CN105424495B - 一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种热力耦合条件下煤岩平面薄板试验装置及试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴，其特征在于该装置由轴向应变约束系统1、平面加载系统2、底部温控及支撑调整组件系统3、声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力‑变形测试系统6 六大系统组成，可模拟热力耦合条件下，处于平面应力状态的煤岩平面煤岩薄板试件力学特性试验，通过声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力‑变形测试系统6全程监测平面煤岩薄板试件在热力耦合条件下的裂缝的起裂、扩展特性，观察和分析掌握热力耦合条件下裂缝的形成及扩展机理，为平面煤岩薄板试件热力耦合作用下的破裂提供理论基础和实验依据。
Description
技术领域：
本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴。具体涉及一种处于平面应力状态的煤岩薄板材料在真三轴伺服压力试验机上实现热力耦合的试验装置与试验方法。通过对煤岩薄板试件热力耦合岩石力学试验，揭示处于平面应力状态的煤岩薄板材料在不同应力及温度状况下的应力-应变等岩石力学性质及其变化规律；通过水平双向加载可实现平面应力状态下煤岩薄板试件裂纹起裂扩展过程；通过底部温控装置对煤岩薄板试件进行加热控制；通过应力-变形测试系统对煤岩薄板试件的应力-应变进行监测；通过声发射系统及可视化监测系统对煤岩薄板试件热力耦合条件下裂缝的起裂、扩展特性进行观察，分析掌握裂缝的形成及扩展机理，为煤岩薄板材料的裂纹起裂、扩展直至破裂提供实验支撑和理论基础。
背景技术：
对于煤岩薄板试件，通常定义为试件外形长宽尺寸与其厚度的比为10:1及以上，此范围均属于平面薄板范畴。目前，煤岩体岩石力学试验在宏观上趋向于真三轴模拟，但对于真三轴条件下煤岩内部的三维裂隙演化规律尚未能实现可视化监测，而该技术装置中平面应力状态下的煤岩薄板装置可实现二维裂隙演化规律的可视化监测，另外，相关可实现煤岩平面薄板力学特性的试验装置在国内也鲜见报道，也就是说急需创新和填补对于可实现热力耦合条件下，处于平面应力状态的煤岩薄板试件力学特性研究的试验装置及试验方法的空缺。
发明内容：
本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法，目的在于弥补煤岩薄板受力变形试验装置的空缺，克服传统试验方法的缺陷与不足，根据不同煤岩特性，提供一种可模拟煤岩薄板试件在平面应力状态下的热力耦合作用过程的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置及试验方法。
本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于是一种可模拟在热力耦合条件下，温度最高可达400℃环境条件下，处于平面应力状态的煤岩薄板试件力学特性的实验装置，该装置由轴向应变约束系统1、平面加载系统2、底部温控及支撑调整组件系统3、声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力-变形测试系统6六大系统组成。
所述的轴向应变约束系统1，由轴向轴套13、轴向耐高压隔热传压板11、轴向传压杆7、传力圈梁10和耐高温高压透明玻璃盖板9组成，主要为煤岩薄板试件8提供纵向应变约束，保障其处于平面应力状态。
所述的平面加载系统2，由平面水平加载轴套16、平面水平方向耐高压隔热板15、组合传力扁杆19以及扁平自适应压头20组成，主要为煤岩薄板试件8提供平面应力载荷。
所述的底部温控及支撑调整组件系统3，由底部温控加热垫板23、底部耐高压隔热板22和底部模型支撑调整组件21组成，主要为煤岩薄板试件8提供温度控制以及调整支撑平台平衡作用。
所述的声发射监测系统4，由目前国内外广泛使用的耐高温陶瓷声发射探头25以及声发射处理装置组成，利用声发射仪监测煤岩薄板试件8的声发射事件，并进行三维声发射定位，用来监测煤岩薄板试件8内部裂纹的起裂和扩展演化参数。
所述的可视化监测系统5，主要由记录速度达5000帧/秒以上的高速摄像机组成，主要用来记录及影像处理煤岩薄板试件8裂纹起裂扩展直至破裂过程。
所述的应力-变形测试系统6，主要由对试验过程进行精确测量与控制的各子系统中记录压力、应变的目前已经广泛使用的高精度传感器组成，保证试验条件与测试结构的可靠性，可直接显示整个系统工作状况与测试结果。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，在真三轴伺服加载控制系统的基础上实现平面应力状态下煤岩薄板试件的热力耦合试验，可加载控制捕捉整个加载和加热过程中的应力、应变、裂纹起裂和扩展演化参数的特征信息。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，所述的煤岩薄板试件8尺寸为两种规格：200×200×20mm或300×300×20mm。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，煤岩薄板试件8上覆耐高温高压透明玻璃盖板9通过轴向传压杆7联接轴向油缸对试件实现纵向平面的位移约束。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，煤岩薄板试件8平面水平方向通过特制扁平自适应压头20对煤岩薄板试件8施加载荷，其水平双向的最大应力均可达50MPa。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，通过底部温控加热垫板23对煤岩薄板试件8进行均匀加热，最高加热温度400℃。
上述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，在底部耐高压隔热板22下方通过设置液压支撑组件调整煤岩试件8的位置平衡度。
上述一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置的试验方法，其特征在于，采用上述一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，可模拟煤岩薄板试件8在平面应力状态下的热力耦合作用过程，最高可模拟平面应力50MPa，温度达400℃环境条件，其具体实施的步骤为：
步骤一：实验前，首先要求将平面薄板装置底部支撑调整组件调整至水平状态；
步骤二：将煤岩薄板试件8夹装送入压力室，并对该试件平面双向同时施加较低的预应力紧固试件，同时通过轴向耐高温高压透明盖板9对煤岩薄板试件8实施纵向位移约束；
步骤三：连通各监测装置，开启声发射监测系统4，高速摄像监测系统5，应力-变形监测系统6，准备实时监测、采集、处理数据；
步骤四：启动温度加载控制系统3，对煤岩薄板试件8实施加热；
步骤五：对煤岩薄板试件8实施平面应力加载，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数，直至试件破裂，至此本次热力耦合煤岩平面薄板力学特性试验完成。
本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置及试验方法，优点在于：弥补了煤岩平面薄板受力变形试验装置的空缺，克服了传统试验方法的缺陷与不足，根据不同煤岩特性，可进行平面应力状态下，处于高温条件的煤岩薄板试件热力耦合作用下的破裂力学特性研究，具体包括以下几点：①该装置可实现煤岩薄板平面应力状态下的热力耦合试验；②该装置能够对煤岩薄板试件(8)在高温条件下对平面进行加载，最大加载力为20t，最高加热温度为400℃；③该装置煤岩薄板试件(8)尺寸规格为：200×200×20mm或300×300×20mm；④该装置通过扁平自适应压头(20)对煤岩薄板试件(8)进行加载；⑤该装置通过轴向耐高温高压透明玻璃盖板(9)对煤岩薄板试件(8)实施轴向位移约束。
附图说明：
图1：真三轴平面薄板装置正视示意图
图2：平面薄板装置压力室单元结构俯视示意图
图中标号：
1——轴向约束控制系统；2——平面加载系统；
3——底部温控及支撑调整组件系统；4——声发射监测系统；
5——可视化监测系统；6——应力-变形测试系统；
7——轴向传压杆；8——煤岩薄板试件；9——耐高温高压透明玻璃盖板；
10——传力圈梁；11——轴向耐高压隔热传压板；12——轴向油缸；
13——轴向轴套；14——轴向轴套固定顶丝；
15——平面水平方向耐高压隔热板；16——平面水平加载轴套；
17——平面水平加载油缸，18——平面水平轴套固定顶丝；
19——组合传力扁杆；20——扁平自适应压头；
21——底部模型支撑调整组件；22——底部耐高压隔热板；
23——底部温控加热垫板；24——加热棒组件；
25——耐高温陶瓷声发射探头。
具体实施方式：根据实验要求，煤岩薄板试件8的尺寸规格有两种选择，分别为：200×200×20mm或300×300×20mm。该试验装置能够满足煤岩薄板试件8在平面应力状态下的热力耦合试验要求。
轴向应变约束系统1，主要为煤岩薄板试件8提供纵向约束，保障其处于平面应力状态；平面加载系统2，主要为煤岩薄板试件8提供平面应力载荷；底部温控及支撑调整组件系统3，主要为煤岩薄板试件8提供温度控制以及调整支撑平台平衡作用；声发射监测系统4，主要利用声发射仪监测煤岩薄板试件8的声发射事件，并进行裂纹起裂扩展定位；可视化监测系统5，主要利用高速摄像机记录煤岩薄板试件8裂纹起裂扩展直至破裂过程；应力-变形测试系统6，主要通过应力、应变和位移传感器对试验过程进行精确测量与控制，直接显示整个系统工作状况与测试结果。
实施方式1：
本实施示例中以300×300×20mm煤岩薄板试件为例。进行固定温度100℃条件下，平面应力加载的热力耦合试验。
采用所述的热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤一：实验前，首先要求将平面薄板装置底部支撑调整组件调整至水平状态；
步骤二：将300×300×20mm的煤岩薄板试件8夹装送入压力室，并对该试件平面双向同时施加较低的预应力紧固试件，同时通过轴向耐高温高压透明盖板9对其实施纵向位移约束；
步骤三：连通各监测装置，开启声发射监测系统4，高速摄像监测系统5，应力-变形测试系统6，准备实时监测、采集、处理数据；
步骤四：启动温度开关，通过底部温控加热垫板23进行温度加载，设定加热温度为100℃，加温至设定温度，保持恒温；
步骤五：对煤岩薄板试件8实施平面加载，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数，直至试件破裂，至此本次热力耦合平面薄板试验完成。
实施方式2：
本实施示例中以200×200×20mm煤岩薄板试件为例。进行固定平面应力，分别为3MPa、5MPa条件下，温度加载热力耦合试验，温度加载梯度为20℃，保持恒温15分钟后升温至下一梯度。
采用所述的热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤一：实验前，首先要求将平面薄板装置底部支撑调整组件调整至水平状态；
步骤二：将200×200×20mm的煤岩薄板试件8夹装送入压力室，并对该试件平面双向同时施加较低的预应力紧固试件，同时通过轴向耐高温高压透明盖板9对其实施纵向位移约束；
步骤三：连通各监测装置，开启声发射监测系统4，高速摄像监测系统5，应力-变形测试系统6准备实时监测、采集、处理数据；
步骤四：对煤岩薄板试件8实施平面加载，双向平面载荷分别加载至3MPa、5MPa，保持恒定；
步骤五：启动温度开关，通过底部温控加热垫板23进行温度加载，温度加载梯度20℃，保持15分钟后升温至下一梯度，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数，直至试件破裂，至此本次热力耦合平面薄板试验完成。
综上所述，本发明主要用于热力耦合条件下煤岩平面薄板力学特性试验研究。
最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (6)
1.一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于是一种模拟在双向应力作用下，温度达400℃环境条件下煤岩薄板平面应力状态的试验装置，该试验装置由轴向应变约束系统(1)、平面加载系统(2)、底部温控及支撑调整组件系统(3)、声发射监测系统(4)、可视化监测系统(5)以及应力-变形测试系统(6)六大系统组成，其所述的轴向应变约束系统(1)由联接轴向油缸的轴向轴套(13)、可隔绝高温热传递的轴向耐高压隔热传压板(11)、起传力作用的轴向传压杆(7)、传力圈梁(10)、能覆盖扁平自适应压头(20)的耐高温高压透明玻璃盖板(9)组成，该系统实现对平面薄板的纵向位移约束；其所述的平面加载系统(2)由可联接真三轴侧向油缸的平面水平加载轴套(16)、可隔绝高温热传递的平面水平方向耐高压隔热板(15)、起传力作用的组合传力扁杆(19)和扁平自适应压头(20)组成，该系统实现对煤岩平面薄板试件(8)施加平面载荷；其所述的底部温控及支撑调整组件系统(3)由对煤岩平面薄板试件(8)直接加热的底部温控加热垫板(23)、可隔绝高温热传递的底部耐高压隔热板(22)以及可调节压力室位置平衡的底部模型支撑调整组件(21)组成，该系统实现对煤岩平面薄板试件(8)支撑及施加温度控制；其所述的声发射监测系统(4)由目前国内外广泛使用的耐高温陶瓷声发射探头(25)以及声发射处理装置组成，该系统实现监测煤岩平面薄板试件(8)的三维定位，用来监测煤岩平面薄板试件(8)裂纹的起裂和扩展演化过程；其所述的可视化监测系统(5)由可记录煤岩平面薄板试件(8)裂纹起裂和扩展的目前广泛应用的记录速度达5000帧/秒以上的高速摄像机组成，该系统实现全程可视化记录；其所述的应力-变形测试系统(6)由各子系统中记录压力、应变的目前已经广泛使用的高精度传感器组成，该系统实现试验过程数字化控制及数据采集。
2.按照权利要求1所述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，所述的对煤岩平面薄板试件(8)实施热力耦合平面应力加载，可控制捕捉整个加载过程中的温度、应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息。
3.按照权利要求1所述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于，所述的煤岩平面薄板试件试件(8)尺寸为两种规格：200×200×20mm或300×300×20mm。
4.按照权利要求1所述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于所述的煤岩平面薄板试件(8)是通过轴向应变约束系统(1)实现对煤岩平面薄板试件(8)的纵向应变控制，保障煤岩平面薄板试件(8)处于平面应力状态。
5.按照权利要求1所述的一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于所述的煤岩平面薄板试件(8)需在热力耦合状态下实现全过程的可视化监测。
6.权利要求1所述一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置的试验方法，其特征在于采用上述一种热力耦合条件下煤岩平面薄板试验装置，模拟煤岩薄板在平面应力状态下的热力耦合试验，最高加热温度达400℃，该方法要求对煤岩平面薄板试件(8)进行精密加工，底部模型支撑调整组件(21)调节平衡后，将煤岩平面薄板试件(8)置于压力室中，对其实施纵向位移约束，开启声发射监测系统(4)、可视化监测系统(5)、应力-变形测试系统(6)，设定加热温度，通过底部温控加热垫板(23)对煤岩平面薄板试件(8)进行加热，通过温控传感器控制温度，开启平面加载系统(2)对煤岩薄板试件(8)实施平面应力加载，整个热力耦合过程通过声发射监测系统(4)、可视化监测系统(5)、应力-变形测试系统(6)全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数，其具体实施的步骤为：
步骤一：实验前，对200×200×20mm或300×300×20mm的煤岩薄板试件(8)进行高精度加工，首先要求将平面薄板装置底部支撑调整组件调整至水平状态；
步骤二：将煤岩薄板试件(8)夹装送入压力室，并对该试件平面双向同时施加较低的预应力紧固试件，同时通过轴向耐高温高压透明玻璃盖板(9)对该实施纵向位移约束；
步骤三：连通各监测装置，开启声发射监测系统(4)、可视化监测系统(5)、压力-应变测试系统(6)准备实时监测、采集、处理数据；
步骤四：启动温度开关，通过底部温控加热垫板(23)进行温度加载；
步骤五：启动平面加载系统(2)，进行平面应力加载；
实施热力耦合加载的同时，实时监测、采集、处理数据，直至试件破裂，至此本次热力耦合条件下煤岩平面煤岩薄板试件力学特性试验完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |