CN113790969A - 一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及实验装置技术领域，它公开了一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，该装置包括应力加载单元、爆破单元、监测单元。所述应力加载单元通过支架、加压板、内挡板、液压千斤顶、微型压力传感器、加压螺母的组合作用，为煤岩体提供真实三维应力环境；所述爆破单元包括炸药、雷管、雷管引线、后置导线孔、封孔黄泥；所述监测单元由透明可视的前置加压板以及后置挡板、高速摄像机三部分组成。本发明能监测分析不同应力环境、不同煤岩体强度及不同装药方式条件下煤岩体爆破前后形变与裂纹演化过程。本发明结构简单，监测方法简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及实验装置技术领域，尤其涉及一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法。
背景技术
爆破作用下煤岩体的破坏是一个动态演化过程，煤岩体在爆破过程中会出现开裂、压缩等变形现象。高应力条件下煤岩体的爆破以及裂纹扩展规律日益受到重视，国内外很多学者对煤岩体爆破的应用和爆破方式进行了大量的研究。
目前研究岩体力学的装置有真三轴应力装置或两轴应力装置，这些装置基本应用在煤岩体的三轴测试、弯曲测试、直接拉伸、压缩测试等，还未发现可供煤岩体爆破测试的三轴应力装置；目前的三轴应力装置鲜有可以达到可视化的要求，有些虽然可以做到可视化但设备复杂造价高昂或者无法达到必要的环境要求，因而急需研制一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了提供一种模拟煤层在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置，其特征在于：包括应力加载单元、爆破单元、监测单元。所述应力加载单元通过内支架(6)、外支架(1)、加压板(2)、右置内挡板(7)、前置内挡板(8)、液压千斤顶(3)、微型压力传感器(14)、加压螺母(11)的组合作用，为煤岩体提供真实三维应力环境；所述爆破单元包括炸药(20)、雷管引线(19)、后置导线孔(17)、封孔黄泥(18)；所述监测单元由透明可视的前置加压板(10)以及后置挡板(9)、高速摄像机(21)三部分组成。
优选的，所述加载单元中的内支架(6)和外支架(1)固定连接且内支架(6)和外支架(1)共用左边和底边框体；
优选的，所述加载单元中的前置加压板(10)与内支架(6)之间由八个螺钉(12)连接，加压板上的四个加压螺母(11)顶住半球形垫块(13)和微型压力传感器(14)，球形的表面可以均匀分散应力，进而对前置内挡板(8)施加一定的加载力；
优选的，后置挡板(9)以及前置内挡板(8)、前置加压板(10)均为透明可视的可承压有机玻璃，通过装置两侧的高速摄像机(21)采集爆破过程图像数据；
优选的，所述加载单元中的加压板共有三个，分别设置于内支架(6)的上方、右方和前方；其中上方和右方的加压板(2)通过液压千斤顶(3)施加压力，前置加压板(10)通过四个加压螺母(11)施加压力；
优选的，所述内支架(6)上边和右边框体上分别开两个孔，提供给加压板(2)上的加载支柱(22)通过，支柱高大于框体厚度，孔径大于支柱外径；
优选的，所述前置加压板(10)、后置挡板(9)中部均预留一个导线孔，分别用于引出微型压力传感器(14)数据线和雷管引线(19)；
优选的，所述加载单元中的后方内挡板位置固定，上方、右方、前方内挡板均不固定，以保证均匀施加X、Y、Z方向的应力；
本发明同时提出了一种瓦斯与水同时吸附诱导煤体变形的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1、按照配比制作板状煤岩体试块，并在煤岩体试样中部位置预留爆破孔；
2、安装后置挡板(9)，将煤岩体试块放置于可视化装置之中，然后放置前置挡板(8)；
3、安装微型压力传感器(14)与前置加压板(10)；
4、将炸药对应放入试块的预留爆破孔中，装药完成后，留出雷管引线(19)并用湿润封孔黄泥(10)填塞封孔；
5、加载液压千斤顶(3)并拧动加压螺母(11)，通过压力表示数与微型压力传感器(14)测试压力数据控制煤岩体围压大小；
6、打开高速摄像机(21)，利用高速摄像机(21)采集图像数据；
7、将炸药(20)的引线(19)与发爆器(23)相连，在确保实验人员撤离到安全地点后，启动发爆器(23)，开始爆破试验；
8、爆破完成后，卸除液压千斤顶(3)、前置内挡板(8)和加压板(2)等应力加载装置；
9、关闭高速摄像机(21)，分析爆生裂隙的分布特征以及应变场规律；
本发明的有益效果是：
1、采用透明可视的有机玻璃做观察窗，外加高速摄像机(21)，可实现整个爆生裂纹扩展过程的可视化；
2、本发明的煤岩体试样由X、Y、Z三个方向的内置挡板固定，在加载时加压板(2)可以通过加载支柱(22)推动内置挡板滑动，不同方向的内置挡板完全覆盖试样，以消除边角位置的应力空白区域，使试样受力均匀；
3、本发明的实验装置与测试方法能模拟得出真三轴条件下不同尺寸、不同应力、不同爆破孔径煤岩体爆生裂纹的扩展规律。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，本发明能测试得到三轴应力条件下煤岩体爆生裂隙的分布特征以及应变场规律，其结构和方法简单，易于操作。
附图说明
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1是本发明的后视图；
图2是本发明的右侧剖面图；
图3是本发明的前置挡板示意图；
图4是本发明具体使用的后视示意图；
图5是本发明具体使用的前置挡板示意图；
图中，1—外支架，2—加压板，3—液压千斤顶，4—上置内挡板，5—前置导线孔，6—内支架，7—右置内挡板，8—前置内挡板，9—后置挡板，10—前置加压板，11—加压螺母，12—螺钉，13—半球形垫块，14—微型压力传感器，15—数据线，16—压力接收主机，17—后置导线孔，18—封孔黄泥，19—雷管引线，20—炸药，21—高速摄像机，22—加载支柱，23—发爆器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
如图1、图2所示，一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置包括应力加载单元、爆破单元、监测单元。所述应力加载单元通过内支架(6)、外支架(1)、加压板(2)、上置内挡板(4)、右置内挡板(7)、前置内挡板(8)、液压千斤顶(3)、加载支柱(22)、微型压力传感器(14)、加压螺母(11)的组合作用，为煤岩体提供真实三维应力环境；所述爆破单元包括炸药(20)、雷管引线(19)、后置导线孔(17)、封孔黄泥(18)；所述监测单元由透明可视的前置加压板(10)以及后置挡板(9)、高速摄像机(21)三部分组成。
本实施例中，所述应力加载单元中的内支架(6)和外支架(1)固定连接且内支架(6)和外支架(1)共用左边和底边框体，所述内支架上边和右边框体上分别开两个孔，提供给加压板上的加载支柱(22)通过，支柱高大于框体厚度，孔径大于支柱外径。
本实施例中，所述应力加载单元中上置内挡板(4)、右置内挡板(7)、前置内挡板(8)均不固定，以保证均匀施加X、Y、Z方向的应力；
本实施例中，所述应力加载单元中的上方和右方的加压板(2)通过液压千斤顶施加压力(3)，前置加压板(10)通过四个加压螺母(11)施加压力，前置加压板(10)与内支架(6)之间由八个螺钉(12)连接，加压板上的四个加压螺母(11)顶住半球形垫块(13)和微型压力传感器(14)，球形的表面可以均匀分散应力，进而对内挡板施加一定的加载力；
本实施例中，所述微型压力传感器数据线(15)穿过所述前置导线孔(5)与所述压力接收主机(16)连接；所述雷管引线(19)穿过所述后置导线孔(17)与发爆器(23)相连；
本实施例中，所述前置内挡板(8)、前置加压板(10)、后置挡板(9)均为透明可视的有机玻璃，以便装置前后两侧的高速摄像机(21)采集图像；
结合图4，本发明的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置的测量方法，包括如下步骤：
1、按照河砂：水泥：石膏粉：煤粉：水为3.5：0.3：1.0：1.0：1.37的比例配制煤体试样，试样尺寸为720mm×720mm×300mm，预留爆破孔直径为12mm，深度为20mm；
2、安装后置挡板(9)，将煤岩体试块放置于可视化装置之中，然后放置前置内挡板(8)；
3、安装微型压力传感器(14)与前置加压板(10)；
4、将炸药(20)对应放入试块的预留爆破孔中，装药完成后，留出雷管引线(19)并用封孔黄泥(18)填塞封孔；
5、加载液压千斤顶(3)并拧动加压螺母(11)，通过液压千斤顶压力(3)表示数与微型压力传感器(14)测试压力数据控制煤岩体围压大小为2.5MPa，以避免或减小模型边界的爆破碎片；
6、打开高速摄像机(21)，调试聚焦试块区域，确保裂隙图像表现结果尽可能真实准确；
7、将雷管引线(19)与发爆器(23)相连，在确保实验人员撤离到安全地点后，将发爆器钥匙逆时针旋转至充电档，进入准备爆破阶段，再将发爆器钥匙顺时针旋转至放炮档，引爆炸药。
8、爆破完成后，卸除液压千斤顶(3)、前置内挡板(8)和加压板(2)等应力加载装置；
9、关闭高速摄像机(21)，分析爆生裂隙的分布特征以及应变场规律；
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：包括应力加载单元、爆破单元、监测单元。所述应力加载单元通过内支架(6)、外支架(1)、加压板(2)、右置内挡板(7)、前置内挡板(8)、液压千斤顶(3)、微型压力传感器(14)、加压螺母(11)的组合作用，为煤岩体提供真实三维应力环境；所述爆破单元包括炸药(20)、雷管引线(19)、后置导线孔(17)、封孔黄泥(18)；所述监测单元由透明可视的前置加压板(10)以及后置挡板(9)、高速摄像机(21)三部分组成。
2.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述加载单元中的内支架(6)和外支架(1)固定连接且内支架(6)和外支架(1)共用左边和底边框体。
3.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述加载单元中的前置加压板(10)与内支架(6)之间由八个螺钉(12)连接，加压板上的四个加压螺母(11)顶住半球形垫块(13)和微型压力传感器(14)，球形的表面可以均匀分散应力，进而对前置内挡板(8)施加一定的加载力。
4.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：后置挡板(9)以及前置内挡板(8)、前置加压板(10)均为透明可视的可承压有机玻璃，通过装置两侧的高速摄像机(21)采集爆破过程图像数据。
5.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述加载单元中的加压板共有三个，分别设置于内支架(6)的上方、右方和前方；其中上方和右方的加压板(2)通过液压千斤顶(3)施加压力，前置加压板(10)通过四个加压螺母(11)施加压力。
6.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述内支架(6)上边和右边框体上分别开两个孔，提供给加压板(2)上的加载支柱(22)通过，支柱高大于框体厚度，孔径大于支柱外径。
7.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述前置加压板(10)、后置挡板(9)中部均预留一个导线孔，分别用于引出微型压力传感器(14)数据线和雷管引线(19)。
8.如权利要求1所述的一种模拟煤岩体在三轴应力下的爆破可视化装置及测试方法，其特征在于：所述加载单元中的后方内挡板位置固定，上方、右方、前方内挡板均不固定，以保证均匀施加X、Y、Z方向的应力。
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