗透率等特点严重影响了煤炭的安全开采。因此，开展含瓦斯煤岩在复杂应力下，特别是较高围压和高瓦斯压力下的声发射特性研究，对揭示不同应力环境下深部高瓦斯煤岩体微破裂试件的时空分布特征，保障深部高瓦斯煤层安全开采具有重要意义。
上述优选方案中所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括三轴加压***和瓦斯注入***，实验时，三轴加压***对煤样施加三轴压力，模拟深部煤层受到的高地应力，瓦斯注入***向煤样的内部注入瓦斯，模拟煤岩内部存在的高瓦斯压力。在实验的过程中，声发射检测机构对煤体内部的声发射信号进行采集并进行分析，能够得到声发射空间分布规律，从而研究人员能够分析在较高围压和高瓦斯压力下含瓦斯煤破裂过程中声发射时空演化规律，探讨瓦斯压力对声发射特征的影响。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤i：安装气体压力检测机构，使用所述气体压力检测机构对所述煤样内的瓦斯压力进行检测。
高功率脉冲技术作用于煤层的增渗效果受到煤层内的煤层气压力的影响，即当煤层内的煤层气压力不同时，采用相同脉冲能量的高功率脉冲对煤体进行致裂的致裂效果并不相同。上述优选方案中，通过设置气体压力检测机构，实现了对煤样内部瓦斯压力的检测，从而能够明确地得出煤样在什么瓦斯压力下，受到高功率脉冲的致裂效果最好。
优选地，所述步骤b中，安装高功率脉冲发生机构包括
步骤b1：安装高功率脉冲电源、高功率脉冲开关以及高功率脉冲电容器；所述导线包括第一导线节段、第二导线节段和第三导线节段，
步骤b2：使用所述第一导线节段对所述高功率脉冲电源与所述高功率脉冲电容器进行连接，将所述第二导线节段的一端与所述高功率脉冲电容器的正极相连接，另一端伸入所述钻孔内，将所述第三导线节段的一端与所述高功率脉冲电容器的负极相连接，另一端伸入所述钻孔内；
步骤b3：将所述高功率脉冲开关设置在所述第二导线节段或所述第三导线节段上，用于控制所述高功率脉冲电容器与所述煤样之间电路的通断状态。
上述优选方案中，高功率脉冲发生机构包括高功率脉冲电源、高功率脉冲开关以及高功率脉冲电容器，高功率脉冲电源与高功率脉冲电容器之间通过第一导线节段相连接，第二导线节段的一端与高功率脉冲电容器的正极相连接，另一端伸入钻孔内，第三导线节段的一端与高功率脉冲电容器的负极相连接，另一端伸入钻孔内，高功率脉冲开关设置在第二导线节段或第三导线节段上。使用时，首先断开高功率脉冲开关，并使高功率脉冲电源对高功率脉冲电容器进行充电，通过测量高功率脉冲电容器的正极与负极之间的电压，即可计算出高功率脉冲电容器内存储的脉冲能量。当对高功率脉冲电容器充入的电量满足实验要求时，使高功率脉冲电源停止对高功率脉冲电容器充电，随后将高功率脉冲开关闭合，此时高功率脉冲电容器释放特定脉冲能量的高压脉冲，在液体中产生冲击波，对煤样进行致裂。同时，通过控制一定时间内高功率脉冲电源对高功率脉冲电容器的充电的次数，以及高功率脉冲开关闭合的次数，即可实现以特定的频率对煤样进行致裂。
使用上述优选方案所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法进行实验，不但能够较为方便地实现以特定脉冲能量的高功率脉冲对煤样进行致裂，而且还能够较为方便地实现以特定的频率对煤样进行致裂。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤j：制作封堵块，在所述封堵块上设置第一通孔，使用所述封堵块对所述钻孔进行封堵；
步骤k：选用硬质材料制作连接杆，使所述连接杆的外壁与所述第一通孔的内壁相匹配，所述连接杆的一端为放电端，在所述放电端上安装放电器，将所述放电器的正极与所述第二导线节段相连接，将所述放电器的负极与所述第三导线节段相连接，
步骤l：将所述连接杆的放电端穿过所述第一通孔伸至所述钻孔的内部。
上述优选方案中所述的放电器可选用市面上常见的放电器。通过设置封堵块，避免了高功率脉冲在击穿钻孔内的液体后液体从钻孔的开口处喷出而减弱冲击波，同时能够实现向钻孔内注入一定压力的液体。在实验的过程中，为了使致裂煤样的效果较好，通常需要将第二导线节段的端部和第三导线节段的端部尽可能地伸入到钻孔内，同时需要确保第二导线节段端部与第三导线节段端部之间的间距满足放电要求。然而，大部分的导线的材质均较软，因此将第一导线节段和第二导线节段穿过第一通孔后伸入到钻孔底部的操作较困难，同时在第一导线节段和第二导线节段穿过第一通孔后，第一导线节段的端部与第二导线节段的端部之间的间距难以保证。通过采用硬质材料制成连接杆，在连接杆的放电端上设置放电器，同时使放电器的正极与第二导线节段相连接，使放电器的负极与第三导线节段相连接，使第一通孔的内壁与连接杆的外壁相匹配，实验时将放电端穿过第一通孔后伸至钻孔的内部，确保了第二导线节段的端部和第三导线节段的端部能够尽可能地伸入到钻孔内，同时设置了放电器，确保了第二导线节段端部与第三导线节段端部之间的间距满足放电要求。
优选地，所述步骤j中，制作封堵块还包括
步骤j1：在所述封堵块上还开设有可封闭的第一通道，使所述第一通道与所述钻孔的内部相连通；向所述钻孔内注入液体时，所述液体沿所述第一通道流入所述钻孔。
通过在封堵块上设置可封闭的第一通道，在向钻孔内注入液体时，首先将第一通道调节为敞开状态，液体通过第一通道注入钻孔。当钻孔内的液体注满且具有一定的压力后，将第一通道封闭，即可实现对钻孔内具有一定压力的液体，操作十分方便。
优选地，所述第一通道远离所述钻孔的一端为第一连接端，所述步骤j中，制作封堵块还包括
步骤j2：在所述第一连接端上安装第一管道；
步骤j3：在所述封堵块上设置第二通道，所述第二通道远离所述钻孔的一端为第二连接端，在所述第二连接端上安装第二管道；
步骤j4：在所述第一管道上安装用于控制所述第一管道通断状态的第一阀门；
步骤j5：在所述第二管道上安装用于控制所述第二管道通断状态的第二阀门；
步骤j6：在所述第二管道上安装用于测量所述液体压力的压力表。
在反复实验的过程中，研究人员发现，当钻孔内部的液体压力不同时，高功率脉冲击穿液体后产生的冲击波致裂煤样的效果也不相同，通过在第二连接端上设置第二管道，并在第二管道上设置压力表，测得了液体的压力，通过对不同压力的液体进行击穿，从而能够确定液体压力为何值时被高功率脉冲击穿后产生的冲击波对煤样的致裂效果最好。通过在第二管道上设置二阀门，同时设置第一管道，并在第一管道上设置第一阀门，更加便于对钻孔内注入液体。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***包括
步骤g1：制作用于容纳所述煤样的可封闭的压力室；
步骤g2：在所述压力室的x方向、y方向、z方向的侧壁上分别开设第二通孔；
步骤g3：在所述第二通孔上滑动设置滑动块；所述滑动块与所述压力室的内侧相对应的一端为压迫端，使所述压迫端的端部与所述煤样之间为压迫配合。
上述优选方案中，所述三轴加压***包括可封闭的压力室。实验时，将煤样放置于压力室内，并封闭压力室，通过推动滑动块使滑动块的压迫端端部对煤样进行压迫，即可实现对煤样施加三轴压力，操作十分方便。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g4：在与所述滑动块相对应的位置上安装液压油缸，使所述液压油缸与所述滑动块之间为联动配合。
上述优选方案中，通过设置液压油缸，并使液压油缸与滑动块相对应，在液压油缸与滑动块之间联动配合下，使液压油缸伸缩时，液压油缸推动或拉动滑动块滑动，使滑动块压迫煤样或与煤样分离，从而在对煤样施加三轴压力时，更加方便。
优选地，所述滑动块由绝缘材料制成。
优选地，所述滑动块中的其中一个为连通滑动块，所述煤样背离所述连通滑动块的一端为第一对应端，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g5：在所述第一对应端上安装连接块，使所述连接块的一端穿过所述压力室，伸至所述压力室的外部；
步骤g6：在所述连接块上开设有可封闭的第三通孔，在所述连通滑动块上开设有可封闭的第三通道；
步骤g7：将所述瓦斯注入***与所述第三通孔相连通；使注入的瓦斯经所述第三通孔流入所述压力室，再经所述第三通道流出所述压力室。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g8：在所述连接块上开设有第四通孔，使所述第四通孔与所述钻孔相对应，使所述第四通孔的内壁与所述封堵块的外壁相匹配。
优选地，所述步骤h中，安装瓦斯注入***包括
步骤h1：安装存储有瓦斯的压力瓶；
步骤h2：使用第三管道对所述压力瓶与所述第三通孔进行连接。
优选地，所述第三管道与所述第三通孔之间为可拆卸的连接。
优选地，所述步骤h中，安装瓦斯注入***还包括
步骤h3：在所述第三通道上安装第四管道，在所述第四管道上安装流量计，使所述流量计与所述第四管道相配合，对流经所述第三通道的瓦斯进行计量。
在实验的过程中，实验人员发现，采用高功率脉冲对煤体进行致裂后，瓦斯会穿过煤体，并沿第三通道流动至连通滑动块的外部。当煤样的致裂效果越好时，瓦斯流动的流量越大。上述优选方案中，通过在第三通道上设置第四管道，并在第四管道上设置流量计，对流经第三通道的瓦斯进行计量，使得对煤样致裂完成后，通过对比不同组的煤样对应的流量计显示的流量大小，即可确定哪一组煤样的致裂效果最好。整个确定煤样内部渗透率大小的过程无需其他仪器的配合，不但节约了实验成本，而且十分方便。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤m：安装罗氏线圈和示波器，将所述罗氏线圈安装在所述导线上，使用数据线对所述罗氏线圈与所述示波器进行连接。
在反复实验的过程中，研究人员发现，以不同放电形式的脉冲电流对液体进行击穿时，液体击穿后产生的冲击波的强度也不同，从而对煤样的致裂效果也不同。为了确保对煤体的致裂的效果最好，因此提前确定以何种形式放电时，液体击穿后产生的冲击波的强度最大。在不同的放电形式下，产生的脉冲电流所对应的电流波形均不相同。
上述优选方案中，通过安装罗氏线圈和示波器，在罗氏线圈和示波器的配合下，能够测得不同脉冲电流所对应的电流波形，通过对比不同的波形下，煤样的致裂效果，即可确定以何种波形的脉冲电流对液体进行击穿时，对煤体的致裂效果最好。调节高功率脉冲机构的放电形式，使之产生的脉冲电流所对应的波形为特定的波形，采用现有的方式即可实现。因此，在获得对煤样致裂效果最好时脉冲电流的电流波形后，通过调节高功率脉冲的放电形式，即可实现对煤体进行致裂的效果最好。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤n：选用硬质材料制作支撑管，在所述支撑管上开设若干第五通孔；
步骤o：将所述支撑管设置在所述钻孔内，使所述支撑管的外壁与所述钻孔的内壁相贴合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：能够确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量，对冲击波特性、冲击波作用煤体的损伤破坏规律进行研究，对不同波形及能量的冲击波致裂煤体规律进行数值计算分析,同时能够分析在较高围压和高瓦斯压力下含瓦斯煤破裂过程中声发射时空演化规律，探讨瓦斯压力对声发射特征的影响。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是本发明所述的煤样放置在压力室内的剖视图；
图4是图3中B处的局部放大图；
图5是本发明所述的连接块的剖视图；
图6是本发明所述的压力室的剖视图；
图7是本发明所述的压力室的在另一个方向上的剖视图；
图8是本发明所述的封堵块的剖视图，
图中标记：1-冲击波检测机构，2-煤样，3-钻孔，4-声发射检测机构，5-气体压力检测机构，6-高功率脉冲电源，7-高功率脉冲开关，8-高功率脉冲电容器，9-第一导线节段,10-第二导线节段,11-第三导线节段,12-封堵块,13-连接杆,14-第一管道,15-第一阀门,16-第二管道，17-压力表，18-第二阀门，19-压力室，20-滑动块，21-液压油缸，22-连接块，23-压力瓶，24-第三管道，25-第四管道，26-罗氏线圈，27-示波器，28-放电器，29-支撑管，121-第一通孔，122-第一通道，123-第二通道，191-第二通孔，201-第三通道，221-第三通孔，222-第四通孔，291-第五通孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，包括
步骤a：制作煤样2，在所述煤样2上预置钻孔3，向所述钻孔3内注入一定压力的液体；
步骤b：安装高功率脉冲发生机构，使用导线将高功率脉冲发生机构与所述钻孔3相连接；
步骤c：安装冲击波检测机构1；
步骤d：使所述高功率脉冲发生机构向所述钻孔3内的液体发射高功率脉冲，在所述液体中形成冲击波，致裂所述煤样2；
步骤e：使用所述冲击波检测机构1检测并分析所述煤样2内的冲击波特征。
本申请的高功率脉冲，是指脉冲功率在10KW以上的脉冲。上述方案中的冲击波检测机构1可选用市面上常见的冲击波检测仪。上述方案中的液体可选用水或其他现有的可以被电引爆的含能材料。上述方案中，通过在煤样2上预置钻孔，并向钻孔3内注入一定压力的液体，当高功率脉冲发生机构工作时，高功率脉冲发生机构向钻孔内的液体发射高功率脉冲，在液体中形成冲击波，致裂煤样2。采用这样的方式对煤样2进行致裂的致裂效果较好。
在实验开始前根据实验需要制作出多组相同的煤样2。实验时，将冲击波检测机构的多个传感器埋设在煤样2的内部的不同位置，随后使高功率脉冲发生机构以不同脉冲能量的高功率脉冲对不同组的煤样2的钻孔3内填充的液体进行击穿，使液体产生冲击波对煤样2进行致裂，并逐个记录各组煤样2所对应的脉冲能量。煤样2的破坏形式可分为抗拉破坏和抗压破坏，在钻孔3附近的破坏通常为抗压破坏。煤样2的抗拉强度小于其抗压强度，随着冲击波在煤样2内传播，冲击波的破坏能力逐渐减小，当冲击波的无法造成煤样2的抗压破坏时，煤样2的破坏形式转变为抗拉破坏。冲击波检测机构对采集到的冲击波信号进行分析，能够获知煤样内不同区域受到破坏的形式，同时冲击波检测机构对采集到的冲击波信号的位置进行分析，从而能够得到煤样2内受到破坏的区域的大小。通过对比不同组煤样2内受到破坏的区域的大小，即可确定内部破坏区域最大的一组煤样。通过查询该组煤样2所对应的脉冲能量即可确定使煤样2致裂效果较好时所需的脉冲能量，从而解决了采用高功率脉冲致裂煤体时，如何确定对煤样2致裂效果较好时所需的脉冲能量的问题。
在实验开始前根据实验需要制作出多组相同的煤样2。实验时，将冲击波检测机构1的传感器贴合在煤样2的表面，随后使高功率脉冲发生机构以不同脉冲能量的高功率脉冲对不同组的煤样2的钻孔3内填充的液体进行击穿，使液体产生冲击波对煤样2进行致裂，并逐个记录各组煤样2所对应的脉冲能量。冲击波检测机构1对采集到的冲击波信号进行分析即可得出煤样2内部的破裂程度，从而确定内部孔隙率最大的一组煤样2。通过查询该组煤样2所对应的脉冲能量即可确定使煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量，从而解决了采用高功率脉冲致裂煤体时，如何确定对煤体致裂效果较好时所需的脉冲能量的问题。
采用高功率脉冲致裂煤体的过程中，研究人员发现，采用相同脉冲能量的高功率脉冲对同一煤体进行致裂的过程中，当对同一煤体进行致裂的频率不同时，即在一定时间内对同一煤体进行致裂的次数不同时，煤体的致裂效果也不相同。为了确保致裂后的煤体具有较好的渗透性，为此，需要提前确定选择何种频率对煤体进行致裂。
使用上述方案所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法进行实验时，首先保持对煤体进行致裂的频率相同的情况下，选用不同的脉冲能量进行实验，确定致裂效果好时所需的脉冲能量；然后保持高功率脉冲的脉冲能量不变的情况下，采用不同的频率对不同组的煤样2进行致裂。致裂完成后，通过对不同组的煤样2的内部进行检测，确定孔隙率最大的一组煤样2，即可确定以何种频率对煤样2进行致裂时，煤样2的致裂效果好。
上述方案中，采用冲击波检测机构1对煤样2内的冲击波信号进行检测并进行分析，从而研究人员能够实现对高功率脉冲冲击波的产生、传播机理以及煤样2的破裂机理进行分析，同时还能够实现对冲击波特性、冲击波致裂煤样2规律的实验研究，并对不同波形能量冲击波致裂规律进行数值计算分析。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤f：安装声发射检测机构4，使用所述声发射检测机构4对所述煤样2内的声发射特征进行检测和分析。
上述优选方案中的声发射检测机构4可选用市面上常见的声发射检测仪。实验时，将声发射检测机构4的传感器贴合在煤样2的表面，随后高功率脉冲发生机构发射高功率脉冲对煤样2进行致裂，煤样2内的不同区域逐渐发生破裂，并产生声发射信号，声发射检测机构4检测不同区域破裂时产生的声发射信号，并记录检测到的声发射信号的先后顺序。待煤样2致裂完成后，声发射检测机构对采集到的声发射信号进行分析，并采用计算机进行建模，能够在计算机上清楚地反映煤样2不同区域产生破坏的动态过程。通过对声发射和冲击波共同进行分析，能够更加准确地得出煤样2内部的破裂范围。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤g：安装三轴加压***，使用所述三轴加压***对所述煤样2施加三轴压力。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤h：安装瓦斯注入***，使用所述瓦斯注入***向所述煤样2的内部注入瓦斯。
煤资源是我国主要能源之一，随着经济的发展，对煤资源的开采逐渐向深部转变。深部煤层所具有的高地应力、高瓦斯和低渗透率等特点严重影响了煤炭的安全开采。因此，开展含瓦斯煤岩在复杂应力下，特别是较高围压和高瓦斯压力下的声发射特性研究，对揭示不同应力环境下深部高瓦斯煤岩体微破裂试件的时空分布特征，保障深部高瓦斯煤层安全开采具有重要意义。
上述优选方案中所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括三轴加压***和瓦斯注入***，实验时，三轴加压***对煤样2施加三轴压力，模拟深部煤层受到的高地应力，瓦斯注入***向煤样2的内部注入瓦斯，模拟煤岩内部存在的高瓦斯压力。在实验的过程中，声发射检测机构4对煤体内部的声发射信号进行采集并进行分析，能够得到声发射空间分布规律，从而研究人员能够分析在较高围压和高瓦斯压力下含瓦斯煤破裂过程中声发射时空演化规律，探讨瓦斯压力对声发射特征的影响。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤i：安装气体压力检测机构5，使用所述气体压力检测机构5对所述煤样2内的瓦斯压力进行检测。
高功率脉冲技术作用于煤层的增渗效果受到煤层内的煤层气压力的影响，即当煤层内的煤层气压力不同时，采用相同脉冲能量的高功率脉冲对煤体进行致裂的致裂效果并不相同。上述优选方案中，通过设置气体压力检测机构5，实现了对煤样2内部瓦斯压力的检测，从而能够明确地得出煤样2在什么瓦斯压力下，受到高功率脉冲的致裂效果最好。
优选地，所述步骤b中，安装高功率脉冲发生机构包括
步骤b1：安装高功率脉冲电源6、高功率脉冲开关7以及高功率脉冲电容器8；所述导线包括第一导线节段9、第二导线节段10和第三导线节段11，
步骤b2：使用所述第一导线节段9对所述高功率脉冲电源6与所述高功率脉冲电容器8进行连接，将所述第二导线节段10的一端与所述高功率脉冲电容器8的正极相连接，另一端伸入所述钻孔3内，将所述第三导线节段11的一端与所述高功率脉冲电容器8的负极相连接，另一端伸入所述钻孔3内；
步骤b3：将所述高功率脉冲开关7设置在所述第二导线节段10或所述第三导线节段11上，用于控制所述高功率脉冲电容器8与所述煤样2之间电路的通断状态。
上述优选方案中，高功率脉冲发生机构包括高功率脉冲电源6、高功率脉冲开关7以及高功率脉冲电容器8，高功率脉冲电源6与高功率脉冲电容器8之间通过第一导线节段9相连接，第二导线节段10的一端与高功率脉冲电容器8的正极相连接，另一端伸入钻孔3内，第三导线节段11的一端与高功率脉冲电容器8的负极相连接，另一端伸入钻孔3内，高功率脉冲开关7设置在第二导线节段10或第三导线节段11上。使用时，首先断开高功率脉冲开关7，并使高功率脉冲电源6对高功率脉冲电容器8进行充电，通过测量高功率脉冲电容器8的正极与负极之间的电压，即可计算出高功率脉冲电容器8内存储的脉冲能量。当对高功率脉冲电容器8充入的电量满足实验要求时，使高功率脉冲电源6停止对高功率脉冲电容器8充电，随后将高功率脉冲开关7闭合，此时高功率脉冲电容器8释放特定脉冲能量的高压脉冲，在液体中产生冲击波，对煤样2进行致裂。同时，通过控制一定时间内高功率脉冲电源6对高功率脉冲电容器8的充电的次数，以及高功率脉冲开关7闭合的次数，即可实现以特定的频率对煤样2进行致裂。
使用上述优选方案所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法进行实验，不但能够较为方便地实现以特定脉冲能量的高功率脉冲对煤样2进行致裂，而且还能够较为方便地实现以特定的频率对煤样2进行致裂。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤j：制作封堵块12，在所述封堵块12上设置第一通孔121，使用所述封堵块12对所述钻孔3进行封堵；
步骤k：选用硬质材料制作连接杆13，使所述连接杆13的外壁与所述第一通孔121的内壁相匹配，所述连接杆13的一端为放电端，在所述放电端上安装放电器28，将所述放电器28的正极与所述第二导线节段10相连接，将所述放电器28的负极与所述第三导线节段11相连接，
步骤l：将所述连接杆13的放电端穿过所述第一通孔121伸至所述钻孔3的内部。
上述优选方案中所述的放电器28可选用市面上常见的放电器28。通过设置封堵块12，避免了高功率脉冲在击穿钻孔内的液体后液体从钻孔的开口处喷出而减弱冲击波，同时能够实现向钻孔3内注入一定压力的液体。在实验的过程中，为了使致裂煤样2的效果较好，通常需要将第二导线节段10的端部和第三导线节段11的端部尽可能地伸入到钻孔内，同时需要确保第二导线节段10端部与第三导线节段11端部之间的间距满足放电要求。然而，大部分的导线的材质均较软，因此将第一导线节段9和第二导线节段10穿过第一通孔121后伸入到钻孔底部的操作较困难，同时在第一导线节段9和第二导线节段10穿过第一通孔121后，第一导线节段9的端部与第二导线节段10的端部之间的间距难以保证。通过采用硬质材料制成连接杆13，在连接杆13的放电端上设置放电器28，同时使放电器28的正极与第二导线节段10相连接，使放电器28的负极与第三导线节段11相连接，使第一通孔121的内壁与连接杆13的外壁相匹配，实验时将放电端穿过第一通孔121后伸至钻孔的内部，确保了第二导线节段10的端部和第三导线节段11的端部能够尽可能地伸入到钻孔内，同时设置了放电器28，确保了第二导线节段10端部与第三导线节段11端部之间的间距满足放电要求。
优选地，所述步骤j中，制作封堵块12还包括
步骤j1：在所述封堵块12上还开设有可封闭的第一通道122，使所述第一通道122与所述钻孔3的内部相连通；向所述钻孔3内注入液体时，所述液体沿所述第一通道122流入所述钻孔3。
通过在封堵块12上设置可封闭的第一通道122，在向钻孔内注入液体时，首先将第一通道122调节为敞开状态，液体通过第一通道122注入钻孔。当钻孔内的液体注满且具有一定的压力后，将第一通道122封闭，即可实现对钻孔内具有一定压力的液体，操作十分方便。
优选地，所述第一通道122远离所述钻孔3的一端为第一连接端，所述步骤j中，制作封堵块12还包括
步骤j2：在所述第一连接端上安装第一管道14；
步骤j3：在所述封堵块12上设置第二通道123，所述第二通道123远离所述钻孔的一端为第二连接端，在所述第二连接端上安装第二管道16；
步骤j4：在所述第一管道14上安装用于控制所述第一管道14通断状态的第一阀门15；
步骤j5：在所述第二管道16上安装用于控制所述第二管道16通断状态的第二阀门18；
步骤j6：在所述第二管道16上安装用于测量所述液体压力的压力表17。
在反复实验的过程中，研究人员发现，当钻孔3内部的液体压力不同时，高功率脉冲击穿液体后产生的冲击波致裂煤样2的效果也不相同，通过在第二连接端上设置第二管道16，并在第二管道16上设置压力表17，测得了液体的压力，通过对不同压力的液体进行击穿，从而能够确定液体压力为何值时被高功率脉冲击穿后产生的冲击波对煤样2的致裂效果最好。通过在第二管道16上设置二阀门，同时设置第一管道14，并在第一管道14上设置第一阀门15，更加便于对钻孔3内注入液体。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***包括
步骤g1：制作用于容纳所述煤样2的可封闭的压力室19；
步骤g2：在所述压力室19的x方向、y方向、z方向的侧壁上分别开设第二通孔191；
步骤g3：在所述第二通孔191上滑动设置滑动块20；所述滑动块20与所述压力室19的内侧相对应的一端为压迫端，使所述压迫端的端部与所述煤样2之间为压迫配合。
上述优选方案中，所述三轴加压***包括可封闭的压力室19。实验时，将煤样2放置于压力室19内，并封闭压力室19，通过推动滑动块20使滑动块20的压迫端端部对煤样2进行压迫，即可实现对煤样2施加三轴压力，操作十分方便。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g4：在与所述滑动块20相对应的位置上安装液压油缸21，使所述液压油缸21与所述滑动块20之间为联动配合。
上述优选方案中，通过设置液压油缸21，并使液压油缸21与滑动块20相对应，在液压油缸21与滑动块20之间联动配合下，使液压油缸21伸缩时，液压油缸21推动或拉动滑动块20滑动，使滑动块20压迫煤样2或与煤样2分离，从而在对煤样2施加三轴压力时，更加方便。
优选地，所述滑动块20由绝缘材料制成。
优选地，所述滑动块20中的其中一个为连通滑动块，所述煤样2背离所述连通滑动块的一端为第一对应端，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g5：在所述第一对应端上安装连接块22，使所述连接块22的一端穿过所述压力室19，伸至所述压力室19的外部；
步骤g6：在所述连接块22上开设有可封闭的第三通孔221，在所述连通滑动块上开设有可封闭的第三通道201；
步骤g7：将所述瓦斯注入***与所述第三通孔221相连通；使注入的瓦斯经所述第三通孔221流入所述压力室19，再经所述第三通道201流出所述压力室19。
优选地，所述步骤g中，安装三轴加压***还包括
步骤g8：在所述连接块22上开设有第四通孔222，使所述第四通孔222与所述钻孔3相对应，使所述第四通孔222的内壁与所述封堵块12的外壁相匹配。
优选地，所述步骤h中，安装瓦斯注入***包括
步骤h1：安装存储有瓦斯的压力瓶23；
步骤h2：使用第三管道24对所述压力瓶23与所述第三通孔221进行连接。
优选地，所述第三管道24与所述第三通孔221之间为可拆卸的连接。
优选地，所述步骤h中，安装瓦斯注入***还包括
步骤h3：在所述第三通道201上安装第四管道25，在所述第四管道25上安装流量计，使所述流量计与所述第四管道25相配合，对流经所述第三通道201的瓦斯进行计量。
在实验的过程中，实验人员发现，采用高功率脉冲对煤体进行致裂后，瓦斯会穿过煤体，并沿第三通道201流动至连通滑动块的外部。当煤样2的致裂效果越好时，瓦斯流动的流量越大。上述优选方案中，通过在第三通道201上设置第四管道25，并在第四管道25上设置流量计，对流经第三通道201的瓦斯进行计量，使得对煤样2致裂完成后，通过对比不同组的煤样2对应的流量计显示的流量大小，即可确定哪一组煤样2的致裂效果最好。整个确定煤样2内部渗透率大小的过程无需其他仪器的配合，不但节约了实验成本，而且十分方便。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤m：安装罗氏线圈26和示波器27，将所述罗氏线圈26安装在所述导线上，使用数据线对所述罗氏线圈26与所述示波器27进行连接。
在反复实验的过程中，研究人员发现，以不同放电形式的脉冲电流对液体进行击穿时，液体击穿后产生的冲击波的强度也不同，从而对煤样2的致裂效果也不同。为了确保对煤体的致裂的效果最好，因此提前确定以何种形式放电时，液体击穿后产生的冲击波的强度最大。在不同的放电形式下，产生的脉冲电流所对应的电流波形均不相同。
上述优选方案中，通过安装罗氏线圈26和示波器27，在罗氏线圈26和示波器27的配合下，能够测得不同脉冲电流所对应的电流波形，通过对比不同的波形下，煤样2的致裂效果，即可确定以何种波形的脉冲电流对液体进行击穿时，对煤体的致裂效果最好。调节高功率脉冲机构的放电形式，使之产生的脉冲电流所对应的波形为特定的波形，采用现有的方式即可实现。因此，在获得对煤样2致裂效果最好时脉冲电流的电流波形后，通过调节高功率脉冲的放电形式，即可实现对煤体进行致裂的效果最好。
优选地，所述多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法还包括
步骤n：选用硬质材料制作支撑管29，在所述支撑管29上开设若干第五通孔291；
步骤o：将所述支撑管29设置在所述钻孔3内，使所述支撑管29的外壁与所述钻孔3的内壁相贴合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：包括
步骤a：制作煤样(2)，在所述煤样(2)上预置钻孔(3)，向所述钻孔(3)内注入一定压力的液体；
步骤b：安装高功率脉冲发生机构，使用导线将高功率脉冲发生机构与所述钻孔(3)相连接；
步骤c：安装冲击波检测机构(1)；
步骤d：使所述高功率脉冲发生机构向所述钻孔(3)内的液体发射高功率脉冲，在所述液体中形成冲击波，致裂所述煤样(2)；
步骤e：使用所述冲击波检测机构(1)检测并分析所述煤样(2)内的冲击波特征。
2.根据权利要求1所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤f：安装声发射检测机构(4)，使用所述声发射检测机构(4)对所述煤样(2)内的声发射特征进行检测和分析。
3.根据权利要求2所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤g：安装三轴加压***，使用所述三轴加压***对所述煤样(2)施加三轴压力。
4.根据权利要求3所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤h：安装瓦斯注入***，使用所述瓦斯注入***向所述煤样(2)的内部注入瓦斯。
5.根据权利要求4所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤i：安装气体压力检测机构(5)，使用所述气体压力检测机构(5)对所述煤样(2)内的瓦斯压力进行检测。
6.根据权利要求5所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：所述步骤b中，安装高功率脉冲发生机构包括
步骤b1：安装高功率脉冲电源(6)、高功率脉冲开关(7)以及高功率脉冲电容器(8)；所述导线包括第一导线节段(9)、第二导线节段(10)和第三导线节段(11)，
步骤b2：使用所述第一导线节段(9)对所述高功率脉冲电源(6)与所述高功率脉冲电容器(8)进行连接，将所述第二导线节段(10)的一端与所述高功率脉冲电容器(8)的正极相连接，另一端伸入所述钻孔(3)内，将所述第三导线节段(11)的一端与所述高功率脉冲电容器(8)的负极相连接，另一端伸入所述钻孔(3)内；
步骤b3：将所述高功率脉冲开关(7)设置在所述第二导线节段(10)或所述第三导线节段(11)上，用于控制所述高功率脉冲电容器(8)与所述煤样(2)之间电路的通断状态。
7.根据权利要求6所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤j：制作封堵块(12)，在所述封堵块(12)上设置第一通孔(121)，使用所述封堵块(12)对所述钻孔(3)进行封堵；
步骤k：选用硬质材料制作连接杆(13)，使所述连接杆(13)的外壁与所述第一通孔(121)的内壁相匹配，所述连接杆(13)的一端为放电端，在所述放电端上安装放电器(28)，将所述放电器(28)的正极与所述第二导线节段(10)相连接，将所述放电器(28)的负极与所述第三导线节段(11)相连接，
步骤l：将所述连接杆(13)的放电端穿过所述第一通孔(121)伸至所述钻孔(3)的内部。
8.根据权利要求7所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：所述步骤j中，制作封堵块(12)还包括
步骤j1：在所述封堵块(12)上还开设有可封闭的第一通道(122)，使所述第一通道(122)与所述钻孔(3)的内部相连通；向所述钻孔(3)内注入液体时，所述液体沿所述第一通道(122)流入所述钻孔(3)。
9.根据权利要求8所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：所述步骤g中，安装三轴加压***包括
步骤g1：制作用于容纳所述煤样(2)的可封闭的压力室(19)；
步骤g2：在所述压力室(19)的x方向、y方向、z方向的侧壁上分别开设第二通孔(191)；
步骤g3：在所述第二通孔(191)上滑动设置滑动块(20)；所述滑动块(20)与所述压力室(19)的内侧相对应的一端为压迫端，使所述压迫端的端部与所述煤样(2)之间为压迫配合。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的多场耦合可控冲击波致裂含瓦斯煤体的实验方法，其特征在于：还包括
步骤m：安装罗氏线圈(26)和示波器(27)，将所述罗氏线圈(26)安装在所述导线上，使用数据线对所述罗氏线圈(26)与所述示波器(27)进行连接。
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