本发明涉及煤体水力压裂，特别是一种煤体水力压裂裂缝起裂及扩测试实验方法和装置。
背景技术：
1、我国煤层气资源丰富且赋存条件复杂，煤体内部瓦斯流动性较差导致不能高效的实现瓦斯抽采。水力压裂技术是一种重要的含瓦斯煤层改造增产技术，由于该技术使用条件简便且成本较低而被应用于煤矿井下区域煤体增透，以此来达到煤与瓦斯共采、降低瓦斯突出事故危险性的目的。而基于煤体特性进行室内水力压裂模拟实验，可以获得煤体水力压裂基础数据和裂缝起裂、扩展规律，为指导现场压裂施工和预测煤层内瓦斯量提供科学依据。
2、针对室内煤体水力压裂物理模拟实验，一般都采用大尺寸三轴水力压裂模拟试验系统，目前也出现众多不同类型、功能的试验系统，而能够实现水力压裂裂缝变化观测的主要分为以下两类。
3、第一类是煤样可视化。这类方法往往需要在打破原有煤样基础上进行重构，该方法不仅在煤样重构过程中耗费大量人力、物力和时间，而且在原有煤样被打破重构后，其原始结构发生变化，无法探究其原始煤样的裂缝起裂及扩展变化规律。此外，在对可视化煤样进行围压加载时，煤样往往被压力片覆盖，不仅没有多余空间放置摄像机，且试件被覆盖后光线较暗，无法获取到清晰的裂缝变化图像，借助相关软件对质量较差的图像进行再处理也难免会出现误差。
4、第二类是围压加载装置可视化。这类方法将围压加载板改为透明材质，用摄像机或其它设备来记录煤体外表面的裂缝演化过程，可以较好的观测到水力压裂作用下煤体外表面的裂缝变化规律。但在水力压裂的作用下，煤体裂缝最初形成于煤体内部，由内向外在煤体表面产生裂缝，该方法不能较好的记录试样内部的裂缝起裂及演化过程。
5、目前能够监测到水力压裂裂缝起裂及扩展变化图像的研究较少，现有研究结果并不能满足目前对观测裂缝起裂及扩展的实际需求，要想实现煤体内外的裂缝起裂及扩展监测还需要新的实验装置和实验方法。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种可以在水力压裂过程中实时监测裂缝起裂及扩展的试验系统，用以改进上述现有技术的不足。该装置能够在煤体压裂过程中，实现对其内部和外部裂缝起裂及扩展的实时监测，同时本发明也提出了一种该实验装置的实验方法。
2、为达到上述目的，本发明提供的一种煤体水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，包括用于对正方体试件进行地应力模拟的三轴加载装置、用于向煤体内部注水的恒速恒压注入系统、实时监测内部裂缝起裂及扩展的测试系统和实时监测外部裂缝起裂及扩展的测试系统。
3、所述进行地应力模拟三轴加载装置包括装置底座、装置外壳、与外壳相连的承托柱、放置实验试样的承托外壳以及应力调节装置。承托柱和承托外壳均用高强度透明亚克力板制成，承托柱与承托外壳始终保持垂直；在另外的三个面上分别设置加压盘，加压盘也采用高强度透明亚克力板制成，加压盘与活塞杆相连，轴向加压盘与活塞杆内部预设通道放置双层内嵌式透明管，其中外侧透明管用于对煤体进行水压加载，内侧管道与外部相连，用于观测试样内部裂缝起裂及变化。下侧装置底座设有预制孔，通过排液管道将压裂液流入压裂液收集罐；加载装置外壳外设有三个液压泵，液压泵与活塞杆相连，带动加压盘对试样进行三轴应力加载。
4、所述向煤体内部注水的恒速恒压注入系统包括储水罐和水压调节泵，该泵表面设有压力和速度的调节按钮，可根据实际情况调节相关参数，同时有显示屏可实时显示二者参数。
5、所述实时监测内部裂缝起裂及扩展的测试系统包括360°小型高清内窥摄像机、与摄像机相连的导线、实时显示摄像机图像的显示器。该相机通过预设管道放于双层内嵌式透明管内侧，外部通过导线与显示器连接。
6、所述实时监测外部裂缝起裂及扩展的测试系统包括两个高清摄像机、与摄像机相连的导线，实时显示摄像机图像的显示器。两个高清摄像机分别安置于正方体加载装置的下侧对角位置，该角度可完整观测到正方体试样的表面裂缝变化。
7、所述显示器可分屏同时显示试样内部与外部裂缝起裂及变化图像；正方体加载装置外壳上部预设一小孔，供导线与显示器相连；其中承托柱采用加宽设计，该设计可使煤样获得更大应力范围加载而承托外壳不破裂。
8、所述液压泵通过导线与应力调节装置相连，该装置显示屏可实时观测目前所模拟的地应力大小，同时可通过按钮调节所需的地应力大小，以满足不同的实验条件。
9、采用水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置的实验方法，包括以下步骤：
10、步骤一：根据实验装置制作实验试样，外形尺寸大小为15cm×15cm×15cm，采用打磨机进行打磨，保证试样表变光滑平整，接着在煤样顶部钻取预制孔。
11、步骤二：将设计的双层内嵌式透明管置于预先钻取的孔洞中，运用酚醛树脂材料进行密封粘结，启动液压泵和应力调节装置进行预先压力加载，确保360°小型高清内窥摄像机通过活塞杆和轴向加压盘预留的管道顺利放置于内层透明管中，同时将注液管与外侧透明管通过转接口相连。
12、步骤三：打开显示器，分别调节观测内、外部裂缝起裂及变化的摄像机角度，使显示器能清晰明亮的观测到煤体内、外表面。
13、步骤四：再次启动液压泵，通过调节按钮使将压力调整到实验所需数值。
14、步骤五：打开水压调节泵，选择实验所需的注水速度和压力进行水力压裂实验，内外摄像机分别记录从注水开始到结束过程中的裂缝变化情况，整个变化过程通过显示器观测并保存。
15、步骤六：加载试验结束后，关闭水压调节泵停止供水，卸载试样所受载荷，关闭显示器屏幕，轻轻取出置于双层玻璃管内侧的360°小型高清内窥摄像机，取下受载煤样并检查线路，完成本次实验。
16、本发明采用上述结构，与常见水力压裂裂缝观测装置相比具有以下有益效果：
17、本发明改进了现有实验中只能观测内部或外部试样单一的裂缝变化情况，提出了运用高强度透明亚克力板当作承托柱、承托外壳和加压盘，替代了原有金属制品结构，该亚克力板最大支持压力可满足基本实验要求；本发明提出了双层内嵌式透明玻璃管结构，该结构可同时满足水力加压和观测内部裂缝起裂及扩展的要求，且内部360°小型高清内窥摄像机可以较全面的观测到裂缝的起裂及变化情况，该透明管上侧向外部延申，供该内窥相机及导线进入内层玻璃管，内层管道与外层相互独立，外层管道右侧设有接口，供水力压裂液进入进行水压加载；该双层玻璃管为钢化玻璃材质，其厚度与大小均经过优化设计，内窥相机可清晰拍摄到裂缝大小和位置，同时也可承受水力压裂实验所施加的压力。
1.一种煤体水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述进行地应力模拟三轴加载装置包括装置底座13、装置外壳4、与外壳4相连的承托柱6、放置实验试样的承托外壳16以及应力调节装置，承托柱6和承托外壳16均用高强度透明亚克力板制成，承托柱6与承托外壳16始终保持垂直；在另外的三个面上分别设置加压盘21，加压盘21也采用高强度透明亚克力板制成，加压盘21与活塞杆10相连，轴向加压盘21与活塞杆10内部预设通道放置双层内嵌式透明管3，其中外侧透明管20用于对煤体进行水压加载，内层透明管19与外部相连，用于观测试样内部裂缝起裂及变化，下侧装置底座13设有预制孔，连接排液管道14供压裂液流入压裂液收集罐15；加载装置外壳外设有三个液压泵2，液压泵与活塞杆10相连，带动加压盘21对试样进行三轴应力加载。
2.如权利要求1所述的水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述向煤体内部注水的恒速恒压注入系统包括储水罐8和水压调节泵5，该泵表面设有压力和速度的调节按钮，可根据实际情况调节相关参数，同时有显示屏可实时显示二者参数。
3.如权利要求1所述的水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述实时监测内部裂缝起裂及扩展的测试系统包括360°小型高清内窥摄像机22、与摄像机相连的导线、实时显示摄像机图像的显示器9，该相机通过预设管道放于双层内嵌式透明管内侧19，外部通过导线与显示器9连接。
4.如权利要求1所述的水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述实时监测外部裂缝起裂及扩展的测试系统包括两个高清摄像机11、与摄像机相连的导线12，实时显示摄像机图像的显示器9，两个高清摄像机11分别安置于正方体加载装置的下侧对角位置，该角度可完整观测到正方体试样的表面裂缝变化。
5.如权利要求3或4所述的水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述显示器9可分屏同时显示试样内部与外部裂缝起裂及变化图像；正方体加载装置外壳上部预设一小孔，供导线与显示器9相连；其中承托柱6采用加宽设计，该设计可使煤样获得更大应力范围加载而承托外壳不破裂。
6.如权利要求1所述的水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置，其特征在于：所述液压泵2通过导线与应力调节装置1相连，该装置显示屏可实时观测目前所模拟的地应力大小，同时可通过按钮调节所需的地应力大小，以满足不同的实验条件。
7.一种煤体水力压裂裂缝起裂及扩展测试实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
