CN111077023A - 动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，涉及煤岩冲击力学特性测试技术领域。本动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，包括透射杆、入射杆、围压密封单元、围压加载驱动单元、气体调节单元、超高频气体压力变送器、气体压力数据采集处理单元、轴向静载加载驱动单元、子弹发射单元、声发射数据采集处单元、应力波数据采集处理单元和高速摄像机。本发明的有益效果：准确模拟煤岩处于径向围压加载、轴向静载、冲击动载和压力瓦斯气体耦合作用状态，在实验室重现含瓦斯煤炭开采过程中煤岩受到的动载扰动引起的动静载荷叠加作用，同时，对加载过程中的试件孔隙压力变化和试件损伤破坏进行准确测定。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩冲击力学特性测试技术领域，特别是涉及一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置。
背景技术
煤矿开采不可避免存在动载扰动，采掘工作面附近煤岩体处于典型的动静载荷叠加作用环境中。动载扰动引起的动静载荷叠加作用促使煤岩破坏失稳是煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害频发的直接原因。动静载荷作用引起含瓦斯煤孔隙压力的动态变化、瓦斯吸附解吸的失衡、煤体力学性质的改变及损伤破坏特性的差异；动静载荷作用下含瓦斯煤体孔隙压力、吸附解吸效应、损伤破坏特性之间的互馈作用机制并不清晰。从动静载组合角度出发对深部岩体开挖工程中岩体稳定性、岩石破碎进行研究，比单纯研究动载或静载作用更有实际意义。
目前常用的研究煤岩体冲击力学性能的实验系统是分离式霍普金森压杆装置以及由此衍生出的各类变形装置。霍普金森压杆装置可以实现对试件加载轴向静载和径向围压的同时进行冲击动载实验。但是实际开采过程中煤体内部含有瓦斯，瓦斯的存在对煤体的力学性能有很大影响，但霍普金森压杆装置不能很好的解决加载围压的同时对煤样进行充气的问题。此外，霍普金森压杆装置也无法准确地对加载过程中的试件孔隙压力变化和试件损伤破坏进行测定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，实现模拟煤岩处于径向围压加载、轴向静载、冲击动载和压力瓦斯气体耦合作用状态，同时，对加载过程中的试件孔隙压力变化和试件损伤破坏进行准确测定。
本发明提供一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，包括透射杆、入射杆、围压密封单元、围压加载驱动单元、气体调节单元、超高频气体压力变送器、气体压力数据采集处理单元、轴向静载加载驱动单元、子弹发射单元、声发射数据采集处单元、应力波数据采集处理单元和高速摄像机；透射杆的端头的端面开设第一左气体开孔，透射杆的端头的侧壁外表面开设第二左气体开孔，透射杆的端头的侧壁内部开设左气体流动孔道，第一左气体开孔经左气体流动孔道连通第二左气体开孔；入射杆的端头的端面开设第一右气体开孔，入射杆的端头的侧壁外表面开设第二右气体开孔，入射杆的端头的侧壁内部开设右气体流动孔道，第一右气体开孔经右气体流动孔道连通第二右气体开孔；所述围压密封单元包括围压室、密封盖和透明热缩管；围压室的左侧开设左开孔，透射杆穿过左开孔伸入围压室内，围压室的左侧于左开孔的边沿位置开设左密封圈凹槽，左密封圈凹槽内装配有密封圈；围压室的右侧开设右开孔，入射杆穿过右开孔伸入围压室内，围压室的右侧于右开孔的边沿位置开设右密封圈凹槽，右密封圈凹槽内装配有密封圈；透明热缩管位于围压室内，透明热缩管内放置试件，透射杆和入射杆从透明热缩管的两侧伸入，透射杆的端头的端面和入射杆的端头的端面共同贴合试件；围压室的开口密封连接密封盖，密封盖上设置进油孔、排油孔和排气孔，围压室内充满液压油，进油孔和排油孔经液压管路连接围压加载驱动单元；第二左气体开孔和第二右气体开孔经气体管路连接气体调节单元和超高频气体压力变送器，超高频气体压力变送器经信号电缆连接气体压力数据采集处理单元；透射杆或入射杆上设置有轴压加载端，轴向静载加载驱动单元动力连接轴压加载端，轴压加载端对透射杆及入射杆轴向加载；入射杆远离入射杆端头的一端设置子弹发射单元，子弹发射单元发射出的子弹撞击入射杆并作用试件，透射杆处设置有吸收杆；试件侧壁设置若干个声发射传感器，声发射传感器经信号电缆连接声发射数据采集处理单元；入射杆和透射杆的外壁均贴附有应变片，应变片经信号电缆连接应力波数据采集处理单元；围压室的一侧开设透明视窗，视窗旁设置高速摄像机，高速摄像机朝向视窗拍摄。
进一步地，所述气体调节单元包括气瓶组和真空泵；第二左气体开孔经第一左气体管路连接气瓶组，第二左气体开孔经第二左气体管路连接超高频气体压力变送器；第二右气体开孔经第一右气体管路连接真空泵，第二右气体开孔经第二右气体管路连接超高频气体压力变送器；第一左气体管路上设置有第一阀门，第二左气体管路上设置有第二阀门，第一右气体管路上设置有第三阀门，第二右气体管路上设置有第四阀门。
进一步地，所述气瓶组包括装有二氧化碳的气瓶和装有氦气的气瓶。
进一步地，所述轴压加载端设置为液压加载压头，轴向静载加载驱动单元设置为液压油泵，液压油泵经液压管路连接液压加载压头。
进一步地，所述围压加载驱动单元设置为液压油泵。
进一步地，围压室的开口经螺栓连接密封盖，围压室的开口与密封盖之间设置耐高压耐油垫片。
进一步地，入射杆、透射杆及试件同轴布置。
进一步地，围压室的一侧开设通孔，通孔内嵌入信号接头，信号接头的一端经信号电缆连接声发射传感器，信号接头的另一端信号电缆连接声发射数据采集处理单元。
进一步地，所述密封圈设置为YX型密封圈。
进一步地，围压室的左侧于左开孔的内外侧边沿位置均开设左密封圈凹槽，围压室的右侧于右开孔的内外侧边沿位置均开设右密封圈凹槽。
与现有技术相比，本发明的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置具有以下特点和优点：
本发明的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，准确模拟煤岩处于径向围压加载、轴向静载、冲击动载和压力瓦斯气体耦合作用状态，在实验室重现含瓦斯煤炭开采过程中煤岩受到的动载扰动引起的动静载荷叠加作用，同时，对加载过程中的试件孔隙压力变化和试件损伤破坏进行准确测定，为深入研究动静载荷叠加作用煤炭孔隙压力变化规律和煤体损伤破坏的互馈作用提供支撑和依据。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置的结构示意图；
图2为实施例动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置中围压密封单元部分的放大图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文的本发明的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，将以较佳实施例，配合所附相关附图，作详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，本实施例提供一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，包括透射杆3、入射杆2、围压密封单元8、围压加载驱动单元29、气体调节单元、超高频气体压力变送器37、气体压力数据采集处理单元27、轴向静载加载驱动单元30、子弹发射单元、声发射数据采集处单元23、应力波数据采集处理单元25和高速摄像机20等。
透射杆3上连接的透射连接端头5的端面开设第一左气体开孔，透射连接端头5的侧壁外表面开设第二左气体开孔42，透射连接端头5的侧壁内部开设左气体流动孔道40，第一左气体开孔经左气体流动孔道40连通第二左气体开孔42。
入射杆2上连接的入射连接端头6的端面开设第一右气体开孔，入射连接端头6的侧壁外表面开设第二右气体开孔43，入射连接端头6的侧壁内部开设右气体流动孔道41，第一右气体开孔经右气体流动孔道41连通第二右气体开孔43。
围压密封单元包括围压室9、密封盖44和透明热缩管12。
围压室9的左侧开设左开孔，透射杆3穿过左开孔伸入围压室9内，围压室9的左侧于左开孔的内外侧边沿位置均开设左密封圈凹槽，左密封圈凹槽内装配有密封圈11。
围压室9的右侧开设右开孔，入射杆2穿过右开孔伸入围压室9内，围压室9的右侧于右开孔的内外侧边沿位置均开设右密封圈凹槽，右密封圈凹槽内装配有密封圈11。
本实施例中的密封圈11设置为YX型密封圈，YX型密封圈实现对入射杆2、透射杆3与围压室9的油、气密封。
透明热缩管12位于围压室9内，透明热缩管12内放置试件7，用热风枪将包裹试件7段的透明热缩管12吹紧。透明热缩管12将试件7与围压室9内的液压油隔离。透射杆3和入射杆2从透明热缩管12的两侧伸入，透射连接端头5的端面和入射连接端头6的端面共同贴合试件7，第一左气体开孔、第一右气体开孔与试件7中的孔隙连通。透射杆3和入射杆2与试件7同轴，用热风枪将透明热缩管12其他部分吹紧。
入射杆2、入射连接端头6、透射杆3、透射连接端头5、试件7以及轴压加载端32同轴布置。
围压室9的开口密封连接密封盖44。围压室9的开口经螺栓19装配密封盖44，围压室9的开口与密封盖44之间设置耐高压耐油垫片10。将围压室9的开口与密封盖44配合后，在二者的接触缝隙涂抹耐高压耐油密封胶。
密封盖44上设置进油孔14、排油孔15和排气孔13，围压室9内充满液压油(硅油)，进油孔14经进油管路连接围压加载驱动单元19，排油孔15经排油管路连接围压加载驱动单元19。本实施例中，围压加载驱动单元19设置为液压油泵。围压加载驱动单元19经进油管路、进油孔14向围压室9内注油加压，围压室9内的气体经排气孔13排出并关闭排气孔13。进油管路上设置进油阀门33，排油管路上设置排油阀门34。围压室9内的液压油对透明热缩管12内包裹的试件7施加径向围压加载。
第二左气体开孔42和第二右气体开孔43经气体管路连接气体调节单元和超高频气体压力变送器37，超高频气体压力变送器37经信号电缆17连接气体压力数据采集处理单元27。
气体调节单元包括气瓶组26和真空泵28，气瓶组26包括装有二氧化碳的气瓶和装有氦气的气瓶。第二左气体开孔42经第一左气体管路连接气瓶组26，第二左气体开孔42经第二左气体管路连接超高频气体压力变送器37；第二右气体开孔43经第一右气体管路连接真空泵28，第二右气体开孔43经第二右气体管路连接超高频气体压力变送器37；第一左气体管路上设置有第一阀门35，第二左气体管路上设置有第二阀门36，第一右气体管路上设置有第三阀门39，第二右气体管路上设置有第四阀门38。
开启第一阀门35、第二阀门36、第四阀门38、第三阀门39和真空泵28，对试件7及气体管路抽真空至负压，关闭第二阀门36、第四阀门38、第三阀门39和真空泵28。
开启气瓶组26中装有二氧化碳的气瓶上的气瓶阀门，对试件7充入实验方案设定压力的二氧化碳气体，吸附设定时间后开启第二阀门36和第四阀门38，开启气体压力数据采集处理单元27。若第二左气体管路连接的超高频气体压力变送器37与第二右气体管路连接的超高频气体压力变送器37监测的气压均为实验方案设定压力且波动范围很小，认为试件7对气体的吸附、解吸达到平衡，关闭第一阀门35和气瓶组26中装有二氧化碳的气瓶上的气瓶阀门，否则继续吸附至平衡。
透射杆3上设置有轴压加载端32，轴向静载加载驱动单元30动力连接轴压加载端32，轴压加载端32对透射杆3及入射杆2轴向加载。轴压加载端32设置为液压加载压头，轴向静载加载驱动单元30设置为液压油泵，液压油泵经液压管路连接液压加载压头，该液压管路上设置轴压加载阀门31。开启轴压加载阀门31，液压油泵通过液压加载压头经透射杆3及入射杆2对试件7施加轴向静载。
入射杆2远离入射连接端头6的一端设置子弹发射单元，子弹发射单元发射出的子弹1撞击入射杆2并经入射连接端头6后作用试件7，对试件7施加冲击动载，透射杆3处设置有吸收杆4。
与试件7轴向方向垂直的试件7侧壁内外设置若干个声发射传感器16，声发射传感器16经信号电缆17连接声发射数据采集处理单元23。围压室9的一侧开设通孔，通孔内嵌入信号接头18，信号接头18的一端经信号电缆17连接声发射传感器16，信号接头18的另一端信号电缆17连接声发射数据采集处理单元23。
入射杆2和透射杆3的外壁均贴附有应变片24，应变片24经信号电缆17连接应力波数据采集处理单元25。通过应力波数据采集处理单元25采集入射杆2和透射杆3内的应力波信号。
围压室9上沿着与入射杆2平行的一侧开设透明视窗22，视窗22旁设置高速摄像机20，高速摄像机20朝向视窗22拍摄。补偿光源21为高速摄像机20的拍摄提供光源。高速摄像机20通过视窗22记录试件7在加载过程中的损伤破坏过程。
本实施例提供一种含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定方法，应用上述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，具体步骤如下：
步骤一：实验前检测气体、液压管路的密封性，密封性完好后所有阀门都处于关闭状态。
步骤二：打开围压室9上部的密封盖44，剪一段长度与围压室9内腔体长度相同的透明热缩管12，将试件7放入透明热缩管12中部并用热风枪将包裹试件7段的透明热缩管12吹紧，试件7侧壁安装声发射传感器16后从围压室9上部放入围压室9内。将透射连接端头5和入射连接端头6沿围压室9的左开孔和右开孔推入围压室9内，并伸入透明热缩管12中，透射连接端头5的端面和入射连接端头6的端面共同贴合夹紧试件7。将试件7与透射连接端头5、入射连接端头6同轴布置，用热风枪将透明热缩管12剩余部分吹紧，以将试件7和连接端头在围压室9内的部分包裹好。
步骤三：将围压室9的开口经螺栓19连接密封盖，围压室9的开口与密封盖44之间设置耐高压耐油垫片10。将围压室9的开口与密封盖44配合后，在二者的接触缝隙涂抹耐高压耐油密封胶。
步骤四：开启轴向静载加载驱动单元30，轴压加载端32经透射杆3及入射杆2对试件7施加实验方案设定的轴向静载。
步骤五：开启围压加载驱动单元19，通过围压室9内的液压油对透明热缩管12内包裹的试件7施加实验方案设定的径向围压加载。
步骤六：对试件7及气体管路抽真空至负压，通过气瓶组26中装有二氧化碳的气瓶对试件7充入实验方案设定压力的二氧化碳气体。需要说明的是，二氧化碳气体用于吸附性气体实验，氦气用于非吸附性气体实验。吸附设定时间后开启第二阀门36和第四阀门38，开启气体压力数据采集处理单元27。观察第二左气体管路连接的超高频气体压力变送器37与第二右气体管路连接的超高频气体压力变送器37监测的气压是否达到实验方案设定压力且波动范围很小，则认为试件7对气体的吸附、解吸达到平衡；否则继续吸附至平衡。
步骤七：保持气体压力数据采集处理单元27开启，开启应力波数据采集处理单元25、声发射数据采集处单元23、高速摄像机20以及补偿光源21；
步骤八：发射子弹1，完成对试件7施加冲击动载。应力波数据采集处理单元25实时监测加载过程中入射杆2和透射杆3内的应力波信号；气体压力数据采集处理单元27经超高频气体压力变送器37实时监测加载过程中试件7中的孔隙气体压力变化；声发射数据采集处单元23实时监测加载过程中试件7的损伤演化和裂纹扩展过程；应力波数据采集处理单元25、气体压力数据采集处理单元27和声发射数据采集处单元23采集加载过程中的应力波数据、气体压力数据和声发射信号数据，高速摄像机20记录加载过程中试件7的损伤破坏过程，对采集到的数据和图像进行处理。
其中，实验测得气体压力数据处理：将测得的试件7两端的压力变化均值近似为孔隙压力变化，具体公式如下：
pk＝(pi+pr)/2
式中：pk为孔隙压力；pi为第二右气体管路连接的超高频气体压力变送器37测得的气体压力；pr为第二左气体管路连接的超高频气体压力变送器37测得的气体压力。
步骤八：实验完成，依次卸掉气压、围压、轴压，进行下一次实验。用氦气按照上述实验步骤进行非吸附性气体实验。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：包括透射杆、入射杆、围压密封单元、围压加载驱动单元、气体调节单元、超高频气体压力变送器、气体压力数据采集处理单元、轴向静载加载驱动单元、子弹发射单元、声发射数据采集处单元、应力波数据采集处理单元和高速摄像机；透射杆的端头的端面开设第一左气体开孔，透射杆的端头的侧壁外表面开设第二左气体开孔，透射杆的端头的侧壁内部开设左气体流动孔道，第一左气体开孔经左气体流动孔道连通第二左气体开孔；入射杆的端头的端面开设第一右气体开孔，入射杆的端头的侧壁外表面开设第二右气体开孔，入射杆的端头的侧壁内部开设右气体流动孔道，第一右气体开孔经右气体流动孔道连通第二右气体开孔；所述围压密封单元包括围压室、密封盖和透明热缩管；围压室的左侧开设左开孔，透射杆穿过左开孔伸入围压室内，围压室的左侧于左开孔的边沿位置开设左密封圈凹槽，左密封圈凹槽内装配有密封圈；围压室的右侧开设右开孔，入射杆穿过右开孔伸入围压室内，围压室的右侧于右开孔的边沿位置开设右密封圈凹槽，右密封圈凹槽内装配有密封圈；透明热缩管位于围压室内，透明热缩管内放置试件，透射杆和入射杆从透明热缩管的两侧伸入，透射杆的端头的端面和入射杆的端头的端面共同贴合试件；围压室的开口密封连接密封盖，密封盖上设置进油孔、排油孔和排气孔，围压室内充满液压油，进油孔和排油孔经液压管路连接围压加载驱动单元；第二左气体开孔和第二右气体开孔经气体管路连接气体调节单元和超高频气体压力变送器，超高频气体压力变送器经信号电缆连接气体压力数据采集处理单元；透射杆或入射杆上设置有轴压加载端，轴向静载加载驱动单元动力连接轴压加载端，轴压加载端对透射杆及入射杆轴向加载；入射杆远离入射杆端头的一端设置子弹发射单元，子弹发射单元发射出的子弹撞击入射杆并作用试件，透射杆处设置有吸收杆；试件侧壁设置若干个声发射传感器，声发射传感器经信号电缆连接声发射数据采集处理单元；入射杆和透射杆的外壁均贴附有应变片，应变片经信号电缆连接应力波数据采集处理单元；围压室的一侧开设透明视窗，视窗旁设置高速摄像机，高速摄像机朝向视窗拍摄。
2.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：所述气体调节单元包括气瓶组和真空泵；第二左气体开孔经第一左气体管路连接气瓶组，第二左气体开孔经第二左气体管路连接超高频气体压力变送器；第二右气体开孔经第一右气体管路连接真空泵，第二右气体开孔经第二右气体管路连接超高频气体压力变送器；第一左气体管路上设置有第一阀门，第二左气体管路上设置有第二阀门，第一右气体管路上设置有第三阀门，第二右气体管路上设置有第四阀门。
3.根据权利要求2所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：所述气瓶组包括装有二氧化碳的气瓶和装有氦气的气瓶。
4.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：所述轴压加载端设置为液压加载压头，轴向静载加载驱动单元设置为液压油泵，液压油泵经液压管路连接液压加载压头。
5.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：所述围压加载驱动单元设置为液压油泵。
6.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：围压室的开口经螺栓连接密封盖，围压室的开口与密封盖之间设置耐高压耐油垫片。
7.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：入射杆、透射杆及试件同轴布置。
8.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：围压室的一侧开设通孔，通孔内嵌入信号接头，信号接头的一端经信号电缆连接声发射传感器，信号接头的另一端信号电缆连接声发射数据采集处理单元。
9.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：所述密封圈设置为YX型密封圈。
10.根据权利要求1所述的动静组合加载含瓦斯煤孔隙压力响应和损伤破坏测定装置，其特征在于：围压室的左侧于左开孔的内外侧边沿位置均开设左密封圈凹槽，围压室的右侧于右开孔的内外侧边沿位置均开设右密封圈凹槽。
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