CN115014435A - 一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿井顶板灾害、矿山压力、瓦斯防治技术领域，具体为一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测试方法，通过分级加卸载装置可对煤样仓内的煤样进行应力加载和卸载，同时声发射装置对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤和裂隙发育情况，非接触全场应变测量装置可对实验煤样的应变进行实时监测，并将数据传输至监控主机内，本发明通过加载泵分级设置对煤样仓煤样施加不同的应力，同时在煤样仓四周布置声发射传感器和应变传感器，实时监测级加卸载过程中煤体的应变、内部损伤及裂隙发育情况。
Description
技术领域
本发明涉及矿井顶板灾害、矿山压力、瓦斯防治技术领域，具体为一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测试方法。
背景技术
随着煤矿开采深度、开采强度和规模的逐渐增加，矿山压力和瓦斯含量增大日趋严重，矿山压力增大导致巷道变形、底鼓，给巷道支护带来了严峻的挑战，加之我国大部分地区煤层透气性较低，瓦斯含量的增大导致防治难度增加，制约着煤矿的安全高效生产。目前，煤体应力应变实验装置可实现对煤体的应力应变监测，但不能得到煤体内部的损伤或者裂隙发育情况，煤体内部损伤监测实验装置的不能对煤体的应力应变情况进行监测，而煤体的实际赋存状态是在应力的加载下，煤体内部发生裂隙，是两者的有机结合，因此，为了更加准确的掌握受载煤体的应变、内部损伤和裂隙发育情况，需研究一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及方法，能够实现煤体应力的分级加载，煤体应变和裂隙的共同监测，更加真实准确的反应了煤体实际赋存的真实状况。煤体在分级加载过程中的应变规律能够为矿山压力和顶板灾害事故防治提供基础数据支撑，煤体内的损伤和裂隙发育可为游离瓦斯的运移提供通道，裂隙发育规律可为瓦斯防治提供了指导依据。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测试方法，该分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台结构简单，设计合理且容易加工实现，能够更加真实准确的测试煤体实际赋存状态下的应变、损伤和裂隙发育情况。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，包括分级加卸载装置、煤样仓、声发射装置、非接触全场应变测量装置和监测装置；所述监测装置包括数据采集仪和监控主机，所述分级加卸载装置的加载端通过煤样仓的上端盖压在煤样上，分级加卸载装置的另一端电源连接至数据采集仪的输入端，所述声发射装置包括若干声发射探头和声发射放大器，若干声发射探头装配在煤样仓上，且若干声发射探头经声发射放大器连接至数据采集仪的输入端，所述数据采集仪的输出端电源连接至监控主机的输入端；所述非接触全场应变测量装置装配在煤样仓上，且电源连接至监控主机的输入端。
优选的，分级加卸载装置包括加载泵、加载油缸、活塞杆和加载板，所述加载板在煤样仓内压设在煤样上，活塞杆的驱动端装配至加载油缸上，活塞杆的连接端通过煤样仓的上端盖装配在加载板上，所述加载油缸经加载泵连接至数据采集仪的输入端。
进一步的，加载板的外径与煤样仓的内腔尺寸对应设置。
优选的，活塞杆的连接端装配在加载板的中心位置处。
优选的，煤样仓的前侧、后侧、左侧和右侧分别交叉设有通孔，声发射探头通过通孔与煤样仓内的煤样接触。
优选的，非接触全场应变测量装置包括两组应变传感器和非接触全场应变测量系统，煤样仓的一侧的上下两端分别设有开口，两组应变传感器分别对应设置在开口内与煤样仓内的煤样接触，两组应变传感器的连接端分别连接至非接触全场应变测量系统，非接触全场应变测量系统电源连接至监控主机的输入端。
优选的，煤样仓的上端盖的两端分别设有密封螺栓。
一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台的测试方法，基于上述所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，包括如下步骤：
S1，根据实验需要和煤样仓大小制作合适的型煤，将型煤放入煤样仓内；
S2，开启监控主机、分级加卸载装置、数据采集仪和非接触全场应变测量装置；
S3，通过分级加卸载装置设置第一加载应力、速度、时间，设置完成后对煤样仓6内的煤样进行加载应力；
S4，数据采集仪和非接触全场应变测量装置实时监测并上传煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况至监控主机；
S5，第一加载应力加载结束后，重复依次S3至S4，依次得到若干加载应力所对应传输的煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况；
S6，S5结束后，分级加卸载装置进行卸载工作，打开煤样仓取出煤样，煤体应变及裂隙测试实验结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，通过分级加卸载装置可对煤样仓内的煤样进行应力加载和卸载，同时声发射装置对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤和裂隙发育情况，非接触全场应变测量装置可对实验煤样的应变进行实时监测，并将数据传输至监控主机内，本发明通过加载泵分级设置对煤样仓煤样施加不同的应力，同时在煤样仓四周布置声发射传感器和应变传感器，实时监测级加卸载过程中煤体的应变、内部损伤及裂隙发育情况，通过声发射放大器、非接触全场应变测量系统、数据采集仪将实验数据及时准确的传输至监控主机，通过监控主机分析数据得出分级加卸载煤体的应变规律、内部损伤和裂隙发育规律，为矿山压力、顶板灾害、瓦斯防治提供更加真实准确的基础数据支撑。
进一步的，分级加卸载装置包括加载泵、加载油缸、活塞杆和加载板，加载板在煤样仓内压设在煤样上，活塞杆的驱动端装配至加载油缸上，活塞杆的连接端通过煤样仓的上端盖装配在加载板上，加载油缸经加载泵连接至数据采集仪的输入端，活塞杆通过加载泵和加载油缸的驱动，并推动加载板压设在煤样仓的煤样上，便于对煤样进行加载和卸载。
更进一步的，加载板的外径与煤样仓的内腔尺寸对应设置，便于对煤样仓内的煤样整体进行加载。
更进一步的，活塞杆的连接端装配在加载板的中心位置处，避免加载板在加压是倾斜，从而影响对煤样的加载应力。
进一步的，煤样仓的前侧、后侧、左侧和右侧分别交叉设有通孔，所述声发射探头7通过通孔与煤样仓内的煤样接触，声发射探头接触煤样，通过声发射放大器对对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤和裂隙发育情况。
进一步的，接触全场应变测量装置包括两组应变传感器和非接触全场应变测量系统，煤样仓的一侧的上下两端分别设有开口，两组应变传感器分别对应设置在开口内与煤样仓内的煤样接触，两组应变传感器的连接端分别连接至非接触全场应变测量系统，所述非接触全场应变测量系统电源连接至监控主机的输入端，便于对煤样仓内的应力进行采集并传输至监控主机。
进一步的，煤样仓的上端盖的两端分别设有密封螺栓，有效的对煤样仓进行封闭，便于分级加卸载装置的加压和卸压。
本发明还提供了一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台的测试方法，通过分级加卸载装置、声发射装置、非接触全场应变测量装置和监测装置实时监测级加卸载过程中煤体的应变、内部损伤及裂隙发育情况，通过监控主机分析数据得出分级加卸载煤体的应变规律、内部损伤和裂隙发育规律，为矿山压力、顶板灾害、瓦斯防治提供更加真实准确的基础数据支撑。
附图说明
图1为本发明中分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台整体结构示意图；
图2为本发明中煤样仓声发射传感器布置孔示意图；
图3为本发明中分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台测试流程示意图。
图中：1-加载泵；2-加载油缸；3-活塞杆；4-加载板；5-密封螺栓；6-煤样仓；7-声发射探头；8-声发射放大器；9-数据采集仪；10-应变传感器；11-非接触全场应变测量系统；12-监控主机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测试方法，该分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台结构简单，设计合理且容易加工实现，能够更加真实准确的测试煤体实际赋存状态下的应变、损伤和裂隙发育情况。
具体的，该分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，包括分级加卸载装置、煤样仓6、声发射装置、非接触全场应变测量装置和监测装置；所述监测装置包括数据采集仪9和监控主机12，所述分级加卸载装置的加载端通过煤样仓6的上端盖压在煤样上，分级加卸载装置的另一端电源连接至数据采集仪9的输入端，所述声发射装置包括若干声发射探头7和声发射放大器8，若干声发射探头7装配在煤样仓6上，且若干声发射探头7经声发射放大器8连接至数据采集仪9的输入端，所述数据采集仪9的输出端电源连接至监控主机12的输入端；所述非接触全场应变测量装置装配在煤样仓6上，且电源连接至监控主机12的输入端。
具体的，分级加卸载装置包括加载泵1、加载油缸2、活塞杆3和加载板4，所述加载板4在煤样仓6内压设在煤样上，所述活塞杆3的驱动端装配至加载油缸2上，活塞杆3的连接端通过煤样仓6的上端盖装配在加载板4上，所述加载油缸2经加载泵1连接至数据采集仪9的输入端。
其中，加载泵1采用高精度伺服电机、可编程控制器和智能显示屏对加载泵1的进、退、恒压、恒速等进行精确控制，可模拟压力、模拟流速的输入和输出以及数字信号的输入，并有RS-232接口，能够实现信号的精确传输。
加载泵1为恒压恒速泵，可输出不同的应力，实现不同应力的加卸载，模拟煤层中煤样受到的不同的应力作用，同时能够实现计算机程序自动控制启动和停止等。
加载泵1精度为0.01ml/min，正常工作压力50MPa，最高压力高达60MPa，流速0-30ml/min。
加载油缸2缸径160mm，活塞面积200cm2，是腔体面积的1/2；加载油缸2工作压力最大40MPa，可保证模型加载压力达到20MPa。
活塞杆3采用滚压加工，具有足够的强度、刚度和稳定性，连接可靠，提高了活塞杆3的耐磨性。
加载板4的外径与煤样仓6的内腔尺寸对应设置，能够对煤样仓6煤体全断面进行加载应力。
活塞杆3的连接端装配在加载板4的中心位置处。
具体的，煤样仓6的前侧、后侧、左侧和右侧分别交叉设有通孔，所述声发射探头7通过通孔与煤样仓6内的煤样接触。通过声发射放大器8对对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤和裂隙发育情况。
具体的，非接触全场应变测量装置包括两组应变传感器10和非接触全场应变测量系统11，煤样仓6的一侧的上下两端分别设有开口，两组应变传感器10分别对应设置在开口内与煤样仓6内的煤样接触，两组应变传感器10的连接端分别连接至非接触全场应变测量系统11，所述非接触全场应变测量系统11电源连接至监控主机12的输入端。应变传感器10用于受载煤壁表面应变场的测量，通过非接触全场应变测量系统11对实验煤样的应变进行实时监测。
具体的，煤样仓6的上端盖的两端分别设有密封螺栓5。其中，煤样仓6尺寸为200mm×200mm×200mm，耐压20Mpa，由不锈钢材质锻件加工而成，上端盖通过密封螺栓5连接，上面安装加载板4和加载油缸2，通过加载板4对煤样进行应力加载。
具体的，数据采集仪9可对声发射放大器8收集的信号、加载泵1的应力情况等进行监测记录，非接触全场应变测量系统11对煤体的应变进行监测记录，所有的监测记录能够及时上传至监控主机12
根据图2所示，为煤样仓6声发射传感器7布置孔示意图，为了实现在煤样加载过程中对煤样在各个方向上不同位置的破坏进行精确监测，在煤样仓四个侧面各布置一个声发射传感器7布置孔，每个面的布置孔位置呈交叉布置，实现了声发射传感器7与煤样的紧密接触。可以对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤情况。
本发明还提供了一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台的测试方法，基于上述所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，根据图3所示，包括如下步骤：
S1，根据实验需要和煤样仓6大小制作合适的型煤，将型煤放入煤样仓内；
S2，开启监控主机、分级加卸载装置、数据采集仪9和非接触全场应变测量装置；
S3，通过分级加卸载装置设置第一加载应力、速度、时间，设置完成后对煤样仓6内的煤样进行加载应力；
S4，数据采集仪9和非接触全场应变测量装置实时监测并上传煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况至监控主机；
S5，第一加载应力加载结束后，重复依次S3至S4，依次得到若干加载应力所对应传输的煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况；
S6，S5结束后，分级加卸载装置进行卸载工作，打开煤样仓6取出煤样，煤体应变及裂隙测试实验结束。
具体的，加载泵1为恒压恒速泵，可输出不同的应力，实现不同应力的加卸载，模拟煤层中煤样受到的不同的应力作用，同时能够实现计算机程序自动控制启动和停止等，加载泵1精度为0.01ml/min，正常工作压力50MPa，最高压力高达60MPa，流速0-30ml/min。
进一步的，加载油缸2缸径160mm，活塞面积200cm2，是腔体面积的1/2；加载油缸2工作压力最大40MPa，可保证模型加载压力达到20MPa。
进一步的，活塞杆3采用滚压加工，具有足够的强度、刚度和稳定性，连接可靠，提高了活塞杆3的耐磨性。
进一步的，加载板4和煤样仓6内腔尺寸相同，能够对煤样仓6煤体全断面进行加载应力。
进一步的，煤样仓6右侧开口安设有应变传感器10，用于受载煤壁表面应变场的测量，通过非接触全场应变测量系统11对实验煤样的应变进行实时监测。
进一步的，煤样仓6尺寸为200mm×200mm×200mm，耐压20Mpa，由不锈钢材质锻件加工而成，上端盖通过密封螺栓5连接，上面安装加载板4和加载油缸2，通过加载板4对煤样进行应力加载。
进一步的，数据采集仪9可对声发射放大器8收集的信号、加载泵1的应力情况等进行监测记录，非接触全场应变测量系统11对煤体的应变进行监测记录，所有的监测记录能够及时上传至监控主机12。
在使用时，首先根据实验需求和煤样仓6的大小，制作大小合适的型煤，保证型煤的表面平整，整个煤体为一整体，型煤内不存在严重分层或者破裂现象。
将实验煤样放进煤样仓6中，通过密封螺栓5封闭煤样仓，检查声发射传感器7和应变传感器10的状态，保证声发射传感器7和应变传感器10与煤样接触并正常使用。
开启监控主机12、加载泵1、数据采集仪9和非接触全场应变测量系统11，保证各传输线路的信号能够及时准确的传输至数据采集仪9和监控主机12。
通过加载泵1自带的可编程控制器和智能显示屏对实验所需的不同加载应力、加载速度、加载时间进行设置，设置完成后，启动加载泵1，加载泵通过加载油缸2、活塞杆3和加载板4将应力直接作用于煤样仓6内煤体上，待达到第一次设置的应力的大小和作用时间后，根据实验需要，通过加载泵1的自带的可编程控制器和智能显示屏继续设置第二种、第三种加载应力、加载速度、加载时间，继续进行实验，可得到分级加载不同应力下煤体的应变和裂隙发育情况。
在加载泵1对煤体施加不同应力的同时，加载泵1施加的应力大小和布置在煤样仓6四个侧面的声发射探头7能够实时记录实验煤体所受的应力、内部损伤和裂隙，并经过声发射放大器8及时传输至数据采集仪9；应变传感器10将实时采集的应变信号传输至非接触全场应变测量系统11，数据采集仪9和非接触全场应变测量系统11所监测的数据及时传输至监控主机12。
实验结束后，启动加载泵1的应力卸载功能，通过加载油缸2和活塞杆3的带动将加载板4恢复至原位；拧开密封螺栓5，打开煤样仓6，取出实验煤样，并清理煤样仓中的残煤。
进一步的，通过监控主机12中监测记录的煤体分级加卸载过程中的应变数据和声发射信号，分析处理得出煤体在分级加卸载过程中的应变规律、内部损伤和裂隙发育规律，为矿山压力、顶板灾害、瓦斯防治提供更加真实准确的基础数据支撑。
综上所述，本发明提供了一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台及测量方法，通过分级加卸载装置可对煤样仓内的煤样进行应力加载和卸载，同时声发射装置对煤样在加卸载过程中产生的声发射响应进行记录，便于研究煤样的内部损伤和裂隙发育情况，非接触全场应变测量装置可对实验煤样的应变进行实时监测，并将数据传输至监控主机内，本发明通过加载泵分级设置对煤样仓煤样施加不同的应力，同时在煤样仓四周布置声发射传感器和应变传感器，实时监测级加卸载过程中煤体的应变、内部损伤及裂隙发育情况，通过声发射放大器、非接触全场应变测量系统、数据采集仪将实验数据及时准确的传输至监控主机，通过监控主机分析数据得出分级加卸载煤体的应变规律、内部损伤和裂隙发育规律，为矿山压力、顶板灾害、瓦斯防治提供更加真实准确的基础数据支撑。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，包括分级加卸载装置、煤样仓(6)、声发射装置、非接触全场应变测量装置和监测装置；所述监测装置包括数据采集仪(9)和监控主机(12)，所述分级加卸载装置的加载端通过煤样仓(6)的上端盖压在煤样上，分级加卸载装置的另一端电源连接至数据采集仪(9)的输入端，所述声发射装置包括若干声发射探头(7)和声发射放大器(8)，若干声发射探头(7)装配在煤样仓(6)上，且若干声发射探头(7)经声发射放大器(8)连接至数据采集仪(9)的输入端，所述数据采集仪(9)的输出端电源连接至监控主机(12)的输入端；所述非接触全场应变测量装置装配在煤样仓(6)上，且电源连接至监控主机(12)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述分级加卸载装置包括加载泵(1)、加载油缸(2)、活塞杆(3)和加载板(4)，所述加载板(4)在煤样仓(6)内压设在煤样上，所述活塞杆(3)的驱动端装配至加载油缸(2)上，活塞杆(3)的连接端通过煤样仓(6)的上端盖装配在加载板(4)上，所述加载油缸(2)经加载泵(1)连接至数据采集仪(9)的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述加载板(4)的外径与煤样仓(6)的内腔尺寸对应设置。
4.根据权利要求1所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述活塞杆(3)的连接端装配在加载板(4)的中心位置处。
5.根据权利要求1所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述煤样仓(6)的前侧、后侧、左侧和右侧分别交叉设有通孔，所述声发射探头(7)通过通孔与煤样仓(6)内的煤样接触。
6.根据权利要求1所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述非接触全场应变测量装置包括两组应变传感器(10)和非接触全场应变测量系统(11)，煤样仓(6)的一侧的上下两端分别设有开口，两组应变传感器(10)分别对应设置在开口内与煤样仓(6)内的煤样接触，两组应变传感器(10)的连接端分别连接至非接触全场应变测量系统(11)，所述非接触全场应变测量系统(11)电源连接至监控主机(12)的输入端。
7.根据权利要求1所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，所述煤样仓(6)的上端盖的两端分别设有密封螺栓(5)。
8.一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台的测试方法，基于权利要求1-8任一项所述的一种分级加卸载煤体应变及裂隙测试实验平台，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据实验需要和煤样仓(6)大小制作合适的型煤，将型煤放入煤样仓内；
S2，开启监控主机、分级加卸载装置、数据采集仪(9)和非接触全场应变测量装置；
S3，通过分级加卸载装置设置第一加载应力、速度、时间，设置完成后对煤样仓(6)内的煤样进行加载应力；
S4，数据采集仪(9)和非接触全场应变测量装置实时监测并上传煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况至监控主机；
S5，第一加载应力加载结束后，重复依次S3至S4，依次得到若干加载应力所对应传输的煤体应变、内部损伤和裂隙发育情况；
S6，S5结束后，分级加卸载装置进行卸载工作，打开煤样仓(6)取出煤样，煤体应变及裂隙测试实验结束。
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2022
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