CN113324837A - 一种煤岩液固耦合原位加载实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤岩液固耦合原位加载实验装置，包括三面连接一体的框架以及带有压头的压杆，所述框架的侧面从上到下依次布置有导线口、进水口以及排水口，所述框架内放置有煤岩试样，所述带有压头的压杆安装于煤岩试样正上方的框架上，所述框架临空的一面安装有钢化透明玻璃用于观测框架内煤岩试样的表面形态。本发明还提供了一种煤岩液固耦合原位加载实验方法。本发明通过应力施加单元对煤岩试样施加轴向荷载，同时开启应力、应变采集单元，表面图像采集单元，实时记录液固耦合原位加载条件下，煤岩试样的强度、变形和表面形态演化规律。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩实验研究技术领域，特别涉及一种煤岩液固耦合原位加载实验装置及方法。
背景技术
煤矿井下承压水下开采，采空区透水、煤柱浸水等液固耦合工程问题十分常见，研究浸水条件下煤岩破坏失稳力学特征，对揭示煤岩-水相互作用力学本质，防控井下水灾具有重要的理论意义。在室内实验研究方面，目前，多针对浸泡一定时长的煤岩，在脱离液体环境后测定其力学性质，针对浸水煤岩原位保真加载的试验研究还鲜有报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提出一种煤岩液固耦合原位加载实验装置及方法，通过设计一种配合压力机使用的实验装置，能够实现浸水状态下，不同破坏阶段煤岩力学特征的实时测定。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种煤岩液固耦合原位加载实验装置，包括三面连接一体的框架以及带有压头的压杆，所述框架的侧面从上到下依次布置有导线口、进水口以及排水口，所述框架内放置有煤岩试样，所述带有压头的压杆安装于煤岩试样正上方的框架上，所述框架临空的一面安装有钢化透明玻璃用于观测框架内煤岩试样的表面形态。
进一步的，所述煤岩试样的四周设有应变片，所述应变片连接导线并通过所述导线口与应力、应变采集单元相连。
进一步的，还包括加载杆以及应力施加单元，所述加载杆与带有压头的压杆驱动相连，所述加载杆与应力、应变采集单元、应力施加单元控制相连。
进一步的，还包括表面图像采集单元，所述表面图像采集单元设置于钢化透明玻璃一侧用于自动记录及观测框架内煤岩试样的表面形态。
进一步的，所述进水口通过水管连接水压施加单元，所述水压施加单元通过进水口向框架内腔冲入设定压力值的纯水。
进一步的，所述排水口处连接有排水管路，所述排水管路上设有不同水压自动控制开启或关闭的水压阀用于水压突增保护。
进一步的，所述钢化透明玻璃通过销钉可拆卸安装于框架临空的一面。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种煤岩液固耦合原位加载实验方法，包括以下步骤：
S1、制备设定尺寸的长方形煤岩试样若干块；
S2、将煤岩液固耦合原位加载实验装置置于实验机加载台上；
S3、把煤岩试样放置于装置内腔里，在试样表面粘贴应变片，并做好防水导电措施，将应变片与应力、应变采集单元通过导线相连；
S4、通过旋紧销钉固定钢化透明玻璃，密封好装置内腔；
S5、开启水压施加单元，向装置内腔充入设定压力的纯水；
S6、待试样浸水一定时长后，依次开启水压阀和实验机，通过应力施加单元对试样施加轴向荷载，同时开启应力、应变采集单元，表面图像采集单元，实时记录液固耦合原位加载条件下，煤岩试样的强度、变形和表面形态演化规律。
进一步的，还包括步骤S7、煤岩液固耦合原位加载条件下煤岩损伤的表征，运用盒计数法求解不同破坏阶段煤岩分形维数D用于表征煤岩损伤程度；
式中：N为格子数量，δ为格子尺寸。
进一步的，所述分形维数D具体通过拍摄获得不同破坏阶段煤岩表面图像，选取清晰的图像，利用Photo shop处理图像对煤岩裂隙进行素描，再将素描图输入软件Fractalfox软件，计算获得。
进一步的，所述设定尺寸为50×50×100mm，所述设定压力为0.5MPa或1MPa、1.5MPa或2MPa。
有益效果：本发明通过应力施加单元对煤岩试样施加轴向荷载，同时开启应力、应变采集单元，表面图像采集单元，实时记录液固耦合原位加载条件下，煤岩试样的强度、变形和表面形态演化规律。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置的结构示意图一；
图2为本发明实施例所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置的结构示意图二；
图3为本发明实施例所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置的结构示意图(配备应力、应变采集单元、表面图像采集单元、应力施加单元、水压施加单元以及加载杆等)。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
参见图1-3：一种煤岩液固耦合原位加载实验装置，包括三面连接一体的框架1以及带有压头的压杆2，所述框架1的侧面从上到下依次布置有导线口100、进水口101以及排水口102，所述框架1内放置有煤岩试样3，所述带有压头的压杆2安装于煤岩试样3正上方的框架1上，所述框架1临空的一面安装有钢化透明玻璃4用于观测框架1内煤岩试样3的表面形态。
需要说明的是，本实施例通过带有压头的压杆对在水压力情况下的煤岩试样进行压力试验，本实施例的框架上下面可以为扁平圆盘状，侧面为中空的圆弧状，通过框架临空的一面的钢化透明玻璃即可观测煤岩试样的实时表面形态。
在一具体实例中，所述煤岩试样3的四周设有应变片4，所述应变片4连接导线并通过所述导线口100与应力、应变采集单元5相连。
本实施例的应力、应变采集单元通过应变片采集煤岩试样在不同压力情况下的应力、应变情况，并能够实时记录起来，另外，需要说明的是，本实施例的应变片均做好防水导电措施，例如，金属部用绝缘物质涂层进行隔离。
在一具体实例中，还包括加载杆6以及应力施加单元7，所述加载杆6与带有压头的压杆2驱动相连，所述加载杆6与应力、应变采集单元5、应力施加单元7控制相连。
本实施例通过应力施加单元控制加载杆对压杆施加轴向应力，从而对煤岩试样进行应力试验，另外，通过应力、应变采集单元能够测试不同应力下的煤岩试样的应力、应变情况。
在一具体实例中，还包括表面图像采集单元8，所述表面图像采集单元8设置于钢化透明玻璃4一侧用于自动记录及观测框架1内煤岩试样3的表面形态。
需要说明的是，本实施例的表面图像采集单元可以为高清摄像头，用于实时记录煤岩试样的表面形态变化，为实验过程提供视频记录数据支撑。
在一具体实例中，所述进水口101通过水管连接水压施加单元9，所述水压施加单元9通过进水口101向框架1内腔冲入设定压力值的纯水。
本实施例的水压施加单元可以为小型抽水机，通过加入设定量的水，从而控制煤岩试样处于设定压力值的水压不同水深度的煤岩试样，水压力值不同。
在一具体实例中，所述排水口102处连接有排水管路10，所述排水管路10上设有不同水压自动控制开启或关闭的水压阀11用于水压突增保护。
本实施例通过不同水压自动控制开启或关闭的水压阀，防止框架内水压发生突增，超过设定值而导致框架损坏的风险。
在一具体实例中，所述钢化透明玻璃4通过销钉12可拆卸安装于框架1临空的一面。
本实施例的试验装置通过销钉可以方便拆卸，从而对煤岩试样的放置以及安装固定提供便利。
实施例2
为了实现上述目的，本实施例还提供了一种煤岩液固耦合原位加载实验方法，包括以下步骤：
S1、制备设定尺寸的长方形煤岩试样若干块；
S2、将煤岩液固耦合原位加载实验装置置于实验机加载台上；
S3、把煤岩试样放置于装置内腔里，在试样表面粘贴应变片，并做好防水导电措施，将应变片与应力、应变采集单元通过导线相连；
S4、通过旋紧销钉固定钢化透明玻璃，密封好装置内腔；
S5、开启水压施加单元，向装置内腔充入设定压力的纯水；
S6、待试样浸水一定时长后，依次开启水压阀和实验机，通过应力施加单元对试样施加轴向荷载，同时开启应力、应变采集单元，表面图像采集单元，实时记录液固耦合原位加载条件下，煤岩试样的强度、变形和表面形态演化规律。
优选的，还包括步骤S7、煤岩液固耦合原位加载条件下煤岩损伤的表征，运用盒计数法求解不同破坏阶段煤岩分形维数D用于表征煤岩损伤程度；
式中：N为格子数量，δ为格子尺寸。
具体的，所述分形维数D具体通过拍摄获得不同破坏阶段煤岩表面图像，选取清晰的图像，利用Photo shop处理图像对煤岩裂隙进行素描，再将素描图输入软件Fractal fox软件，计算获得。
具体的，所述设定尺寸为50×50×100mm，所述设定压力为0.5MPa或1MPa、1.5MPa或2MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，包括三面连接一体的框架(1)以及带有压头的压杆(2)，所述框架(1)的侧面从上到下依次布置有导线口(100)、进水口(101)以及排水口(102)，所述框架(1)内放置有煤岩试样(3)，所述带有压头的压杆(2)安装于煤岩试样(3)正上方的框架(1)上，所述框架(1)临空的一面安装有钢化透明玻璃(4)用于观测框架(1)内煤岩试样(3)的表面形态。
2.根据权利要求1所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，所述煤岩试样(3)的四周设有应变片(4)，所述应变片(4)连接导线并通过所述导线口(100)与应力、应变采集单元(5)相连。
3.根据权利要求2所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，还包括加载杆(6)以及应力施加单元(7)，所述加载杆(6)与带有压头的压杆(2)驱动相连，所述加载杆(6)与应力、应变采集单元(5)、应力施加单元(7)控制相连。
4.根据权利要求1所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，还包括表面图像采集单元(8)，所述表面图像采集单元(8)设置于钢化透明玻璃(4)一侧用于自动记录及观测框架(1)内煤岩试样(3)的表面形态。
5.根据权利要求1所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，所述进水口(101)通过水管连接水压施加单元(9)，所述水压施加单元(9)通过进水口(101)向框架(1)内腔冲入设定压力值的纯水。
6.根据权利要求1所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，所述排水口(102)处连接有排水管路(10)，所述排水管路(10)上设有不同水压自动控制开启或关闭的水压阀(11)用于水压突增保护。
7.根据权利要求1所述的煤岩液固耦合原位加载实验装置，其特征在于，所述钢化透明玻璃(4)通过销钉(12)可拆卸安装于框架(1)临空的一面。
8.一种煤岩液固耦合原位加载实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备设定尺寸的长方形煤岩试样若干块；
S2、将煤岩液固耦合原位加载实验装置置于实验机加载台上；
S3、把煤岩试样放置于装置内腔里，在试样表面粘贴应变片，并做好防水导电措施，将应变片与应力、应变采集单元通过导线相连；
S4、通过旋紧销钉固定钢化透明玻璃，密封好装置内腔；
S5、开启水压施加单元，向装置内腔充入设定压力的纯水；
S6、待试样浸水一定时长后，依次开启水压阀和实验机，通过应力施加单元对试样施加轴向荷载，同时开启应力、应变采集单元，表面图像采集单元，实时记录液固耦合原位加载条件下，煤岩试样的强度、变形和表面形态演化规律。
9.根据权利要求8所述的煤岩液固耦合原位加载实验方法，其特征在于，还包括步骤S7、煤岩液固耦合原位加载条件下煤岩损伤的表征，运用盒计数法求解不同破坏阶段煤岩分形维数D用于表征煤岩损伤程度；
式中：N为格子数量，δ为格子尺寸。
10.根据权利要求9所述的煤岩液固耦合原位加载实验方法，其特征在于，所述分形维数D具体通过拍摄获得不同破坏阶段煤岩表面图像，选取清晰的图像，利用Photo shop处理图像对煤岩裂隙进行素描，再将素描图输入软件Fractal fox软件，计算获得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |