CN105973712A - 一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，包括声发射测试系统、力学控制系统、和瓦斯压力控制系统和煤样测试系统。声发射测试系统包括显示器一、AE‑win E1.86声发射监测仪、电缆和前置放大器；力学控制系统包括显示器、伺服控制柜和压头；瓦斯压力控制系统包括抽气泵、瓦斯罐、三通、排气阀、压力表和橡胶管；煤样失稳破坏系统包括缸体、煤样和底座，本发明可以进行单轴含瓦斯煤岩的声发射测试实验，本发明可以进行不同瓦斯压力状态下煤岩破裂过程中的声发射特征实验，有助于较真实的研究在瓦斯作用下煤岩破裂过程中的声发射特征发生的变化，为煤矿深部开采提供基本理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，可以应用于含瓦斯煤岩声发射特征的室内研究。
背景技术
材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission，简称AE) ，有时也称为应力波发射。在地下采矿过程中，煤岩失稳破裂过程中的声发射现象是一种很常见的物理现象，但是一般人耳是无法察觉到的，通过声发射监测设备，可以监测到煤岩动力灾害发生过程中的声发射特征，找出动力灾害发生前的一些前兆信息，为煤岩动力灾害的预测预报提供可靠的参数，并且可以更充分地了解含瓦斯煤岩动力灾害的灾变演化过程，找到含瓦斯煤岩动力灾害发生过程中的一些前兆信息，通过力学机理和前兆信息，可以针对含瓦斯煤岩动力灾害提出更加合理完善的治理方案和措施。因此，研究煤岩动力灾害发生过程中的声发射特征非常有意义。
煤炭深部开采面临“高应力、高渗透压（瓦斯）、高地温、强开采扰动”的复杂条件，这些因素导致了深部矿井煤岩瓦斯突出和冲击地压等动力灾害越加严重，煤与瓦斯突出的和冲击地压发生的条件和形式也发生了明显的变化。煤与瓦斯突出的条件由单一向多种条件发生转变，造成采煤环境和条件恶化、煤岩与瓦斯等动力灾害成因复杂，突发性和重大工程灾害威胁加重。目前国内外学者对煤岩失稳破裂过程中的声发射特征研究主要集中在单轴、三轴压缩下，研究瓦斯压力对煤岩失稳破坏过程中的声发射特征影响的相对较少。并且进行三轴试验时，声发射探头基本上都放置在缸体的外部，声发射信号受到缸体和油压的影响，致使在实验过程中测定的声发射信号不太准确。因此急需一种实验装置，能够实现不同瓦斯压力作用下煤岩破裂过程中的声发射特征测定装置。
基于以上技术问题，本发明提供了一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，可以对不同瓦斯压力作用下煤岩破裂过程中的声发射特征进行监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构和使用简单、合理，精度高，性能稳定的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，来解决现有的实验装置在进行煤岩力学特征和声发射特征实验过程中不能考虑瓦斯压力影响的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，其包括声发射测试系统、力学控制系统、瓦斯压力控制系统和煤岩失稳破坏平台，其中，所述声发射测试系统通过电缆和BNC插头与所述煤岩失稳破坏平台内的煤样连接，所述力学控制系统与所述煤岩失稳破坏平台上的活塞连接，所述瓦斯压力控制系统与所述煤岩失稳破坏平台的内腔连通，所述煤样设置在所述煤岩失稳破坏平台的缸体内，且所述煤样的上方接触压设有所述活塞。
进一步，作为优选，所述声发射测试系统包括显示器一、AE-win E1.86声发射监测仪、电缆、声发射探头和前置放大器，其中，所述显示器与所述AE-win E1.86声发射监测仪的输出端采用所述电缆连接，所述AE-win E1.86声发射监测仪的输入端分别通过所述电缆与各自的所述前置放大器连接，各自的所述前置放大器采用各自的同轴电缆与各自的所述声发射探头对应连接，每个所述声发射探头紧贴的设在煤样的侧壁上。
进一步，作为优选，所述力学控制系统包括显示器二、伺服控制柜、压力机和压头，其中，所述显示器二与所述伺服控制柜连接，所述伺服控制柜连接所述压力机，所述压力机上设置有所述压头，所述压头施压在所述活塞上。
进一步，作为优选，所述瓦斯压力控制系统包括抽气泵、瓦斯罐、多个三通、排气阀、压力表和橡胶管，其中，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通，且所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上通过三通设置有所述压力表，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上还通过三通设置有开关二，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上还通过三通设置有所述抽气泵，所述抽气泵的抽气口上设置有开关一。
进一步，作为优选，所述煤岩失稳破坏平台包括底座、缸座、缸体和煤样，其中，所述缸座设置在所述底座上，所述缸座密封设置在所述缸体下端，所述缸体的上端设置有所述活塞，所述活塞与所述缸体之间设置有O型密封圈，所述缸体与缸座之间设置有两个O型密封圈，所述缸座上设置有供同轴电缆穿过的细孔。
进一步，作为优选，所述声发射探头通过同轴电缆设置有PNC插头，所述前置放大器连接的同轴电缆采用BNC插头连接，所述PNC插头与所述BNC插头配合连接，其中，所述BNC插头固定设置在所述缸座上的细孔内，且所述BNC插头与所述缸座之间设置有聚四氟乙烯密封圈。
进一步，作为优选，所述BNC插头下端设置有螺纹，所述BNC插头采用该螺纹连接设置在缸座的细孔内。
进一步，作为优选，所述缸体内通入的气体是瓦斯、二氧化碳、或瓦斯与二氧化碳的混合气体。
另外，本发明还提供了一种利用含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置进行测试的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
（1）首先，打开所述煤岩失稳破坏平台的缸体上的所述活塞，放入试样；
（2）在所述声发射探头涂上凡士林；
（3）涂好后，安装好所述声发射探头，并用弹性胶带固定声发射探头；
（4）连接BNC插头和PNC插头；
（5）关闭上所述活塞；
（6）将电缆与前置放大器连接，并将前置放大器的另一端与声发射监测仪连接；
（7）将声发射监测仪与显示器连接；
（8）开启压力试验机；然后，开启声发射仪器；
（9）将瓦斯抽放管路与瓦斯罐连接；
（10）开启仅有开关一和抽放泵进行排空气，等空气排的差不多的时候关闭开关一；
（11）打开瓦斯罐上的开关对煤样进行吸附解析，并对其进行吸附饱和；
（12）待吸附平衡之后，调试压力机和声发射监测仪；调试之后，设定瓦斯压力；
（13）同时开启压力机和启动声发射监测软件；
（14）实验结束之后，关闭瓦斯压力罐开关；
（15）打开开关二，通过排气口，将瓦斯排除试验室外。
本发明的有益效果在于：
（1）、本发明提供的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，可以研究在含瓦斯状态下煤岩的声发射特征；
（2）、采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，可以研究在不同瓦斯压力条件下，煤岩破裂过程中声发射特征的差异性，及其前兆规律；
（3）、采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，声发射探头是紧贴在煤岩试样壁上的，可以减少其他信号的干扰，提高采集的声发射信号的可靠度。
附图说明
图1是本发明的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置的结构示意图；
图2是本发明的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置的缸座剖视结构示意图；
图3是本发明的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置的BNC插头连接结构示意图。
其中， 1-显示器一； 2- AE-winE1.86声发射监测仪；3-电缆；4-前置放大器；5-显示器二； 6-伺服控制柜；7-压头； 8-活塞； 9-O型密封圈；10-声发射探头； 11-煤样； 12-BNC插头；13-聚四氟乙烯密封圈；14- PNC插头；15-螺纹；16-缸座；17-同轴电缆；18-底座；19-三通； 20-压力表； 21-开关一；22-抽气泵； 23-出气口； 24-瓦斯罐；25-开关二； 26-缸体。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1-3所示，本发明提供一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，其包括声发射测试系统、力学控制系统、瓦斯压力控制系统和煤岩失稳破坏平台，其中，所述声发射测试系统通过电缆和BNC插头与所述煤岩失稳破坏平台内的煤样连接，所述力学控制系统与所述煤岩失稳破坏平台上的活塞连接，所述瓦斯压力控制系统与所述煤岩失稳破坏平台的内腔连通，所述煤样设置在所述煤岩失稳破坏平台的缸体内，且所述煤样的上方接触压设有所述活塞。
在本实施例中，所述声发射测试系统包括显示器一1、AE-win E1.86声发射监测仪2、电缆3、声发射探头10和前置放大器4，其中，所述显示器1与所述AE-win E1.86声发射监测仪2的输出端采用所述电缆3连接，所述AE-win E1.86声发射监测仪的输入端分别通过所述电缆3与各自的所述前置放大器4连接，各自的所述前置放大器4采用各自的同轴电缆17与各自的所述声发射探头10对应连接，每个所述声发射探头10紧贴的设在煤样11的侧壁上。
其中，所述力学控制系统包括显示器二5、伺服控制柜6、压力机和压头7，其中，所述显示器二5与所述伺服控制柜6连接，所述伺服控制柜6连接所述压力机，所述压力机上设置有所述压头7，所述压头7施压在所述活塞8上。
瓦斯压力控制系统包括抽气泵22、瓦斯罐24、多个三通19、排气阀、压力表20和橡胶管，其中，所述瓦斯罐24与所述煤岩失稳破坏平台的缸体26相连通，且所述瓦斯罐24与所述煤岩失稳破坏平台的缸体26相连通的橡胶管上通过三通19设置有所述压力表20，所述瓦斯罐24与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上还通过三通19设置有设置有出气口23，所述出气口23上设置有开关二25，所述瓦斯罐24与所述煤岩失稳破坏平台的缸体26相连通的橡胶管上还通过三通设置有所述抽气泵22，所述抽气泵22的抽气口上设置有开关一21。
煤岩失稳破坏平台包括底座18、缸座16、缸体26和煤样11，其中，所述缸座16设置在所述底座18上，所述缸座16密封设置在所述缸体下端，所述缸体的上端设置有所述活塞，所述活塞8与所述缸体26之间设置有O型密封圈9，所述缸体与缸座之间设置有两个O型密封圈9，所述缸座上设置有供同轴电缆17穿过的细孔。声发射探头10通过同轴电缆设置有PNC插头14，所述前置放大器连接的同轴电缆采用BNC插头连接，所述PNC插头与所述BNC插头配合连接，其中，所述BNC插头12固定设置在所述缸座上的细孔内，且所述BNC插头与所述缸座之间设置有聚四氟乙烯密封圈。
BNC插头12下端设置有螺纹15，所述BNC插头12采用该螺纹连接设置在缸座的细孔内。所述缸体内通入的气体是瓦斯、二氧化碳、或瓦斯与二氧化碳的混合气体。
另外，本发明还提供了一种利用含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置进行测试的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
（1）首先，打开所述煤岩失稳破坏平台的缸体上的所述活塞，放入试样；
（2）在所述声发射探头涂上凡士林；
（3）涂好后，安装好所述声发射探头，并用弹性胶带固定声发射探头；
（4）连接BNC插头和PNC插头；
（5）关闭上所述活塞；
（6）将电缆与前置放大器连接，并将前置放大器的另一端与声发射监测仪连接；
（7）将声发射监测仪与显示器连接；
（8）开启压力试验机；然后，开启声发射仪器；
（9）将瓦斯抽放管路与瓦斯罐连接；
（10）开启仅有开关一和抽放泵进行排空气，等空气排的差不多的时候关闭开关一；
（11）打开瓦斯罐上的开关对煤样进行吸附解析，并对其进行吸附饱和；
（12）待吸附平衡之后，调试压力机和声发射监测仪；调试之后，设定瓦斯压力；
（13）同时开启压力机和启动声发射监测软件；
（14）实验结束之后，关闭瓦斯压力罐开关；
（15）打开开关二，通过排气口，将瓦斯排除试验室外。
本发明提供的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，可以研究在含瓦斯状态下煤岩的声发射特征；采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，可以研究在不同瓦斯压力条件下，煤岩破裂过程中声发射特征的差异性，及其前兆规律；采用本发明一种含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的声发射测试装置，声发射探头是紧贴在煤岩试样壁上的，可以减少其他信号的干扰，提高采集的声发射信号的可靠度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，其包括声发射测试系统、力学控制系统、瓦斯压力控制系统和煤岩失稳破坏平台，其中，所述声发射测试系统通过电缆和BNC插头与所述煤岩失稳破坏平台内的煤样连接，所述力学控制系统与所述煤岩失稳破坏平台上的活塞连接，所述瓦斯压力控制系统与所述煤岩失稳破坏平台的内腔连通，所述煤样设置在所述煤岩失稳破坏平台的缸体内，且所述煤样的上方接触压设有所述活塞。
2.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述声发射测试系统包括显示器一、AE-win E1.86声发射监测仪、电缆、声发射探头和前置放大器，其中，所述显示器与所述AE-win E1.86声发射监测仪的输出端采用所述电缆连接，所述AE-win E1.86声发射监测仪的输入端分别通过所述电缆与各自的所述前置放大器连接，各自的所述前置放大器采用各自的同轴电缆与各自的所述声发射探头对应连接，每个所述声发射探头紧贴的设在煤样的侧壁上。
3.根据权利要求2所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述力学控制系统包括显示器二、伺服控制柜、压力机和压头，其中，所述显示器二与所述伺服控制柜连接，所述伺服控制柜连接所述压力机，所述压力机上设置有所述压头，所述压头施压在所述活塞上。
4.根据权利要求3所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述瓦斯压力控制系统包括抽气泵、瓦斯罐、多个三通、排气阀、压力表和橡胶管，其中，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通，且所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上通过三通设置有所述压力表，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上还通过三通设置有出气口，所述出气口上设置有开关二，所述瓦斯罐与所述煤岩失稳破坏平台的缸体相连通的橡胶管上还通过三通设置有所述抽气泵，所述抽气泵的抽气口上设置有开关一。
5.根据权利要求4所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述煤岩失稳破坏平台包括底座、缸座、缸体和煤样，其中，所述缸座设置在所述底座上，所述缸座密封设置在所述缸体下端，所述缸体的上端设置有所述活塞，所述活塞与所述缸体之间设置有O型密封圈，所述缸体与缸座之间设置有两个O型密封圈，所述缸座上设置有供同轴电缆穿过的细孔。
6.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述声发射探头通过同轴电缆设置有PNC插头，所述前置放大器连接的同轴电缆采用BNC插头连接，所述PNC插头与所述BNC插头配合连接，其中，所述BNC插头固定设置在所述缸座上的细孔内，且所述BNC插头与所述缸座之间设置有聚四氟乙烯密封圈。
7.根据权利要求6所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述BNC插头下端设置有螺纹，所述BNC插头采用该螺纹连接设置在缸座的细孔内。
8.根据权利要求7所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置，其特征在于，所述缸体内通入的气体是瓦斯、二氧化碳、或瓦斯与二氧化碳的混合气体。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的一种含瓦斯煤岩破裂过程中的声发射测试装置进行测试的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
（1）首先，打开所述煤岩失稳破坏平台的缸体上的所述活塞，放入试样；
（2）在所述声发射探头涂上凡士林；
（3）涂好后，安装好所述声发射探头，并用弹性胶带固定声发射探头；
（4）连接BNC插头和PNC插头；
（5）关闭上所述活塞；
（6）将电缆与前置放大器连接，并将前置放大器的另一端与声发射监测仪连接；
（7）将声发射监测仪与显示器连接；
（8）开启压力试验机；然后，开启声发射仪器；
（9）将瓦斯抽放管路与瓦斯罐连接；
（10）开启仅有开关一和抽放泵进行排空气，等空气排的差不多的时候关闭开关一；
（11）打开瓦斯罐上的开关对煤样进行吸附解析，并对其进行吸附饱和；
（12）待吸附平衡之后，调试压力机和声发射监测仪；调试之后，设定瓦斯压力；
（13）同时开启压力机和启动声发射监测软件；
（14）实验结束之后，关闭瓦斯压力罐开关；
（15）打开开关二，通过排气口，将瓦斯排除试验室外。
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| 高保彬 等: "含水煤样破裂过程中的声发射及分形特性研究", 《采矿与安全工程学报》 * |
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