CN110687212A - 检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统 - Google Patents

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CN110687212A CN201911111232.3A CN201911111232A CN110687212A CN 110687212 A CN110687212 A CN 110687212A CN 201911111232 A CN201911111232 A CN 201911111232A CN 110687212 A CN110687212 A CN 110687212A
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杜轩宏
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Abstract

本发明公开一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统，声发射检测装置与待测煤岩连接，信号放大器分别与声发射检测装置和信号处理器电连接，信号处理器与外部显示器电连接。通过设置的声发射检测装置能够接收材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波，因而声发射检测装置可以完成动态无损的检测过程，从而实现煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的精准高效检测。同时，通过设置缸体、传力柱、导向筒、第一锥形压头以及第二锥形压头组装成密闭容器，容器周围连接水进孔，能够控制煤岩中的围压，利用传力柱传递上部轴向载荷，同时传力柱采用不锈钢材料，兼具屏蔽外界信号功能。

Description

检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统。
背景技术
煤层群开采过程中，保护层开采是针对高瓦斯煤层卸压抽采的主要措施之一，其中采用上保护层开采不会改变正常开采次序，不会破坏上部煤层结构，具有明显优势。但是，在保护层工作面采动应力影响下底板煤岩体将会发生卸压、膨胀、变形，产生大量裂隙、裂缝，使得煤岩体的渗透率增大、透气性增强，煤层瓦斯被解吸。因此，了解煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律成了解决和避免上述技术问题的关键之一，提供一种能够检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的设备也变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够精准高效检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，包括缸体、传力柱以及导向筒，所述导向筒设置于所述缸体顶部，所述传力柱安装在所述导向筒的内圈，所述传力柱底部与所述缸体内底壁分别安装有第一锥形压头与第二锥形压头，所述第一锥形压头与所述第二锥形压头相对设置，且所述第一锥形压头与所述第二锥形压头相靠近的两端之间用于夹持待测煤岩，所述传力柱的内部轴向开设有中心孔，所述中心孔依次贯穿所述第一锥形压头与所述第二锥形压头并延伸至所述缸体的内底壁，所述传力柱的侧壁以及所述缸体的侧壁分别开设有与所述中心孔连通的瓦斯入口和瓦斯出口；所述缸体的侧壁设置有声发射检测装置；所述缸体的侧壁连接有水进孔。
可选的，所述声发射检测装置包括壳体，所述壳体外表面与所述缸体内侧壁固定连接，所述壳体外端设有密封盖，所述密封盖内侧面设置有压电元件，所述壳体内侧壁之间设置有电磁隔离板，所述壳体内部设有前置放大器电路板，所述壳体内端设有外设接口，所述外设接口、所述前置放大器电路板以及所述压电元件之间依次通过导线连接。
可选的，所述缸体的侧壁对称设置有两个所述声发射检测装置。
可选的，所述瓦斯入口可替换为可识别性溶液进口，所述瓦斯出口可替换为可识别性溶液出口。
可选的，所述缸体与所述导向筒之间、所述导向筒与所述传力柱之间、所述第一锥形压头与所述传力柱之间以及所述第二锥形压头与所述缸体的内底壁之间均设置有橡胶密封圈。
可选的，所述传力柱、所述壳体、所述密封盖以及所述电磁隔离板均由不锈钢制成。
可选的，所述导向筒的外表面和所述传力柱的外表面分别设置有第一端盖和第二端盖，且所述第一端盖和所述第二端盖的侧面均设有把手插孔。
同时本发明提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的系统，包括信号放大器、信号处理器以及上述检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，所述声发射检测装置与所述待测煤岩连接，所述信号放大器的输入端和输出端分别与所述声发射检测装置和所述信号处理器电连接，所述信号处理器与外部显示器电连接。
可选的，所述声发射检测装置的检测端设置有电荷信号采集系统，所述电荷信号采集系统包括依次电连接的电荷传感器、转换元件和数据采集器，所述电荷传感器为非接触方式，所述转换元件为电荷灵敏前置放大器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统，通过设置的声发射检测装置能够接收材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波，因而声发射检测装置可以完成动态无损的检测过程，从而实现煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的精准高效检测。同时，通过设置缸体、传力柱、导向筒、第一锥形压头以及第二锥形压头组装成密闭容器，通过中心孔能够完成瓦斯或者可识别性溶液的注入及排放，容器周围连接水进孔，能够实现对煤岩周围围压的控制，利用传力柱传递上部轴向载荷，同时传力柱采用不锈钢材料，兼具屏蔽外界信号功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置的结构示意图；
图2为本发明声发射检测装置的剖面结构示意图；
图3为本发明声发射检测装置的工作原理图；
图4为本发明电荷灵敏前置放大器的工作原理图；
其中，附图标记为：1、缸体；2、传力柱；3、导向筒；4、第一端盖；5、第二端盖；6、中心孔；7、瓦斯入口；8、第一锥形压头；9、第二锥形压头；10、待测煤岩；11、声发射检测装置；111、壳体；112、密封盖；113、压电元件；114、电磁隔离板；115、前置放大器电路板；116、外设接口；12、瓦斯出口；13、橡胶密封圈；14、水进孔；15、电荷信号采集系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能够精准高效检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统。
基于此，本发明提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，包括缸体、传力柱以及导向筒，导向筒设置于缸体顶部，传力柱安装在导向筒的内圈，传力柱底部与缸体内底壁分别安装有第一锥形压头与第二锥形压头，第一锥形压头与第二锥形压头相对设置，且第一锥形压头与第二锥形压头相靠近的两端之间用于夹持待测煤岩，传力柱的内部轴向开设有中心孔，中心孔依次贯穿第一锥形压头与第二锥形压头并延伸至缸体的内底壁，传力柱的侧壁以及缸体的侧壁分别开设有与中心孔连通的瓦斯入口和瓦斯出口；缸体的侧壁设置有声发射检测装置，缸体的侧壁连接有水进孔。
同时本发明提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的系统，包括信号放大器、信号处理器以及上述检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，声发射检测装置与待测煤岩连接，信号放大器的输入端和输出端分别与声发射检测装置和信号处理器电连接，信号处理器与外部显示器电连接。
本发明的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统，通过设置的声发射检测装置能够接收材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波，因而声发射检测装置可以完成动态无损的检测过程，从而实现煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的精准高效检测。同时，通过设置缸体、传力柱、导向筒、第一锥形压头以及第二锥形压头组装成密闭容器，通过中心孔能够完成瓦斯或者可识别性溶液的注入及排放，容器周围连接水进孔，能够实现对煤岩周围围压的控制，利用传力柱传递上部轴向载荷，同时传力柱采用不锈钢材料，兼具屏蔽外界信号功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1-4所示，本实施例提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，包括缸体1、传力柱2以及导向筒3，导向筒3设置于缸体1顶部，传力柱2安装在导向筒3的内圈，传力柱2底部与缸体1内底壁分别安装有第一锥形压头8与第二锥形压头9，第一锥形压头8与第二锥形压头9相对设置，且第一锥形压头8与第二锥形压头9相靠近的两端之间用于夹持待测煤岩10，传力柱2的内部同轴开设有中心孔6，中心孔6依次贯穿第一锥形压头8与第二锥形压头9的中线轴线并延伸至缸体1的内底壁，传力柱2的侧壁以及缸体1的底壁一侧分别开设有与中心孔6连通的瓦斯入口7和瓦斯出口12；缸体1的侧壁设置有声发射检测装置11，缸体1的侧壁还连接有水进孔14。
本具体实施例中，如图2所示，声发射检测装置11包括圆柱形的壳体111，壳体111垂直于缸体1的轴向设置并贯穿缸体1的侧壁，壳体111外表面与缸体1内侧壁固定连接，壳体111外端设有密封盖112，密封盖112内侧面设置有压电元件113，壳体111内侧壁之间设置有电磁隔离板114，壳体111内部设有前置放大器电路板115，壳体111内端设有外设接口116，外设接口116、前置放大器电路板115以及压电元件113之间依次通过导线连接。
本实施例中，如图1所示，本实施例优选在缸体1的侧壁对称设置有两个声发射检测装置11，两个声发射检测装置11优选为并联关系。
本实施例中，如图1所示，瓦斯入口7可替换为可识别性溶液入口，瓦斯出口12可替换为可识别性溶液出口，在中心孔的连通作用下能够完成瓦斯或者可识别性溶液的注入及排放，利用传力柱2传递上部轴向载荷，传力柱2采用不锈钢材料，兼具屏蔽外界信号功能。
本实施例中，如图1所示，缸体1与导向筒3之间、导向筒3与传力柱2之间、第一锥形压头8与传力柱2之间以及第二锥形压头9与缸体1的内底壁之间均设置有橡胶密封圈13，用以提高相邻各部件之间连接的紧密性，提高容器的气密性，进而提高设备的检测结果的精确性。
本实施例中，传力柱2、壳体111、密封盖113以及电磁隔离板114均优选由不锈钢制成，利用不锈钢材料的高屏蔽性，有利于提高系统屏蔽外界信号功能。
本实施例中，导向筒3的外表面和传力柱2的外表面分别设置有第一端盖4和第二端盖5，且第一端盖4和第二端盖5的侧面均设有把手插孔。
同时本实施例提供一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的系统，该系统包括信号放大器、信号处理器以及如上所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置。其中，检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置中的声发射检测装置11与待测煤岩10连接，并呈包裹状态包覆在待测煤岩10外周，以便测出裂隙发育的具体位置，待测煤岩10在外部荷载的作用下，产生裂隙，局部区域的应力集中得到卸载，产生强烈声波，声发射检测装置11接收信号，信号放大器的输入端和输出端分别与声发射检测装置11和信号处理器电连接，信号处理器与外部显示器电连接。如图3所示，声发射检测装置11接收到应力波信号后，传递给信号放大器，应力波信号经信号放大器方法后传递给信号处理器，将应力波信号处理成为数字信号，并最终显示在外部显示器上。
进一步地，声发射检测装置11的检测端，即外设接口16连接设置有电荷信号采集系统15，电荷信号采集系统包括依次电连接的电荷传感器、转换元件和数据采集器，其中电荷传感器为非接触方式，将微弱的电荷信号转换为较大的电压信号，敏矫顽力小的软磁合金材料制成，转换元件为电荷放大器，电荷放大器选用电荷灵敏前置放大器，试验过程中软磁合金探头布置于试样，即待测煤岩10的外表面。其中，电荷信号采集系统的检测原理如图4所示。
由此可见，本发明的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置及系统，通过设置的声发射检测装置能够接收材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波，因而声发射检测装置可以完成动态无损的检测过程，从而实现煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的精准高效检测。同时，通过设置缸体、传力柱、导向筒、第一锥形压头以及第二锥形压头组装成密闭容器，通过中心孔能够完成瓦斯或者可识别性溶液的注入及排放，容器周围连接水进孔，能够实现对煤岩周围围压的控制，利用传力柱传递上部轴向载荷，同时传力柱采用不锈钢材料，兼具屏蔽外界信号功能。
需要说明的是，上述出现的各电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。
此外，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：包括缸体、传力柱以及导向筒，所述导向筒设置于所述缸体顶部，所述传力柱安装在所述导向筒的内圈，所述传力柱底部与所述缸体内底壁分别安装有第一锥形压头与第二锥形压头，所述第一锥形压头与所述第二锥形压头相对设置，且所述第一锥形压头与所述第二锥形压头相靠近的两端之间用于夹持待测煤岩，所述传力柱的内部轴向开设有中心孔，所述中心孔依次贯穿所述第一锥形压头与所述第二锥形压头并延伸至所述缸体的内底壁，所述传力柱的侧壁以及所述缸体的侧壁分别开设有与所述中心孔连通的瓦斯入口和瓦斯出口；所述缸体的侧壁设置有声发射检测装置，所述缸体的侧壁连接有水进孔。
2.根据权利要求1所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述声发射检测装置包括壳体，所述壳体外表面与所述缸体内侧壁固定连接，所述壳体外端设有密封盖，所述密封盖内侧面设置有压电元件，所述壳体内侧壁之间设置有电磁隔离板，所述壳体内部设有前置放大器电路板，所述壳体内端设有外设接口，所述外设接口、所述前置放大器电路板以及所述压电元件之间依次通过导线连接。
3.根据权利要求1所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述缸体的侧壁对称设置有两个所述声发射检测装置。
4.根据权利要求1所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述瓦斯入口可替换为可识别性溶液进口，所述瓦斯出口可替换为可识别性溶液出口。
5.根据权利要求1所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述缸体与所述导向筒之间、所述导向筒与所述传力柱之间、所述第一锥形压头与所述传力柱之间以及所述第二锥形压头与所述缸体的内底壁之间均设置有橡胶密封圈。
6.根据权利要求2所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述传力柱、所述壳体、所述密封盖以及所述电磁隔离板均由不锈钢制成。
7.根据权利要求1所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，其特征在于：所述导向筒的外表面和所述传力柱的外表面分别设置有第一端盖和第二端盖，且所述第一端盖和所述第二端盖的侧面均设有把手插孔。
8.一种检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的系统，其特征在于：包括信号放大器、信号处理器以及如权利要求1-7任意一项所述检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的装置，所述声发射检测装置与所述待测煤岩连接，所述信号放大器的输入端和输出端分别与所述声发射检测装置和所述信号处理器电连接，所述信号处理器与外部显示器电连接。
9.根据权利要求8所述的检测煤岩在外部条件下裂隙动态发育规律的系统，其特征在于：所述声发射检测装置的检测端设置有电荷信号采集系统，所述电荷信号采集系统包括依次电连接的电荷传感器、转换元件和数据采集器，所述电荷传感器为非接触方式，所述转换元件为电荷灵敏前置放大器。
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CN111624326A (zh) * 2020-06-08 2020-09-04 山东科技大学 一种煤岩体氢键破裂感应仪

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