本发明属于煤层致裂，具体涉及一种高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统及实验方法。
背景技术：
1、随着增透技术不断发展，在增透过程中对煤体产生的裂隙扩展及裂纹延伸方向有了研究，比如cn202222009036.9披露了一种模拟瓦斯抽采钻孔孔周表面裂隙演化及其监测的实验装置，其通过在实验模拟箱内铺设模拟煤层和岩层并通入瓦斯气体，上方进行压力加载，以模拟不同条件下的瓦斯抽采钻孔的环境。前述公开专利为常规的单轴加载，无法模拟煤样在超声增透致裂过程中煤表面裂纹演化过程。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，本发明的第二个目的是提供一种基于前述高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统的实验方法。
2、为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，包括用于放置煤样的顶部设有盖板的超声激励槽、超声激励系统、加载系统、注水系统、注气排气系统、以及表面裂纹监测系统；加载系统对超声激励槽中的煤样施加应力，注水系统向超声激励槽中注入高压水以使煤样处于高压水环境，超声激励系统产生超声波以致裂超声激励槽中的煤样，表面裂纹监测系统监测煤样表面裂纹，注气排气系统向超声激励槽中注入和排出气体以使煤样进行吸附解吸试验。
3、上述技术方案，煤样由加载系统固定并模拟地应力，煤样由超声致裂或在高压水环境下进行超声致裂，通过表面裂纹监测系统监测煤样表面裂纹或者内部裂隙、以及裂纹的扩展方向和程度，以获得煤样表面变形及裂纹扩展的信息，煤样超声致裂后，再进行吸附解吸实验，以研究超声或者带水压超声对煤样裂纹扩展和吸附有什么影响。本发明为集应力加载、高压水超声振动、超声致裂吸附解吸于一体的致裂实验系统，实用性强。
4、在本发明的一种优选实施方式中，超声激励系统包括超声发生器、以及通过超声线缆与超声发生器相连的安装在超声激励槽侧壁上的若干超声换能器，若干超声换能器发出的超声频率相同或不同。
5、上述技术方案，在超声激励槽侧壁上安装若干超声换能器，超声效果好，而且若干超声换能器的超声频率相同或不同，可根据情况实现高压水多频超声振动，观察煤样裂纹情况。
6、在本发明的一种优选实施方式中，若干超声换能器沿高度方向间隔和周向间隔设置在超声激励槽侧壁上；和/或超声激励槽的侧壁为具有空腔的双层结构，空腔中填充有水，超声换能器的超声发射端位于空腔中。
7、上述技术方案，超声更均匀，致裂效果更好；超声换能器直接接触水发生超声，利于超声的传播，使超声激励槽内的水分子振动，并产生聚焦效应，利于致裂煤样。
8、在本发明的一种优选实施方式中，加载系统包括液压缸，液压缸的液压杆穿过盖板向下伸入超声激励槽中，液压杆的下端固接有位于煤样上方且能够覆盖煤样上表面的加压板。
9、上述技术方案，液压缸的加载负荷大且可靠性高，经济性更好。
10、在本发明的另一种优选实施方式中，盖板与超声激励槽顶壁可拆卸固接，盖板套设在液压杆外并与液压杆外壁密封连接，盖板为由至少两个子板组成的可拆卸结构；或者盖板与液压杆固接，盖板外壁与超声激励槽内壁竖向滑动连接且密封连接。
11、上述技术方案，提供了盖板与超声激励槽和液压杆连接的两种实现方式，方便盖板从超声激励槽上拆下。
12、在本发明的另一种优选实施方式中，注水系统包括与超声激励槽连接的与超声激励槽内部相通的第一注水管，第一注水管的入口与加压水源相连，第一注水管上设有用于调节压力的第一调压阀。
13、上述技术方案，第一注水管用于向超声激励槽内注入高压水，通过控制第一调压阀调节压力，便可对煤样所处环境施加一定水压。
14、在本发明的另一种优选实施方式中，超声激励槽侧壁的底部还安装有与超声激励槽内部相通的出水管，出水管上设有出水阀。
15、上述技术方案，通过设置出水管和出水阀，便于超声致裂煤样实验后，排出超声激励槽中的水。
16、在本发明的另一种优选实施方式中，注气排气系统包括与超声激励槽连接的且与其内部相通的注气管和出气管，注气管的进气口与储气罐相连，储气罐的下游还设连接与注气管的进气口相连的参考罐，注气管上设有调气阀，出气管能够与抽真空泵相连，出气管上设有出气阀；超声激励槽还连接有用于检测其内气压的压力传感器，压力传感器的信号输出端与压力仪相连。
17、上述技术方案，储气罐为提供气体的气源，参考罐起稳压的作用，注气管用于向超声激励槽中注入气体，调气阀调节压力，便可对煤样所处环境施加一定气压，利于煤样进行吸附试验，压力传感器用于检测超声激励槽中的气压；出气管用于对超声激励槽抽真空、以及排出超声激励槽中气体以进行解析试验。
18、在本发明的另一种优选实施方式中，煤样的表面喷涂有人工散斑，超声激励槽的侧壁上对应人工散斑的区域设有可视化窗口，表面裂纹监测系统包括对人工散斑进行照明的照明装置、以及拍摄人工散斑的相机装置。
19、上述技术方案，人工散斑配合可视化窗口形成dic可视化散斑，照明装置对人工散斑打光，便于相机装置对煤样表面裂纹进行监测。
20、为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统的实验方法，包括如下步骤：
21、s1，根据煤样特性控制加载系统对煤样施加应力以模拟地应力；
22、s2，关闭盖板；
23、s3，启动超声激励系统，通过超声振动致裂煤样，表面裂纹监测系统监测煤样表面变形及裂纹扩展的信息；或在超声振动之前通过注水系统向超声激励槽中注入高压水以使煤样处于高压水环境，通过超声振动空化致裂煤样；
24、s4，致裂煤样结束后，排净超声激励槽中的水；
25、s5，对超声激励槽抽真空；
26、s6，通过注气排气系统向超声激励槽中注入气体并达到设定压力，煤样进行吸附实验；
27、s7，提高超声激励槽中气压，进行阶梯吸附试验，直至超声激励槽中气压达到最高吸附压力后，通过注气排气系统排出超声激励槽中气体，煤样进行解吸实验；
28、s8，通过如下公式获取煤样吸附气体量：
29、
30、其中，qn为第n次充入气体后煤样累计吸附气体量；qn-1为第n-1次充入气体后煤样累计吸附气体量；vm为气体摩尔体积；t为实验系统温度；r为气体常数；m为煤样质量；vc为串联在超声激励槽进气口上的参考罐的容积；vf为超声激励槽的容积；pn0为注气排气系统参考罐初始压力；zn0为吸附压力pn0和温度t条件下的气体压缩因子；pn-1为第n-1次充入气体后的吸附平衡压力；zn-1为吸附压力pn-1和温度t条件下ch4压缩系数；pn为吸附平衡压力；zn为吸附压力pn和温度t条件下的气体压缩因子。
31、本发明可用于研究超声或者带水压超声对煤样裂纹扩展和吸附有什么影响，而且还可通过计算获得煤样吸附气体量，更直观的获得超声或者带水压超声对煤样吸附的影响。
32、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，包括用于放置煤样的顶部设有盖板的超声激励槽、超声激励系统、加载系统、注水系统、注气排气系统、以及表面裂纹监测系统；
2.根据权利要求1所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述超声激励系统包括超声发生器、以及通过超声线缆与超声发生器相连的安装在超声激励槽侧壁上的若干超声换能器，若干超声换能器发出的超声频率相同或不同。
3.根据权利要求2所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，若干所述超声换能器沿高度方向间隔和周向间隔设置在超声激励槽侧壁上；
4.根据权利要求1所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述加载系统包括液压缸，液压缸的液压杆穿过所述盖板向下伸入超声激励槽中，所述液压杆的下端固接有位于煤样上方且能够覆盖煤样上表面的加压板。
5.根据权利要求4所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述盖板与超声激励槽顶壁可拆卸固接，所述盖板套设在液压杆外并与液压杆外壁密封连接，所述盖板为由至少两个子板组成的可拆卸结构；
6.根据权利要求1所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述注水系统包括与超声激励槽连接的且与其内部相通的第一注水管，所述第一注水管的入口与加压水源相连，所述第一注水管上设有用于调节压力的第一调压阀。
7.根据权利要求6所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述超声激励槽侧壁的底部还安装有与超声激励槽内部相通的出水管，所述出水管上设有出水阀。
8.根据权利要求1所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述注气排气系统包括与超声激励槽连接的且与其内部相通的注气管和出气管，所述注气管的进气口与储气罐相连，所述储气罐的下游还设连接与注气管的进气口相连的参考罐，注气管上设有调气阀，所述出气管能够与抽真空泵相连，出气管上设有出气阀；
9.根据权利要求1-8中任一项所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统，其特征在于，所述煤样的表面喷涂有人工散斑，所述超声激励槽的侧壁上对应人工散斑的区域设有可视化窗口，所述表面裂纹监测系统包括对人工散斑进行照明的照明装置、以及拍摄人工散斑的相机装置。
10.基于权利要求1-9中任一项所述的高压水环境煤岩受载超声振动空化致裂实验系统的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
