CN109269904A - 一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，包括真三轴加载机构、气态流体加载组件、液态流体加载组件、尾气/废水排放回收组件、温度信号采集组件、电荷信号采集组件及声发射信号采集组件；真三轴加载机构包括压力室、四组水平加载缸及竖直加载组合缸，其中一组水平加载缸的活塞杆为空心结构，在活塞杆中心空腔内设有煤屑导管，煤屑导管的内端设有管口塞盘，管口塞盘嵌装在压头内，煤屑导管的外端固装有钻机，且钻机的钻杆位于煤屑导管内；本发明具备施加真三轴载荷的能力，能够为煤岩体试样提供“三高”状态的受载环境，在煤屑钻取过程中可实时监测采集应力、声发射、电荷及温度数据，并为深部矿井动力灾害预测防治提供理论及工程指导。

Description

一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，特别是涉及一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置。

背景技术

现阶段，煤矿开采已逐步进入了深部开采阶段，深部煤岩已处于多场耦合作用之下，而水、瓦斯、温度使得深部煤岩的组织结构与力学行为特征也发生了根本性改变，开采环境呈现出高地应力、高渗透压和高地温的“三高”特点，导致深部开采中冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害事故频发。因此，需要对深部煤岩的力学性质、变形特征以及多场耦合作用下的致灾机理进行研究探索。

目前，钻屑法是应用较普遍的冲击地压以及煤与瓦斯突出预测方法，其能够同时检测多项与冲击地压有关的因素。但是，当钻屑法应用于室内实验时，由于受条件限制，大多只能实现无瓦斯及常温环境下的常规三轴试验，而且无法对煤岩变形破坏过程中的多种参量进行监测，难以模拟深部煤岩在“三高”状态的受载环境以及根据前兆参量信息进行灾害预测，其实验结果对现场的指导意义较小。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，具备施加真三轴载荷的能力，能够为煤岩体试样提供“三高”状态的受载环境，在煤屑钻取过程中可实时监测采集应力、声发射、电荷及温度数据，并为深部矿井动力灾害预测防治提供理论及工程指导。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，包括真三轴加载机构，在真三轴加载机构上分别设置有气态流体加载通道、液态流体加载通道、尾气/废水排放通道、温度信号采集通道、电荷信号采集通道及声发射信号采集通道；所述气态流体加载通道的外端接口依次连接有第一流量计、第一压力表、第一稳压器、第一阀门及气瓶；所述液态流体加载通道的外端接口依次连接有第二流量计、第二压力表、第二稳压器、第二阀门及水箱；所述尾气/废水排放通道的外端接口依次连接有第三阀门、第三压力表、第三流量计及尾气/废水回收处理箱；所述温度信号采集通道的外端接口连接有温度数据采集仪；所述电荷信号采集通道的外端接口依次连接有电荷信号放大器及电荷数据采集仪；所述声发射信号采集通道的外端接口依次连接有声发射信号放大器及声发射数据采集仪。

所述真三轴加载机构包括压力室、第一水平加载缸、第二水平加载缸、第三水平加载缸、第四水平加载缸及竖直加载组合缸；在所述压力室的侧壁上均布开设有四个水平加载孔，分别记为第一水平加载孔、第二水平加载孔、第三水平加载孔及第四水平加载孔；所述第一水平加载缸固装在第一水平加载孔的外孔口，在第一水平加载孔的内孔口设置有第一水平压头，所述第一水平加载缸的活塞杆与第一水平压头相连；所述第二水平加载缸固装在第二水平加载孔的外孔口，在第二水平加载孔的内孔口设置有第二水平压头，所述第二水平加载缸的活塞杆与第二水平压头相连；所述第三水平加载缸固装在第三水平加载孔的外孔口，在第三水平加载孔的内孔口设置有第三水平压头，所述第三水平加载缸的活塞杆与第三水平压头相连；所述第四水平加载缸固装在第四水平加载孔的外孔口，在第四水平加载孔的内孔口设置有第四水平压头，所述第四水平加载缸的活塞杆与第四水平压头相连；在所述压力室的顶部开设有竖直加载孔，所述竖直加载组合缸位于竖直加载孔内。

所述竖直加载组合缸包括筒式静载压头、盘式动载压头、动载活塞杆、动载活塞、密封盖及密封挡环；所述密封挡环位于竖直加载孔的孔口处，密封盖扣装在压力室顶端，在密封盖中心开设有静载压头穿装孔，所述筒式静载压头穿插于静载压头穿装孔中，且筒式静载压头与密封盖及密封挡环密封滑动配合，筒式静载压头的静载力由独立外设的压力机提供；所述动载活塞固定套装在动载活塞杆的杆体上，安装有动载活塞的动载活塞杆位于筒式静载压头的内部，动载活塞与筒式静载压头的内壁面密封滑动配合；所述盘式动载压头连接在动载活塞杆的下端。

所述第一水平加载缸的活塞杆为空心结构，在第一水平加载缸的活塞杆的中心空腔内设有煤屑导管，煤屑导管的内端设有管口塞盘，管口塞盘嵌装在第一水平压头内；所述煤屑导管的外端安装有钻机，且钻机的钻杆位于煤屑导管内。

煤岩体试样位于压力室的加载腔内，在煤岩体试样与压力室的底板之间设有下垫块，在煤岩体试样与下垫块之间设有加热带，加热带通过温度信号采集通道与温度数据采集仪相连，在煤岩体试样内嵌装有温度传感器，温度传感器通过温度信号采集通道与温度数据采集仪相连；在煤岩体试样表面与压头之间布设有微电敏感材料探头，且微电敏感材料探头与压头之间作绝缘处理，微电敏感材料探头依次通过电荷信号采集通道及电荷信号放大器与电荷数据采集仪相连；在所述压力室的内壁上安装有声发射探头，声发射探头依次通过声发射信号采集通道及声发射信号放大器与声发射数据采集仪相连；在煤岩体试样与筒式静载压头及盘式动载压头之间设有上垫块；所述气态流体加载通道、液态流体加载通道及尾气/废水排放通道的内端接口均与压力室的加载腔相连通。

本发明的有益效果：

本发明的基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，具备施加真三轴载荷的能力，能够为煤岩体试样提供“三高”状态的受载环境，在煤屑钻取过程中可实时监测采集应力、声发射、电荷及温度数据，并为深部矿井动力灾害预测防治提供理论及工程指导。

附图说明

图1为本发明的一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置的结构原理图；

图2为本发明的真三轴加载机构的正视剖视图；

图3为本发明的真三轴加载机构的俯视剖视图；

图中，1—真三轴加载机构，2—第一流量计，3—第一压力表，4—第一稳压器，5—第一阀门，6—气瓶，7—第二流量计，8—第二压力表，9—第二稳压器，10—第二阀门，11—水箱，12—第三阀门，13—第三压力表，14—第三流量计，15—尾气/废水回收处理箱，16—温度数据采集仪，17—电荷信号放大器，18—电荷数据采集仪，19—声发射信号放大器，20—声发射数据采集仪，21—压力室，22—第一水平加载缸，23—第二水平加载缸，24—第三水平加载缸，25—第四水平加载缸，26—第一水平加载孔，27—第二水平加载孔，28—第三水平加载孔，29—第四水平加载孔，30—第一水平压头，31—第二水平压头，32—第三水平压头，33—第四水平压头，34—竖直加载孔，35—筒式静载压头，36—盘式动载压头，37—动载活塞杆，38—动载活塞，39—密封盖，40—密封挡环，41—煤屑导管，42—管口塞盘，43—钻机，44—钻杆，45—煤岩体试样，46—下垫块，47—加热带，48—温度传感器，49—微电敏感材料探头，50—声发射探头，51—上垫块。

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1～3所示，一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，包括真三轴加载机构1，在真三轴加载机构1上分别设置有气态流体加载通道、液态流体加载通道、尾气/废水排放通道、温度信号采集通道、电荷信号采集通道及声发射信号采集通道；所述气态流体加载通道的外端接口依次连接有第一流量计2、第一压力表3、第一稳压器4、第一阀门5及气瓶6；所述液态流体加载通道的外端接口依次连接有第二流量计7、第二压力表8、第二稳压器9、第二阀门10及水箱11；所述尾气/废水排放通道的外端接口依次连接有第三阀门12、第三压力表13、第三流量计14及尾气/废水回收处理箱15；所述温度信号采集通道的外端接口连接有温度数据采集仪16；所述电荷信号采集通道的外端接口依次连接有电荷信号放大器17及电荷数据采集仪18；所述声发射信号采集通道的外端接口依次连接有声发射信号放大器19及声发射数据采集仪20。

所述真三轴加载机构1包括压力室21、第一水平加载缸22、第二水平加载缸23、第三水平加载缸24、第四水平加载缸25及竖直加载组合缸；在所述压力室21的侧壁上均布开设有四个水平加载孔，分别记为第一水平加载孔26、第二水平加载孔27、第三水平加载孔28及第四水平加载孔29；所述第一水平加载缸22固装在第一水平加载孔26的外孔口，在第一水平加载孔26的内孔口设置有第一水平压头30，所述第一水平加载缸22的活塞杆与第一水平压头30相连；所述第二水平加载缸23固装在第二水平加载孔27的外孔口，在第二水平加载孔27的内孔口设置有第二水平压头31，所述第二水平加载缸23的活塞杆与第二水平压头31相连；所述第三水平加载缸24固装在第三水平加载孔28的外孔口，在第三水平加载孔28的内孔口设置有第三水平压头32，所述第三水平加载缸24的活塞杆与第三水平压头32相连；所述第四水平加载缸25固装在第四水平加载孔29的外孔口，在第四水平加载孔29的内孔口设置有第四水平压头33，所述第四水平加载缸25的活塞杆与第四水平压头33相连；在所述压力室21的顶部开设有竖直加载孔34，所述竖直加载组合缸位于竖直加载孔34内。

所述竖直加载组合缸包括筒式静载压头35、盘式动载压头36、动载活塞杆37、动载活塞38、密封盖39及密封挡环40；所述密封挡环40位于竖直加载孔34的孔口处，密封盖39扣装在压力室21顶端，在密封盖39中心开设有静载压头穿装孔，所述筒式静载压头35穿插于静载压头穿装孔中，且筒式静载压头35与密封盖39及密封挡环40密封滑动配合，筒式静载压头35的静载力由独立外设的压力机提供；所述动载活塞38固定套装在动载活塞杆37的杆体上，安装有动载活塞38的动载活塞杆37位于筒式静载压头35的内部，动载活塞38与筒式静载压头35的内壁面密封滑动配合；所述盘式动载压头36连接在动载活塞杆37的下端。

所述第一水平加载缸22的活塞杆为空心结构，在第一水平加载缸22的活塞杆的中心空腔内设有煤屑导管41，煤屑导管41的内端设有管口塞盘42，管口塞盘42嵌装在第一水平压头30内；所述煤屑导管41的外端安装有钻机43，且钻机43的钻杆44位于煤屑导管41内。

煤岩体试样45位于压力室21的加载腔内，在煤岩体试样45与压力室21的底板之间设有下垫块46，在煤岩体试样45与下垫块46之间设有加热带47，加热带47通过温度信号采集通道与温度数据采集仪16相连，在煤岩体试样45内嵌装有温度传感器48，温度传感器48通过温度信号采集通道与温度数据采集仪16相连；在煤岩体试样45表面与压头之间布设有微电敏感材料探头49，且微电敏感材料探头49与压头之间作绝缘处理，微电敏感材料探头49依次通过电荷信号采集通道及电荷信号放大器17与电荷数据采集仪18相连；在所述压力室21的内壁上安装有声发射探头50，声发射探头50依次通过声发射信号采集通道及声发射信号放大器19与声发射数据采集仪20相连；在煤岩体试样45与筒式静载压头35及盘式动载压头36之间设有上垫块51；所述气态流体加载通道、液态流体加载通道及尾气/废水排放通道的内端接口均与压力室21的加载腔相连通。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

当煤岩体试样45及所有设备全部安装连接到位后，首先对煤岩体试样45施加真三轴载荷，直到真三轴载荷加载到设定值，用以模拟高地应力环境；然后启动流体加载，通过气瓶6向煤岩体试样45通入高压气体，通过水箱11向煤岩体试样45通入高压水，用以模拟高渗透压环境；最后启动加热带47，对煤岩体试样45进行加温，直到温度达到设定值，用以模拟高地温环境。

当“三高”状态全部施加到位后，启动钻机43，通过钻机43驱动钻杆44转动，钻杆44首先穿透管口塞盘42，然后正式对煤岩体试样45进行钻孔，在钻孔过程中，煤屑会排入煤屑导管41中进行收集，还可以同步采集电荷信号和声发射信号，直到试验结束，并记录下煤粉量、应力、声发射、电荷及温度数据，而尾气和废水直接排入尾气/废水回收处理箱15中。

改变试验条件，重新试验过程，则可以获得不同试验条件下的煤粉量变化规律，进而反演出煤粉量与地应力之间的关联特性，最终可为深部矿井动力灾害预测防治提供理论及工程指导。

另外，当煤岩体试样45采用煤粉压制工艺制作时，煤岩体试样45可以直接在压力室21的加载腔内进行制造，省去了传统的压制模具，具体通过筒式静载压头35和外设的压力机配合即可完成试样的制备。

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 (5)

1.一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，其特征在于：包括真三轴加载机构，在真三轴加载机构上分别设置有气态流体加载通道、液态流体加载通道、尾气/废水排放通道、温度信号采集通道、电荷信号采集通道及声发射信号采集通道；所述气态流体加载通道的外端接口依次连接有第一流量计、第一压力表、第一稳压器、第一阀门及气瓶；所述液态流体加载通道的外端接口依次连接有第二流量计、第二压力表、第二稳压器、第二阀门及水箱；所述尾气/废水排放通道的外端接口依次连接有第三阀门、第三压力表、第三流量计及尾气/废水回收处理箱；所述温度信号采集通道的外端接口连接有温度数据采集仪；所述电荷信号采集通道的外端接口依次连接有电荷信号放大器及电荷数据采集仪；所述声发射信号采集通道的外端接口依次连接有声发射信号放大器及声发射数据采集仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，其特征在于：所述真三轴加载机构包括压力室、第一水平加载缸、第二水平加载缸、第三水平加载缸、第四水平加载缸及竖直加载组合缸；在所述压力室的侧壁上均布开设有四个水平加载孔，分别记为第一水平加载孔、第二水平加载孔、第三水平加载孔及第四水平加载孔；所述第一水平加载缸固装在第一水平加载孔的外孔口，在第一水平加载孔的内孔口设置有第一水平压头，所述第一水平加载缸的活塞杆与第一水平压头相连；所述第二水平加载缸固装在第二水平加载孔的外孔口，在第二水平加载孔的内孔口设置有第二水平压头，所述第二水平加载缸的活塞杆与第二水平压头相连；所述第三水平加载缸固装在第三水平加载孔的外孔口，在第三水平加载孔的内孔口设置有第三水平压头，所述第三水平加载缸的活塞杆与第三水平压头相连；所述第四水平加载缸固装在第四水平加载孔的外孔口，在第四水平加载孔的内孔口设置有第四水平压头，所述第四水平加载缸的活塞杆与第四水平压头相连；在所述压力室的顶部开设有竖直加载孔，所述竖直加载组合缸位于竖直加载孔内。

3.根据权利要求2所述的一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，其特征在于：所述竖直加载组合缸包括筒式静载压头、盘式动载压头、动载活塞杆、动载活塞、密封盖及密封挡环；所述密封挡环位于竖直加载孔的孔口处，密封盖扣装在压力室顶端，在密封盖中心开设有静载压头穿装孔，所述筒式静载压头穿插于静载压头穿装孔中，且筒式静载压头与密封盖及密封挡环密封滑动配合，筒式静载压头的静载力由独立外设的压力机提供；所述动载活塞固定套装在动载活塞杆的杆体上，安装有动载活塞的动载活塞杆位于筒式静载压头的内部，动载活塞与筒式静载压头的内壁面密封滑动配合；所述盘式动载压头连接在动载活塞杆的下端。

4.根据权利要求2所述的一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，其特征在于：所述第一水平加载缸的活塞杆为空心结构，在第一水平加载缸的活塞杆的中心空腔内设有煤屑导管，煤屑导管的内端设有管口塞盘，管口塞盘嵌装在第一水平压头内；所述煤屑导管的外端安装有钻机，且钻机的钻杆位于煤屑导管内。

5.根据权利要求1所述的一种基于钻屑法的煤岩体多场耦合一体化试验装置，其特征在于：煤岩体试样位于压力室的加载腔内，在煤岩体试样与压力室的底板之间设有下垫块，在煤岩体试样与下垫块之间设有加热带，加热带通过温度信号采集通道与温度数据采集仪相连，在煤岩体试样内嵌装有温度传感器，温度传感器通过温度信号采集通道与温度数据采集仪相连；在煤岩体试样表面与压头之间布设有微电敏感材料探头，且微电敏感材料探头与压头之间作绝缘处理，微电敏感材料探头依次通过电荷信号采集通道及电荷信号放大器与电荷数据采集仪相连；在所述压力室的内壁上安装有声发射探头，声发射探头依次通过声发射信号采集通道及声发射信号放大器与声发射数据采集仪相连；在煤岩体试样与筒式静载压头及盘式动载压头之间设有上垫块；所述气态流体加载通道、液态流体加载通道及尾气/废水排放通道的内端接口均与压力室的加载腔相连通。