CN102621228B - 含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，包括加载系统、气路系统、声参数测试系统和电参数测试系统。加载系统包括一个相对密封地可进行径向加载和轴向加载的加载装置，以及为加载过程提供载荷的加载泵。气路系统包括甲烷气瓶、与加载装置分别连通的进、出气管路，甲烷气瓶连接在进气管路上。声参数测试系统包括声探头、声波发生器和示波器。电参数测试系统包括电极板、绝缘板和LCR测试仪。其结构能够测试不同轴压、围压、孔隙压以及不同瓦斯气体和压力的煤体声电参数，为研究和预报煤岩动力灾害提供了准确、大量的试验数据和理论依据。

Description

含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种含瓦斯煤体加载过程的声电参数测定装置，属于煤矿技术领域，

背景技术

我国是煤炭资源极为丰富的国家，同时，也是高瓦斯煤矿灾害事故严重的国家。在煤矿资源开采过程中，经常发生煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板塌陷、围岩变形等重大煤岩动力灾害事故，而随着煤矿采掘深度的延伸和开采规模的不断扩大，这一问题呈现越来越严重趋势，因此，探索合理的预报理论和准确可靠的预测方法是煤矿安全科技工作者急需解决的问题。

电磁辐射、声发射预测作为一种地球物理探测技术，可以实现非接触式连续动态预测，并已研制出许多相关仪器，提出了电磁辐射、声发射预测煤与瓦斯突出和冲击矿压的理论及预报方法。但由于煤岩动力灾害的复杂性，若想真正实现准确预测和预报，还需要对电磁辐射、声发射在煤体当中的传播机理做进一步的研究，其中，煤体声电参数对电磁辐射、声发射传播有着重要的影响，因此，研究煤体声电参数的变化规律就成为煤岩动力灾害研究的关键，尤其是对含瓦斯煤体声电参数变化规律进行研究就成为重中之重。

现有煤体声电参数测试系统难以进行含瓦斯煤体的声电参数测试，因此，制造一种含瓦斯煤体的声电参数测试装置就成为本发明要解决的问题。

发明内容

鉴于上述情况，本发明旨在提供一种能够进行加载过程中含瓦斯煤体声电参数测试的实验装置，以再现实际测试环境，保证含瓦斯煤体声电参数测试的准确性，为利用电磁辐射、声发射预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害提供可靠的理论和实验基础。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，包括加载系统、气路系统、声参数测试系统和电参数测试系统。其中，煤样被放置在加载系统中，加载系统使煤样形成所需的负载状态，同时，通过气路系统为煤样填充甲烷气体，形成含瓦斯煤样，从而真实模仿和再现煤岩体状态，最后，利用声参数测试系统和电参数测试系统分别对煤样的加载过程进行声参数和电参数测定，完成含瓦斯煤样声、电参数测试。

在具体结构设计中，为真实再现煤样的受载过程，加载系统需能提供轴向载荷和径向载荷。为此，加载系统包括了一个相对密封地可进行径向加载和轴向加载的加载装置，以及可为加载过程提供载荷的加载泵。加载装置包括套筒、胶套、活动堵头和滑动堵头，活动堵头和滑动堵头分别密封连接在套筒两侧的端口上，活动堵头和滑动堵头的内端与套筒内腔形成相对密闭的空间，并作为煤样的测试空间使用。

为便于安装和取放煤样，活动堵头与套筒采用了螺纹连接的方式，并在连接面上设有密封圈进行密封，通过对活动堵头进行旋转，可以方便地与套筒连接并将煤样固定。使用时，活动堵头作为固定端连接在套筒上。当然，活动堵头还可采用其它连接方式与套筒进行连接，只要能保证连接简单，使用方便即可。

套筒另一端的滑动堵头主要用于产生煤样所需的轴向载荷，为使滑动堵头可以轴向移动，本发明采用了卡棱和卡槽配合的方式，在滑动堵头外圆周面上设有卡棱，卡棱卡在套筒端口内侧的卡槽中，卡槽的轴向宽度大于卡棱的轴向宽度，其宽度差就是滑动堵头轴向移动的最大距离。而为使滑动堵头能产生轴向移动，本发明采用了轴向填充气压的方向，利用气压推动滑动堵头轴向移动。为此，在滑动堵头与套筒内壁对应的表面设置了环形通槽，环形通槽与外界加载泵管路连通，同时，为保证气密性，在环形通槽的两侧还装有密封圈，以保证加压过程能顺利进行。

胶套为一个筒状，作为产生径向载荷的主要结构，要求其柔韧性较强，同时，还需具有一定的弹性。为此，胶套采用橡胶材料制成。筒状的胶套从内侧环绕密封在套筒内壁上，活动堵头与滑动堵头连接在套筒两端后，两个堵头的内端分别插接在胶套两侧的端口中，从而在胶套内表面形成放置煤样的密封空间，同时，也可保证滑动堵头在胶套中的轴向移动顺利进行。为产生径向围压，同时，保证胶套对煤样的密封性，在套筒与胶套对应的圆周面上设有环形通道，环形通道与外界加载泵管路连通，利用加载泵的加载和胶套的弹性变形，就可在胶套内形成径向围压。

为进一步提高使用效果和使用方便性，本发明中的加载泵可以设置两个，两个加载泵通过管路与环形通槽和环形通道一一对应连通，通过分别控制，实现煤样上不同轴压和围压的设定，保证使用灵活性和方便性。本发明在加载泵使用的是两个相对独立的手动加载泵，不仅调整方便、简单，而且成本低廉。

气路系统主要进行瓦斯气体的填充和排放，气路系统包括甲烷气瓶、与加载装置分别连通的进、出气管路。甲烷气瓶连接在进气管路上，进、出气管路分别与胶套、活动堵头和滑动堵头内端围出的密闭空间连通，甲烷气瓶可使密闭空间内的煤样完成瓦斯填充，形成含瓦斯煤样。当然，为保证气体填充和排放的可靠性及方便性，在进、出气管路上还可设有压力表、限压阀、减压阀等控制原器件，以保证气体管路的正常使用。

上述技术步骤主要是形成含瓦斯煤样和对煤样进行加载，为对煤样进行声、电参数测试，最终实现煤岩体动力灾害的准确预报和研究，在试验煤样中还需安装声参数测试系统和电参数测试系统。

电参数测试系统包括电极板、绝缘板和LCR测试仪。通过LCR测试仪对煤样内电信号进行测试，完成煤样内不同载荷和不同状态下的电参数采集，并最终研究、分析得出煤岩动力灾害与电参数之间的变化规律。其中，为保证使用安全性和可靠性，电极板通过绝缘板分别固定在活动堵头和滑动堵头的内端面上，从而在煤样两端形成电信号加载，LCR测试仪与电极板信号连通，不断对煤样内的电参数信息进行采集。

声参数测试系统包括声探头、声波发生器和示波器。利用声波发生器进行声信号发送，并通过声探头进行信号采集，最终在示波器上完成声信号显示，从而研究得出煤样在不同载荷和不同状态下的声参数变化规律。其中，声波发生器分别与声探头和示波器信号连通，声探头固定在电极板上。

为进一步扩展测试过程的适用性，本发明所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置中还可包括一个恒温箱，加载装置放置在恒温箱中，恒温箱可为测试煤样提供特定的测试温度，以满足特殊情况下的测定需要。

为进一步提高使用安全性，在恒温箱内还可安装一个甲烷监测报警仪，随时对测试环境进行甲烷气体监测，保证试验过程安全进行。

本发明所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置的有益效果包括：

1、该装置为自行设计制造，能够测试不同轴压、围压、孔隙压下的煤体声、电参数。

2、可对不同瓦斯气体和压力下煤样进行声、电参数测定，包括声波在煤体内的传播速度以及煤体的介电常数、电导率、电感、电阻参数等。

3、具有温度模拟功能，可对多条件煤岩体环境状态进行模拟，满足不同因素对煤体声、电参数影响规律的研究需要。

4、结构简单、实用，使用方便、安全，其测试结果更接近实际，对于实践更具指导意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

图2为本发明所述加载装置的结构示意图。。

具体实施方式

下面结合附图1、图2对本发明做进一步的描述：

本发明所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，包括加载系统、气路系统、声参数测试系统、电参数测试系统和恒温箱2。其中，加载系统包括一个相对密封地可进行径向加载和轴向加载的加载装置1以及为加载过程提供载荷的加载泵。加载装置1包括套筒15、胶套16、活动堵头20和滑动堵头11。加载泵为两个手动加载泵3，分别产生径向加载和轴向加载。气路系统包括甲烷气瓶7以及与加载装置分别连通的进、出气管路8，9。声参数测试系统包括声探头22、声波发生器6和示波器5，声波发生器6分别与声探头22和示波器5信号连通。电参数测试系统则包括电极板18、绝缘板19和LCR测试仪4，LCR测试仪4与电极板18信号连通，随时对电极板18间的电信号进行检测。

具体结构为：在加载装置1中，活动堵头20和滑动堵头11分别密封连接在套筒15两侧的端口上，活动堵头20与套筒15通过螺纹进行连接，并在连接面上设有密封圈进行密封，活动堵头20作为煤样21加载测试过程的固定端连接在套筒15一端的端口上，并使煤样21一端固定。套筒15另一端的滑动堵头11主要用于产生煤样21所需的轴向载荷，滑动堵头11的外圆周面上设有卡棱12，卡棱12卡在套筒15端口内侧的卡槽13中，卡槽13的轴向宽度大于卡棱12的轴向宽度，其宽度差就是滑动堵头11轴向移动的最大位移。为产生轴向移动，在滑动堵头11与套筒内壁对应的表面设有环形通槽14，环形通槽14与外界的一个手动加载泵3管路连通，在加压的情况下，滑动堵头11可沿套筒15轴向移动，产生轴向载荷。而为保证滑动面的气密性，在环形通槽14的两侧还装有密封圈，以保证加压过程顺利进行。胶套16为一个柔韧性强、具有一定弹性的筒状结构。筒状的胶套16从内侧环绕密封在套筒内壁上，与套筒15两端连接后的活动堵头20和滑动堵头11的内端分别插接在胶套16两侧的端口中，从而在胶套16内表面和两个堵头的内端之间形成放置煤样21的密封空间，同时，滑动堵头11的轴向移动也不会受到胶套16的影响。在套筒15与胶套16对应的圆周面上还设有环形通道17，环形通道17与另外一个手动加载泵3管路连通，利用加载泵的加载和胶套16的弹性变形，就可在胶套16内形成径向围压。在气路系统中，进、出气管路8，9分别与胶套16内的密闭空间连通，甲烷气瓶7连接在进气管路8上，管路上还连接有减压阀、压力表等辅助原器件，保证了煤样21内瓦斯的顺利填充。在电参数测试系统中，电极板18通过绝缘板19分别固定在活动堵头20和滑动堵头11的内端面上，LCR测试仪4负责对煤样21内电信号进行检测。在声参数测试系统中，声探头22固定在电极板上，声波发生器6分别与声探头22和示波器5信号连通。而恒温箱2则用于承装套筒15、胶套16、活动堵头20和滑动堵头11组成的加载装置1，以满足特定温度下含瓦斯煤样21的测试要求。

当然，为进一步提高使用安全性，在恒温箱2内还可安装一个甲烷监测报警仪，随时对测试环境进行甲烷气体监测，保证试验过程能安全进行。

实际测试时，首先，将制作好的煤样21从活动堵头20的套筒连接端装入；接着，将活动堵头20与套筒15紧固连接，并检查、连接好各个测试仪器；然后，在未充入瓦斯气体状态下对煤样21进行声、电参数测试；接着，通过两个手动加载泵3对煤样21进行轴向和径向加载，其中，轴向加载时，受环形通槽14中压力气体的推动，滑动堵头11会在卡棱12和卡槽13的配合下轴向移动产生轴压；径向加载时，受环形通道17中压力气体的作用，胶套16发生弹性变形，从而对煤样21产生径向围压。根据加载需要，对轴压和围压设定不同的目标压力值，就可全面模仿煤样21的压力变化；最后，利用进气管路8和甲烷气瓶7充入甲烷气体，再测试煤样21的相关声、电参数，直到获得所有设计需要的数据为止。至此，测试过程完成。

通过对测试数据的积累和研究，即可得出含瓦斯煤体在煤岩动力灾害突出时的声、电参数变化规律，为准确预报煤岩体动力灾害的发生提供数据依据。

Claims (4)

1.含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，其特征在于，包括加载系统、气路系统、声参数测试系统和电参数测试系统，所述加载系统包括一个相对密封地可进行径向加载和轴向加载的加载装置，以及为加载过程提供载荷的加载泵；所述气路系统包括甲烷气瓶、与加载装置分别连通的进、出气管路，甲烷气瓶连接在进气管路上；所述声参数测试系统包括声探头、声波发生器和示波器，所述声探头固定在加载装置上；所述声波发生器分别与声探头和示波器信号连通；所述电参数测试系统包括电极板、绝缘板和LCR测试仪，所述电极板通过绝缘板固定在加载装置中；所述LCR测试仪与电极板信号连通；

所述加载装置包括套筒、胶套、活动堵头和滑动堵头，活动堵头和滑动堵头分别密封连接在套筒两侧的端口上，所述活动堵头与套筒螺纹连接；所述滑动堵头的外圆周面上设有卡棱，卡棱卡在端口内侧的卡槽中，卡棱可沿轴向在卡槽中水平移动；所述滑动堵头与套筒内壁对应的表面还设有密闭的环形通槽，环形通槽与加载泵管路连通；所述胶套为一个筒状，胶套从内侧环绕密封在套筒内壁上，套筒与胶套对应的圆周面上设有环形通道，环形通道与加载泵管路连通，活动堵头与滑动堵头的内端分别插接在胶套两侧的端口中；所述声探头固定在电极板上，电极板通过绝缘板分别固定在活动堵头和滑动堵头的内端面上；所述进、出气管路分别与胶套内的密闭空间连通。

2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，其特征在于，还包括一个恒温箱，所述加载装置放置在恒温箱中。

3.根据权利要求2所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，其特征在于，所述恒温箱内还设有甲烷监测报警仪。

4.根据权利要求1所述的含瓦斯煤体加载过程声电参数测定装置，其特征在于，所述加载泵为两个手动加载泵，两个手动加载泵分别与环形通槽和环形通道管路连通。

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