CN109855967A - 一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种破碎煤岩体压实‑声发射‑电阻率实验装置及方法，属于破碎煤岩体实验技术领域；提供了一种专门适用于破碎煤岩体的声发射‑电阻率测试装置及实验方法，探究破碎煤岩体声发射计数‑声发射能量‑应力应变曲线‑电阻率的对应关系及内部破裂的时空演化关系；解决该技术问题采用的技术方案为：实验装置包括缸筒，缸筒为透明材料制成，缸筒设置在底座上，缸筒的上方设有压盖，压盖的中心处设有通孔，推头从通孔内穿过，推头下方与推板连接，推头和推板上设有与缸筒内部相连通的第一电导线孔；缸筒的内壁上设有多个声发射探头；底座上设有与缸筒相连通第二电导线孔；缸筒的底部和推板的下方均设有铜电极板。
Description
技术领域
本发明一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置及方法，属于破碎煤岩体实验技术领域。
背景技术
破碎岩体是一种广泛存在于交通、水利、地下建筑以及地下资源开采中的完全破碎岩体。相关工程实践表明，破碎后的岩石往往作为煤矿井下开采中水和瓦斯气体的渗流的主要通道，矿井突水、煤与瓦斯突出事故在破碎岩体中发生的概率是完整煤岩体中的数倍。
与完整、致密岩体相比，采矿中采空区的破断覆岩形成堆积破碎煤岩体中留有大量空隙，包括有孔隙、裂隙及破碎颗粒块体间的空隙等，这些存在的空隙为水体、瓦斯等有害气体的富集及运移提供了大量空间。在采矿活动中，覆岩不断地发生破断并逐渐压实采空区垮落带堆积的破碎煤岩体，由于采空区的不可接近，这使得破碎煤岩体的原位实验研究较难进行。国内外实验室开展了一系列颗粒材料的室内压缩实验以此模拟采空区破碎煤岩体力学行为，研究结果表明，采空区破碎煤岩体在轴向荷载作用下应力应变曲线具有明显的分阶段性且压缩后期表现出应变硬化特性。当前对不同种类破碎煤岩体压实变形特性的研究相对较多，然而目前的研究大多停留在对破碎煤岩体强度和变形特性的宏观层面，对于不同类型、不同颗粒粒径破碎煤岩体压实过程中内部颗粒压密、压实以及颗粒在承压作用下再次破碎的内部微观破裂表征和该过程中煤岩体电阻率动态演化规律方面的研究尚属空白。
与传统孔隙、裂隙煤岩体相比，破碎煤岩体具有两点明显的差异性：其一，破碎煤岩体是内部不存在固结力的承压散体，其变形能力远远大于孔隙、裂隙介质，声发射、电阻率测试方法不可直接照搬上述多孔介质测试方法；其二，破碎煤岩体承压过程中其内部多孔结构会发生更大程度变化，因此破碎煤岩体承压过程中内部波速会发生明显变化，如果仅将初始试样波速及初始试样长度作为声发射破裂定位的固定参数势必导致内部破裂定位的不准确。
发明内容
本发明一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置及方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种适用于破碎煤岩多孔介质的声发射-电阻率测试及实验方法，探究破碎煤岩体声发射计数-声发射能量-应力应变曲线-电阻率的对应关系；探究破碎煤岩体压实过程中其电阻率随应力应变曲线及煤岩体声发射能量的变化情况；实现破碎煤岩体压实过程可视化，揭示其压实过程在内部破裂时空演化规律。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，用在粒度为20mm以下的破碎煤岩体，所述实验装置包括缸筒，缸筒为透明材料制成，缸筒设置在底座上，缸筒的上方设有压盖，压盖的中心处设有通孔，推头从通孔内穿过，推头下方与推板连接，推头和推板上设有与缸简内部相连通的第一电导线孔；缸筒的内壁上设有四个声发射探头，在缸筒的侧壁下部设有通气孔；底座上设有第二电导线孔；底座的上方和推板的下方均设有中间带孔的绝缘片和铜电极板，导线可由铜电极板穿越绝缘片与电阻率测试仪相连。
进一步，所述缸筒的材料为透明有机玻璃；所述压盖、推头、推板和底座均为钢制材料；所述绝缘片为环氧玻璃纤维板材质。
进一步，所述压盖和所述底座的纵截面为台阶型，所述缸筒与所述压盖通过螺栓固定连接，所述缸筒与所述底座通过螺栓固定连接。
进一步，所述铜电极板与所述绝缘片利用黏胶粘合，所述绝缘片与所述推板及所述底座之间利用黏胶粘合。
进一步，所述声发射探头的数量为4个，上下平行设置两层，每层有2个，每层的所述声发射探头的连线与所述缸筒的直径在同一直线上，上下两层的所述声发射探头的连线在所述底座上的投影正交，且上层的所述声发射探头位于破碎煤岩体压缩后最终高度范围以内。
进一步，所述第一导线孔和所述第二导线孔均为L型，第二导线经第二电导线孔依次穿越底座、绝缘片后与铜电极板相连，第一导线经第一电导线孔依次穿越压盖、推头、推板和绝缘板后与铜电极板相连。
进一步，根据所述声发射探头尺寸大小，于筒壁开一个内大外小的楔形台阶状圆孔，将所述声发射探头侧向外壁涂抹透明玻璃胶，由所述缸筒内侧插入楔形台阶状圆孔，待所述声发射探头与所述缸筒壁间由透明玻璃胶冷却胶结固定后，将所述声发射探头测线通过筒壁与声发射检测仪连接；所述透气孔在位于所述缸筒内侧处设置有小于破碎煤岩体最小粒径的滤网，且与大气相通。
一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验方法，上述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置完成，该方法包括以下步骤：
S10.把破碎煤岩体用不同粒径砂石筛分成不同块度的破碎体；
S20.将测试电阻率的导线和测试声信号的声发射探头依次安设；
S30.将预设定颗粒粒径的破碎体煤样装入缸筒中，为保证装料的均匀性避免出现较大空隙，装料时每隔50mm，用钢尺沿缸筒内径对已装配的颗粒进行适当捣实，同时装料每隔100mm对缸筒进行振动，然后待装填完毕关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密闭；
S40.将压力机、电阻率测试仪和声发射检测仪与该实验装置连接，启动声发射检测仪，运用声发射检测仪对破碎煤岩体初始波速进行测定，取四个声发射探头波速的平均值作为初始定位文件的定位初始波速，取S30中装料高度作为初始定位文件的初始试样尺寸；
S50.启动压力机、电阻率测试仪，由压力机通过对推头、推板作用实现对破碎煤岩体的轴向加载，压力机采用位移控制方式对破碎体煤样进行应力加载，压力机实时记录压力、位移数据，应力加载时同步使用电阻率测试仪实时记录电阻率值变化，使用声发射检测仪实时测定破碎煤岩体声发射信号的变化，实验结束，取出实验试样。
进一步，所述步骤S50具体包括以下步骤：
S51.判断推头的轴向位移是否已达到10mm，若达到，保持位移不变的同时运用声发射检测仪对破碎体煤岩体压实10mm时的波速进行采集，实时波速采集完成后，用新测得四个声发射探头波速的平均值及破碎煤岩体此刻已压缩后的实时尺寸重新设定定位文件，并开始新的轴向加载和电阻率及声发射参数信息的采集；若压缩位移没有达到10mm，则在来基础上继续加载，直到轴向累积加载到10mm；
S52.重复S51的步骤，直至全部完成10次的分阶段轴向加载实验，即实验完成时破碎煤岩体轴向累积加载了100mm。
进一步，所述步骤S50中，破碎煤岩体声发射定位信息分10个压缩阶段分别采集，每阶段各累计压缩10mm，且整个压缩过程存在10次实时波速采集和10个定位文件的及时转变，而应力、应变以及电阻率数据一直处于动态实时采集中。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明中，透明有机玻璃材质的缸筒使对破碎煤岩体的压实过程中空隙的演化过程实现可视化；电阻率测试仪的应用实现了破碎煤岩体压实过程中电阻率变化的实时研究提供了动态数据；声发射探头直接接触压实形变过程中的破碎煤岩体，可直接得到真实的破碎体压实过程中的数据，最大程度上避免了探头外置于缸筒外造成的声发射信号的衰减和失真；分阶段实时采集破碎煤岩体波速和及时转变声发射定位文件的实验方法实现了破碎煤岩体压实破裂过程中内部破裂规律的精准定位。
附图说明
图1为本发明实验装置的结构剖面示意图。
图2为本发明实验装置中声发射探头在缸筒空间布置示意图。
图3为声发射探头在缸筒壁上固定示意图。
图4为使用本发明实验装置的整个实验系统的示意图。
图5为本发明实验方法的流程示意图。
图中，1-推头；2-绝缘橡胶套；3-推板；4-绝缘片；5-压盖；6-缸筒；7-声发射探头；8-螺栓；9-底座；10-铜电极板；11-电导线；12-透气孔；I-压力机；II-电阻率测试仪；III-声发射检测仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，用在粒度为20mm以下的破碎煤岩体，所述实验装置包括缸筒6，缸筒6为透明材料制成，缸筒6的上方设有压盖5，缸筒6设置在底座9上，压盖5的中心处设有通孔，推头1从通孔内穿过，推头1下方与推板3连接，推头1和推板3上设有与缸简6内部相连通的第一电导线孔；缸筒6的内壁上设有四个声发射探头7，在缸筒6的下部设有透气孔12；底座9上设有与缸筒6相连通第二电导线孔；底座9的上方和推板3的下方均依次设有中间带孔的绝缘片4和铜电极板10。为不影响压力机加载，第一导线孔和第二导线孔均为L型，即采取与轴向加载方向偏转90度的弯曲通道设计。第一导线孔的入口处还设有绝缘橡胶套2。
缸筒6所用材料为透明有机玻璃，压盖5、推头1、推板3和底座9均为钢制材料，绝缘片4为环氧玻璃纤维板材质，电极板10为铜质材料。压盖5和底座9的纵截面为台阶型。缸筒6与压盖5通过螺栓8固定连接，缸筒6与底座9通过螺栓8固定连接。电极板10与绝缘片4利用黏胶粘合，绝缘片4与推板3及底座9之间利用黏胶粘合。
缸筒有效内径140mm，壁厚20mm，破碎煤岩体原始有效装料高度为300mm，推头有效活动高度为120mm。透气孔12在位于缸筒6内侧处设置有小于破碎煤岩体最小粒径的滤网，且与大气相通。
如图2所示，声发射探头7的数量为4个，上下平行设置两层，每层有2个，每层的声发射探头7的连线与缸筒6的直径在同一直线上，上下两层的声发射探头7的连线在底座9上的投影正交。
如图3所示，声发射探头7在缸筒6的固定方式：根据声发射探头7尺寸大小，于筒壁探头布设位置上开一个内大外小的楔形台阶状圆孔，将声发射探头7侧向外壁涂抹透明玻璃胶，由缸筒内侧插入楔形台阶状圆孔，待声发射探头7与缸筒6壁间由透明玻璃胶冷却胶结固定后，将声探头7测线通过筒壁与声发射检测仪Ⅲ连接。
如图4、图5所示，本发明还提供一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验方法，基于上述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置完成，该方法包括以下步骤：
S10.把破碎煤岩体用不同粒径砂石筛分成不同块度的破碎体；
S20.将测试电阻率的导线和测试声信号的声发射探头依次安设；
S30.将预设定颗粒粒径的破碎体煤样装入缸筒中，为保证装料的均匀性避免出现较大空隙，装料时每隔50mm，用钢尺沿缸筒内径对已装配的颗粒进行适当捣实，同时装料每隔100mm对缸筒进行振动，然后待装填完毕关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密闭；
S40.将压力机、电阻率测试仪和声发射检测仪与该实验装置连接，启动声发射检测仪，运用声发射检测仪对破碎煤岩体初始波速进行测定，取四个声发射探头波速的平均值作为初始定位文件的定位初始波速，取S30中装料高度作为初始定位文件的初始试样尺寸；
S50.启动压力机、电阻率测试仪，由压力机通过对推头、推板作用实现对破碎煤岩体的轴向加载，压力机采用位移控制方式对破碎体煤样进行应力加载，压力机实时记录压力、位移数据，应力加载时同步使用电阻率测试仪实时记录电阻率值变化，使用声发射检测仪实时测定破碎煤岩体声发射信号的变化，实验结束，取出实验试样。
步骤S50中，破碎煤岩体声发射定位信息分10个压缩阶段分别采集，每阶段各累计压缩10mm，且整个压缩过程存在10次实时波速采集和10个定位文件的及时转变，而应力、应变以及电阻率数据一直处于动态实时采集中。步骤S50具体包括以下步骤：
S51.判断推头的轴向位移是否已达到10mm，若达到，保持位移不变的同时运用声发射测试系统“材料声学特性矩阵自动测试”功能对破碎体煤岩体压实10mm时的波速进行采集，实时波速采集完成后，用新测得四个探头波速的平均值及破碎煤岩体此刻已压缩后的实时尺寸重新设定定位文件，并开始新的轴向加载和电阻率及声发射参数的采集；若压缩位移没有达到10mm，则在此基础上继续加载，直到轴向累积加载到10mm；
S52.重复S51的步骤，直至全部完成10次的分阶段轴向加载实验，即实验完成时破碎煤岩体轴向累积加载了100mm。
本实验中，压力机采用电液伺服万能实验机，电阻率测试仪对破碎煤岩体压缩过程中煤岩体电导率进行动态监测，为保证破碎煤岩体压缩实验过程中声发射AE参数的精准测量，本实验将声发射探头置于实验装置内壁，直接接触破碎煤岩体。声发射检测仪采用美国物理声学公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生产的PCI-2型8通道声发射监测试分析系统，提供破碎煤岩体压缩过程中声发射参数监测及声发射三维定位信息。
本实验方法有以下特点：
第一，实验中每压缩10mm，保持位移不变，利用PCI-2声发射采集系统自带的“材料声学特性矩阵自动测试”模块中“波速测定”功能，自动测试破碎煤岩体在不同压缩状态下的实时波速，并用测得的实时波速作为破碎煤岩体三维定位原始数据。
第二，在每压缩10mm后，根据破碎煤岩体压缩后的实时尺寸重新建立三维定位文件。实验中破碎煤岩体各轴向压缩100mm，因此破碎煤岩体压实—声发射-电阻率实验共测试了10次实时波速，并分别新建了10次三维定位文件。
第三，本实验中，破碎煤岩体从300mm压缩到290mm的定位文件中试样尺寸设置为290mm，波速为初始状态即300mm时“材料声学特性矩阵自动测试”功能测得的四个探头波速的平均值；同理，破碎煤岩体从290mm压缩到280mm时定位文件试样尺寸设置为280mm，波速为其初始状态即290mm时“材料声学特性矩阵自动测试”功能测得的四个探头的平均值；以此类推，当破碎煤岩体压缩到200mm时，其定位文件中试样尺寸设置为200mm，波速为此压缩阶段下初始状态即210mm时“材料声学特性矩阵自动测试”功能测得的破碎煤岩体四个探头的平均值。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (10)
1.一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：用在粒度为20mm以下的破碎煤岩体，所述实验装置包括缸筒（6），缸筒（6）为透明材料制成，缸筒（6）设置在底座（9）上，缸筒（6）的上方设有压盖（5），压盖（5）的中心处设有通孔，推头（1）从通孔内穿过，推头（1）下方与推板（3）连接，推头（1）和推板（3）上设有与缸简（7）内部相连通的第一电导线孔；缸筒（6）的内壁上设有四个声发射探头（7），在缸筒（6）的侧壁下部设有通气孔（12）；底座（9）上设有第二电导线孔；底座（9）的上方和推板（3）的下方均设有中间带孔的绝缘片（4）和铜电极板（10），导线可由铜电极板（10）穿越绝缘片（4）与电阻率测试仪（II）相连。
2.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：所述缸筒（6）的材料为透明有机玻璃；所述压盖（5）、推头（1）、推板（3）和底座（9）均为钢制材料；所述绝缘片（4）为环氧玻璃纤维板材质。
3.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：所述压盖和所述底座的纵截面为台阶型，所述缸筒（6）与所述压盖（5）通过螺栓（8）固定连接，所述缸筒（6）与所述底座（9）通过螺栓（8）固定连接。
4.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：所述铜电极板（10）与所述绝缘片（4）利用黏胶粘合，所述绝缘片（4）与所述推板（3）及所述底座（9）之间利用黏胶粘合。
5.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：所述声发射探头（7）的数量为4个，上下平行设置两层，每层有2个，每层的所述声发射探头（7）的连线与所述缸筒（6）的直径在同一直线上，上下两层的所述声发射探头（7）的连线在所述底座（9）上的投影正交，且上层的所述声发射探头（7）位于破碎煤岩体压缩后最终高度范围以内。
6.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：根据所述声发射探头（7）尺寸大小，于筒壁开一个内大外小的楔形台阶状圆孔，将所述声发射探头（7）侧向外壁涂抹透明玻璃胶，由所述缸筒（6）内侧插入楔形台阶状圆孔，待所述声发射探头（7）与所述缸筒（6）壁间由透明玻璃胶冷却胶结固定后，将所述声发射探头（7）测线通过筒壁与声发射检测仪（Ⅲ）连接；所述透气孔（12）在位于所述缸筒（6）内侧处设置有小于破碎煤岩体最小粒径的滤网，且与大气相通。
7.根据权利要求1所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置，其特征在于：所述第一导线孔和所述第二导线孔均为L型，第二导线经第二电导线孔依次穿越底座（9）、绝缘片（4）后与铜电极板（10）相连，第一导线经第一电导线孔依次穿越压盖（5）、推头（1）、推板（3）和绝缘板（4）后与铜电极板（10）相连。
8.一种破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验方法，其特征在于基于权利要求1-6任一所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验装置完成，该方法包括以下步骤：
S10.把破碎煤岩体用不同粒径砂石筛分成不同块度的破碎体；
S20.将测试电阻率的导线和测试声信号的声发射探头依次安设；
S30.将预设定颗粒粒径的破碎体煤样装入缸筒中，为保证装料的均匀性避免出现较大空隙，装料时每隔50mm，用钢尺沿缸筒内径对已装配的颗粒进行适当捣实，同时装料每隔100mm对缸筒进行振动，然后待装填完毕关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密闭；
S40.将压力机、电阻率测试仪和声发射检测仪与该实验装置连接，启动声发射检测仪，运用声发射检测仪对破碎煤岩体初始波速进行测定，取四个声发射探头波速的平均值作为初始定位文件的定位初始波速，取S30中装料高度作为初始定位文件的初始试样尺寸；
S50.启动压力机、电阻率测试仪，由压力机通过对推头、推板作用实现对破碎煤岩体的轴向加载，压力机采用位移控制方式对破碎体煤样进行应力加载，压力机实时记录压力、位移数据，应力加载时同步使用电阻率测试仪实时记录电阻率值变化，使用声发射检测仪实时测定破碎煤岩体声发射信号的变化，实验结束，取出实验试样。
9.根据权利要求8所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验方法，其特征在于：所述步骤S50具体包括以下步骤：
S51.判断推头的轴向位移是否已达到10mm，若达到，保持位移不变的同时运用声发射检测仪对破碎体煤岩体压实10mm时的波速进行采集，实时波速采集完成后，用新测得四个声发射探头波速的平均值及破碎煤岩体此刻已压缩后的实时尺寸重新设定定位文件，并开始新的轴向加载和电阻率及声发射参数信息的采集；若压缩位移没有达到10mm，则在来基础上继续加载，直到轴向累积加载到10mm；
S52.重复S51的步骤，直至全部完成10次的分阶段轴向加载实验，即实验完成时破碎煤岩体轴向累积加载了100mm。
10.根据权利要求8所述的破碎煤岩体压实-声发射-电阻率实验方法，其特征在于：所述步骤S50中，破碎煤岩体声发射定位信息分10个压缩阶段分别采集，每阶段各累计压缩10mm，且整个压缩过程存在10次实时波速采集和10个定位文件的及时转变，而应力、应变以及电阻率数据一直处于动态实时采集中。
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