CN103471926A - 一种煤岩真三轴细观力学试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩真三轴细观力学试验装置，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。本发明对加载头和活动压块进行了灵活地设计，可对煤岩进行真三轴细观力学试验，较好地模拟了现场实际煤层耦合所处的环境。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。

Description

一种煤岩真三轴细观力学试验装置

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煤岩细观力学试验装置。

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，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，针对煤岩的细观装置较为少见，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）。前者采用的试验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磨成平面宽度约为10～15mm的平面作为观测平面，该装置采用圆柱形试件，观测面范围较小，不能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。后者的试验装置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，这种结构无法进行煤岩真三轴状态下的细观试验。

综上分析，已有的设备都无法进行更贴近煤岩实际受载状态的真三轴试验。目前还缺乏一种有效的、更贴近矿山生产实际的的煤岩真三轴力学试验装置，该装置既可以对煤岩进行单轴、平面应变、真三轴等受力状态下的细观力学试验研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够对煤岩进行真三轴细观力学实验的试验装置。

本发明的技术方案如下：一种含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验装置，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。

采用上述结构的试验装置对试件进行试验时，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，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。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，并且可以通过对液压千斤顶压力的调整，来满足各种情况下的状态模拟，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。

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。

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。

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。

有益效果：本发明对加载头和活动压块进行了灵活地设计，可对煤岩进行真三轴细观力学试验，较好地模拟了现场实际煤层耦合所处的环境。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、垫块15、加载块16、压盖21、螺钉22、“回”字形密封圈23、压力传感器28、液压千斤顶安装座29、复位弹簧33和加载轴密封圈34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。

由图2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。

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，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。

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 (4)

1.一种煤岩真三轴细观力学试验装置，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩真三轴细观力学试验装置，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所述的一种煤岩真三轴细观力学试验装置，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）。

4.根据权利要求1所述的一种煤岩真三轴细观力学试验装置，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。

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