CN103399014A - 一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，在试验装置内开设有具有开口的试验腔，试验腔内的下部安装有活动垫块，所述试验腔的上部和左右两侧均设有活动压块，三个所述活动压块和所述活动垫块围成一个四边形框架，且所述活动压块和活动垫块互相错位；所述试验装置内还设置有气管，该气管的一端与试验腔相通，另一端并联有高压气瓶和真空泵。本发明对加载头和活动压块进行了灵活地设计，同时使用恒温水循环系统和高压气瓶，可进行不同瓦斯压力、不同温度、不同应力状态下的煤岩真三轴细观力学试验，还具有结构简单、可靠性高等特点。

Description

一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统

技术领域

本发明涉及采矿领域，特别是涉及一种真三轴状态下的含瓦斯煤岩细观力学试验系统。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极为复杂的矿井瓦斯动力现象。近些年来，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到煤炭工业健康的发展。目前，专家、学者普遍认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及煤岩物理力学性质三者综合作用的结果，因此，开展地应力、瓦斯耦合作用下的煤岩力学特性研究，特别是从细观的角度，对煤岩破坏过程中裂纹的产生、扩展动态过程以及最后破坏状态进行研究，有利于更深入地了解含瓦斯煤岩的物理力学性质，对更科学地揭示煤岩动力现象发生机理及更合理的开发相应灾害防治技术具有重要的理论价值和工程指导意义。

目前，有关含瓦斯煤岩的细观装置相关报道较为少见，比较典型的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，以及重庆大学曹树刚教授研制的一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统（详见申请号200810070166.5）。前者的加载装置为设置有观测窗口的圆柱形压力缸，用浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧打磨成平面宽度约为10～15mm的平面作为观测平面，观测系统采用可进行左右摆动的长距离高倍显微镜。由于光线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，不能有效地追踪特定裂纹的破坏过程以及进行一定范围内的定量观测；而且该装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大，其观测的可靠性有待进一步提高。后者在试验腔的敞口处固定透明视镜，透明视镜外设置体视显微镜以及CCD摄像机，试件上粘贴声发射传感器并通过测量导线与声发射采集分析仪器相连接。该系统采用动态显微观测和声发射监测相结合的手段，能够全程完整的记录下试件裂纹发育扩展情况以及试件破坏状态，可进行单轴、平面应力、假三轴等受力状态下的试验测试，但是该装置中采用两个液压千斤顶从上方和侧面进行挤压，同时在下方和另一个侧面采用“L”形垫块限位，这种结构无法进行含瓦斯煤岩真三轴状态下的细观试验，且对试验温度的调控并不方便。

综上分析，已有的设备要么对试验环境要求苛刻、与矿山实际差异大、且试验成本高昂、观测手段单一，要么无法进行更贴近煤岩实际受载状态的真三轴试验。总之，目前还缺乏一种有效的、更贴近矿山生产实际的、多种观测方式结合的煤岩真三轴力学试验装置，该装置既可以对含瓦斯煤岩进行单轴、平面应变、真三轴等受力状态下的细观力学试验研究，也能对煤岩体细观特征进行追踪记录和定量观测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在不同瓦斯压力、不同温度、不同受力状态下对煤岩进行真三轴细观力学实验的系统。

本发明的技术方案如下：包括试验装置（1），所述试验装置（1）内开设有具有开口的试验腔（1a），该试验腔（1a）的开口水平朝向试验装置（1）的其中一个侧面，且该试验腔（1a）的开口由透明视镜（2）封闭；所述试验腔（1a）内的下部安装有活动垫块（3），该活动垫块（3）的上表面用于支撑煤岩样品；所述试验腔（1a）的上部和左右两侧均设有活动压块（4），三个所述活动压块（4）和所述活动垫块（3）围成一个四边形框架，且所述活动压块（4）和活动垫块（3）互相错位，上部的活动压块（4）其中一端端头部分压在其相邻的活动压块（4）上端面上，另一端端面抵在其相邻的活动压块（4）的端头上，活动垫块（3）的其中一端端头部分压在其相邻的活动压块（4）下端面下方，另一端的端面抵在其相邻的活动压块（4）的端头上，三个所述活动压块（4）均连接有加载轴（5），三根加载轴（5）的另一端分别从试验腔（1a）的上方和左右两侧伸出试验装置（1）外，三根该加载轴（5）的外端均连接有液压千斤顶（6），三个该液压千斤顶（6）分别安装在试验装置（1）的上方和左右两侧；所述试验腔（1a）内还设置有声发射传感器（7），该声发射传感器（7）用于收集煤岩样品内部破裂产生的声波，且该声发射传感器（7）与测量导线（8）的一端相连，所述测量导线（8）的另一端穿过试验腔（1a）内壁的测量孔与试验装置（1）外的声发射放大器（10）及声发射采集卡（11）依次相连，所述试验装置（1）内还设置有气管（12），该气管（12）的一端与试验腔（1a）相通，另一端并联有高压气瓶（13）和真空泵（14）；所述试验腔（1a）内设置有应变传感器（36），该应变传感器（36）与应变导线（9）的一端相连，所述应变导线（9）的另一端伸出试验装置（1）外与应变仪（35）相连。

采用上述结构的试验系统进行试验时，先将透明视镜拆下，驱动液压千斤顶抬起活动压块，再将试件放到活动垫块上，将声发射传感器和应变传感器贴与试件表面（非观测面），驱动液压千斤顶压向试件方向，使得活动压块和活动垫块相互错位压在试件表面，试件上部活动压块的右端部分压在右侧活动压块上端，试件右侧活动压块的下端部分抵住底部活动垫块的右端，试件底部活动垫块的左端部分抵住左侧活动压块的下端，试件左侧活动压块的上端部分抵住上部活动压块的左端，最后将透明视镜安装固定在试验腔上。然后真空泵对试验腔内抽取真空，当试验腔内的气压状态到达一定真空度后，通过高压气瓶对试验腔内注入瓦斯，使高压气瓶内的瓦斯进入试验腔内。当试验腔内的瓦斯压力状态达到一定数值后，持续稳定试验腔内瓦斯压力，使试件充分吸附瓦斯。然后调整试件上部和左右两侧的液压千斤顶，使试件在垂直和水平方向受到的加载载荷通过加载轴传递到活动压块并作用于试件上。再使用声发射传感器和应变传感器分析试件的声发射特征和变形破坏特征。声发射传感器通过测量导线将试件内部破裂的声波传递至声发射采集卡，可以对试件内部破裂的声波进行采集分析研究；应变传感器通过测量导线将试件变形信号传递至应变仪，可以对试件变形程度进行采集分析研究，同时还可以通过试验腔一侧的透明视镜对试验腔内的试件进行实时观测，三者结合以达到最佳观测效果。并且可以通过对试验腔内瓦斯压力和对液压千斤顶压力的调整，来满足各种情况下的状态模拟。

在活动垫块（3）的下方连接有垫块（15），该垫块（15）的底部固定连接在试验腔（1a）底部，所述垫块（15）的上表面向上凸起形成条形滑轨（15a），该条形滑轨（15a）左右延伸布置，所述活动垫块（3）的下表面开有与条形滑轨（15a）相对应的条形槽（3a），所述条形滑轨（15a）伸入到该条形槽（3a）内；三个所述活动压块（4）与加载轴（5）相连接的地方均设置有加载块（16），该活动压块（4）通过加载块（16）与加载轴（5）相连，所述加载块（16）与加载轴（5）固定相连，在该加载块（16）与活动压块（4）相接触的面上设置有块（16a），该活动压块（4）上设置有与滑块（16a）相对应的滑槽（4a）。采用上述连接方式，在调整活动压块和活动垫块的位置时，先将试件居中放在活动垫块上，再缓缓将试件移动到活动垫块右端平齐，而后左右移动活动垫块，使其居于垫块的中心位置，再上下调整右侧的活动压块，使其下端部分地抵在下部活动垫块上。同理，调整左侧和上部的活动压块位置，最终使各活动压块和活动垫块满足前述要求，相互错位压在试件表面。

在所述试验腔（1a）内壁布置有水循环系统导管（17），该水循环系统导管（17）的两端分别与水循环系统进水管（18）和水循环系统出水管（19）相连，所述水循环系统进水管（18）和水循环系统出水管（19）均伸出试验装置（1）外与恒温水循环系统（20）相连。采用上述结构，可以使用循环水系统来对试验腔内的温度进行控制，使试验系统能够满足更多情况下的环境模拟。

为了更好的观测试件的变化，所述试验腔（1a）的开口为内小外大的台阶孔，该台阶孔具有台阶面（1b），所述透明视镜（2）的内侧抵在该台阶面（1b）上，该透明视镜（2）的外侧安装有“回”字形压盖（21），且该压盖（21）通过穿过透明视镜（2）的螺钉（22）与试验装置（1）固定相连，在所述透明视镜（2）与台阶面（1b）和压盖（21）相接触的面上均装设有“回”字形密封圈（23）。所述压盖将透明视镜压在试验腔腔口，通过透明视镜能够完整观测到试件的变化，同时使用“回”字形密封圈对腔口进行密封，防止瓦斯外泄。

所述透明视镜（2）的外侧还架设有显微镜支架（24），该显微镜支架（24）上安装有体视显微镜（25），在所述体视显微镜（25）面向透明视镜（2）的一侧安装有环形灯（26），该体视显微镜（25）的另一侧安装有摄像机（27），所述摄像机（27）的镜头指向试验腔（1a）。通过体视显微镜能够更好的观测试件表面微小的变化，同时使用摄像机对变化过程进行拍摄记录，以便于日后研究分析。

三个所述液压千斤顶（6）分别固定连接在三个液压千斤顶安装座（29），三个该液压千斤顶安装座（29）分别安装在试验装置（1）的上方和左右两侧，三个所述液压千斤顶（6）的活塞杆均通过压力传感器（28）与加载轴（5）相连，该加载轴（5）位于试验装置（1）外的部分向外凸起形成环状的限位台阶（5a），在所述加载轴（5）上还套装有复位弹簧（33）和加载轴密封圈（34），该复位弹簧（33）的一端紧压在限位台阶（5a）上，另一端紧压在试验装置（1）表面，所述加载轴密封圈（34）位于试验装置（1）内。可以通过压力传感器对液压千斤顶的压力进行监控调节，液压千斤顶的活塞杆推动加载轴，从而推动活动压块，加载轴上的限位台阶对加载轴的行程进行了限位，同时采用复位弹簧使加载轴和活动压块能够更快回到初始状态。

所述气管（12）与高压气瓶（13）相连的支路上连接有减压阀（30）和瓦斯控制阀（31）。

所述气管（12）与真空泵（14）相连的支路上连接有真空控制阀（32）。

有益效果：本发明对加载头和活动压块进行了灵活地设计，同时使用恒温水循环系统和高压气瓶，可进行不同瓦斯压力、不同温度、不同应力状态下的煤岩真三轴细观力学试验，较好地模拟了现场实际煤层固-气耦合所处的环境。还具有结构简单、可靠性高、操作方便简单、经济安全、适用性广等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中试验装置的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

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，本发明包括试验装置1、透明视镜2、活动垫块3、活动压块4、加载轴5、液压千斤顶6、声发射传感器7、测量导线8、应变导线9、声发射放大器10、声发射采集卡11、气管12、高压气瓶13、真空泵14、垫块15、加载块16、水循环系统导管17、水循环系统进水管18、水循环系统出水管19、恒温水循环系统20、压盖21、螺钉22、“回”字形密封圈23、显微镜支架24、体视显微镜25、环形灯26、摄像机27、压力传感器28、液压千斤顶安装座29、减压阀30、瓦斯控制阀31、真空控制阀32、复位弹簧33、加载轴密封圈34、应变仪35和应变传感器36等部件，所述试验装置1内开设有具有开口的试验腔1a，该试验腔1a的开口水平朝向试验装置1的其中一个侧面，所述试验腔1a内的下部安装有活动垫块3，该活动垫块3的上表面用于支撑煤岩样品，在活动垫块3的下方连接有垫块15，该垫块15的底部固定连接在试验腔1a底部，所述垫块15的上表面向上凸起形成条形滑轨15a，该条形滑轨15a左右延伸布置，所述活动垫块3的下表面开有与条形滑轨15a相对应的条形槽3a，所述条形滑轨15a伸入到该条形槽3a内。所述试验腔1a的上部和左右两侧均设有活动压块4，三个所述活动压块4和所述活动垫块3围成一个四边形框架，且所述活动压块4和活动垫块3互相错位，本实施例优选错位情况为，试件上部活动压块4的右端部分压在右侧活动压块4的上端，试件右侧活动压块4的下端部分抵住底部活动垫块3的右端，试件底部活动垫块3的左端部分抵住左侧活动压块4的下端，试件左侧活动压块4的上端部分抵住上部活动压块4的左端。三个所述活动压块16均通过加载块16与加载轴5相连，所述加载块16与加载轴5固定相连，在该加载块16与活动压块4相接触的面上设置有滑槽16a，该活动压块4上设置有与滑槽16a相对应的滑块4a。三根加载轴5的另一端分别从试验腔1a的上方和左右两侧伸出试验装置1外，三根该加载轴5的外端均连接有液压千斤顶6，三个所述液压千斤顶6分别固定连接在三个液压千斤顶安装座29上，三个该液压千斤顶安装座29分别安装在试验装置1的上方和左右两侧，三个所述液压千斤顶6的活塞杆均通过压力传感器28与加载轴5相连，该加载轴5位于试验装置1外的部分向外凸起形成环状的限位台阶5a，在所述加载轴5上还套装有复位弹簧33和加载轴密封圈34，该复位弹簧33的一端紧压在限位台阶5a上，另一端紧压在试验装置1表面，所述加载轴密封圈34位于试验装置1内。所述试验腔1a内还设置有声发射传感器7和应变传感器36，该声发射传感器7用于收集煤岩样品内部破裂产生的声波，该应变传感器36用于收集煤岩样品应变，使用时将该声发射传感器7和应变传感器36贴与试件表面，且该声发射传感器7与测量导线8的一端相连，所述测量导线8的另一端穿过试验腔1a内壁的测量孔与试验装置1外的声发射采集卡11相连，所述应变传感器36与应变导线9的一端相连，该应变导线9的另一端伸出试验装置1外与应变仪35相连。所述试验装置1内还设置有气管12，该气管12的一端与试验腔1a相通，另一端并联有高压气瓶13和真空泵14。所述气管12与高压气瓶13相连的支路上连接有减压阀30和瓦斯控制阀31。所述气管12与真空泵14相连的支路上连接有真空控制阀32。

如图1所示，在所述试验腔1a内壁布置有水循环系统导管17，该水循环系统导管17的两端分别与水循环系统进水管18和水循环系统出水管19相连，所述水循环系统进水管18和水循环系统出水管19均伸出试验装置1外与恒温水循环系统20相连。

由图3进一步可知，所述试验装置1内开设有具有开口的试验腔1a，该试验腔1a的开口水平朝向试验装置1的其中一个侧面，该试验腔1a的开口为内小外大的台阶孔，该台阶孔具有台阶面1b，所述透明视镜2的内侧抵在该台阶面1b上，该透明视镜2的外侧安装有“回”字形压盖21，且该压盖21通过穿过透明视镜2的螺钉22与试验装置1固定相连，在所述透明视镜2与台阶面1b和压盖21相接触的面上均装设有“回”字形密封圈23。

由图1进一步可知所述透明视镜2的外侧还架设有显微镜支架24，该显微镜支架24上安装有体视显微镜25，在所述体视显微镜25面向透明视镜2的一侧安装有环形灯26，该体视显微镜25的另一侧安装有摄像机27，所述摄像机27的镜头指向试验腔1a。

本实施例的工作原理如下：

先将透明视镜2拆下，驱动液压千斤顶6抬起活动压块4，再将试件放到活动垫块上3，将声发射传感器7和应变传感器36贴在试件表面，然后将试件16居中放在活动垫块3上，再缓缓将试件移动到活动垫块3右端平齐。而后调节活动垫块3，使其居于垫块15的中心位置。驱动液压千斤顶6向左移动试件右侧的加载头16，使与其相连的活动压块4抵在试件上。再调整该活动压块4，使其下端部分抵在活动垫块3上。同理，调整左侧和上部加载头位置，使各加载头和活动压头满足前述要求。最后将透明视镜2及压盖21还原、密封、紧固。然后启动真空泵14和真空控制阀32，当试验腔1a内的气压状态到达一定真空度后，关闭真空泵14和真空控制阀32，然后开启瓦斯控制阀31和减压阀30，使高压气瓶内的瓦斯依次通过减压阀30、瓦斯控制阀31和气管12，进入试验腔1a内。当试验腔内的瓦斯压力状态达到一定数值后，持续稳定试验腔内瓦斯压力，使试件充分吸附瓦斯。然后通过循环水系统20来对试验腔1a内的温度进行控制，使其达到设定要求。然后调整试件上部和左右两侧的液压千斤顶6，使试件在垂直和水平方向受到的加载载荷通过加载轴5传递到活动压块4并作用于试件上。再使用声发射传感器17通过测量导线8将试件内部破裂的声波传递至声发射放大器10和声发射采集卡11。同时通过调整显微镜支架24及显微镜25，使显微镜25对准所需观测的试验试件表面，再打开环形灯26以达到最佳观测效果。试验开始前期，使用小倍数的大范围观测，当发现裂纹时，调整显微镜25使裂纹尖端位于视场中间，再通过粗调和微调物距，增大放大倍数，进入细观观测阶段，并同时使用摄像机27记录拍下的视频和捕捉的图片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进如改变表架和基准柱的数量等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：包括试验装置（1），所述试验装置（1）内开设有具有开口的试验腔（1a），该试验腔（1a）的开口水平朝向试验装置（1）的其中一个侧面，且该试验腔（1a）的开口由透明视镜（2）封闭；所述试验腔（1a）内的下部安装有活动垫块（3），该活动垫块（3）的上表面用于支撑煤岩样品；所述试验腔（1a）的上部和左右两侧均设有活动压块（4），三个所述活动压块（4）和所述活动垫块（3）围成一个四边形框架，且所述活动压块（4）和活动垫块（3）互相错位，上部的活动压块（4）其中一端端头部分压在其相邻的活动压块（4）上端面上，另一端端面抵在其相邻的活动压块（4）的端头上，活动垫块（3）的其中一端端头部分压在其相邻的活动压块（4）下端面下方，另一端的端面抵在其相邻的活动压块（4）的端头上，三个所述活动压块（4）均连接有加载轴（5），三根加载轴（5）的另一端分别从试验腔（1a）的上方和左右两侧伸出试验装置（1）外，三根该加载轴（5）的外端均连接有液压千斤顶（6），三个该液压千斤顶（6）分别安装在试验装置（1）的上方和左右两侧；所述试验腔（1a）内还设置有声发射传感器（7），该声发射传感器（7）用于收集煤岩样品内部破裂产生的声波，且该声发射传感器（7）与测量导线（8）的一端相连，所述测量导线（8）的另一端穿过试验腔（1a）内壁的测量孔与试验装置（1）外的声发射放大器（10）及声发射采集卡（11）依次相连，所述试验装置（1）内还设置有气管（12），该气管（12）的一端与试验腔（1a）相通，另一端并联有高压气瓶（13）和真空泵（14）；所述试验腔（1a）内设置有应变传感器（36），该应变传感器（36）与应变导线（9）的一端相连，所述应变导线（9）的另一端伸出试验装置（1）外与应变仪（35）相连。

2.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：在活动垫块（3）的下方连接有垫块（15），该垫块（15）的底部固定连接在试验腔（1a）底部，所述垫块（15）的上表面向上凸起形成条形滑轨（15a），该条形滑轨（15a）左右延伸布置，所述活动垫块（3）的下表面开有与条形滑轨（15a）相对应的条形槽（3a），所述条形滑轨（15a）伸入到该条形槽（3a）内；三个所述活动压块（4）与加载轴（5）相连接的地方均设置有加载块（16），该活动压块（4）通过加载块（16）与加载轴（5）相连，所述加载块（16）与加载轴（5）固定相连，在该加载块（16）与活动压块（4）相接触的面上设置有滑块（16a），该活动压块（4）上设置有与滑块（16a）相对应的滑槽（4a）。

3.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：在所述试验腔（1a）内壁布置有水循环系统导管（17），该水循环系统导管（17）的两端分别与水循环系统进水管（18）和水循环系统出水管（19）相连，所述水循环系统进水管（18）和水循环系统出水管（19）均伸出试验装置（1）外与恒温水循环系统（20）相连。

4.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：所述试验腔（1a）的开口为内小外大的台阶孔，该台阶孔具有台阶面（1b），所述透明视镜（2）的内侧抵在该台阶面（1b）上，该透明视镜（2）的外侧安装有“回”字形压盖（21），且该压盖（21）通过穿过透明视镜（2）的螺钉（22）与试验装置（1）固定相连，在所述透明视镜（2）与台阶面（1b）和压盖（21）相接触的面上均装设有“回”字形密封圈（23）。

5.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：所述透明视镜（2）的外侧还架设有显微镜支架（24），该显微镜支架（24）上安装有体视显微镜（25），在所述体视显微镜（25）面向透明视镜（2）的一侧安装有环形灯（26），该体视显微镜（25）的另一侧安装有摄像机（27），所述摄像机（27）的镜头指向试验腔（1a）。

6.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：三个所述液压千斤顶（6）分别固定连接在三个液压千斤顶安装座（29），三个该液压千斤顶安装座（29）分别安装在试验装置（1）的上方和左右两侧，三个所述液压千斤顶（6）的活塞杆均通过压力传感器（28）与加载轴（5）相连，该加载轴（5）位于试验装置（1）外的部分向外凸起形成环状的限位台阶（5a），在所述加载轴（5）上还套装有复位弹簧（33）和加载轴密封圈（34），该复位弹簧（33）的一端紧压在限位台阶（5a）上，另一端紧压在试验装置（1）表面，所述加载轴密封圈（34）位于试验装置（1）内。

7.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：所述气管（12）与高压气瓶（13）相连的支路上连接有减压阀（30）和瓦斯控制阀（31）。

8.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统，其特征在于：所述气管（12）与真空泵（14）相连的支路上连接有真空控制阀（32）。

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