CN104502453B - 含瓦斯煤岩试样纵波测试装置 - Google Patents

Abstract

含瓦斯煤岩试样纵波测试装置，包括煤‑气耦合单元、气源单元、声波检测单元和排气单元；本发明在实验室研究不同瓦斯含量、不同应力、不同煤质条件下应力波的传播特性，可以指导现场利用应力波反演含瓦斯煤体的状态以及揭示采动影响对含瓦斯煤体稳定性的破坏规律，从而为超声波测试技术在预测和防治动力灾害等工程应用中提供一定的理论依据，进一步拓宽其应用范围，对解放突出矿井的生产力和提高矿井经济效益具有重大的实际意义。

Description

含瓦斯煤岩试样纵波测试装置

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种含瓦斯煤岩试样纵波测试装置。

背景技术

以CH4为主的瓦斯气体是煤层生成过程的伴生产物，我国所有煤层均含有瓦斯。煤体本身是多孔介质，对瓦斯等气体具有较强的吸附性，在一定条件下可以吸附超过自身几十倍体积的瓦斯气体，因此，煤体含有瓦斯后其物理力学性质会有所改变。对于含瓦斯后煤体的静态力学特征，已有较多的研究，而含瓦斯煤的动态力学特征研究较少，主要是测度动态含瓦斯煤力学特征设备和条件需要特殊设计和加工。

在岩体中传播的弹性波大致可分为两类，一类是在岩体内部传播的体波，另一类是仅仅沿着岩体表面传递的面波。而体波又可分为两类，一类是质点振动方向与波传播方向一致的波称为纵波（又称压力波或P波），它产生压缩或拉伸变形；另一类是质点振动方向与波传播方向垂直的波，称为横波（又称拉力波或S波），它产生剪切变形。弹性波在煤、岩介质中的传播特征可以反应煤岩介质的物理力学特征，并可以计算动态力学参数，在不含瓦斯条件下，煤岩介质的弹性波传播特征可以直接由声波测试仪测试。含瓦斯煤要置于一定的瓦斯气体压力环境下，因此，需要将煤样放置在一个密封的容器中，如要对含瓦斯煤样进行声波测试则需要重新设计一套测试设置。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能够对含瓦斯煤样进行弹性波测试、并且能够对加载过程中的含瓦斯煤样进行弹性波测试的含瓦斯煤岩试样纵波测试装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：含瓦斯煤岩试样纵波测试装置，包括煤-气耦合单元、气源单元、声波检测单元和排气单元；

煤-气耦合单元包括底盘，底盘上设有压力缸，压力缸内装有试样，压力缸下部设有进气连接头，压力缸上部设有数据线穿孔，压力缸顶部设有出气连接头；

气源单元包括高压气瓶、高压气瓶的出气口与压力缸上的进气连接头之间通过进气管连接，进气管上沿气流方向顺次设有气瓶阀门、减压阀和第一截止阀；

声波检测单元包括控制计算机、超声采集仪和声波传感器，声波传感器设有两个，两个声波传感器设在压力缸内并分别与试样的上端和下端接触，超声采集仪的信号输入端和信号输出端分别通过数据信号线与声波传感器和控制计算机连接；

排气单元包括真空泵，真空泵的抽气口与压力缸的出气连接头通过抽气管连接，抽气管上设有第二截止阀和负压表。

所述压力缸包括设在底盘上的底座、设在底座上的缸体和设在缸体上端的密封盖，缸体上端和密封盖的下端的外部均设有外螺纹，缸体与密封盖之间通过具有内螺纹的套管同轴向连接，进气连接头和数据线穿孔设在缸体上，出气连接头设在密封盖上，密封盖顶部中央设有可沿密封盖轴向方向移动的加载压头，加载压头上端设有密封盖把手，密封盖下端外周和缸体上端外周分别与套管内壁之间设有密封圈，缸体底部设有下压头，缸体上部设有上压头，试样设在上压头和下压头之间，上压头底部和下压头底部分别设有用于放置声波传感器的槽孔，上压头侧部和下压头侧部分别设有用于穿设与声波传感器连接的数据信号线的凹槽，上压头侧部连接有用于监测上压头向下移动的位移传感器，缸体外部设有缸体把手。

采用上述技术方案，煤-气耦合单元是本发明的核心部件，其主要功能是使煤样吸附高压瓦斯，在煤样上下两端安装声波传感器，同时能够对吸附瓦斯的试样进行加载。气源单元的主要功能是按实验要求稳定的给煤-气耦合单元供气。声波检测单元主要由超声波采集仪和控制计算机组成，主要用于对含瓦斯进行声波传播特征检测。排气单元主要功能是给原始煤样抽真空及实验完成后排除瓦斯气体。

测试含瓦斯煤样的难点在于，需要将煤样置于密闭的高压容器内，然后充入高压瓦斯气体，检测容器内煤样的声波信号，并且能够对煤样进行加载破坏，以得到含瓦斯煤样加载破坏过程中声波信号变化情况。本发明具体工作原理及试验步骤如下：

第一步，煤样安装：将加工好的标准试样两端涂上黄油，使其能够与声波传感器耦合。两个声波传感器分别放入上压头和下压头的槽孔中，数据线信号线通过凹槽引出。用胶带将试样两端分别与上压头、下压头粘在一起，分别在槽孔中塞入泡沫塑料等软材料以使声波传感器能够贴紧试样。将粘在一起的试样、上压头、下压头放入缸体内，手拎密封盖把手将密封盖放到缸体上，然后把套管旋转在缸体和密封盖上，声波传感器的数据信号线通过缸体上的数据线穿孔引出缸体，连接到超声采集仪上，并通过控制计算机来发出采集指令，存储声波数据。连接好以后测试原始试样的声波，检查设备运行情况，并将数据存储。

第二步，真空排气：将抽气管上的第二截止阀、负压表、真空泵用高压排气管连接好，出气连接头安装在密封盖的排气口上，打开真空泵，对密封的缸体抽真空30min以上，观察负压表的读书，使试样中的空气排出。排气完成后关闭截止阀。

第三步，充气吸附：将气源单各部件连接好，打开气瓶阀门和减压阀，将气压值调整到预定气压，打开截止阀向压力缸充气，充气平衡以后保持气压值12个小时以上，让试样充分吸附瓦斯。试样吸附12个小时后，打开超声采集仪和控制计算机，测试含有瓦斯试样的声波数据。

第四步，加载测试：如要测试加载过程中含瓦斯试样的声波传播特征，则将压力缸放置于压力机上，拧掉密封盖把手，压力机向加载压头向下施加载荷，加载压头向下顶压上压头，上压头上的位移传感器可以检测上压头的移动距离，即试样被压缩的距离，加载的过程中，通过声波检测单元测试声波传播特征的变化。

第五步，解吸排气：如果试样没有进行加载实验，则可以测试解析过程对试样的损伤破坏。完成第三步后，缓慢打开截止阀，根据预先设定的流量释放缸体内的瓦斯气，此过程中通过声波检测单元测试声波传播特征的变化。瓦斯气体释放完毕后，再测试声波，与初始声波数据进行对比。

本发明在实验室研究不同瓦斯含量、不同应力、不同煤质条件下应力波的传播特性，可以指导现场利用应力波反演含瓦斯煤体的状态以及揭示采动影响对含瓦斯煤体稳定性的破坏规律，从而为超声波测试技术在预测和防治动力灾害等工程应用中提供一定的理论依据，进一步拓宽其应用范围，对解放突出矿井的生产力和提高矿井经济效益具有重大的实际意义。

附图说明

图1是本发明的的结构示意图；

图2是图1中压力缸的结构示意图；

图3是图2中缸体的示意图；

图4是图2中密封盖的示意图

图5是压力缸内上压头的示意图；

图6是压力缸内下压头的示意图。

具体实施方式

如图1～图6所示，本发明的含瓦斯煤岩试样纵波测试装置，包括煤-气耦合单元、气源单元、声波检测单元和排气单元；

煤-气耦合单元包括底盘9，底盘9上设有压力缸31，压力缸31内装有试样1，压力缸31下部设有进气连接头6，压力缸31上部设有数据线穿孔24，压力缸31顶部设有出气连接头7；

气源单元包括高压气瓶10、高压气瓶10的出气口与压力缸31上的进气连接头6之间通过进气管连接，进气管上沿气流方向顺次设有气瓶阀门11、减压阀12和第一截止阀13；

声波检测单元包括控制计算机16、超声采集仪15和声波传感器14，声波传感器14设有两个，两个声波传感器14设在压力缸31内并分别与试样1的上端和下端接触，超声采集仪15的信号输入端和信号输出端分别通过数据信号线17与声波传感器14和控制计算机16连接；

排气单元包括真空泵20，真空泵20的抽气口与压力缸31的出气连接头7通过抽气管21连接，抽气管21上设有第二截止阀18和负压表19。

压力缸31包括设在底盘9上的底座5、设在底座5上的缸体22和设在缸体22上端的密封盖3，缸体22上端和密封盖3的下端的外部均设有外螺纹，缸体22与密封盖3之间通过具有内螺纹的套管4同轴向连接，进气连接头6和数据线穿孔24设在缸体22上，出气连接头7设在密封盖3上，密封盖3顶部中央设有可沿密封盖3轴向方向移动的加载压头25，加载压头25上端设有密封盖把手26，密封盖3下端外周和缸体22上端外周分别与套管4内壁之间设有密封圈27，缸体22底部设有下压头8，缸体22上部设有上压头2，试样1设在上压头2和下压头8之间，上压头2底部和下压头8底部分别设有用于放置声波传感器14的槽孔28，上压头2侧部和下压头8侧部分别设有用于穿设与声波传感器14连接的数据信号线17的凹槽29，上压头2侧部连接有用于监测上压头2向下移动的位移传感器30，缸体22外部设有缸体把手23。

煤-气耦合单元是本发明的核心部件，其主要功能是使煤样吸附高压瓦斯，在煤样上下两端安装声波传感器14，同时能够对吸附瓦斯的试样1进行加载。气源单元的主要功能是按实验要求稳定的给煤-气耦合单元供气。声波检测单元主要由超声波采集仪和控制计算机16组成，主要用于对含瓦斯进行声波传播特征检测。排气单元主要功能是给原始煤样抽真空及实验完成后排除瓦斯气体。

测试含瓦斯煤样的难点在于，需要将煤样置于密闭的高压容器内，然后充入高压瓦斯气体，检测容器内煤样的声波信号，并且能够对煤样进行加载破坏，以得到含瓦斯煤样加载破坏过程中声波信号变化情况。本发明具体工作原理及试验步骤如下：

第一步，煤样安装：将加工好的标准试样1两端涂上黄油，使其能够与声波传感器14耦合。两个声波传感器14分别放入上压头2和下压头8的槽孔28中，数据线信号线通过凹槽29引出。用胶带将试样1两端分别与上压头2、下压头8粘在一起，分别在槽孔28中塞入泡沫塑料等软材料以使声波传感器14能够贴紧试样1。将粘在一起的试样1、上压头2、下压头8放入缸体22内，手拎密封盖把手26将密封盖3放到缸体22上，然后把套管4旋转在缸体22和密封盖3上，声波传感器14的数据信号线17通过缸体22上的数据线穿孔24引出缸体22，连接到超声采集仪15上，并通过控制计算机16来发出采集指令，存储声波数据。连接好以后测试原始试样1的声波，检查设备运行情况，并将数据存储。

第二步，真空排气：将抽气管21上的第二截止阀18、负压表19、真空泵20用高压排气管连接好，出气连接头7安装在密封盖3的排气口上，打开真空泵20，对密封的缸体22抽真空30min以上，观察负压表19的读书，使试样1中的空气排出。排气完成后关闭第二截止阀18。

第三步，充气吸附：将气源单各部件连接好，打开气瓶阀门11和减压阀12，将气压值调整到预定气压，打开第一截止阀13向压力缸31充气，充气平衡以后保持气压值12个小时以上，让试样1充分吸附瓦斯。试样1吸附12个小时后，打开超声采集仪15和控制计算机16，测试含有瓦斯试样1的声波数据。

第四步，加载测试：如要测试加载过程中含瓦斯试样1的声波传播特征，则将压力缸31放置于压力机上，拧掉密封盖把手26，压力机向加载压头25向下施加载荷，加载压头25向下顶压上压头2，上压头2上的位移传感器30可以检测上压头2的移动距离，即试样1被压缩的距离，加载的过程中，通过声波检测单元测试声波传播特征的变化。

第五步，解吸排气：如果试样1没有进行加载实验，则可以测试解析过程对试样1的损伤破坏。完成第三步后，缓慢打开第二截止阀18，根据预先设定的流量释放缸体22内的瓦斯气，此过程中通过声波检测单元测试声波传播特征的变化。瓦斯气体释放完毕后，再测试声波，与初始声波数据进行对比。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.含瓦斯煤岩试样纵波测试装置，其特征在于：包括煤-气耦合单元、气源单元、声波检测单元和排气单元；

煤-气耦合单元包括底盘，底盘上设有压力缸，压力缸内装有试样，压力缸下部设有进气连接头，压力缸上部设有数据线穿孔，压力缸顶部设有出气连接头；

气源单元包括高压气瓶、高压气瓶的出气口与压力缸上的进气连接头之间通过进气管连接，进气管上沿气流方向顺次设有气瓶阀门、减压阀和第一截止阀；

声波检测单元包括控制计算机、超声采集仪和声波传感器，声波传感器设有两个，两个声波传感器设在压力缸内并分别与试样的上端和下端接触，超声采集仪的信号输入端和信号输出端分别通过数据信号线与声波传感器和控制计算机连接；

排气单元包括真空泵，真空泵的抽气口与压力缸的出气连接头通过抽气管连接，抽气管上设有第二截止阀和负压表；

所述压力缸包括设在底盘上的底座、设在底座上的缸体和设在缸体上端的密封盖，缸体上端和密封盖的下端的外部均设有外螺纹，缸体与密封盖之间通过具有内螺纹的套管同轴向连接，进气连接头和数据线穿孔设在缸体上，出气连接头设在密封盖上，密封盖顶部中央设有可沿密封盖轴向方向移动的加载压头，加载压头上端设有密封盖把手，密封盖下端外周和缸体上端外周分别与套管内壁之间设有密封圈，缸体底部设有下压头，缸体上部设有上压头，试样设在上压头和下压头之间，上压头底部和下压头底部分别设有用于放置声波传感器的槽孔，上压头侧部和下压头侧部分别设有用于穿设与声波传感器连接的数据信号线的凹槽，上压头侧部连接有用于监测上压头向下移动的位移传感器，缸体外部设有缸体把手。