CN108444819A - 一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种含瓦斯煤岩动‑静耦合力学行为试验装置，属于含瓦斯煤岩力学行为测试装置技术领域。所述含瓦斯煤岩动‑静耦合力学行为试验装置，包括耐压腔体、孔隙流压系统、液压传动系统和温控系统，所述耐压腔体内设置有上压头和下压头，耐压腔体的上部与法兰盖连接，动载压杆的一端与上压头连接，另一端与动载液压油缸的活塞同轴连接，耐压腔体的下部与法兰盘连接，静载压杆的一端与下压头连接，另一端与应力传感器的顶部同轴连接，应力传感器的底部与静载液压油缸的活塞连接。所述含瓦斯煤岩动‑静耦合力学行为试验装置建立含瓦斯煤体动‑静耦合力学行为演化与失稳作用机制，揭示煤、岩体动力灾害本源机理，为煤岩体动力灾害防治提供可靠的试验基础。
Description
技术领域
本发明涉及含瓦斯煤岩力学行为测试装置技术领域，特别涉及一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置。
背景技术
近年来煤炭工业正式进入深部开采阶段，受深部“三高一扰动”作用，冲击地压和煤与瓦斯突出事故规模、发生频率呈现出明显的上升趋势，因此对深部处于高地应力和瓦斯压力环境下的煤体受冲击载荷作用下的破坏过程开展研究，理清其力学行为演化机制有利于更科学的了解深部高应力、高瓦斯应力环境下煤体受人类工程扰动过程灾变孕育机制，特别是有针对性的对深部含瓦斯煤体冲击-突出复合灾害愈发严重的工程概况下深入发掘灾害本质，掌握其失稳力学机制及力学参数时空演化规律，对实现深部煤炭安全开采具有重要的科学意义和工程价值。
目前关于煤、岩体冲击载荷作用下的力学行为试验装置相对较少，现有的研究主要利用SHBP装置但实验过程复杂，与此同时能满足开展不同围压、瓦斯压力的含瓦斯煤岩冲击载荷作用下的试验装置仍鲜有出现，而深部冲击-突出复合灾害的孕育发生机制及其防控方法不仅需要从理论上深入探讨，同时还需要开展相应的物理试验研究，因此研制一种操作方便、适用性强，可获得含瓦斯煤体在高围压、冲击载荷作用下破坏过程的力学参量的试验装置是十分必要的。
综合现场实测和理论分析，为了使试验装置尽可能对深部不同应力状态下含瓦斯煤体受冲击载荷作用后的力学行为充分反映，发明装置满足以下必要条件：①可开展静力学加载，对煤岩体施加高孔隙流压、轴压和围压以模拟原始受载状态②可提供冲击加载，对处于高孔隙流压和围压下的煤岩体施加冲击载荷③对整个受载过程中产生的应力、各向应变和孔隙流压变化等参量信号记录并储存。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，结构简单、操作方便、参数准确，可在煤岩石上施加高围压、高孔隙流压环境，并对煤体施加冲击载荷，同时监测其受载破坏过程产生的应力、应变、瓦斯流量和压力变化，为获得更接近真实应力状态的含瓦斯煤岩在冲击载荷作用下的破裂规律、理清煤体失稳临界参量、探索深部冲击突出复合灾害孕育力学机制、以及预测防治深部矿井冲击突出复合灾害提供理论依据和工程指导。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，包括耐压腔体、孔隙流压系统、液压传动系统和温控系统；
所述耐压腔体内设置有上压头和下压头，所述上压头和所述下压头中间设置煤岩试样，所述耐压腔体的上部设有第一开口，所述第一开口与法兰盖连接，所述法兰盖的顶部与第一圆筒形连接件的底部连接，所述第一圆筒形连接件的顶部与动载液压油缸的外壳连接，所述第一圆筒形连接件内设有动载压杆，所述动载压杆的一端穿过法兰盖与上压头连接，另一端穿过第一圆筒形连接件与动载液压油缸的活塞同轴连接，所述耐压腔体的下部设有第二开口，所述第二开口与法兰盘连接，所述法兰盘底部与第二圆筒形连接件的顶部连接，所述第二圆筒形连接件的底部与静载液压油缸外壳的顶部连接，所述静载液压油缸外壳的底部固设于底座上，所述第二圆筒形连接件内设有静载压杆，所述静载压杆的一端穿过法兰盘与所述下压头连接，另一端与应力传感器的顶部同轴连接，所述应力传感器的底部与静载液压油缸的活塞连接，所述耐压腔体下部的两侧分别与一个举升油缸的顶部连接，所述举升油缸的底部固设于所述底座上；
所述孔隙流压系统包括外部气源、调压阀、压力表和流量计，所述压力表通过管线与所述调压阀连接，同时所述调压阀通过管线与所述外部气源连接，所述法兰盘设有多个流体密闭传输孔，所述上压头设置有孔隙流压入口，所述孔隙流压入口通过管线与一个流体密闭传输孔靠近耐压腔体的一端连接，同时所述流体密闭传输孔的另一端通过管线与所述压力表连接，所述下压头设置有孔隙流压出口，所述孔隙流压出口通过管线与另一个流体密闭传输孔靠近所述耐压腔体的一端连接，同时所述流体密闭传输孔的另一端通过管线与所述流量计连接；
所述液压传动系统包括油箱、动载荷油路、围压载荷油路、静载荷油路和举升油缸加卸载油路，所述油箱设置有油泵，所述油泵为所述动载荷油路、围压载荷油路、静载荷油路和举升油缸加卸载油路提供动力源，所述动载荷油路包括两个囊式蓄能器、第一压力变送器、电磁阀和比例阀，所述比例阀与动载液压油缸连接，所述围压载荷油路包括比例阀和第二压力变送器，所述比例阀与一个所述流体密闭传输孔远离耐压腔体的一端连接，同时另一个所述流体密闭传输孔远离耐压腔体的一端连接第二压力变送器，用以监测耐压腔体内部压力，所述静载荷油路的伺服阀与所述静载液压油缸连接，所述举升油缸加卸载油路与所述举升油缸连接；
所述温控系统为缠绕在所述煤岩试样表面的控温加热带，所述控温加热带电连接外部电源。
所述煤岩试样外部包裹有热塑套。
所述耐压腔体与所述法兰盘之间的间隙通过橡胶密封圈密封，所述法兰盘上设有螺纹孔，所述法兰盘与所述耐压腔体螺纹连接。
所述上压头与所述动载压杆连接的一端设置第一圆形凹槽，所述动载压杆插接到所述第一圆形凹槽中，所述静载压杆与所述下压头连接的一端设置第二圆形凹槽，所述下压头插接到所述第二圆形凹槽中。
所述上压头和所述下压头分别与所述煤岩试样连接的一端的截面同时为方形或者圆形。
所述第二圆筒形连接件的一侧设有镂空滑槽，所述静载压杆与梢杆垂直连接，所述梢杆通过所述镂空滑槽与光栅传感器滑动连接。
所述控温加热带的电源通过法兰盘上的流体密封传输孔导出。
本发明中的一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置的有益效果：利用静力学加载更真实地贴近实际工程的应力状态，提供动力学加载模拟地下工程扰动，对含瓦斯煤岩环境压力、孔隙流压和冲击载荷共同作用下破坏过程中的应力、轴向和侧向应变以及瓦斯流量变化进行实验监测，明确冲击载荷-应力场-流体场间的内在联系，建立含瓦斯煤体动-静耦合力学行为演化与失稳作用机制，揭示煤、岩体动力灾害本源机理，为煤岩体动力灾害防治提供可靠的试验基础。
附图说明
图1是本发明提供的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置的结构示意图；
图2是本发明提供的法兰盘的剖视图；
图3是本发明提供的法兰盘的俯视图；
图4是本发明提供的液压传动系统的示意图。
其中，
1-耐压腔体，2-动载液压油缸，3-动载压杆，4-第一圆筒形连接件，5-法兰盖，6-上压头，7-孔隙流压入口，8-下压头，9-孔隙流压出口，10-煤岩试样，11-静载压杆，12-举升油缸，13-第二圆筒形连接件，14-法兰盘，15-应力传感器，16-静载液压油缸，17-底座，18-流体密闭传输孔，19-螺纹孔，20-油箱，21-动载荷油路，22-围压载荷油路，23-静载荷油路，24-举升油缸加卸载油路。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图4所示，本发明提供了一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，包括耐压腔体1、孔隙流压系统、液压传动系统和温控系统，本实施例中，耐压腔体1为铸钢材质的圆柱形结构，并且具有高气密性，优选为40Cr钢；
耐压腔体1内设置有上压头6和下压头8，上压头6和下压头8中间设置煤岩试样10，煤岩试样10外部包裹有热塑套，上压头6和下压头8分别与煤岩试样10连接的一端的截面同时为方形或者圆形，本实施例中，上压头6和下压头8均由高强度钢制成，上压头6为圆台形，下压头8为圆柱形，煤岩试样10固定于上压头6和下压头8的端面间，通过外部包裹的热塑套与耐压腔体1内部压力环境隔绝，上压头6和下压头8分别与煤岩试样10连接的一端的截面同时为50×50mm的方形或者直径为50mm的圆形，可实现不同尺寸的含瓦斯煤岩试样10冲击载荷试验；
耐压腔体1的上部设有第一开口，第一开口与法兰盖5连接，法兰盖5设有放气孔，法兰盖5的顶部与第一圆筒形连接件4的底部连接，第一圆筒形连接件4的顶部与动载液压油缸2的外壳连接，第一圆筒形连接件4内设有动载压杆3，动载压杆3的材质为钢质，动载压杆3的一端穿过法兰盖5与上压头6连接，另一端穿过第一圆筒形连接件4与动载液压油缸2的活塞同轴连接，上压头6与动载压杆3连接的一端设置第一圆形凹槽，动载压杆3插接到第一圆形凹槽中，耐压腔体1的下部设有第二开口，第二开口与法兰盘14连接，耐压腔体1与法兰盘14之间的间隙通过橡胶密封圈密封，法兰盘14上设有螺纹孔19，法兰盘14与耐压腔体1螺纹连接，本实施例中，耐压腔体1与法兰盘14之间的间隙为微小间隙，法兰盘14为钢质密闭多通道法兰盘，橡胶密封圈为O型橡胶密封圈，充分保证耐压腔体1的稳定性与整个试验装置的安全性，法兰盘14底部与第二圆筒形连接件13的顶部连接，本实施例中，法兰盘14底部与第二圆筒形连接件13的顶部采用高强度螺栓固定连接，第二圆筒形连接件13的底部与静载液压油缸16外壳的顶部连接，静载液压油缸16外壳的底部固设于底座17上，第二圆筒形连接件13内设有静载压杆11，静载压杆11的材质为钢质，静载压杆11的一端穿过法兰盘14与下压头8连接，另一端与应力传感器15的顶部同轴连接，静载压杆11与下压头8连接的一端设置第二圆形凹槽，下压头8插接到第二圆形凹槽中，应力传感器15的底部与静载液压油缸16的活塞连接，本实施例中，应力传感器15为轮辐式应力传感器，应力传感器15的底部与静载液压油缸16的活塞同轴连接，静载液压油缸16提供400kN的载荷，静载液压油缸16推动应力传感器15运动，进而推动静载压杆11在第二圆筒形连接件13内部往复运动以达到加、卸载荷的目的，应力传感器15用以监测加、卸载荷过程中的应力变化；
耐压腔体1下部的两侧分别与一个举升油缸12的顶部连接，两个举升油缸12以耐压腔体1的轴线为对称轴对称设置，举升油缸12用以自动升降耐压腔体1，举升油缸12的底部固设于底座17上，本实施例中，利用举升油缸12实现机械化地开启或闭合耐压腔体1，耐压腔体1闭合后，耐压腔体1与法兰盘14紧密连接，并利用12个高强度螺栓穿过螺纹孔19固定校核耐压腔体1，保证耐压腔体1的压力稳定与试验安全。
孔隙流压系统包括外部气源、调压阀、压力表和流量计，压力表通过管线与调压阀连接，同时调压阀通过管线与外部气源连接，本实施例中，压力表为高精度数字压力表，外部气源提供孔隙流压气体，利用调压阀控制压力大小并由高精密数字压力表显示；
法兰盘14设有多个流体密闭传输孔18，流体密闭传输孔18将外部施加的孔隙流压、围压导入耐压腔体1中，同时也作为导线孔将外界电源传入耐压腔体1内部，上压头6设置有孔隙流压入口7，孔隙流压入口7通过管线与一个流体密闭传输孔18靠近耐压腔体1的一端连接，同时流体密闭传输孔18的另一端通过管线与压力表连接，下压头8设置有孔隙流压出口9，孔隙流压出口9通过管线与另一个流体密闭传输孔18靠近耐压腔体1的一端连接，同时流体密闭传输孔18的另一端通过管线与流量计连接，通过流量计监测受载过程中孔隙压力变化，本实施例中的管线均为不锈钢管线，孔隙流压入口7和孔隙流压出口9为钢质材质，通过孔隙流压入口7、孔隙流压出口9和管线对煤岩试样10施加孔隙流压；
液压传动系统包括油箱20、动载荷油路21、围压载荷油路22、静载荷油路23和举升油缸加卸载油路24，利用程序实现电气化模块控制加、卸载试验，油箱20设置有油泵，油泵为动载荷油路21、围压载荷油路22、静载荷油路23和举升油缸加卸载油路24提供动力源，动载荷油路21包括两个囊式蓄能器、第一压力变送器、电磁阀和比例阀，比例阀与动载液压油缸2连接，围压载荷油路22包括比例阀和第二压力变送器，比例阀与一个流体密闭传输孔18远离耐压腔体1的一端连接，同时另一个流体密闭传输孔18远离耐压腔体1的一端连接第二压力变送器，用以监测耐压腔体1内部压力，静载荷油路23的伺服阀与静载液压油缸16连接，举升油缸加卸载油路24与举升油缸12连接，本实施例中，动载荷油路21为试验装置提供轴向动态载荷，动载荷油路21中串联多个蓄能装置，通过比例阀将液压油泵入蓄能装置并达到设定值，利用大流量电磁阀门控制液压油充入动载液压油缸2达到冲击加载的目的，围压载荷油路22为试验装置提供围压，通过程序设置设定值，将油压经流体密闭传输孔18充入到耐压腔体1内部至所设定值，输入油压的同时开启法兰盖5上的放气孔排出多余气体，使油压最大压力为40MPa，静载荷油路23为试验装置提供轴向静力学载荷，通过程序设定电器化控制的伺服阀，并利用伺服阀将液压油泵入或泵出静载液压油缸16，以达到对试件加、卸载的目的；
温控系统为缠绕在煤岩试样10表面的控温加热带，控温加热带电连接外部电源，控温加热带的电源通过法兰盘14上的流体密封传输孔导出，充分保证了内部压力的封闭，同时还保证了电源的外部连接；
第二圆筒形连接件13的一侧设有镂空滑槽，静载压杆11与梢杆垂直连接，梢杆通过镂空滑槽与光栅传感器滑动连接，本实施例中，梢杆为钢质梢杆，光栅传感器为高精度光栅传感器，通过光栅传感器监测静载压杆11的运动与载荷情况。
下面说明本发明的一次使用过程：
试验准备阶段：首先根据煤岩试样10尺寸选择对应的上压头6和下压头8，将煤岩试样10固定于上压头6和下压头8之间并用胶带在端部缠绕使得煤岩试样10固定于两压头上，利用热塑套包裹好，将包裹好的煤岩试样10与上、下压头放置于静载压杆11上，将一根不锈钢管线的一端连接于上压头的孔隙流压入口7，为防止管线长度不足使试验失败，将管线在煤岩试样10周围绕几周后，另一端连于法兰盘14的一个流体密闭传输孔18，该流体密闭传输孔18外接压力表、调压阀和气源，将另一根不锈钢管线的一端连接于孔隙流压出口9，另一端连于法兰盘14的另一个流体密闭传输孔18，该流体密闭传输孔18外接流量计，将温控加热带固定于煤岩试样10外侧，同时将电源线经流体密闭传输孔18引伸至外部，开启举升油缸加卸载油路24使举升油缸12落下耐压腔体1，使耐压腔体1与法兰盘14闭合将螺栓穿过螺纹孔19后校紧螺栓，开启轴向静载荷油路23对煤岩试样10施加初始预载荷，开启围压载荷油路22，同时打开上部排气孔排除多余空气，逐渐施加围压直至预定载荷，随后经由孔隙流压入口7、孔隙流压出口9和管线向煤岩试样10施加孔隙流压，逐渐调节流体环境至压力稳定，通电后对煤体加温至设定温度，再次开启静载荷油路23对煤岩试样10施加轴向静载荷至预定值。
试验阶段：开启动载荷油路21提高冲击蓄能系统压力，至各项指标稳定后首先开启流体压力监测设备，随后开启动载液压油缸2对煤岩试样10冲击破坏直至测试含瓦斯煤岩试样10失去承载能力，同时记录这一过程中应力、应变、瓦斯压力等各项参数结果并储存试验结果。
试验后处理：各参数储存结束后，先卸去孔隙流体压力，随后分别卸去围压和轴向压力，开启举升油缸12打开耐压腔体1，取出测试煤岩试样10，观测破坏结果储存。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，包括耐压腔体、孔隙流压系统、液压传动系统和温控系统；
所述耐压腔体内设置有上压头和下压头，所述上压头和所述下压头中间设置煤岩试样，所述耐压腔体的上部设有第一开口，所述第一开口与法兰盖连接，所述法兰盖的顶部与第一圆筒形连接件的底部连接，所述第一圆筒形连接件的顶部与动载液压油缸的外壳连接，所述第一圆筒形连接件内设有动载压杆，所述动载压杆的一端穿过法兰盖与上压头连接，另一端穿过第一圆筒形连接件与动载液压油缸的活塞同轴连接，所述耐压腔体的下部设有第二开口，所述第二开口与法兰盘连接，所述法兰盘底部与第二圆筒形连接件的顶部连接，所述第二圆筒形连接件的底部与静载液压油缸外壳的顶部连接，所述静载液压油缸外壳的底部固设于底座上，所述第二圆筒形连接件内设有静载压杆，所述静载压杆的一端穿过法兰盘与所述下压头连接，另一端与应力传感器的顶部同轴连接，所述应力传感器的底部与静载液压油缸的活塞连接，所述耐压腔体下部的两侧分别与一个举升油缸的顶部连接，所述举升油缸的底部固设于所述底座上；
所述孔隙流压系统包括外部气源、调压阀、压力表和流量计，所述压力表通过管线与所述调压阀连接，同时所述调压阀通过管线与所述外部气源连接，所述法兰盘设有多个流体密闭传输孔，所述上压头设置有孔隙流压入口，所述孔隙流压入口通过管线与一个流体密闭传输孔靠近耐压腔体的一端连接，同时所述流体密闭传输孔的另一端通过管线与所述压力表连接，所述下压头设置有孔隙流压出口，所述孔隙流压出口通过管线与另一个流体密闭传输孔靠近所述耐压腔体的一端连接，同时所述流体密闭传输孔的另一端通过管线与所述流量计连接；
所述液压传动系统包括油箱、动载荷油路、围压载荷油路、静载荷油路和举升油缸加卸载油路，所述油箱设置有油泵，所述油泵为所述动载荷油路、围压载荷油路、静载荷油路和举升油缸加卸载油路提供动力源，所述动载荷油路包括两个囊式蓄能器、第一压力变送器、电磁阀和比例阀，所述比例阀与动载液压油缸连接，所述围压载荷油路包括比例阀和第二压力变送器，所述比例阀与一个所述流体密闭传输孔远离耐压腔体的一端连接，同时另一个所述流体密闭传输孔远离耐压腔体的一端连接第二压力变送器，用以监测耐压腔体内部压力，所述静载荷油路的伺服阀与所述静载液压油缸连接，所述举升油缸加卸载油路与所述举升油缸连接；
所述温控系统为缠绕在所述煤岩试样表面的控温加热带，所述控温加热带电连接外部电源。
2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述煤岩试样外部包裹有热塑套。
3.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述耐压腔体与所述法兰盘之间的间隙通过橡胶密封圈密封，所述法兰盘上设有螺纹孔，所述法兰盘与所述耐压腔体螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述上压头与所述动载压杆连接的一端设置第一圆形凹槽，所述动载压杆插接到所述第一圆形凹槽中，所述静载压杆与所述下压头连接的一端设置第二圆形凹槽，所述下压头插接到所述第二圆形凹槽中。
5.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述上压头和所述下压头分别与所述煤岩试样连接的一端的截面同时为方形或者圆形。
6.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述第二圆筒形连接件的一侧设有镂空滑槽，所述静载压杆与梢杆垂直连接，所述梢杆通过所述镂空滑槽与光栅传感器滑动连接。
7.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩动-静耦合力学行为试验装置，其特征在于，所述控温加热带的电源通过法兰盘上的流体密封传输孔导出。
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