CN106840901B - 一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置，包括压力腔室、四个水平及一个竖直应力加载油缸；压力腔室侧壁上设有四个水平应力加载孔，底板上设有竖直应力加载孔，顶板上设有试样装卸通过孔和可拆卸式密封盖板；各个应力加载孔内均装有应力加载压杆，两者密封滑动配合；压杆内端及密封盖板下表面均装有压头，压头侧表面装有声发射探头，压力腔室内表面装有微电敏感镍钴极片；应力加载压杆与油缸活塞杆之间装有应力传感器；油缸缸体与压力腔室外壁之间装有刚性连接筒，应力加载压杆与刚性连接筒之间安装有光栅传感器；压力腔室侧壁安装有信号传输插座，插座上分别设有电信号传输接口和声发射信号传输接口；压头按照不同尺寸设置若干组。

Description

一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置

技术领域

本发明属于煤岩体室内力学试验技术领域，特别是涉及一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置。

背景技术

冲击地压是指井巷或工作面的周围岩体瞬间释放弹性变性能而产生突然剧烈破坏的动力现象，在冲击地压发生时，常伴有大量煤岩体的抛出，同时伴有巨大的声响和岩体震动，导致巷道或工作面瞬间损毁，轻则造成设备的损坏，重则导致井下工作人员的伤亡。

近年来，随着煤炭工业正式进入深部开采阶段，受到深部“三高一扰动”作用，冲击地压事故的发生频率也呈现出明显的上升趋势，因此，通过对深部“三高一扰动”作用下的煤岩体开展力学行为研究，监测煤岩体受载破坏过程中产生的声发射信号和电信号，分析其时空演化规律，可以帮助技术人员了解深部煤岩体在工程扰动过程中的灾变孕育机制，并建立相应的煤岩体灾变判定及防治技术，对实现深部煤炭的安全开采具有重要的科学意义和工程价值。

但是，想要实现上述目标，通常需要进行煤岩体室内力学试验，而目前采用的煤岩体力学行试验装置还大多停留在常规三轴加载阶段，难以模拟煤岩体的真实赋存状态，而试验所得的煤岩体力学行为演化规律也难以反映实际情况。

因此，亟需研制一种能够满足真三轴加载条件的煤岩体多参量监测试验装置，其应具备以下三个条件：①、具备单独施加三向不等载荷的能力；②、具备使煤岩体处于高压力流体环境并对压力变化进行监测记录的能力；③、具备对煤岩体在真三轴加载过程中产生的应力、应变、声发射信号及电信号参量进行监测记录的能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置，具备单独施加三向不等载荷的能力，具备使煤岩体处于高压力流体环境并对压力变化进行监测记录的能力，具备对煤岩体在真三轴加载过程中产生的应力、应变、声发射信号及电信号等参量进行监测记录的能力，通过试验所得的煤岩体力学行为演化规律可以更好的反映实际情况，为深部矿井动力灾害预测防治提供理论依据和工程指导。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置，包括压力腔室、第一水平应力加载油缸、第二水平应力加载油缸、第三水平应力加载油缸、第四水平应力加载油缸及竖直应力加载油缸；

所述压力腔室采用方形结构，在压力腔室的四个侧壁上分别开设有第一水平应力加载孔、第二水平应力加载孔、第三水平应力加载孔及第四水平应力加载孔，在压力腔室的底板上开设有竖直应力加载孔，在压力腔室的顶板上开设有试样装卸通过孔，试样装卸通过孔上安装有可拆卸式密封盖板，在压力腔室的侧壁上开设有流体充装孔；

在所述第一水平应力加载孔内安装有第一水平应力加载压杆，第一水平应力加载压杆与第一水平应力加载孔密封滑动配合，所述第一水平应力加载油缸的活塞杆与第一水平应力加载压杆的外端相固连，第一水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第二水平应力加载孔内安装有第二水平应力加载压杆，第二水平应力加载压杆与第二水平应力加载孔密封滑动配合，所述第二水平应力加载油缸的活塞杆与第二水平应力加载压杆的外端相固连，第二水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第三水平应力加载孔内安装有第三水平应力加载压杆，第三水平应力加载压杆与第三水平应力加载孔密封滑动配合，所述第三水平应力加载油缸的活塞杆与第三水平应力加载压杆的外端相固连，第三水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第四水平应力加载孔内安装有第四水平应力加载压杆，第四水平应力加载压杆与第四水平应力加载孔密封滑动配合，所述第四水平应力加载油缸的活塞杆与第四水平应力加载压杆的外端相固连，第四水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述竖直应力加载孔内安装有竖直应力加载压杆，竖直应力加载压杆与竖直应力加载孔密封滑动配合，所述竖直应力加载油缸的活塞杆与竖直应力加载压杆的外端相固连，竖直应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第一水平应力加载压杆的内端、第二水平应力加载压杆的内端、第三水平应力加载压杆的内端、第四水平应力加载压杆的内端、竖直应力加载压杆的内端及可拆卸式密封盖板的下表面均安装有压头；

在所述压头的侧表面开设有声发射探头卡槽，在声发射探头卡槽安装有声发射探头，通过声发射探头对声发射信号进行测量；在所述压力腔室的内表面安装有微电敏感镍钴极片，通过微电敏感镍钴极片对电信号进行测量；

在所述第一水平应力加载压杆与第一水平应力加载油缸的活塞杆之间、第二水平应力加载压杆与第二水平应力加载油缸的活塞杆之间、第三水平应力加载压杆与第三水平应力加载油缸的活塞杆之间、第四水平应力加载压杆与第四水平应力加载油缸的活塞杆之间、竖直应力加载压杆与竖直应力加载油缸的活塞杆之间均加装有应力传感器。

所述第一水平应力加载油缸、第二水平应力加载油缸、第三水平应力加载油缸、第四水平应力加载油缸及竖直应力加载油缸的缸体与压力腔室的外壁之间均安装有刚性连接筒，所述第一水平应力加载压杆、第二水平应力加载压杆、第三水平应力加载压杆、第四水平应力加载压杆及竖直应力加载压杆与各自对应的刚性连接筒之间均安装有光栅传感器，通过光栅传感器对各个水平应力加载压杆的位移量进行测量。

所述刚性连接筒与压力腔室的外壁之间采用两级连接方式，刚性连接筒连接端具有外螺纹，并通过外螺纹与压力腔室的外壁进行第一级的螺纹连接，在外螺纹末端的刚性连接筒上设置有法兰盘，并通过法兰盘与压力腔室的外壁进行第二级的螺栓连接。

在所述压力腔室的侧壁上安装有信号传输插座，信号传输插座整体呈圆盘形，在信号传输插座的中心设置有电信号传输接口，在信号传输插座的圆周侧设置有声发射信号传输接口。

所述压头按照不同尺寸设置有若干组，用于适配不同尺寸的煤岩体试样。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，具备单独施加三向不等载荷的能力，具备使煤岩体处于高压力流体环境并对压力变化进行监测记录的能力，具备对煤岩体在真三轴加载过程中产生的应力、应变、声发射信号及电信号参量进行监测记录的能力，通过试验所得的煤岩体力学行为演化规律可以更好的反映实际情况，为深部矿井动力灾害预测防治提供理论依据和工程指导。

附图说明

图1为本发明的一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置正向剖视图；

图2为本发明的一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置俯向剖视图；

图3为本发明的压力腔室正向剖视图；

图4为本发明的压力腔室俯向剖视图；

图中，1—压力腔室，2—第一水平应力加载油缸，3—第二水平应力加载油缸，4—第三水平应力加载油缸，5—第四水平应力加载油缸，6—竖直应力加载油缸，7—第一水平应力加载孔，8—第二水平应力加载孔，9—第三水平应力加载孔，10—第四水平应力加载孔，11—竖直应力加载孔，12—试样装卸通过孔，13—可拆卸式密封盖板，14—第一水平应力加载压杆，15—第二水平应力加载压杆，16—第三水平应力加载压杆，17—第四水平应力加载压杆，18—竖直应力加载压杆，19—流体充装孔，20—压头，21—声发射探头，22—微电敏感镍钴极片，23—应力传感器，24—刚性连接筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置，包括压力腔室1、第一水平应力加载油缸2、第二水平应力加载油缸3、第三水平应力加载油缸4、第四水平应力加载油缸5及竖直应力加载油缸6；

所述压力腔室1采用方形结构，在压力腔室1的四个侧壁上分别开设有第一水平应力加载孔7、第二水平应力加载孔8、第三水平应力加载孔9及第四水平应力加载孔10，在压力腔室1的底板上开设有竖直应力加载孔11，在压力腔室的顶板上开设有试样装卸通过孔12，试样装卸通过孔12上安装有可拆卸式密封盖板13，在压力腔室1的侧壁上开设有流体充装孔19；

在所述第一水平应力加载孔7内安装有第一水平应力加载压杆14，第一水平应力加载压杆14与第一水平应力加载孔7密封滑动配合，所述第一水平应力加载油缸2的活塞杆与第一水平应力加载压杆14的外端相固连，第一水平应力加载油缸2通过缸体与压力腔室1的外壁相固连；

在所述第二水平应力加载孔8内安装有第二水平应力加载压杆15，第二水平应力加载压杆15与第二水平应力加载孔8密封滑动配合，所述第二水平应力加载油缸3的活塞杆与第二水平应力加载压杆15的外端相固连，第二水平应力加载油缸3通过缸体与压力腔室1的外壁相固连；

在所述第三水平应力加载孔9内安装有第三水平应力加载压杆16，第三水平应力加载压杆16与第三水平应力加载孔9密封滑动配合，所述第三水平应力加载油缸4的活塞杆与第三水平应力加载压杆16的外端相固连，第三水平应力加载油缸4通过缸体与压力腔室1的外壁相固连；

在所述第四水平应力加载孔10内安装有第四水平应力加载压杆17，第四水平应力加载压杆17与第四水平应力加载孔10密封滑动配合，所述第四水平应力加载油缸5的活塞杆与第四水平应力加载压杆17的外端相固连，第四水平应力加载油缸5通过缸体与压力腔室1的外壁相固连；

在所述竖直应力加载孔11内安装有竖直应力加载压杆18，竖直应力加载压杆18与竖直应力加载孔11密封滑动配合，所述竖直应力加载油缸6的活塞杆与竖直应力加载压杆18的外端相固连，竖直应力加载油缸6通过缸体与压力腔室1的外壁相固连；

在所述第一水平应力加载压杆14的内端、第二水平应力加载压杆15的内端、第三水平应力加载压杆16的内端、第四水平应力加载压杆17的内端、竖直应力加载压杆18的内端及可拆卸式密封盖板13的下表面均安装有压头20；

在所述压头20的侧表面开设有声发射探头卡槽，在声发射探头卡槽安装有声发射探头21，通过声发射探头21对声发射信号进行测量；在所述压力腔室1的内表面安装有微电敏感镍钴极片22，通过微电敏感镍钴极片22对电信号进行测量；

在所述第一水平应力加载压杆14与第一水平应力加载油缸2的活塞杆之间、第二水平应力加载压杆15与第二水平应力加载油缸3的活塞杆之间、第三水平应力加载压杆16与第三水平应力加载油缸4的活塞杆之间、第四水平应力加载压杆17与第四水平应力加载油缸5的活塞杆之间、竖直应力加载压杆18与竖直应力加载油缸6的活塞杆之间均加装有应力传感器23。

所述第一水平应力加载油缸2、第二水平应力加载油缸3、第三水平应力加载油缸4、第四水平应力加载油缸5及竖直应力加载油缸6的缸体与压力腔室1的外壁之间均安装有刚性连接筒24，所述第一水平应力加载压杆14、第二水平应力加载压杆15、第三水平应力加载压杆16、第四水平应力加载压杆17及竖直应力加载压杆18与各自对应的刚性连接筒24之间均安装有光栅传感器，通过光栅传感器对各个水平应力加载压杆的位移量进行测量。

所述刚性连接筒24与压力腔室1的外壁之间采用两级连接方式，刚性连接筒24连接端具有外螺纹，并通过外螺纹与压力腔室1的外壁进行第一级的螺纹连接，在外螺纹末端的刚性连接筒24上设置有法兰盘，并通过法兰盘与压力腔室1的外壁进行第二级的螺栓连接。

在所述压力腔室1的侧壁上安装有信号传输插座，信号传输插座整体呈圆盘形，在信号传输插座的中心设置有电信号传输接口，在信号传输插座的圆周侧设置有声发射信号传输接口。本实施例中，电信号传输接口和声发射信号传输接口均采用铜质内芯的内/外接BNC接口，且铜质内芯与信号传输插座的座体之间涂装有高强度绝缘凝胶。

所述压头20按照不同尺寸设置有若干组，用于适配不同尺寸的煤岩体试样。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

本实施例中，第一水平应力加载油缸2、第二水平应力加载油缸3、第三水平应力加载油缸4及第四水平应力加载油缸5均采用600kN液压油缸，竖直应力加载油缸6采用1300kN液压油缸。压头20设置两组，第一组尺寸规格为50mm×50mm及50mm×100mm，第二组尺寸规格为100mm×100mm。

先将选中的压头20分别安装到相应的水平应力加载压杆及可拆卸式密封盖板13上，再将声发射探头安装到压头20的声发射探头卡槽内，然后将声发射探头的信号线连接至声发射信号传输接口。

将煤岩体试样通过试样装卸通过孔12送入压力腔室1内，再分别通过第一水平应力加载油缸2与第三水平应力加载油缸4配合、第二水平应力加载油缸3与第四水平应力加载油缸5配合完成煤岩体试样的初步对中夹紧，在煤岩体试样与压头20之间安装位移传感器，然后将可拆卸式密封盖板13装回到试样装卸通过孔12上，完成压力腔室1的密封。

控制竖直应力加载油缸6动作，直至完成煤岩体试样的精确对中夹紧，再按照目标载荷对煤岩体试样进行加载，等目标载荷加载完毕后，通过流体充装孔19向压力腔室1内注入流体，直至流体环境压力达到设定值为止，同时对流体环境压力进行实时监测。

通过声发射探头监测声发射信号，通过微电敏感镍钴极片22监测电信号，通过应力传感器23监测应力加载参数，通过位移传感器监测应变参数，直到煤岩体试样破坏而失去承载能力后，结束试验，并对采集到的参数数据进行记录存储。之后，先卸去压力腔室1内的流体，再卸去应力载荷，然后卸下可拆卸式密封盖板13，最后将煤岩体试样取出，即可准备下一次试验。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种基于真三轴加载下的煤岩体多参量监测试验装置，其特征在于：包括压力腔室、第一水平应力加载油缸、第二水平应力加载油缸、第三水平应力加载油缸、第四水平应力加载油缸及竖直应力加载油缸；

所述压力腔室采用方形结构，在压力腔室的四个侧壁上分别开设有第一水平应力加载孔、第二水平应力加载孔、第三水平应力加载孔及第四水平应力加载孔，在压力腔室的底板上开设有竖直应力加载孔，在压力腔室的顶板上开设有试样装卸通过孔，试样装卸通过孔上安装有可拆卸式密封盖板，在压力腔室的侧壁上开设有流体充装孔；

在所述第一水平应力加载孔内安装有第一水平应力加载压杆，第一水平应力加载压杆与第一水平应力加载孔密封滑动配合，所述第一水平应力加载油缸的活塞杆与第一水平应力加载压杆的外端相固连，第一水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第二水平应力加载孔内安装有第二水平应力加载压杆，第二水平应力加载压杆与第二水平应力加载孔密封滑动配合，所述第二水平应力加载油缸的活塞杆与第二水平应力加载压杆的外端相固连，第二水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第三水平应力加载孔内安装有第三水平应力加载压杆，第三水平应力加载压杆与第三水平应力加载孔密封滑动配合，所述第三水平应力加载油缸的活塞杆与第三水平应力加载压杆的外端相固连，第三水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第四水平应力加载孔内安装有第四水平应力加载压杆，第四水平应力加载压杆与第四水平应力加载孔密封滑动配合，所述第四水平应力加载油缸的活塞杆与第四水平应力加载压杆的外端相固连，第四水平应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述竖直应力加载孔内安装有竖直应力加载压杆，竖直应力加载压杆与竖直应力加载孔密封滑动配合，所述竖直应力加载油缸的活塞杆与竖直应力加载压杆的外端相固连，竖直应力加载油缸通过缸体与压力腔室的外壁相固连；

在所述第一水平应力加载压杆的内端、第二水平应力加载压杆的内端、第三水平应力加载压杆的内端、第四水平应力加载压杆的内端、竖直应力加载压杆的内端及可拆卸式密封盖板的下表面均安装有压头；

在所述压头的侧表面开设有声发射探头卡槽，在声发射探头卡槽安装有声发射探头，通过声发射探头对声发射信号进行测量；在所述压力腔室的内表面安装有微电敏感镍钴极片，通过微电敏感镍钴极片对电信号进行测量；

在所述第一水平应力加载压杆与第一水平应力加载油缸的活塞杆之间、第二水平应力加载压杆与第二水平应力加载油缸的活塞杆之间、第三水平应力加载压杆与第三水平应力加载油缸的活塞杆之间、第四水平应力加载压杆与第四水平应力加载油缸的活塞杆之间、竖直应力加载压杆与竖直应力加载油缸的活塞杆之间均加装有应力传感器；

所述第一水平应力加载油缸、第二水平应力加载油缸、第三水平应力加载油缸、第四水平应力加载油缸及竖直应力加载油缸的缸体与压力腔室的外壁之间均安装有刚性连接筒，所述第一水平应力加载压杆、第二水平应力加载压杆、第三水平应力加载压杆、第四水平应力加载压杆及竖直应力加载压杆与各自对应的刚性连接筒之间均安装有光栅传感器，通过光栅传感器对各个水平应力加载压杆的位移量进行测量；

所述刚性连接筒与压力腔室的外壁之间采用两级连接方式，刚性连接筒连接端具有外螺纹，并通过外螺纹与压力腔室的外壁进行第一级的螺纹连接，在外螺纹末端的刚性连接筒上设置有法兰盘，并通过法兰盘与压力腔室的外壁进行第二级的螺栓连接；

在所述压力腔室的侧壁上安装有信号传输插座，信号传输插座整体呈圆盘形，在信号传输插座的中心设置有电信号传输接口，在信号传输插座的圆周侧设置有声发射信号传输接口；

所述压头按照不同尺寸设置有若干组，用于适配不同尺寸的煤岩体试样。