CN101354355A - 一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统 - Google Patents

Abstract

一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，在测试腔的敞口处固定透明视镜，透明视镜外设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架上安装体视显微镜及CCD摄像机；测量导线的内端连接声发射传感器，外端与声发射放大器和声发射卡相接；测试腔通过多用气孔与气管相通，气管分为两路，一路与高压气瓶相接，另一路与真空泵相接；在测试腔内设置有垫块、限位压头和加载头，垫块“L”形缺口的纵向面正对限位压头，垫块“L”形缺口的横向面正对加载头。本发明为揭示瓦斯作用下煤岩细观结构损伤规律，进一步深入了解含瓦斯煤岩物理力学性质，科学揭示煤岩动力现象的发生机理和开发相应的灾害防治技术提供了更全面、可靠的试验手段。

Description

一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统

技术领域

本发明涉及一种含瓦斯煤岩的细观力学试验系统，具体涉及不同瓦斯压力作用下，不同受力状态下突出煤岩破裂全过程的细观力学试验系统，以便采用动态显微观测、声发射实时监测等试验测试方法，对考虑瓦斯作用下及不同受力条件下的煤岩变形破坏全过程进行细观力学试验。

背景技术

煤炭工业是我国十分重要的基础产业，其能否健康、稳定、持续地发展是关系国家能源安全的重大问题。然而，各地煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故频发，煤矿瓦斯灾害已严重影响了煤炭工业的健康发展。随着浅部或地质条件简单、煤层赋存条件好的煤炭资源开采储量日益枯竭，我国煤矿企业生产已逐渐向深部或地质条件复杂的区域转移，研究煤与瓦斯共同作用机理，煤与瓦斯在资源开采中的动态作用过程，对我国及世界煤炭工业的发展，防治矿井煤与瓦斯突出灾害，具有重要的技术支撑作用。当前，在煤与瓦斯突出机理的研究中，煤与瓦斯突出机理的综合作用假说最具代表性，它强调煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及煤体物理力学性质三者综合作用的结果。其中，地应力和瓦斯压力是突出发生与发展的动力，煤体物理力学性质则体现出阻碍突出的发生和发展。目前，前两方面的研究已经比较深入，并在实际应用中取得了一定的效果。研究瓦斯作用下，煤体物理力学特性是揭示煤与瓦斯突出过程中煤与瓦斯相互作用机理的重要途径，已有的宏观试验研究还有许多不能解释的现象。从细观力学研究的角度出发，结合煤岩宏观的变形破坏特征，掌握含瓦斯煤岩细观变形破坏的规律，可以为煤与瓦斯突出的有关问题给予更科学的解释，对揭示煤与瓦斯突出机理及提出更加科学合理的防治技术具有重要的理论价值和工程应用价值。

目前，针对岩土类材料的细观力学试验系统主要通过以下三种方式来实现：一是利用计算机层析技术(CT)和岩石力学实验设备相结合的试验系统，如中科院寒区旱区环境与工程研究所研制的岩土力学专用加载设备与X射线CT机配套，可完成单轴、假三轴、周期载荷、高温、负温下的CT检测试验，但该系统仪器设备昂贵，试验费用较高，同时对固-气耦合状态下的试验测试报道很少；二是利用扫描电镜(SEM)和微加载装置相结合的试验系统，如中国矿业大学的SEM高温疲劳实验系统，可进行金属、非金属材料在静、动态加载时微细观结构变化和缺陷演化的实时观测，但受到SEM实验设备原理的限制，即加载只能在真空状态下进行，所以无法进行固-气耦合状态下的试验；三是利用光学显微镜和加载装置相结合的试验系统，如中科院武汉岩土力学研究所研制了岩石细观力学加载仪，该仪器配装在光学体视显微镜下，可以观察岩样在单轴加载过程中，四个平面变形破坏的全过程，同时，还研制了应力-水流-化学耦合的岩石单轴、三轴压缩细观力学试验装置，但该装置对密封及压力要求不高，不能进行固-气耦合状态的试验。

另外，针对含瓦斯煤岩的细观装置非常少见。仅有中国矿业大学何学秋教授研制的含瓦斯煤变形及破裂动态显微观测系统，其加载装置为设置有观测窗口的圆柱形压力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧磨成平面宽度约为10mm～15mm的平面，作为观测平面。观测系统采用长距离高倍显微镜，可进行左右摆动。由于光学显微镜对观测面的要求较高，该装置采用圆柱形试件，观测面范围较小，且显微镜只能进行左右摆动观测，致使观测范围小，不能追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测；其次，该装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大；而且，从现有的研究成果看，其观测的可靠性还有待进一步提高。

此外，利用SEM和光学显微镜的观测系统，虽然能较好地反映试件表面的细观结构变化，却不能反映试件内部的变化情况。然而，在岩土类材料的受力破坏过程中，其内部将产生微破裂，同时原始的裂纹、裂隙不断扩展、断裂、汇合贯通。对试验过程中试件的声发射信号进行监测，根据声发射信号的特征可以推断出受力岩石内部的性态变化，反演出岩石的破坏机理及破坏程度。声发射的特征参数(如振幅、频率等)可以反映微开裂的数量和裂纹的尺寸，同时，还可以利用系统所带的软件对声发射进行定位，从而推断试件的动态损伤情况。现有的试验系统大都是单一的采用动态显微观测或声发射监测，试验测试手段单一。尤其是在含瓦斯煤岩细观力学试验中，动态显微观测和声发射实时监测还不能结合在一起构成一套完整的含瓦斯煤岩细观力学系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，以便进行不同瓦斯压力作用、不同受力状态下的煤岩细观力学试验，并采用动态显微观测和声发射监测两种手段获得试件表面裂纹的实时变化图像和反映试件内部结构的损伤演化过程的声发射特征。

本发明的技术方案如下：一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，在实验体上开设有测试腔、测量孔和多用气孔，其中测试腔的敞口处通过压盖固定有透明视镜，在透明视镜的正前方设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架上安装有体视显微镜，在体视显微镜靠近透明视镜的一端安装环形灯，远离透明视镜的一端安装CCD摄像机；在所述测量孔内穿设测量导线，该测量导线的内端位于测试腔中，并连接有声发射传感器，测量导线的外端从实验体的侧面引出，并与声发射放大器的输入端连接，声发射放大器的输出端与声发射卡相接；所述多用气孔的内端口位于测试腔的内壁，多用气孔的外端口在实验体的侧面，从该外端口处引出的气管分为两路，一路依次串联瓦斯控制阀、减压阀后，与高压气瓶相接，另一路串联真空控制阀后，与真空泵相接；在所述测试腔内设置有垫块、限位压头和加载头，其中垫块的上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的纵向面正对限位压头，限位压头固定于限位杆的内端，限位杆的外端伸出实验体外，并由锁紧机构限位，所述“L”形缺口的横向面正对加载头，该加载头固定于加载杆的下端，所述加载杆的上端向上伸出实验体外。

本发明中，测试腔是试验进行的场所，用于放置试件；测试腔内有垫块和限位压头，可限制试件侧向位移。加载杆由岩石刚性试验机施加压力，岩石刚性试验机可提供多种加载方式，包括位移加载和应力加载，同时自动记录加载过程中的轴向压力和位移。多用气孔引出的气管分成两路，一路与抽真空设备连接，另一路与外界高压供气设备连接，以便在试验前对测试腔进行抽真空和充瓦斯操作，抽真空后需达到一定的真空度，充瓦斯后能保持一定的瓦斯压力。声发射传感器通过测量导线将生发射信号传递到声发射放大器，并通过声发射放大器将信号放大后，传递给声发射卡，最后由计算机内的采集分析软件从声发射卡处得到声发射信号。透明视镜为整个实验过程的显微观测提供了有效途径，体视显微镜通过透明视镜可实现对试验过程的实时显微观测，并实现光学放大；体视显微镜在三维移动显微观测架的作用下，可相对于透明视镜做上下、左右和前后移动，实现了多角度全方位观察。CCD摄像机安装在体视显微镜的目镜处，可实现图像采集、拍照、摄像和电子放大功能并与计算机相连实现数据处理和图像处理。

上述三维移动显微观测架具有一个水平燕尾槽底座，在水平燕尾槽底座上安装水平燕尾槽拖板，两者之间通过水平丝杆副连接，在水平燕尾槽拖板上装有垂直燕尾槽底座，该垂直燕尾槽底座的一侧安装垂直燕尾槽拖板，两者之间通过垂直丝杆副连接，在所述垂直燕尾槽拖板的外侧面固定支座，该支座上安装支撑轴，所述支撑轴呈前后方向水平布置，且支撑轴上套装一级显微镜支架，该一级显微镜支架由径向上穿设的粗调旋钮顶紧，在一级显微镜支架上安装二级显微镜支架，二级显微镜支架能相对一级显微镜支架前后移动，在所述二级显微镜支架上安装体视显微镜，该体视显微镜与支撑轴同向布置。

通过转动水平丝杆驱动水平燕尾槽拖板在水平方向左右移动，可以实现体视显微镜在水平面内的横向左右移动；通过转动垂直丝杆驱动垂直燕尾槽拖板在垂直方向上下移动，可以实现体视显微镜在垂直面内的竖向上下移动；通过粗调旋钮调整一级显微镜支架在支撑轴上的位置，可以实现体视显微镜在水平面内的纵向前后大尺度移动；一级显微镜支架能绕支撑轴360度旋转，可以改变体视显微镜在轴向上的位置，扩大观察范围，实现了多角度观察；二级显微镜支架能相对一级显微镜支架做前后微小移动，可以实现体视显微镜在水平面内的纵向前后小尺度移动。体视显微镜和CCD摄像机在三维移动显微观测架的作用下，可以对一个平面场进行定量实时观测并拍摄图像，能完整记录试件裂纹在不同阶段的扩展情况和最后的破坏状态；拍摄功能可以回放整个试验过程，更有利于深入研究试件裂纹形成、发展过程；具有测量裂纹长度及试件的微观结构的功能。

为了防止二级显微镜支架相对于一级显微镜支架发生左右晃动，并保证二级显微镜支架前后微小移动的可靠性，上述二级显微镜支架的底部具有燕尾形导条，该导条嵌入一级显微镜支架顶部对应的燕尾槽中，在一级显微镜支架内安装齿轮，该齿轮与导条底面设置的齿条相啮合，所述齿轮安装轴的两端伸出一级显微镜支架的两侧面，并分别安装微调旋钮。

在上述水平燕尾槽底座正面的上部固定有水平标尺，水平燕尾槽拖板上设有与该水平标尺相对应的指针；在所述垂直燕尾槽底座正面的中部固定有垂直标尺，垂直燕尾槽拖板上设有与该垂直标尺相对应的指针。指针与水平标尺配合，可以确定水平燕尾槽拖板的水平移动距离，实现水平方向定量移动；指针与垂直标尺配合，可以确定垂直燕尾槽拖板的垂直移动距离，实现垂直方向的定量移动。

在上述水平燕尾槽底座底部的四个角处均装有脚螺旋，在支座上部的平台上安装气泡水平仪。通过调节脚螺旋和观察气泡水平仪，可以调整水平燕尾槽底座的水平度，以保证显微镜与试件垂直。

上述锁紧机构由刚性锁紧立柱、锁紧梁和锁紧螺母构成，两根刚性锁紧立柱垂直固定于实验体的侧面，并分居在限位杆的上、下两侧，在两刚性锁紧立柱上活套锁紧梁，该锁紧梁内表面的中部对限位杆外端固套的预紧螺母限位，锁紧梁外表面的上、下部分别由两根刚性锁紧立柱上套装的锁紧螺母限位。锁紧机构和限位杆及限位压头是为模拟平面应变受力状况而设计的，调节两个锁紧螺母，使锁紧梁朝着实验体的方向运动，锁紧梁将限位杆及限位压头向内顶，从而使试件侧面受到一定限位作用力。以上机构不仅简单实用，而且可靠性好。

为了便于加工及装配，上述测试腔为圆形，并呈内小外大的台阶状，所述垫块、限位压头和加载头位于测试腔的小直径段内，而透明视镜和压盖位于测试腔的大直径段内。

为了使垫块放置到测试腔内定位方便、稳定，上述垫块与测试腔的腔壁采用弧面接触。该弧面的半径与所述测试腔小直径段的半径相等。

为方便拆装，并使得透明视镜固定牢靠，上述透明视镜为圆盘形，压盖为圆环形，压盖设置在透明视镜的外边缘上，并通过圆周上均匀分布的螺钉与实验体固定。

上述透明视镜与实验体之间通过O型密封圈密封；加载杆与实验体之间采用O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件密封，组合密封件的外面由小盖限位，小盖通过螺钉固定在实验体上；所述限位杆和实验体之间的密封方式与加载杆相同。以上设计能确保测试腔在抽真空(负压)和充瓦斯气体(正压)情况下均具有良好的气密性。

本发明的有益效果是：

1、可进行单轴、平面应变状态下的加载试验，试件的安装、调试均很方便。

2、高压密封的独立气路使气体压力可达到2.5Mpa，能够提供固-气耦合要求的试验条件。

3、可以动态监测试件受力过程中声发射变化特征，同时还可以进行声发射定位，有效地弥补了光学显微镜只能观测试件表面的不足。

4、通过体视显微镜和CCD摄像机能够完整记录试件裂纹在不同阶段的扩展情况和最后的破坏状态；拍摄功能可以回放整个试验过程，有利于深入研究试件的破裂形成机理；具有测量裂纹长度及试件的微观结构的功能。

5、体视显微镜和CCD摄像机能够全方位移动，不仅观测范围广，而且能够追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测。

6、动态显微观测和声发射实时监测相结合，为全面揭示瓦斯作用下煤岩细观结构损伤规律，深入研究含瓦斯煤岩物理力学性质，科学揭示煤岩动力现象的发生机理和开发相应的灾害防治技术提供了更全面、可靠的试验手段。

7、本系统结构简单，成本较低，可靠性好，能够对长方体、圆柱体等多种形状的试件进行试验，适用面广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中实验体及其内部件、周边件的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为本发明中三维移动显微观测架的结构示意图。

图5为图4中体视显微镜的右视图。

图6为本发明中三维移动显微观测架的主视图。图中：1-实验体，2-测试腔，3-测量孔，4-多用气孔，5-压盖，6-透明视镜，7-测量导线，8-气管，9-垫块，10-限位压头，11-加载头，12-加载杆，13-刚性锁紧立柱，14-锁紧梁，15-锁紧螺母，16-预紧螺母，17-O型密封圈，18-Yx型密封圈，19-小盖，20-试件，21-限位杆，22-体视显微镜，23-环形灯，24-CCD摄像机，25-声发射传感器，26-声发射放大器，27-声发射卡，28-瓦斯控制阀，29-减压阀，30-气瓶，31-真空控制阀，32-真空泵，33-水平燕尾槽底座，34-水平燕尾槽拖板，35-垂直燕尾槽底座，36-垂直燕尾槽拖板，37-支座，38-支撑轴，39一级显微镜支架，40-粗调旋钮，41-二级显微镜支架，42-微调旋钮，43-水平标尺，44-垂直标尺，45-脚螺旋，46气泡水平仪，47-岩石刚性试验机，48-采集分析软件，49-高精度压力表，50-真空压力表，51-水平丝杆，52-垂直丝杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，实验体1为长方体结构，放置在岩石刚性试验机47上，在实验体1上开设有测试腔2，该测试腔2的开口位于实验体1的正面，测试腔2为圆形，并呈内小外大的台阶状。透明视镜6和压盖5位于测试腔2的敞口处即大直径段内，其中透明视镜6为圆盘形，透明视镜6的内表面由测试腔2内的台阶面限位，透明视镜6与实验体1之间通过O型密封圈密封，压盖5为圆环形，压盖5盖在透明视镜6的外边缘上，并通过圆周上均匀布置的螺钉与实验体1固定。所述透明视镜6为整个实验过程的显微观测提供了有效途径。

从图1、图2和图3可知，在测试腔2的右侧开设有测量孔3和多用气孔4，测量孔3位于多用气孔4的上方，测量孔3的内端口位于测试腔2的内壁，测量孔3的外端口在实验体1的右侧面。在所述测量孔3内穿设测量导线7，该测量导线7的内端位于测试腔2中，并连接有声发射传感器25，测量导线7的外端穿过测量孔3内设置的密封件，并从实验体1的右侧面引出，然后与声发射放大器26的输入端连接，声发射放大器26的输出端与声发射卡27相接，发射卡27向计算机内的采集分析软件48传递声发射信号，以实现对试件破坏的全面测量。所述多用气孔4的内端口位于测试腔2的内壁，多用气孔4的外端口在实验体1的右侧面，且外端口处连接有气管8，该气管8引出的气管分成两路，一路依次串联瓦斯控制阀28、减压阀29后，与高压气瓶30相接，另一路串联真空控制阀31后，与真空泵32相接。在瓦斯控制阀28与减压阀29之间通过气管连接有高精度压力表49，真空控制阀31与真空泵32之间通过气管连接有真空压力表50。

从图1、图2和图3中进一步可知，在所述测试腔2的小直径段内设置有垫块9、限位压头10和加载头11，其中垫块9与测试腔2的腔壁相接触的面为弧面，该弧面的半径与所述测试腔2小直径段的半径相等。在垫块9的左上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的横向面正对加载头11，该加载头11固定于竖直布置的加载杆12的下端，加载杆12的上端向上伸出实验体1的上表面外，加载杆12的加载方式由岩石刚性试验机控制，岩石刚性试验机为公知公用技术，其结构及原理在此不做赘述。所述实验体1上供加载杆12穿设的孔的上端为台阶状，且台阶段内设置有O型密封圈17和两个Yx型密封圈18构成的组合密封件，组合密封件的外面有小盖19，组合密封件对加载杆12和实验体1之间进行密封，小盖19通过螺钉固定在实验体1上，对组合密封件限位。

从图1、图2和图3中还可知，垫块9“L”形缺口的纵向面正对限位压头10，限位压头10固定于水平布置的限位杆21的内端，限位杆21的外端伸出实验体1的左侧面外，且外端的端部套装预紧螺母16。两根刚性锁紧立柱13垂直固定于实验体1的左侧面，并分居在限位杆21的上、下两侧，在两刚性锁紧立柱13上活套锁紧梁14，该锁紧梁14内表面的中部对限位杆21限位，锁紧梁14外表面的上、下部分别由两根刚性锁紧立柱13上套装的锁紧螺母15限位。所述实验体1上供限位杆21穿设的孔的外端为台阶状，且台阶段内安装有O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件，组合密封件的外面有小盖，组合密封件套于限位杆21上，对限位杆21和试验体1之间进行密封，小盖通过螺钉固定在试验体1上，对组合密封件限位。

如图1、图4和图5所示，在透明视镜6的正前方设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架具有一个水平燕尾槽底座33，在水平燕尾槽底座33底部的四个角处均装有脚螺旋45，以便调整水平燕尾槽底座33的水平度。在水平燕尾槽底座33内的上部安装水平丝杆51，该水平丝杆51呈左右方向水平布置，在水平丝杆51的外端装有带手柄的转盘。水平燕尾槽拖板34通过螺钉固定在水平燕尾槽底座33的顶部，水平燕尾槽拖板34底部安装的螺母套装在水平丝杆51上，两者螺纹配合，转动水平丝杆51可以驱动水平燕尾槽拖板34在水平方向左右移动。在水平燕尾槽底座33正面的上部固定有横向分布的水平标尺43，水平燕尾槽拖板34上设有与该水平标尺43相对应的指针，指针与水平标尺43配合，可以确定水平燕尾槽拖板34的水平移动距离，实现水平方向定量移动。如图1、图4和图5所示，在水平燕尾槽拖板34的顶部通过螺钉固定垂直燕尾槽底座35，该垂直燕尾槽底座35内的中部安装垂直丝杆52，该垂直丝杆52呈上下方向竖直布置，在垂直丝杆52的上端装有带手柄的转盘。垂直燕尾槽拖板36位于垂直燕尾槽底座35的右侧，该垂直燕尾槽拖板36上的螺母套装在垂直丝杆52上，两者螺纹配合，转动垂直丝杆52可以驱动垂直燕尾槽拖板36在垂直方向上下移动。在垂直燕尾槽底座35正面的中部固定有呈竖直分布的垂直标尺44，垂直燕尾槽拖板36上设有与该垂直标尺44相对应的指针，指针与垂直标尺44配合，可以确定垂直燕尾槽拖板36的垂直移动距离，实现垂直方向的定量移动。

如图1、图4和图5所示，在垂直燕尾槽拖板36的右侧通过螺钉固定支座37，该支座37上部的平台上安装有气泡水平仪46，通过观察气泡水平仪46可以判断水平燕尾槽底座33的水平度。在所述支座37上安装支撑轴38，该支撑轴38呈前后方向水平布置，且支撑轴38上套装一级显微镜支架39，该一级显微镜支架39由径向上穿设的粗调旋钮40顶紧。在一级显微镜支架39上安装二级显微镜支架41，二级显微镜支架41的底部具有燕尾形导条，该导条嵌入一级显微镜支架39顶部对应的燕尾槽中，在一级显微镜支架39内安装齿轮，该齿轮与导条底面设置的齿条相啮合，所述齿轮安装轴的两端伸出一级显微镜支架39的两侧面，并分别安装微调旋钮42。在所述二级显微镜支架41上安装体视显微镜22，该体视显微镜22与支撑轴38同向布置，体视显微镜22实现光学放大。在体视显微镜22的前部装有环形灯23，体视显微镜22后端的目镜处安装CCD摄像机24，CCD摄像机24由二级显微镜支架41支撑，实现图像采集、拍照、摄像和电子放大功能，并与计算机相连实现数据处理和图像处理。

本发明中体视显微镜22在空间上具有多个自由度，即：通过转动水平丝杆51驱动水平燕尾槽拖板34在水平方向左右移动，可以实现体视显微镜22在水平面内的横向左右移动；通过转动垂直丝杆52驱动垂直燕尾槽拖板36在垂直方向上下移动，可以实现体视显微镜22在垂直面内的竖向上下移动；通过粗调旋钮40调整一级显微镜支架39在支撑轴38上的位置，可以实现体视显微镜22在水平面内的纵向前后大尺度移动；一级显微镜支架39能绕支撑轴38进行360度旋转，可以改变体视显微镜22在周向上的位置，实现多角度观察；通过微调旋钮42驱动二级显微镜支架41相对一级显微镜支架39做前后微小移动，可以实现体视显微镜22在水平面内的纵向前后小尺度移动。

本发明是这样工作的：

1、先将压盖5和透明视镜6拆下，将声发射传感器25固定在试件20的非观测面，然后把煤岩试件20放置于垫块9“L”形缺口的横向面上，调节两个锁紧螺母15，使锁紧梁14朝着实验体1的方向运动，锁紧梁14将限位杆21及限位压头10向内顶，从而使试件20侧面位移受到限制，试件20被夹紧在限位压头10与垫块9“L”形缺口的纵向面之间，再将透明视镜6及压盖5还原，密封，紧固。

2、开启真空泵32及真空控制阀31(此时瓦斯控制阀28和减压阀29处于关闭状态)，在真空泵32的作用下，通过气管8及多用气孔4对测试腔2进行抽真空，真空压力表50显示气压状态，达到一定真空度后，关闭真空泵32和真空控制阀31。

3、开启瓦斯控制阀28和减压阀29(此时真空控制阀31处于关闭状态)，高压气瓶30内的高压瓦斯依次通过减压阀29、瓦斯控制阀28、气管8及多用气孔4，充入测试腔2内，高精度压力表49显示瓦斯压力状态，达到一定压力后，稳定测试腔内瓦斯压力，使试件充分吸附瓦斯。

4、开启试验机和测量仪器，试验机通过加载杆12和加载头11将压力传递到试件20上，进行瓦斯压力作用下的煤岩细观力学试验。声发射传感器25通过测量导线7传递声发射信号至声发射放大器，并通过声发射放大器26将信号放大后，传递给声发射卡27，最后由计算机内的采集分析软件48从声发射卡27处得到声发射信号；通过三维移动显微观测架调整体视显微镜22，使物镜对准所需要观测的试验中试件表面，以达到最佳的观测效果，试验开始前期，使用小倍数的大范围观测，当发现裂纹时，移动水平和垂直燕尾槽拖板，使裂纹尖端位于物镜视场中间，再通过粗调和微调旋钮调整物距，增加放大倍数，进入细观观测阶段，同时拍摄裂纹的发展和捕捉图片。

Claims (10)

1、一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：在实验体(1)上开设有测试腔(2)、测量孔(3)和多用气孔(4)，其中测试腔(2)的敞口处通过压盖(5)固定有透明视镜(6)，在透明视镜(6)的正前方设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架上安装有体视显微镜(22)，在体视显微镜(22)靠近透明视镜(6)的一端安装环形灯(23)，远离透明视镜(6)的一端安装CCD摄像机(24)；在所述测量孔(3)内穿设测量导线(7)，该测量导线(7)的内端位于测试腔(2)中，并连接有声发射传感器(25)，测量导线(7)的外端从实验体(1)的侧面引出，并与声发射放大器(26)的输入端连接，声发射放大器(26)的输出端与声发射卡(27)相接；所述多用气孔(4)的内端口位于测试腔(2)的内壁，多用气孔(4)的外端口在实验体(1)的侧面，从该外端口处引出的气管(8)分为两路，一路依次串联瓦斯控制阀(28)、减压阀(29)后，与高压气瓶(30)相接，另一路串联真空控制阀(31)后，与真空泵(32)相接；在所述测试腔(2)内设置有垫块(9)、限位压头(10)和加载头(11)，其中垫块(9)的上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的纵向面正对限位压头(10)，限位压头(10)固定于限位杆(21)的内端，限位杆(21)的外端伸出实验体(1)外，并由锁紧机构限位，所述“L”形缺口的横向面正对加载头(11)，该加载头(11)固定于加载杆(12)的下端，所述加载杆(12)的上端向上伸出实验体(1)外。

2、根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：所述三维移动显微观测架具有一个水平燕尾槽底座(33)，在水平燕尾槽底座(33)上安装水平燕尾槽拖板(34)，两者之间通过水平丝杆副连接，在水平燕尾槽拖板(34)上装有垂直燕尾槽底座(35)，该垂直燕尾槽底座(35)的一侧安装垂直燕尾槽拖板(36)，两者之间通过垂直丝杆副连接，在所述垂直燕尾槽拖板(36)的外侧面固定支座(37)，该支座(37)上安装支撑轴(38)，所述支撑轴(38)呈前后方向水平布置，且支撑轴(38)上套装一级显微镜支架(39)，该一级显微镜支架(39)由径向上穿设的粗调旋钮(40)顶紧，在一级显微镜支架(39)上安装二级显微镜支架(41)，二级显微镜支架(41)能相对一级显微镜支架(39)前后移动，在所述二级显微镜支架(41)上安装体视显微镜(22)，该体视显微镜(22)与支撑轴(38)同向布置。

3、根据权利要求2所述的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：所述二级显微镜支架(41)的底部具有燕尾形导条，该导条嵌入一级显微镜支架(39)顶部对应的燕尾槽中，在一级显微镜支架(39)内安装齿轮，该齿轮与导条底面设置的齿条相啮合，所述齿轮安装轴的两端伸出一级显微镜支架(39)的两侧面，并分别安装微调旋钮(42)。

4、根据权利要求2或3所述的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：在所述水平燕尾槽底座(33)正面的上部固定有水平标尺(43)，水平燕尾槽拖板(34)上设有与该水平标尺(43)相对应的指针；在所述垂直燕尾槽底座(35)正面的中部固定有垂直标尺(44)，垂直燕尾槽拖板(36)上设有与该垂直标尺(44)相对应的指针。

5、根据权利要求2所述的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：在所述水平燕尾槽底座(33)底部的四个角处均装有脚螺旋(45)，在支座(37)上部的平台上安装有气泡水平仪(46)。

6、根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：所述锁紧机构由刚性锁紧立柱(13)、锁紧梁(14)和锁紧螺母(15)构成，两根刚性锁紧立柱(13)垂直固定于实验体(1)的侧面，并分居在限位杆(21)的上、下两侧，在两刚性锁紧立柱(13)上活套锁紧梁(14)，该锁紧梁(14)内表面的中部对限位杆(21)外端固套的预紧螺母(16)限位，锁紧梁(14)外表面的上、下部分别由两根刚性锁紧立柱(13)上套装的锁紧螺母(15)限位。

7、根据权利要求1或6所述的煤岩固气耦合细观力学加载装置，其特征在于：所述测试腔(2)为圆形，并呈内小外大的台阶状，所述垫块(9)、限位压头(10)和加载头(11)位于测试腔(2)的小直径段内，而透明视镜(6)和压盖(5)位于测试腔(2)的大直径段内。

8、根据权利要求7所述的煤岩固气耦合细观力学加载装置，其特征在于：所述垫块(9)与测试腔(2)腔壁相接触的面为弧面，该弧面的半径与所述测试腔(2)小直径段的半径相等。

9、根据权利要求7所述的煤岩固气耦合细观力学加载装置，其特征在于：所述透明视镜(6)为圆盘形，压盖(5)为圆环形，压盖(5)设置在透明视镜(6)的外边缘上，并通过圆周上均匀分布的螺钉与实验体(1)固定。

10、根据权利要求9所述的煤岩固气耦合细观力学加载装置，其特征在于：所述透明视镜(6)与实验体(1)之间通过O型密封圈密封，加载杆(12)与实验体(1)之间采用O型密封圈(17)和两个Yx型密封圈(18)构成的组合密封件密封，组合密封件的外面由小盖(19)限位，小盖(19)通过螺钉固定在实验体(1)上；所述限位杆(21)和实验体(1)之间的密封方式与加载杆(12)相同。

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