CN115127919A - 一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，包括：固气耦合作用腔体；压力加载模块，可移动地设于固气耦合作用腔体的顶部；多气源注气控制模块，连接至固气耦合作用腔体的注入口；监测模块，包括：设置于固气耦合作用腔体内的电磁辐射传感器、声发射传感器、应变传感器和电阻率监测件；第一、第二和第三数据传输螺栓，电磁辐射传感器用于监测煤岩固气耦合破坏过程的电磁辐射信号；声发射传感器用于监测煤岩固气耦合破坏过程的声发射信号；电阻率监测件和应变传感器用于监测包括电阻率变化信号和应变信号在内的多元物理信号。本发明的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置在固气耦合状态下测试煤岩破坏过程中的多元物理信号变化情况。

Description

一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置

技术领域

本发明属于煤岩力学性能测试技术领域，尤其涉及一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置。

背景技术

随着浅部煤炭资源的日益枯竭，当前煤矿开采趋势逐渐向深部地下发展，地应力和瓦斯含量呈不断增大的趋势。煤与瓦斯突出等矿井动力灾害，严重危害着采矿安全生产。

煤与瓦斯突出是煤质、高应力及高瓦斯压力共同作用的结果，因此，对于煤岩固气耦合过程中的多元物理现象监测是实现突出灾害监测预警的前提。

但是，目前的固气耦合实验装置一般只进行力学监测，而地球物理信号传感器一般放置在实验腔体的外部，对于煤岩固气耦合破坏过程的电阻率、电磁辐射、声发射等物理现象监测效果较弱。

发明内容

本发明实施例提供了一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其可以在固气耦合状态下，测试煤岩破坏过程中的多元物理信号变化情况。

本发明实施例所提供的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，包括：

固气耦合作用腔体，其腔体内部设有用于放置煤岩试样的保护台，腔体侧部设有用于供气体注入的注入口；

压力加载模块，所述压力加载模块可移动地设置于所述固气耦合作用腔体的顶部，用于与外部压力机配合以向所述煤岩试样的顶部加载压力；

多气源注气控制模块，所述多气源注气控制模块连接至所述注入口，用于向所述固气耦合作用腔体注入多源气体；

监测模块，所述监测模块至少包括：设置于所述固气耦合作用腔体内部的电磁辐射传感器、声发射传感器、应变传感器和电阻率监测件；及，设置于所述固气耦合作用腔体侧壁上的第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据传输螺栓，其中所述电磁辐射传感器与所述第一数据传输螺栓连接，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的电磁辐射信号；所述声发射传感器与所述第二数据传输螺栓相连，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的声发射信号；所述电阻率监测件、所述应变传感器与所述第三数据传输螺栓相连，用于监测包括电阻率变化信号和应变信号在内的多元物理信号。

示例性的，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括：

数据采集模块，与所述监测模块连接，用于采集所述监测模块监测到的所述固气耦合作用腔体内部的电磁辐射信号、声发射信号和应变信号；

LCR测试仪，与所述电阻率监测件连接，用于获取所述煤岩试样在固气耦合破坏过程的电阻率变化信号；

控制主机，与所述数据采集模块和所述LCR测试仪连接，用于对所述电磁辐射信号、所述声发射信号、所述应变信号和所述电阻率变化信号的数据进行处理分析。

示例性的，所述固气耦合作用腔体为至少一侧具有可视窗的可视腔体结构，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括设置于所述可视窗外的高速摄像机，所述高速摄像机用于采集所述煤岩试样内部在固气耦合状态受载破坏过程中的裂隙场变化图像信息；

所述控制主机还用于对所述图像信息进行处理和分析。

示例性的，所述固气耦合作用腔体为圆柱形腔体，其内径为Φ250±10mm，轴向长度为200±10mm。

示例性的，所述固气耦合作用腔体包括：

具有内腔的本体，所述本体的顶部开口，所述本体上设有安装所述第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据螺栓的螺栓安装口、以及与所述多气源注气控制模块相连的气罐连接部；和

扣合于所述本体的顶部开口上的密封盖，所述密封盖与所述本体可拆卸连接，且所述密封盖与所述本体的顶部开口之间密封。

示例性的，所述第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据传输螺栓分别与对应的所述螺栓安装口之间通过气密封孔结构密封。

示例性的，所述压力加载模块包括压载杆，所述固气耦合作用腔体上设有通孔，所述压载杆沿其轴向可滑动地连接至所述通孔内，且所述压载杆的直径为Φ60±1mm，轴向可移动行程为40mm，所述压载杆上用于抵顶于所述煤岩试样的顶部的一端至所述固气耦合作用腔体的内部底面距离大于或等于120±1mm。

示例性的，所述的多气源注气控制模块包括：

连接至所述注入口的第一支路，所述第一支路包括：真空泵及设置于所述真空泵与所述注入口之间的第一截止阀、第一压力传感器和第一安全溢流阀；

与所述第一支路并联连接至所述注入口的至少一个第二支路，所述第二支路包括：气瓶及设置于所述气瓶与所述注入口之间的第二截止阀、第二压力传感器和第二安全溢流阀；

其中，所述第二支路为至少两个时，至少两个所述第二支路上的气瓶内气体不同，所述气瓶内气体包括氮气、二氧化碳和瓦斯中的至少一种。

示例性的，所述第三数据传输螺栓为24芯数据传输螺栓。

本发明实施例所带来的有益效果如下：

本发明实施例提供的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，通过在其固气耦合作用腔体内部设置可监测电磁辐射信号、声发射信号的传感器，和可监测电阻率变化信号的电阻率监测件及监测应变信号的应变信号的应变传感器，从而可监测煤岩试样在固气耦合状态下受载破坏过程中的多元物理信号变化情况。

附图说明

并入本文中并且构成说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起进一步用来对本发明的原理进行解释，并且使相关领域技术人员能够实施和使用本发明。

图1为本发明实施例提供的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置的固气耦合作用腔体的正视图；

图3为图2的侧视图；

图4为图3的剖视图；

图5为本发明实施例提供的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置测试过程示意图。

附图中各部件标记如下：

固气耦合作用腔体10；保护台11；注入口12；可视窗13；本体14；密封盖15；窗口固定件16；压力加载模块20；多气源注气控制模块30；真空泵31；第一截止阀32；第一压力传感器33；第一安全溢流阀34；气瓶35；第二截止阀36；第二压力传感器37；第二安全溢流阀38；煤岩试样40；电磁辐射传感器51；声发射传感器52；应变传感器53；电阻率监测件54；第一数据传输螺栓55；第二数据传输螺栓56；第三数据传输螺栓57；数据采集模块61；LCR测试仪62；控制主机63。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。

需要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例（无论是否明确描述）实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

可以理解的是，本发明中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，包括：固气耦合作用腔体10、压力加载模块20、多气源注气控制模块30和监测模块，所述固气耦合作用腔体10的腔体内部设有用于放置煤岩试样40的保护台11，腔体侧部设有用于供气体注入的注入口12；所述压力加载模块20可移动地设置于所述固气耦合作用腔体10的顶部，用于与外部压力机配合以向所述煤岩试样40的顶部加载压力；所述多气源注气控制模块30连接至所述注入口12，用于向所述固气耦合作用腔体10注入多源气体；所述监测模块至少包括：设置于所述固气耦合作用腔体10内部的电磁辐射传感器51、声发射传感器52、应变传感器53和电阻率监测件54；及，设置于所述固气耦合作用腔体10侧壁上的第一数据传输螺栓55、第二数据传输螺栓56和第三数据传输螺栓57，其中所述电磁辐射传感器51与所述第一数据传输螺栓55连接，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的电磁辐射信号；所述声发射传感器52与所述第二数据传输螺栓56相连，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的声发射信号；所述电阻率监测件54、所述应变传感器53与所述第三数据传输螺栓57相连，用于监测包括电阻率变化信号和应变信号在内的多元物理信号。

上述方案中，通过在所述固气耦合作用腔体10内部不仅设置可监测电磁辐射信号、声发射信号的传感器，还设置了可监测电阻率变化信号的电阻率监测件54及监测应变信号的应变信号的应变传感器53，从而可监测煤岩试样40在固气耦合状态下受载破坏过程中的多元物理信号变化情况，即可实现煤岩试样固气耦合状态下受载破坏过程中多物理量同步测试。

一种实施例中，如图5所示，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括：数据采集模块61、LCR测试仪62和控制主机63，所述数据采集模块61与所述监测模块连接，用于采集所述监测模块监测到的所述固气耦合作用腔体10内部的电磁辐射信号、声发射信号和应变信号；所述LCR测试仪62通过所述第三数据传输螺栓57与所述电阻率监测件54连接，用于获取所述煤岩试样40在固气耦合破坏过程的电阻率变化信号；所述控制主机63与所述数据采集模块61和所述LCR测试仪62连接，用于对所述电磁辐射信号、所述声发射信号、所述应变信号和所述电阻率变化信号的数据进行处理分析。

一种实施例中，所述电磁辐射传感器51可以为电磁辐射感应线圈。

一种实施例中，如图1所示，所述电阻率监测件54包括多个电阻率监测点，在实际实验中根据需要在所述煤岩试样40上布设电阻率监测点的具体位置。

一种实施例中，如图2至图5所示，所述固气耦合作用腔体10为至少一侧具有可视窗13的可视腔体结构，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括设置于所述可视窗13外的高速摄像机，所述高速摄像机用于采集所述煤岩试样40内部在固气耦合状态受载破坏过程中的裂隙场变化图像信息；所述控制主机63还用于对所述图像信息进行处理和分析。

具体地，所述可视窗13可以为高透光玻璃，其周围通过窗口固定件16固定在腔体侧壁上，且其周围可设置LED等光源，便于观察内部煤岩受载破坏过程的裂隙场变化。实验中可以通过所述高速摄像机对整个受载破坏过程进行记录，从而确定煤岩试样固气耦合破坏过程的裂隙场变化情况。

一种实施例中，如图1至图5所示，所述固气耦合作用腔体10为圆柱形腔体，其内径为Φ250±10mm，轴向长度为200±10mm。

一种实施例中，所述固气耦合作用腔体10包括：具有内腔的本体14和扣合于所述本体14的顶部开口上的密封盖15，所述本体14上设有安装所述第一数据传输螺栓55、第二数据传输螺栓56和第三数据传输螺栓57的螺栓安装口、以及与所述多气源注气控制模块30相连的气罐连接部；所述密封盖15与所述本体14可拆卸连接，且所述密封盖15与所述本体14的顶部开口之间密封。例如，所述密封盖15与所述本体14的顶部开口之间可通过密封条实现密封效果。

所述本体14和所述密封盖15可选用高强度碳钢材料铸造而成，内部承压可达到8MPa。

一种实施例中，所述第一数据传输螺栓55、第二数据传输螺栓56和第三数据传输螺栓57分别与对应的所述螺栓安装口之间通过气密封孔结构密封。

一种实施例中，如图1所示，所述压力加载模块20包括压载杆，所述固气耦合作用腔体10上设有通孔（例如图所示，所述密封盖15上设所述通孔），所述压载杆沿其轴向可滑动地连接至所述通孔内，且所述压载杆的直径为Φ60±1mm，轴向可移动行程为40mm，所述压载杆上用于抵顶于所述煤岩试样40的顶部的一端至所述固气耦合作用腔体10的内部底面距离大于或等于120±1mm。

一种实施例中，如图1和图5所示，所述的多气源注气控制模块30包括：并联至所述注入口12的第一支路和至少一个第二支路，所述第一支路包括：真空泵31及设置于所述真空泵31与所述注入口12之间的第一截止阀32、第一压力传感器33和第一安全溢流阀34；所述第二支路包括：气瓶35及设置于所述气瓶35与所述注入口12之间的第二截止阀36、第二压力传感器37和第二安全溢流阀38；其中，所述第二支路为至少两个时，至少两个所述第二支路上的气瓶35内气体不同，所述气瓶35内气体包括氮气、二氧化碳和瓦斯中的至少一种。

一种实施例中，如图1所示，所述第三数据传输螺栓57可选用24芯数据传输螺栓。24芯数据传输螺栓能实现电阻率、应变等物理信号的监测。

本发明实施例提供的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置可用于不同实验目的的实验，可根据具体实验要求选择所述监测模块中的传感器类型和数量、及所述电阻率监测件54的安装位置等来进行测试。

为了更为清楚说明本发明，以下对该煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置的实验过程进行举例说明。

实施例一

如图1和图5所示，本实施例中的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置上的监测模块包括电阻率监测件54、声发射传感器52和电磁辐射传感器51。该装置进行煤岩固气耦合多元地球物理信号融合测试实验方法如下：

如附图5所示，实验样品为Φ50×100mm的标准煤岩试样40，实验时放置于保护台11上，将电磁辐射传感器51与第一数据传输螺栓55连接，将声发射传感器52与第二数据传输螺栓56连接并固定，电阻率时序测试时，只需要在煤岩试样40两点布置电阻率监测件54（即电阻率监测点)，随后密封盖15扣合于本体14的顶部开口处，放置于压力机上；随后通过真空泵31抽取所述固气耦合作用腔体10内部的空气，然后通过瓦斯高压气瓶35向腔体内注入1.5MPa的瓦斯气体，随后保持恒压8h；之后将所述监测模块与所述数据采集模块61连接，其中，所述电磁辐射传感器51可与电磁辐射仪连接，所述声发射传感器52可与声发射监测设备连接，所述电阻率监测件54可与LCR测试仪62连接，在观察窗外放置高速摄像机；随后，启动压力机，压力机通过压载杆对煤岩试样40进行加载破坏，各传感器记录破坏过程的物理参数变化并保存在控制主机63；实验结束后，先排出废气，清理腔体内部试样残渣，再进行下一组实验。

实施例二

该装置进行煤岩固气耦合破坏过程视电阻率分布测试实验，实验过程如下：

如图1和图5所示，实验样品为Φ50×100mm的标准煤岩试样40，实验时将其放置于保护台11上，电阻率监测点分布在煤岩试样40两侧，每侧各8个电阻率监测点；同时，在煤岩试样40的前、后侧面可以布置应变传感器53，电阻率监测点与应变传感器53均通过24芯数据传输螺栓与外界数据监测设备相连；随后，将密封盖15扣合在本体14的顶部开口上，放置于压力机上；随后，通过真空泵31抽取腔体内部的空气，然后通过二氧化碳高压气瓶35向腔体内注入1MPa的二氧化碳气体，随后保持恒压8h；压力机加载方案设置为分级加载方式，每次恒压时间为1min；每次加载破坏后先释放废气，清理内部残渣后再进行下一组实验。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，包括：

固气耦合作用腔体，其腔体内部设有用于放置煤岩试样的保护台，腔体侧部设有用于供气体注入的注入口；

压力加载模块，所述压力加载模块可移动地设置于所述固气耦合作用腔体的顶部，用于与外部压力机配合以向所述煤岩试样的顶部加载压力；

多气源注气控制模块，所述多气源注气控制模块连接至所述注入口，用于向所述固气耦合作用腔体注入多源气体；

监测模块，所述监测模块至少包括：设置于所述固气耦合作用腔体内部的电磁辐射传感器、声发射传感器、应变传感器和电阻率监测件；及，设置于所述固气耦合作用腔体侧壁上的第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据传输螺栓，其中所述电磁辐射传感器与所述第一数据传输螺栓连接，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的电磁辐射信号；所述声发射传感器与所述第二数据传输螺栓相连，用于监测煤岩固气耦合破坏过程的声发射信号；所述电阻率监测件、所述应变传感器与所述第三数据传输螺栓相连，用于监测包括电阻率变化信号和应变信号在内的多元物理信号。

2.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括：

数据采集模块，与所述监测模块连接，用于采集所述监测模块监测到的所述固气耦合作用腔体内部的电磁辐射信号、声发射信号和应变信号；

LCR测试仪，与所述电阻率监测件连接，用于获取所述煤岩试样在固气耦合破坏过程的电阻率变化信号；

控制主机，与所述数据采集模块和所述LCR测试仪连接，用于对所述电磁辐射信号、所述声发射信号、所述应变信号和所述电阻率变化信号的数据进行处理分析。

3.根据权利要求2所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，

所述固气耦合作用腔体为至少一侧具有可视窗的可视腔体结构，所述煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置还包括设置于所述可视窗外的高速摄像机，所述高速摄像机用于采集所述煤岩试样内部在固气耦合状态受载破坏过程中的裂隙场变化图像信息；

所述控制主机还用于对所述图像信息进行处理和分析。

4.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，所述固气耦合作用腔体为圆柱形腔体，其内径为Φ250±10mm，轴向长度为200±10mm。

5.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，所述固气耦合作用腔体包括：

具有内腔的本体，所述本体的顶部开口，所述本体上设有安装所述第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据螺栓的螺栓安装口、以及与所述多气源注气控制模块相连的气罐连接部；和

扣合于所述本体的顶部开口上的密封盖，所述密封盖与所述本体可拆卸连接，且所述密封盖与所述本体的顶部开口之间密封。

6.根据权利要求5所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，所述第一数据传输螺栓、第二数据传输螺栓和第三数据传输螺栓分别与对应的所述螺栓安装口之间通过气密封孔结构密封。

7.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，所述压力加载模块包括压载杆，所述固气耦合作用腔体上设有通孔，所述压载杆沿其轴向可滑动地连接至所述通孔内，且所述压载杆的直径为Φ60±1mm，轴向可移动行程为40mm，所述压载杆上用于抵顶于所述煤岩试样的顶部的一端至所述固气耦合作用腔体的内部底面距离大于或等于120±1mm。

8.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，

所述多气源注气控制模块包括：

连接至所述注入口的第一支路，所述第一支路包括：真空泵及设置于所述真空泵与所述注入口之间的第一截止阀、第一压力传感器和第一安全溢流阀；

与所述第一支路并联连接至所述注入口的至少一个第二支路，所述第二支路包括：气瓶及设置于所述气瓶与所述注入口之间的第二截止阀、第二压力传感器和第二安全溢流阀；

其中，所述第二支路为至少两个时，至少两个所述第二支路上的气瓶内气体不同，所述气瓶内气体包括氮气、二氧化碳和瓦斯中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的煤岩固气耦合多物理量同步测试实验装置，其特征在于，

所述第三数据传输螺栓为24芯数据传输螺栓。

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