CN112284922B - 一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石力学与工程技术领域范畴，具体为一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置；该装置轴向加载采用伺服加载控制，通过控制加载方式、加载速率，实现轴向的不同等级、不同应变率加载，且能长时间稳压保持；围压采用高精度围压跟踪泵对试件施加孔隙水压；采用多个均匀分布的位移传感器，通过测量试件圆周多个点的径向变形间接测量试件径向应变；本发明能解决以水为围压介质的三轴流变试验试样变形无法测量的问题，能进行不同温度、围压、加载速率条件下的煤岩体的单轴及三轴试验，能准确测量试验过程中的试样变形破坏情况及损伤破坏情况，具有测控系统稳定、测量精度高、稳压效果好等特点。

Description

一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域，具体为一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置。
背景技术
随着残煤复采技术的逐步推广和应用，上世纪采用旧式开采体系遗留的煤炭资源逐步被开采利用，该部分煤炭资源大都以煤柱的形式赋存，称为残采煤柱。残采煤柱长期处在采空水、地压、地温等的复杂环境中，呈现明显的流变特性，残采煤柱出现不同程度的变形和损伤破坏，在复采巷道掘进动压及工作面回采动压的扰动下，残采煤柱的变形及损伤破坏明显增加，其力学特性及稳定性发生明显的变化。研究残采煤柱在THMC耦合作用下的力学特征及稳定性对研究复采采场顶板稳定及煤柱失稳机理有极为重要的作用。
众所周知，煤岩体流变试验的主要特点是试验持续时间长，因而对试验装置的加载及测量系统稳定性要求高，且流变实验对环境尤其是温度极其敏感，必须保证试验过程中温度的恒定。研究煤岩体在三轴状态下的流变特性，最重要的是获取煤岩体在不同加载条件下的轴向及径向变形，进而建立流变的本构模型。
目前国内大多数煤岩体三轴流变试验机均采用油为围压介质，而关于以水为围压介质的三轴流变试验机的研究较少，其主要技术难题就是解决在水环境中煤岩体变形的测量，现有的大多数位移传感器无法保证孔隙水压作用下位移引伸计及应变片的稳定性。研究在以水为围压介质的条件下测量煤岩体的径向变形方法及装置是研究残采煤柱在采空水、地压、地温、采动压力等多场耦合作用下的三轴流变特性的关键。
目前国内关于煤岩体三轴流变试验装置的中国发明专利主要有：中国矿业大学发明的“一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法”(CN103884604B)；太原理工大学发明的“一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法”(CN109946171A)；中国科学院武汉岩土力学研究所发明的“一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪”(CN105510144B)；中国矿业大学(北京)发明的“动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法”(CN107036903B)。已有的相关发明专利的主要有以下特点：现有的煤岩体三轴压缩试验机施加围压的介质一般为油，煤岩体受压过程中的轴向及径向变形一般采用引伸计和应变片进行测量；三轴流变实验一般采用机械加载或微机伺服控制加载；煤岩体在动载作用下的力学特性及力学响应一般对煤岩体进行SHPB动态冲击试验，一般用应变率的大小来评判动态冲击试验过程中动载的大小。
当三轴流变试验需要对煤岩样施加孔隙水压即试验的围压介质变为水时，现有的试验装置及技术存在以下缺陷：受水的导电性的影响，煤岩样的径向变形测量困难，现有的径向位移传感器无法在水中进行测量；应变片需要进行防水处理，且受水压的影响，应变片本身产生较大的应变对测量结果产生较大的影响；轴向加载不能实现不同应变率的精准控制，无法在试验过程实现对试件的动态加载，且不能确保长时间的稳压效果。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，解决现有三轴流变试验机无法在水中测量径向变形的技术问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，包括轴向加载系统、三轴主测试系统、围压跟踪系统、温度控制系统、数据采集与控制系统；所述轴向伺服加载系统为电液伺服加载控制装置，具体由加载油缸、伺服油源系统、轴向力传感器、电液伺服阀和控制器组成，控制器接收轴向力传感器的反馈信号后控制轴向加载速率与幅度；所述加载油缸及伺服油源系统布置于压机上方的，加载油缸顶部设置有一位移传感器，位移传感器接入控制器；轴向加载油缸连接轴向力传感器和电液伺服阀，电液伺服阀连接伺服油源系统和控制器。
所述三轴主测试系统包括釜体，所述釜体的顶部设置有自平衡结构，所述釜体外部连接有水浴槽，所述温度控制系统与水浴槽相连接；所述釜体的水平轴向均匀布置N个径向位移传感器，N为偶数，通过径向位移传感器测量试件的水平轴向相应测点的径向变形；所述自平衡结构包括釜体上堵头、轴向平衡活塞、釜体上堵头压盖和轴压平衡通道；所述釜体上堵头封堵在釜体顶部开口处，轴压平衡通道设置在釜体上堵头内，轴向平衡活塞设置在轴压平衡通道内并深入釜体内；轴向平衡活塞一端连接轴向力传感器，另一端与试件的上堵头接触，用于平衡围压对轴压的影响；釜体上堵头通过管路与环压跟踪泵相连接，通过环压跟踪泵对釜体内的试件施加孔隙水压，用于保持釜体内的围压恒定；所述釜体的底部设置有围压连接通道，用于连接所述的围压跟踪系统。
控制器接受位移传感器、轴向力传感器和径向位移传感器的反馈信号，用于控制待测试件的轴向加载速率与幅度实现动静组合加载。
进一步的，所述径向位移传感器的传感器探头长度可调节，用于适应不同直径的试件。
进一步的，所述釜体为圆柱型结构，釜体的中部圆周均匀布置N个径向位移传感器。
更进一步，釜体的中部圆周均匀布置8个径向位移传感器。
进一步的，所述釜体的底部设置有扩展通道，所述扩展通道内用于放置试件损伤变形测量装置。
更进一步，所述试件损伤变形测量装置为声发射监测装置或应变片。
进一步的，所述轴向平衡活塞的两端为球形接触。
进一步的，所述釜体内设置有温度传感器，所述温度传感器与温度控制系统相连接。
进一步，所述釜体设置在压机底座的导轨内，所述釜体连接有推拉油缸。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明装置的轴向加载系统采用电液伺服加载控制，可实现轴向加载的恒压控制，实现恒试验力、恒位移的控制，轴向加载速率可在0～3mm/s范围内调节，实现轴向动态加载，轴向加载稳压精度高，稳压误差小于0.05kN。
2、本发明装置的三轴压力室内施加围压的介质为水，结合围压跟踪泵对煤岩体施加孔隙水压，试件的径向变形采用高精度防水LVDT位移传感器进行测量，通过测量试件中部圆周方向8个表面点沿直径方向的扩张，间接测量试件的径向应变。
3、本发明装置围压跟踪系统配合温度控制系统实现三轴压力室内的围压(孔隙水压)和温度保持恒定，三轴压力室的温度由包裹在压力室外部的高低温恒温水浴槽进行控制，传热介质为水，三轴压力室内的温度受外界温度变化影响小且能保持恒定。
4、本发明在三轴压力室上部设置轴压围压平衡装置，可平衡围压对轴压的影响；轴向平衡活塞两端均采用球形接触，消除因断面不平整导致的水平力，使检测的结果更为精确。
5、本发明可以解决现有三轴流变试验机无法在水中测量径向变形的技术问题，轴向加载可通过电液伺服阀控制加载速率，进行不同等级、不同应变率的动静组合加载试验，且能监测试样在加载过程中的损伤破坏和变形情况，温度控制系统可对三轴压力室实施5～80℃的恒温控制，可连续工作30天，具有测控系统稳定、精度高等特点。本发明所设计的试验装置可通过“伺服加载-恒温水浴-孔隙水压-多参数测量”的方式实现煤岩体流变及动静组合加载试验。
附图说明
附图1是本发明涉及的试验装置的整体结构及各系统连接示意图。
附图2是本发明三轴压力室内部结构图。
附图3是本发明径向位移传感器布置的剖面图。
附图4是轴压围压平衡装置结构示意图。
图中的标号：
Ⅰ为轴向加载系统；Ⅱ为三轴主测试系统；Ⅲ为围压跟踪系统；Ⅳ为温度控制系统；Ⅴ为声发射监测系统；Ⅵ为数据采集与控制系统。
1为加载油缸；2为轴向加载活塞；3为轴向位移传感器；4为伺服油源系统；5为电液伺服阀；6为压机；7为轴向力传感器；8为釜体上堵头；8a为轴向平衡活塞；8b为釜体上堵头压盖；8c为轴压平衡通道；9为釜体；10为高低恒温水浴槽；11为径向位移传感器；12为岩芯上堵头；13为岩芯；14为传感器探针；15为推拉油缸；16为围压跟踪泵；17为恒温水浴槽加热、制冷系统；18为控制器；19为控制电脑；20为声发射传感器；21为声发射监测仪。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
如图1所示，是一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，包括轴向加载系统Ⅰ、三轴主测试系统Ⅱ、围压跟踪系统Ⅲ、温度控制系统Ⅳ、声发射监测系统Ⅴ、数据采集与控制系统Ⅵ；轴向加载系统Ⅰ是布置于压机6上方的加载油缸1及其伺服油源系统4，加载油缸1的顶部设置有一轴向位移传感器3，轴向位移传感器3接入控制器18；加载油缸1连接轴向力传感器7和电液伺服阀5，电液伺服阀5连接伺服油源系统4和控制器18，控制器18接受各传感器的反馈信号后控制轴向加载速率与幅度，采用恒位移、恒力、恒位移目标力等多种加载方式实现动静组合加载。
如图3和4所示，三轴主测试系统Ⅱ由内置自平衡结构的三轴压力室及轴向径向变形测量系统组成；三轴压力室由釜体下堵头、釜体9、岩芯13、岩芯上堵头12、釜体上堵头8、轴向平衡活塞8a、釜体上堵头压盖8b、轴压平衡通道8c组成；釜体上堵头8封堵在釜体9顶部开口处，轴压平衡通道8c设置在釜体上堵头8内，轴向平衡活塞8a设置在轴压平衡通道8c内并深入釜体9内，可平衡围压对轴压的影响；轴向平衡活塞8a一端连接轴向力传感器7，另一端与岩芯上堵头12接触，两端均采用球形接触，消除因断面不平整导致的水平力；三轴压力室的釜体9放置于压机6底座的导轨内，可通过推拉油缸15前后推拉釜体9，便于安装和拆卸试样。
如图2和图3所示，釜体9中部沿圆周方向均匀设置有8个径向位移传感器11，用于测量岩芯13的径向变形，其中传感器探针14长度可调节，用于适应不同直径的岩芯13，径向位移传感器11接入控制器18；可通过测量岩芯13中部圆周8个测点的径向变形，间接分析计算得出试样的径向应变。相邻两个径向位移传感器11的夹角45°，测量范围0～20mm，测量精度<±0.1％FS，测量分辨率0.001mm。釜体上堵头8设置有围压连接通道，连接围压跟踪系统Ⅲ；釜体9外部设置高低恒温水浴槽10，用于保持釜体9内温度恒定，高低温水浴槽10连接温度控制系统Ⅳ，三轴压力室的釜体9内部设置有温度传感器，接入温度控制系统Ⅳ；温度控制系统Ⅳ接收温度传感器的温度反馈并控制温度。三轴压力室底部设置有声发射监测、应变等其他可扩展通道。
围压跟踪系统Ⅲ设置有一环压跟踪泵16及其控制系统，环压跟踪泵16连接釜体上堵头8，用于保持釜体9内的围压恒定。环压跟踪泵16具有自动跟踪压力的功能，能时刻保持釜体9内围压的恒定，其压力范围0～20MPa，精度＜±0.02MPa，测量分辨率0.001MPa。
声发射监测系统Ⅴ设置有一声发射监测仪21和4个声发射传感器20，声发射传感器20布置于试件表面，经过声发射监测通道连接声发射监测仪21。声发射传感器20布置于釜体9内，紧贴岩芯13表面布置，用于监测试件在试验过程中的损伤破坏，通过釜体9底部的专用通道连接声发射监测仪21，其中声发射传感器20特殊处理，可在0～5MPa水压环境下正常工作。其中，轴向伺服加载系统Ⅰ恒位移加载速率为0～3mm/s，恒力加载速率为0～20kN/s，轴向位移传感器3量程为0～150mm，测量精度<±0.1％FS，测量分辨率0.001mm。加载油缸1的加载幅度为0～150mm，所对应的轴向位移传感器3的量程为0～150mm，测量精度<±0.1％FS，测量分辨率0.001mm；伺服油源系统4配合高精度伺服阀5和控制器18可实现轴向高精度加载控制，实现不同加载速率的轴向加载
数据采集与控制系统Ⅵ是设置有一控制柜、控制电脑19和控制器18，控制器18接收轴向位移传感器3、径向位移传感器11及轴向力传感器7、温度及围压等数据，实现轴压、围压、温度的控制和试验力、位移(变形)数据、围压、温度等试验数据的实时采集。
釜体9的腔体尺寸为Ф200×400mm，可以通过更换岩芯上堵头12及岩心下堵头进行Ф100×200mm，Ф50×100mm，Ф25×50mm三种尺寸岩芯13的加载试验；釜体上堵头8设置有自平衡腔体，与釜体9内部连通，可平衡围压对轴压的影响，轴向平衡活塞8a的行程为0～40mm。
8个径向位移传感器11布置于釜体9的中部，沿釜体9圆周均匀布置，相邻两个径向位移传感器11之间夹角为45°，径向位移传感器11外壳焊接固定于釜体9的外壁，内部可伸缩的传感器探针14与岩芯13表面接触，传感器探针14可通过螺纹或更换探针控制其长度，用于测量不同直径岩芯13的径向变形。试验过程中试件的轴向变形通过加载油缸1内的位移传感器3进行测量、径向变形通过均匀分布的8个径向位移传感器11进行测量，结合岩心13的直径、高度等参数计算试验过程中的轴向及径向应变。
温度控制系统Ⅳ采用高低温恒温浴槽、循环泵等组合系统来实现三轴压力室的恒温控制，具有制冷、加热、水循环以及温度自恒定功能，温度控制范围5～80℃，控温精度≤±0.2℃。
径向位移传感器11(LVDT)采用防水结构，分别测量试件中部圆周的8个点的径向变形，通过对数据的整理、分析，结合试件的直径(d)计算得出试件的径向应变(εd)。其中8个径向变形(Δd1～Δd8)数据两两对应，共计4对径向变形数据(Δd1+Δd5、Δd2+Δd6、Δd3+Δd7、Δd4+Δd8)，由此可以计算试件的径向应变εd＝(Δd1+Δd2+…+Δd8)/4d。由于试验数据的误差及离散，实际计算时，可根据实际情况对数据进行取舍，选用n(1～4)对径向变形数据计算试件的径向应变(εd)。
所述轴向变形测量系统由布置于加载油缸内的位移传感器组成，测量范围0～150mm，测量精度<±0.1％FS，测量分辨率0.001mm，通过加载油缸内的位移传感器的读数(εl)和试件高度(l)计算试件的轴向应变εl＝Δl/l；通过应变率和试件高度计算试验所需的轴向加载速率，其中试件高度l、轴向应变率ε、轴向加载速率v之间的关系为：v＝ε×l。
所述的煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置的具体操作方法是：
伺服油源系统控制试验装置的轴向加载系统，可通过试验力、位移控制实现轴向的恒力、恒位移加载，通过设置不同的加载速率实现动静组合加载。围压跟踪泵控制三轴压力室内围压，保持压力室内围压的恒定。高低温恒温水浴槽控制三轴压力室的温度，保证压力室内温度的恒定。
实施例2
下面通过实例2，并参照附图，对煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置所能实现的技术目标及实施方法进行详细介绍。各系统之间的相互配合操作流程介绍如下：
此处以标准试样Ф50×100mm的圆柱煤样为例，采用本发明的试验装置来研究煤样在THMC耦合作用及动静组合加载条件下的流变特性。
结合附图，其具体的实施步骤如下：
步骤一，取样：在大块的煤样上沿垂直煤层层理方向钻取Ф50×100mm的圆柱煤样，试样尺寸误差不得高于1.0mm；并对煤样上下端面进行打磨，保证其端面平行，平整度误差不得高于0.01mm。
步骤二，连接试验装置各系统并调试：依次连接温控系统、围压控制系统、轴向及径向变形监测系统、声发射监测系统；打开数据采集及控制系统，确保力传感器、位移传感器、轴向及径向位移传感器等测量通道畅通。
步骤三，安装试样并装配三轴压力室：控制压机提升釜体上堵头脱离釜体后，向前推反应釜主体，拆卸径向位移传感器后在釜体下堵头中央依次放置岩芯下堵头、试样、岩芯上堵头，同时将声发射探头布置于试件表面，安装径向位移传感器并调节探针长度使其接触试样圆周，向后拉反应釜主体至原位后控制压机下降釜体上堵头，之后采用恒力加载方式，给试件施加预加载轴向力(0.5～1kN)，确保试样与压力机完全完全接触，试件安装完成。
步骤四，三轴压力室充液并保持围压：设置围压，并开启环压跟踪泵相应的阀门，使三轴压力室内充满液体，三轴压力室内围压加至试验所需值并保持，其中围压稳定时间不小于2h。
步骤五，设置温度并保持：开启温度控制系统，根据试验方案设置温度，使三轴压力室内的温度变为设置温度并保证试验过程中三轴压力室内的温度保持恒定，其中温度稳定时间不小于2h。
步骤六，设置试验方案及采集参数：在控制电脑上分别设置不同加载阶段的轴向加载方式、加载速率、目标值及保持时间等参数；设置轴向力、轴向及径向变形数据的采集频率并将数值归零，准备进行加载试验。
步骤七，开始加载试验—静态分级加载：设置三个不同的试验力等级(3kN、4kN、5kN)，在每个加载等级内以0.05kN/s的加载速率进行加载，待试验力达到设置值且试件轴向及径向变形保持恒定后(≥24h)，方可进行下一级的加载试验，依次循环直至完成所有加载等级。
步骤八，开始加载试验—分级动态加载试验：根据试验方案要求的应变率和试件高度，计算试验所需的位移加载速率，按照加载速率进行加载至目标试验力，为一个加载循环；然后循环进行动态加载，直至试件破坏。
步骤七和步骤八执行过程中，可选择相应的加载等级及阶段进行孔隙水压的突变，研究孔隙水压对煤样三轴流变变形特征的影响。
步骤九，记录保存试验数据：在试件加载的全过程，记录并保存试件加载全过程的轴向力数值、轴向变形、径向变形、声发射信号等测量数据以及围压、温度等试验特征参数。
步骤十，拆卸试件：通过各控制系统依次卸除轴向力、围压、声发射、温度等，排除三轴压力室内的水后，起吊釜体上堵头，使用侧向推油缸将三轴压力室推出，拆卸径向位移传感器，取出破碎的试件并拆卸声发射探头，清理压力室内试验空间。
步骤十一，分析试验数据：处理实验数据，绘制轴向力(应力)、轴向变形(应变)、径向变形(应变)随时间的变化曲线，分析不同加载阶段的试件的应力应变曲线、不同加载阶段轴向应变及径向应变随时间的变化曲线、不同加载阶段试件的声发射特征等。
对于不同尺寸的试件，可以通过更换岩芯上下堵头来满足实验需求；试验所需围压和温度根据实验方案确定，围压范围0～20MPa，温度范围5～80℃；试验轴向加载速率可根据试样的应变率及试件尺寸进行确定，通过控制不同的加载速率进而对试件施加不同的动态载荷，以达到动静组合加载的目的。其余操作步骤与上述试验步骤相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，包括轴向加载系统、三轴主测试系统、围压跟踪系统、温度控制系统、数据采集与控制系统；其特征在于，所述轴向伺服加载系统为电液伺服加载控制装置，具体由加载油缸(1)、伺服油源系统(4)、轴向力传感器(7)、电液伺服阀(5)和控制器(18)组成，控制器(18)接收轴向力传感器(7)的反馈信号后控制轴向加载速率与幅度；所述加载油缸(1)及伺服油源系统(4)布置于压机(6)上方，加载油缸(1)顶部设置有一位移传感器(3)，位移传感器(3)接入控制器(18)；轴向加载油缸(1)连接轴向力传感器(7)和电液伺服阀(5)，电液伺服阀(5)连接伺服油源系统(4)和控制器(18)；
所述三轴主测试系统包括釜体(9)，所述釜体(9)为圆柱型结构，所述釜体(9)的顶部设置有自平衡结构，所述釜体(9)外部连接有水浴槽，所述温度控制系统与水浴槽相连接；所述釜体(9)的水平轴向均匀布置8个径向位移传感器(11)，通过径向位移传感器(11)测量试件的水平轴向相应测点的径向变形；所述自平衡结构包括釜体上堵头(8)、轴向平衡活塞(8a)、釜体上堵头压盖(8b)和轴压平衡通道(8c)；所述釜体上堵头(8)封堵在釜体(9)顶部开口处，轴压平衡通道(8c)设置在釜体上堵头(8)内，轴向平衡活塞(8a)设置在轴压平衡通道(8c)内并深入釜体(9)内；所述轴向平衡活塞(8a)的两端为球形接触；轴向平衡活塞(8a)一端连接轴向力传感器(7)，另一端与试件的上堵头接触，用于平衡围压对轴压的影响；釜体上堵头(8)通过管路与环压跟踪泵(16)相连接，通过环压跟踪泵(16)对釜体(9)内的试件施加孔隙水压，用于保持釜体(9)内的围压恒定；所述釜体(9)的底部设置有围压连接通道，用于连接所述的围压跟踪系统；
控制器(18)接受位移传感器(3)、轴向力传感器(7)和径向位移传感器(11)的反馈信号，用于控制待测试件的轴向加载速率与幅度实现动静组合加载；
分别测量试件中部圆周的8个点的径向变形，通过对数据的整理、分析，结合试件的直径d计算得出试件的径向应变εd；其中8个径向变形Δd1～Δd8数据两两对应，共计4对径向变形数据Δd1+Δd5、Δd2+Δd6、Δd3+Δd7、Δd4+Δd8，由此能够计算试件的径向应变εd＝(Δd1+Δd2+…+Δd8)/4d。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，其特征在于，所述径向位移传感器(11)的传感器探头(14)长度可调节，用于适应不同直径的试件。
3.根据权利要求1所述的一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，其特征在于，所述釜体(9)的底部设置有扩展通道，所述扩展通道内用于放置试件损伤变形测量装置。
4.根据权利要求3所述的一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，其特征在于，所述试件损伤变形测量装置为声发射监测装置或应变片。
5.根据权利要求1所述的一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，其特征在于，所述釜体(9)内设置有温度传感器，所述温度传感器与温度控制系统相连接。
6.根据权利要求1所述的一种煤岩体高温三轴流变及动静组合加载试验装置，其特征在于，所述釜体(9)设置在压机底座的导轨内，所述釜体(9)连接有推拉油缸。
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