CN107576774B - 单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其采用的实验装置包括煤样容器、应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪、VIC‑3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；煤样容器包括煤样容器壳体和煤样放置腔，煤样容器壳体的顶部密封连接有活塞，煤样容器壳体的一侧设置有第一多用气孔，另一侧设置有第二多用气孔和透明视镜；应力加载系统包括电子万能试验机和第一计算机；其实验方法包括步骤：一、试样制备；二、搭建试验装置；三、装置气密性检测；四、无瓦斯环境下进行试验；五、有瓦斯环境下进行试验。本发明设计合理，实现方便，功能完备，能够真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况，实用性强，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于煤岩力学特性测试技术领域，具体涉及一种单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法。
背景技术
近些年来，随着煤层开采深度的增加，含瓦斯煤体动力灾害也越来愈多，为了适应高地应力、高瓦斯环境下支护要求和防治瓦斯灾害而必须加强的矿井支护技术和瓦斯防治技术，井下的留设煤柱的数量就必须相应增加，而留设煤柱又多处于单向受载情况下(可认为处于单轴压缩状态下)，故研究单轴压缩情况下含瓦斯煤样的力学性质，对于维护井下煤柱有效性、地下采掘空间的安全及瓦斯灾害的防治均具有重要实际意义。现在国内外关于煤体变形特性的试验研究较多，但多集中在不含瓦斯煤岩体的单轴、三轴压缩状态下的变形特性及含瓦斯煤岩体三轴压缩状态下的变形特性方面的研究，而对含瓦斯煤岩的单轴压缩力学特性试验研究较少，并且由于已有的试验研究大多是利用常规试件和装置对含瓦斯煤的应力–应变、渗流特性进行研究，并取得了许多成果，但还有许多不能从宏观角度解释的现象。因此，在试验装置中加上了声发射仪器和VIC-3D测量仪观测含瓦斯煤样在单轴压缩下的一些宏观变化和细观变化，并且基于细观力学理论和方法，从煤岩细观裂纹在瓦斯压力和载荷作用下的各种变化着手，研究细观尺度下煤岩微裂纹的变化规律，并与煤体宏观的变形破坏研究相结合，将为煤与瓦斯突出的有关问题给予更合理的解释，对进一步揭示煤与瓦斯突出机制及提出更加科学有效的防治技术具有重要的理论和工程应用价值。因此，需要一种装置模拟井下留设煤柱处于单向受载的实际情况，实现单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性试验。
为了解决以上问题，张茹、刘保县、李回贵等都研究的是煤岩在单轴压缩下的一些力学特性，并且结合声发射仪器研究煤岩的宏观破裂结构特征和破裂过程中的声发射特性。但这都是在无瓦斯环境下进行的单轴压缩试验，与实际的煤矿开采中的留设煤柱受的单向受载情况还有很大的差异。由于含瓦斯煤岩的单轴压缩试验要求煤样内必须确实存在瓦斯，且单轴压缩情况下煤样内保存瓦斯难度较大，因而其实现存在较大难度。刚开始时赵洪宝为了实现单轴压缩状态下的含瓦斯煤岩力学性质研究,又要保证煤样试件内确实含有瓦斯,事先对煤样试件周围均匀抹硅橡胶保护层,仅保留上下两个端面,又在煤样侧壁紧密包裹热缩管,之后将煤样试件在设定的瓦斯压力情况下吸附48h,并且在不同的瓦斯压力下于MTS 815进行单轴压缩状态下含瓦斯煤岩力学特性研究；试验时让试验机上下压头和煤样侧壁的硅橡胶层、热缩管形成了一个封闭的空间,由于试验持续时间较短,他就认为该装置符合含瓦斯煤力学性质试验要求。接着曹树刚等从细观力学的角度出发研究含瓦斯煤岩变形破坏规律，研制一种煤岩固气耦合细观力学试验装置，并对装置密封、透明视镜等关键技术难点进行深入分析；该试验装置主要由加载系统、充瓦斯系统、细观观测系统和声发射监测系统4个部分组成，也可以提供单轴受力状态下含瓦斯煤岩的力学特性试验。还有钮月、李忠辉等人搭建了含瓦斯煤单轴压缩信息采集系统，该系统采用含瓦斯煤单轴压缩信息采集系统，系统主要包括应力加载系统，声发射数据采集系统、密封缸体、瓦斯及氮气重放系统，因而他的这个实验系统可用于测试含瓦斯煤单轴受载破坏过程中力学及声发射特性参数的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、装配容易、气密性好、能够真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：包括煤样容器、应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
所述煤样容器包括煤样容器壳体和设置在煤样容器壳体内的煤样放置腔，所述煤样容器壳体的顶部密封连接有活塞，所述煤样容器壳体的一侧设置有第一多用气孔，所述煤样容器壳体的另一侧设置有第二多用气孔和透明视镜，所述第一多用气孔上设置有第一密封接头，所述第二多用气孔上设置有第二密封接头；
所述应力加载系统包括电子万能试验机和与电子万能试验机的应力加载探头相接的第一计算机；
所述充瓦斯系统包括通过第一连接管与第一密封接头连接的三通阀，以及与三通阀连接的抽真空管和充瓦斯管，所述抽真空管未与三通阀连接的一端端部连接有真空泵，所述抽真空管上设置有真空压力表和抽真空控制阀，所述充瓦斯管未与三通阀连接的一端端部连接有瓦斯气瓶，所述充瓦斯管上设置有减压阀、瓦斯气体压力表和充瓦斯控制阀；
所述瓦斯检测仪通过第二连接管连接在第二密封接头上；
所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪和与VIC-3D测量仪相接的第二计算机。
上述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：所述煤样容器壳体的顶部通过O型密封圈密封连接有活塞。
上述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：所述活塞由铝合金或不锈钢制成。
上述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：所述瓦斯检测仪为光干涉瓦斯检测仪。
上述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统，所述SAEU2S声发射系统包括第三计算机和与第三计算机连接的数据采集机箱，以及通过电缆与数据采集机箱连接的前置放大器；所述前置放大器的输入端通过信号线连接有传感器。
上述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，其特征在于：所述透明视镜采用厚度为20mm的钢化玻璃制成。
本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、能够实时记录含瓦斯煤岩力学特性的变化规律、能够详细的记录在单轴压缩下含瓦斯煤岩破裂的整个细观动态过程、能够真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、试样制备，具体过程为：
步骤101、取实验室残余煤块，通过粉碎机粉碎成煤粉；
步骤102、按照煤粉：石膏：水＝12：3：5的比例配置好煤样制备原料后，将煤样制备原料放入正方体煤样模具中制作12个正方体型煤样；
步骤103、将12个正方体型煤样静置于通风阴凉处养护1～2周；
步骤104、对12个正方体型煤样进行抛光和打磨处理；
步骤105、在12个正方体型煤样的观测面均匀抹大白粉；
步骤106、从12个正方体型煤样中先取出一半，作为无瓦斯的6个正方体型煤样，并进行编号1、2、3、4、5、6；
步骤107、将剩余的一半正方体型煤样放置在在密闭的容器中，先用真空泵抽真空，再从压力罐中充入瓦斯气体2～3小时，预制成6个含瓦斯气体的正方体型煤样，并进行编号7、8、9、10、11、12；
步骤二、搭建试验装置，具体过程为：
步骤201、连接应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
步骤202、取编号为1的正方体型煤样放置于煤样容器内，将所述声发射系统中的传感器固定于正方体型煤样的一侧，并在传感器和正方体型煤样之间涂抹耦合剂或黄油，确保传感器和正方体型煤样接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在正方体型煤样两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正传感器的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪的位置；
步骤三、装置气密性检测，具体过程为：
步骤301、将三通阀、第一多用气孔和第二多用气孔均采用硅橡胶涂抹密封，然后再用密封胶带缠紧，再在外边缘再次用硅橡胶涂抹处理；
步骤302、打开充瓦斯控制阀和减压阀，往煤样容器内通入一定量的瓦斯气体，再关闭充瓦斯控制阀和减压阀，再观测瓦斯检测仪的读数，通过读数的变化检测煤样容器内瓦斯气体的变化情况来检测装置的气密性；
步骤四、无瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤401、开启真空泵和抽真空控制阀，先用真空泵将煤样容器抽成真空，待真空压力表上显示的煤样容器内的气压低于50Pa时，关闭真空泵和抽真空控制阀；
步骤402、先将煤样容器的活塞与正方体型煤样接触，再将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到高速，待应力加载探头与活塞剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机，并将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到低速，再使应力加载探头缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机所连第一计算机上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤403、利用电子万能试验机按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤404、将编号为2～6的正方体型煤样取出重复步骤401～403进行试验，记录并保存编号为2～6的正方体型煤样试验中电子万能试验机、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤五、有瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤501、开启真空泵和抽真空控制阀，先用真空泵将煤样容器抽成真空，待真空压力表上显示的煤样容器内的气压低于50Pa时，关闭真空泵和抽真空控制阀；
步骤502、取含瓦斯气体的正方体型煤样放置于煤样容器内，先将煤样容器的活塞与正方体型煤样接触，再将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到高速，待应力加载探头与活塞剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机，并将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到低速，再使应力加载探头缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机所连第一计算机上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤503、开启充瓦斯控制阀和减压阀，瓦斯气瓶内的瓦斯充入煤样容器内，待瓦斯气体压力表上显示的压力达到预定的试验压力后，使压力稳定并保持10min～60min，使正方体型煤样充分吸收瓦斯气体；再观测瓦斯检测仪的读数，通过读数的变化检测煤样容器内瓦斯气体的变化情况来检测煤样容器内瓦斯的浓度；
步骤504、利用电子万能试验机按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤505、将编号为7～12的正方体型煤样取出重复步骤501～504进行试验，记录并保存编号为7～12的正方体型煤样试验中电子万能试验机、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置的结构简单，设计合理，装配容易。
2、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置可进行含瓦斯环境下的煤岩的单轴力学试验，特别是为含瓦斯压力作用下煤岩细观力学试验提供了更为可靠的试验手段。
3、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置的密封性较好，保证了整个装置的气密性，并且试验中所有不密封的接口处都用硅橡胶涂抹密封，然后再用密封胶带缠紧，再在外边缘再次用硅橡胶涂抹处理加强密封效果。
4、本发明煤样容器壳体的一侧设置有第一多用气孔，所述煤样容器壳体的另一侧设置有第二多用气孔，充气时，一个进气，一个出气，能够使得煤样容器内煤样的充气更均匀。
5、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置的应力加载系统能够提供稳定的压力，可实时显示测试数据并记录力学参数。
6、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置通过设置声发射系统，能够实时的反映试样内部结构损伤演化过程的声发射特征的变化规律。
7、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置通过设置VIC-3D非接触全场应变测量系统，能对试件表面进行动态显微观测，获得试样表面细观结构变化的实时图像，为揭示煤岩力学特性提供一定的依据。
8、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置具有多用性，能够进行试验过程中的应力应变、VIC-3D观测图像和声发射信号的采集，为进一步研究煤岩的力学特性提供丰富的基础资料。
9本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置通过设置充瓦斯系统，还能够进行不同瓦斯压力作用下的细观力学试验，同时能够实现较大的加载压力，较大充气压力，密封性能好。
10、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置能够用于研究单轴压缩情况下含瓦斯煤样的力学性质，可较为真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况，对于维护井下煤柱有效性、地下采掘空间的安全及瓦斯灾害的防治均更加接近矿山实际。
11、本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法的方法步骤简单，实现方便，能够实时记录含瓦斯煤岩力学特性的变化规律，能够详细的记录在单轴压缩下含瓦斯煤岩破裂的整个细观动态过程，能够真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况。
12、本发明的实用性强，便于推广使用。
综上所述，本发明设计合理，实现方便，功能完备，能够真实的反映井下留设的煤柱处于单向受载情况，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图标记说明:
1—瓦斯气瓶； 2—减压阀； 3—瓦斯气体压力表；
4—充瓦斯控制阀； 5—三通阀； 6—抽真空控制阀；
7—真空压力表； 8—真空泵； 9—第三计算机；
10—数据采集机箱； 11—前置放大器； 12—传感器；
13—电子万能试验机； 14—正方体型煤样； 15—煤样容器；
15-1—煤样放置腔； 15-2—煤样容器壳体； 15-3—第一多用气孔；
15-4—第二多用气孔； 15-5—透明视镜； 16—活塞；
17—应力加载探头； 18—第一计算机； 19—VIC-3D测量仪；
20—第二计算机； 21—瓦斯检测仪； 22—第二密封接头；
23—第一密封接头； 24—O型密封圈。
附图说明
图1为本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置的结构示意图。
图2为本发明煤样放置腔的主视图。
图3为图2的俯视图。
图4为图2的A-A剖视图。
图5为本发明单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验装置，包括煤样容器15、应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪21、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
结合图2、图3和图4，所述煤样容器15包括煤样容器壳体15-2和设置在煤样容器壳体15-2内的煤样放置腔15-1，所述煤样容器壳体15-2的顶部密封连接有活塞16，所述煤样容器壳体15-2的一侧设置有第一多用气孔15-3，所述煤样容器壳体15-2的另一侧设置有第二多用气孔15-4和透明视镜15-5，所述第一多用气孔15-3上设置有第一密封接头22，所述第二多用气孔15-4上设置有第二密封接头22；
所述应力加载系统包括电子万能试验机13和与电子万能试验机13的应力加载探头17相接的第一计算机18；所述第一计算机18上能够实时显示测试数据和应力-应变曲线和载荷-时间曲线，记录力学参数；
所述充瓦斯系统包括通过第一连接管与第一密封接头22连接的三通阀5，以及与三通阀5连接的抽真空管和充瓦斯管，所述抽真空管未与三通阀5连接的一端端部连接有真空泵8，所述抽真空管上设置有真空压力表7和抽真空控制阀6，所述充瓦斯管未与三通阀5连接的一端端部连接有瓦斯气瓶1，所述充瓦斯管上设置有减压阀2、瓦斯气体压力表3和充瓦斯控制阀4；所述充瓦斯系统用于提供煤岩的含瓦斯试验环境，使之与煤岩充分接触。
所述瓦斯检测仪21通过第二连接管连接在第二密封接头22上；
所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪19和与VIC-3D测量仪19相接的第二计算机20。
本实施例中，所述煤样容器壳体15-2的顶部通过O型密封圈24密封连接有活塞16。
本实施例中，所述活塞16由铝合金或不锈钢制成。由于活塞16需要承受应力加载探头17加载在其上的力，因此对活塞16材料的承受能力有要求，应该选择强度较高的材料，选择铝合金或不锈钢，能够很好地满足需求。
本实施例中，所述瓦斯检测仪21为光干涉瓦斯检测仪。
本实施例中，所述声发射系统为SAEU2S声发射系统，所述SAEU2S声发射系统包括第三计算机9和与第三计算机9连接的数据采集机箱10，以及通过电缆与数据采集机箱10连接的前置放大器11；所述前置放大器11的输入端通过信号线连接有传感器12。具体实施时，所述数据采集机箱10通过USB连接线与第三计算机9连接。声发射检测是一种动态无损检测方法，可使构件或材料的内部结构，缺陷或潜在缺陷处在运动变化的过程中进行无损检测。并且可记录试件受力过程中的声发射信号，得到反映试样内部结构损伤演化过程的声发射特征。
本实施例中，所述透明视镜15-5采用厚度为20mm的钢化玻璃制成。
如图5所示，本发明的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤一、试样制备，具体过程为：
步骤101、取实验室残余煤块，通过粉碎机粉碎成煤粉；
步骤102、按照煤粉：石膏：水＝12：3：5的比例配置好煤样制备原料后，将煤样制备原料放入正方体煤样模具中制作12个正方体型煤样14；具体实施时，所述正方体型煤样14的长度、宽度和高度均为100mm，所述正方体型煤样14的数量为12个；
步骤103、将12个正方体型煤样14静置于通风阴凉处养护1～2周；
步骤104、对12个正方体型煤样14进行抛光和打磨处理；
步骤105、在12个正方体型煤样14的观测面均匀抹大白粉；
步骤106、从12个正方体型煤样14中先取出一半，作为无瓦斯的6个正方体型煤样14，并进行编号1、2、3、4、5、6；具体实施时，从12个正方体型煤样14中先取出6个，作为无瓦斯的正方体型煤样14，并编号为1，2，3，4，5，6；
步骤107、将剩余的一半正方体型煤样14放置在在密闭的容器中，先用真空泵抽真空，再从压力罐中充入瓦斯气体2～3小时，预制成6个含瓦斯气体的正方体型煤样14，并进行编号7、8、9、10、11、12；具体实施时，所述含瓦斯气体的正方体型煤样14的数量为6个，编号为7，8，9，10，11，12；
步骤二、搭建试验装置，具体过程为：
步骤201、连接应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪21、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
步骤202、取编号为1的正方体型煤样14放置于煤样容器15内，将所述声发射系统中的传感器12固定于正方体型煤样14的一侧，并在传感器12和正方体型煤样14之间涂抹耦合剂或黄油，确保传感器12和正方体型煤样14接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在正方体型煤样14两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正传感器12的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪19的位置；
步骤三、装置气密性检测，具体过程为：
步骤301、将三通阀5、第一多用气孔15-3和第二多用气孔15-4均采用硅橡胶涂抹密封，然后再用密封胶带缠紧，再在外边缘再次用硅橡胶涂抹处理；能够解决煤样容器15中的三通阀5以及第一多用气孔15-3和第二多用气孔15-4处的漏气问题；
步骤302、打开充瓦斯控制阀4和减压阀2，往煤样容器15内通入一定量的瓦斯气体，再关闭充瓦斯控制阀4和减压阀2，再观测瓦斯检测仪21的读数，通过读数的变化检测煤样容器15内瓦斯气体的变化情况来检测装置的气密性；
步骤四、无瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤401、开启真空泵8和抽真空控制阀6，先用真空泵8将煤样容器15抽成真空，待真空压力表7上显示的煤样容器15内的气压低于50Pa时，关闭真空泵8和抽真空控制阀6；
步骤402、先将煤样容器15的活塞16与正方体型煤样14接触，再将电子万能试验机13的应力加载探头17下降速度转到高速，待应力加载探头17与活塞16剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机13，并将电子万能试验机13的应力加载探头17下降速度转到低速，再使应力加载探头17缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机13所连第一计算机18上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤403、利用电子万能试验机13按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样14进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样14瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样14破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机13、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤404、将编号为2～6的正方体型煤样14取出重复步骤401～403进行试验，记录并保存编号为2～6的正方体型煤样14试验中电子万能试验机13、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤五、有瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤501、开启真空泵8和抽真空控制阀6，先用真空泵8将煤样容器15抽成真空，待真空压力表7上显示的煤样容器15内的气压低于50Pa时，关闭真空泵8和抽真空控制阀6；
步骤502、取含瓦斯气体的正方体型煤样14放置于煤样容器15内，先将煤样容器15的活塞16与正方体型煤样14接触，再将电子万能试验机13的应力加载探头17下降速度转到高速，待应力加载探头17与活塞16剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机13，并将电子万能试验机13的应力加载探头17下降速度转到低速，再使应力加载探头17缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机13所连第一计算机18上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤503、开启充瓦斯控制阀4和减压阀2，瓦斯气瓶1内的瓦斯充入煤样容器15内，待瓦斯气体压力表3上显示的压力达到预定的试验压力后，使压力稳定并保持10min～60min，使正方体型煤样14充分吸收瓦斯气体；再观测瓦斯检测仪21的读数，通过读数的变化检测煤样容器15内瓦斯气体的变化情况来检测煤样容器15内瓦斯的浓度；
步骤504、利用电子万能试验机13按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样14进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样14瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样14破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机13、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤505、将编号为7～12的正方体型煤样14取出重复步骤501～504进行试验，记录并保存编号为7～12的正方体型煤样14试验中电子万能试验机13、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其采用的实验装置包括煤样容器(15)、应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪(21)、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
所述煤样容器(15)包括煤样容器壳体(15-2)和设置在煤样容器壳体(15-2)内的煤样放置腔(15-1)，所述煤样容器壳体(15-2)的顶部密封连接有活塞(16)，所述煤样容器壳体(15-2)的一侧设置有第一多用气孔(15-3)，所述煤样容器壳体(15-2)的另一侧设置有第二多用气孔(15-4)和透明视镜(15-5)，所述第一多用气孔(15-3)上设置有第一密封接头(23)，所述第二多用气孔(15-4)上设置有第二密封接头(22)；
所述应力加载系统包括电子万能试验机(13)和与电子万能试验机(13)的应力加载探头(17)相接的第一计算机(18)；
所述充瓦斯系统包括通过第一连接管与第一密封接头(23)连接的三通阀(5)，以及与三通阀(5)连接的抽真空管和充瓦斯管，所述抽真空管未与三通阀(5)连接的一端端部连接有真空泵(8)，所述抽真空管上设置有真空压力表(7)和抽真空控制阀(6)，所述充瓦斯管未与三通阀(5)连接的一端端部连接有瓦斯气瓶(1)，所述充瓦斯管上设置有减压阀(2)、瓦斯气体压力表(3)和充瓦斯控制阀(4)；
所述瓦斯检测仪(21)通过第二连接管连接在第二密封接头(22)上；
所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪(19)和与VIC-3D测量仪(19)相接的第二计算机(20)；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、试样制备，具体过程为：
步骤101、取实验室残余煤块，通过粉碎机粉碎成煤粉；
步骤102、按照煤粉：石膏：水＝12：3：5的比例配置好煤样制备原料后，将煤样制备原料放入正方体煤样模具中制作12个正方体型煤样(14)；
步骤103、将12个正方体型煤样(14)静置于通风阴凉处养护1～2周；
步骤104、对12个正方体型煤样(14)进行抛光和打磨处理；
步骤105、在12个正方体型煤样(14)的观测面均匀抹大白粉；
步骤106、从12个正方体型煤样(14)中先取出一半，作为无瓦斯的6个正方体型煤样(14)，并进行编号1、2、3、4、5、6；
步骤107、将剩余的一半正方体型煤样(14)放置在在密闭的容器中，先用真空泵抽真空，再从压力罐中充入瓦斯气体2～3小时，预制成6个含瓦斯气体的正方体型煤样(14)，并进行编号7、8、9、10、11、12；
步骤二、搭建试验装置，具体过程为：
步骤201、连接应力加载系统、充瓦斯系统、瓦斯检测仪(21)、VIC-3D非接触全场应变测量系统和声发射系统；
步骤202、取编号为1的正方体型煤样(14)放置于煤样容器(15)内，将所述声发射系统中的传感器(12)固定于正方体型煤样(14)的一侧，并在传感器(12)和正方体型煤样(14)之间涂抹耦合剂或黄油，确保传感器(12)和正方体型煤样(14)接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在正方体型煤样(14)两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正传感器(12)的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪(19)的位置；
步骤三、装置气密性检测，具体过程为：
步骤301、将三通阀(5)、第一多用气孔(15-3)和第二多用气孔(15-4)均采用硅橡胶涂抹密封，然后再用密封胶带缠紧，再在外边缘再次用硅橡胶涂抹处理；
步骤302、打开充瓦斯控制阀(4)和减压阀(2)，往煤样容器(15)内通入一定量的瓦斯气体，再关闭充瓦斯控制阀(4)和减压阀(2)，再观测瓦斯检测仪(21)的读数，通过读数的变化检测煤样容器(15)内瓦斯气体的变化情况来检测装置的气密性；
步骤四、无瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤401、开启真空泵(8)和抽真空控制阀(6)，先用真空泵(8)将煤样容器(15)抽成真空，待真空压力表(7)上显示的煤样容器(15)内的气压低于50Pa时，关闭真空泵(8)和抽真空控制阀(6)；
步骤402、先将煤样容器(15)的活塞(16)与正方体型煤样(14)接触，再将电子万能试验机(13)的应力加载探头(17)下降速度转到高速，待应力加载探头(17)与活塞(16)剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机(13)，并将电子万能试验机(13)的应力加载探头(17)下降速度转到低速，再使应力加载探头(17)缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机(13)所连第一计算机(18)上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤403、利用电子万能试验机(13)按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样(14)进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样(14)瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样(14)破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机(13)、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤404、将编号为2～6的正方体型煤样(14)取出重复步骤401～403进行试验，记录并保存编号为2～6的正方体型煤样(14)试验中电子万能试验机(13)、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤五、有瓦斯环境下进行试验，具体过程为：
步骤501、开启真空泵(8)和抽真空控制阀(6)，先用真空泵(8)将煤样容器(15)抽成真空，待真空压力表(7)上显示的煤样容器(15)内的气压低于50Pa时，关闭真空泵(8)和抽真空控制阀(6)；
步骤502、取含瓦斯气体的正方体型煤样(14)放置于煤样容器(15)内，先将煤样容器(15)的活塞(16)与正方体型煤样(14)接触，再将电子万能试验机(13)的应力加载探头(17)下降速度转到高速，待应力加载探头(17)与活塞(16)剩余1cm～2cm时暂停电子万能试验机(13)，并将电子万能试验机(13)的应力加载探头(17)下降速度转到低速，再使应力加载探头(17)缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机(13)所连第一计算机(18)上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤503、开启充瓦斯控制阀(4)和减压阀(2)，瓦斯气瓶(1)内的瓦斯充入煤样容器(15)内，待瓦斯气体压力表(3)上显示的压力达到预定的试验压力后，使压力稳定并保持10min～60min，使正方体型煤样(14)充分吸收瓦斯气体；再观测瓦斯检测仪(21)的读数，通过读数的变化检测煤样容器(15)内瓦斯气体的变化情况来检测煤样容器(15)内瓦斯的浓度；
步骤504、利用电子万能试验机(13)按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对正方体型煤样(14)进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对正方体型煤样(14)瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至正方体型煤样(14)破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机(13)、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据；
步骤505、将编号为7～12的正方体型煤样(14)取出重复步骤501～504进行试验，记录并保存编号为7～12的正方体型煤样(14)试验中电子万能试验机(13)、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
2.按照权利要求1所述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于：所述煤样容器壳体(15-2)的顶部通过O型密封圈(24)密封连接有活塞(16)。
3.按照权利要求1所述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于：所述活塞(16)由铝合金或不锈钢制成。
4.按照权利要求1所述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于：所述瓦斯检测仪(21)为光干涉瓦斯检测仪。
5.按照权利要求1所述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统，所述SAEU2S声发射系统包括第三计算机(9)和与第三计算机(9)连接的数据采集机箱(10)，以及通过电缆与数据采集机箱(10)连接的前置放大器(11)；所述前置放大器(11)的输入端通过信号线连接有传感器(12)。
6.按照权利要求1所述的单轴压缩下含瓦斯煤岩力学特性模拟实验方法，其特征在于：所述透明视镜(15-5)采用厚度为20mm的钢化玻璃制成。
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