一种煤岩固气耦合细观力学加载装置

摘要

一种煤岩固气耦合细观力学加载装置，在试验体上开设测试腔、测量孔和多用气孔，测试腔的敞口处固定透明视镜，在测量孔内设测量导线，所述多用气孔的内端口位于测试腔的内壁，外端口连接有气管；在测试腔内设置垫块、限位压头和加载头，其中垫块的上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的纵向面正对限位压头，限位压头固定于限位杆的内端，“L”形缺口的横向面正对加载头，该加载头固定于加载杆的下端。本发明既可进行固气耦合环境下单轴力学试验，也可进行固气耦合环境下平面应变力学试验，为进行实时显微观测的图像信号和声发射信号采集的固气耦合细观力学试验提供可靠的试验条件，使煤与瓦斯突出机理的试验研究环境更加接近矿山实际。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含瓦斯煤岩的细观力学试验装置，尤其涉及煤岩固气耦合细观力学加载装置，适用于不同瓦斯压力作用下煤岩失稳破坏变形全过程的细观力学试验。

背景技术

随着我国煤炭采掘深度和强度的不断加大，矿井煤岩动力灾害愈发严重，对我国国民生产带来了极大的负面影响，其中尤以煤与瓦斯突出最为严重。研究煤与瓦斯共同作用机理，煤与瓦斯在资源开采中的动态作用过程，对我国及世界煤炭工业的发展，防治矿井煤与瓦斯突出灾害，具有重要的技术支撑作用。当前，在煤与瓦斯突出机理的研究中，复杂条件下煤体物理力学特性是揭示煤与瓦斯突出过程中煤与瓦斯相互作用机理的重要途径，已有的宏观试验研究还有许多不能解释的现象。从细观力学研究的角度出发，结合煤体宏观的变形破坏特征，掌握含瓦斯煤体细观变形破坏的规律，可以为煤与瓦斯突出的有关问题给予更科学的解释，对进一步揭示煤与瓦斯突出机理及提出更加科学合理的防治技术具有重要的理论和工程应用价值。

目前，许多学者已经开始从细观角度研究瓦斯作用下煤岩的变形及破坏过程。刘宝琛等利用刚性加载系统和扫描电镜对大同矿区硬煤进行了力学试验及静态显微观测，由于扫描电镜对试验环境真空度要求较高，该类试验未涉及煤与瓦斯突出有关的固气耦合环境；葛修润等利用自行设计与研制的与CT机配套的专用加载设备，进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏过程的细观损伤演化规律的即时动态CT试验，但是此设备仍然无法实现瓦斯压力下的试验；冯夏庭等发明了可进行应力-水流-化学腐蚀三场耦合和不同围压下岩石破裂细观力学试验，并对试样的裂纹扩展过程进行显微放大和CCD观测(申请号：200410061234.3)，它的不足是不能进行瓦斯压力作用下的煤样试验；何学秋教授等曾对含瓦斯煤变形及破坏过程的显微观测进行了研究，并实现了显微观测与动态试验相结合，但其煤样试件受力状态单一，观测范围仅是试件一侧面积很小的局部，缺少试件破坏的声发射参数观测，测试结果的全面性、可对比性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种煤岩固气耦合细观力学加载装置，能进行单轴和平面应变加载条件下固气耦合试验，并实现实时显微观测和声发射信号的采集。

本发明的技术方案如下：一种煤岩固气耦合细观力学加载装置，在试验体上开设有测试腔、测量孔和多用气孔，其中测试腔的敞口处通过压盖固定有透明视镜，在所述测量孔内穿设测量导线，该测量导线的内端位于测试腔中，测量导线的外端从试验体的侧面引出，所述多用气孔的内端口位于测试腔的内壁，多用气孔的外端口在试验体的侧面，且外端口处连接有气管；在所述测试腔内设置有垫块、限位压头和加载头，其中垫块的上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的纵向面正对限位压头，限位压头固定于限位杆的内端，限位杆的外端伸出试验体外，并由锁紧机构限位，所述“L”形缺口的横向面正对加载头，该加载头固定于加载杆的下端，所述加载杆的上端向上伸出试验体外。

本发明中，测试腔是试验进行的场所，用于放置测试件；测试腔内有垫块和限位压头，可限制测试件侧向位移，提供平面应变加载状态。透明视镜主要提供测试腔内的固气耦合环境和创造试件破坏的显微观测条件。测量导线与试验体外的测量仪器连接，以传递声发射、应变、应力等测量信号，实现对试件破坏过程的全面测量。多用气孔引出的气管分成两路，一路与抽真空设备连接，另一路与外界高压供气设备连接，以便在压力试验前按要求对测试腔进行抽真空和充瓦斯操作。

本发明用于试验时，先将压盖和透明视镜拆下，将测量导线的内端探头贴靠在煤岩测试件表面，然后把煤岩测试件放置于垫块“L”形缺口的横向面上，调节锁紧机构，使限位杆向内伸，限位压头顶靠在测试件的侧面，并施加一定的压力，测试件被夹紧在限位压头与垫块“L”形缺口的纵向面之间，再将透明视镜还原，密封，紧固。接着将本装置整体放置在刚性试验机上，开启抽真空设备，通过气管及多用气孔对测试腔内进行抽真空，达到一定真空度后，关闭抽真空设备；开启高压供气设备，通过气管及多用气孔对测试腔内进行充瓦斯，达到一定压力后，使压力稳定并保持一定时间，使测试腔内测试件对瓦斯进行充分吸附。开启试验机和测量仪器，试验机通过加载杆和加载头将压力传递到测试件上，进行瓦斯压力作用下的固气耦合力学试验，试验体透明视镜外侧便可进行实时显微观测，测量仪器通过测量导线采集声发射、应变、应力等测量信号，实现对测试件破坏过程的全面测量。

不同瓦斯压力和不同荷载对煤岩试件的破坏方式、过程、速率等都会有不同的影响。本发明装置就是为需要进行平面图像信号和声发射信号采集的细观力学试验提供有效手段，为不同状况下固气耦合煤岩失稳破坏的理论分析提供试验基础。

上述锁紧机构由刚性锁紧立柱、锁紧梁和锁紧螺母构成，两根刚性锁紧立柱垂直固定于试验体的侧面，并分居在限位杆的上、下两侧，在两刚性锁紧立柱上活套锁紧梁，该锁紧梁内表面的中部对限位杆外端固套的预紧螺母限位，锁紧梁外表面的上、下部分别由两根刚性锁紧立柱上套装的锁紧螺母限位。锁紧机构和限位杆及限位压头是为模拟平面应变加载状况而设计的，调节两个锁紧螺母，使锁紧梁朝着试验体的方向运动，锁紧梁将限位杆及限位压头向内顶，从而使测试件侧面受到一定限位作用力。以上机构不仅简单实用，而且可靠性好。

为了便于加工及装配，上述测试腔为圆形，并呈内小外大的台阶状，所述垫块、限位压头和加载头位于测试腔的小直径段内，而透明视镜和压盖位于测试腔的大直径段内。

为了使垫块放置到测试腔内定位方便、稳定，上述垫块与测试腔的腔壁采用弧面接触。该弧面的半径与所述测试腔小直径段的半径相等。

为方便拆装，并使得透明视镜固定牢靠，上述透明视镜为圆盘形，压盖为圆环形，压盖设置在透明视镜的外边缘上，并通过圆周上均匀分布的螺钉与试验体固定。

上述透明视镜与试验体之间通过O型密封圈密封；加载杆与试验体之间采用O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件密封，组合密封件的外面由小盖限位，小盖通过螺钉固定在试验体上；所述限位杆与试验体之间的密封方式与加载杆相同。以上设计能确保测试腔在抽真空(负压)和充瓦斯气体(正压)情况下均具有良好的气密性。

本发明的有益效果是：

1、能为进行实时显微观测和声发射信号采集的固气耦合细观力学试验提供可靠的试验基础。

2、多样的试件夹具和侧向限位设施，保证了本发明既可进行单轴力学试验，也可进行平面应变力学试验。

3、本装置具有良好的气密性和耐爆性，能进行不同瓦斯压力作用下的细观力学试验，特别是为瓦斯压力作用下煤岩细观力学试验创造了与矿山实际更加接近的试验条件。

4、本装置结构简单，加工成本低，可靠性好，能够对长方体、圆柱体等多种形状、不同尺寸的测试件进行试验，适用面广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，试验体1为正方体结构，在试验体1上开设有测试腔2，该测试腔2的开口位于试验体1的正面，测试腔2为圆形，并呈内小外大的台阶状。透明视镜6和压盖5位于测试腔2的敞口处即大直径段内，其中透明视镜6为圆盘形，透明视镜6的内表面由测试腔2内的台阶面限位，透明视镜6与试验体1之间通过O型密封圈密封，压盖5为圆环形，压盖5设置在透明视镜6的外边缘上，并通过圆周上均匀分布的螺钉与试验体1固定。所述透明视镜为整个试验过程的显微观测创造了试验条件。

从图1、图2可知，在测试腔2的右侧开设有测量孔3和多用气孔4，测量孔3位于多用气孔4的上方，测量孔3的内端口位于测试腔2的内壁，测量孔3的外端口在试验体1的右侧面。在所述测量孔3内穿设测量导线7，该测量导线7的内端位于测试腔2中，测量导线7的外端穿过测量孔3内设置的密封件，并从试验体1的右侧面引出，然后与相应的测量仪器(图中未画出)连接，测量仪器通过测量导线7采集声发射、应变、应力等测量信号，以实现对测试件破坏过程的全面测量。所述多用气孔4的内端口位于测试腔2的内壁，多用气孔4的外端口在试验体1的右侧面，且外端口处连接有气管8，该气管8引出的气管分成两路，一路与抽真空设备连接，另一路与外界高压供气设备连接，以便在压力试验前按要求对测试腔进行抽真空和充瓦斯操作。

从图1、图2中进一步可知，在所述测试腔2的小直径段内设置有垫块9、限位压头10和加载头11，其中垫块9与测试腔2的腔壁呈弧面接触，该弧面的半径与所述测试腔2小直径段的半径相等。在垫块9的左上部开设有“L”形缺口，该“L”形缺口的横向面正对加载头11，该加载头11固定于竖直布置的加载杆12的下端，加载杆12的上端向上伸出试验体1的上表面外，加载杆12的上下运动由刚性试验机控制，刚性试验机为公知公用技术，其结构及原理在此不做赘述。所述试验体1上供加载杆12穿设的孔的上端为台阶状，且台阶段内设置有O型密封圈17和两个Yx型密封圈18构成的组合密封件，组合密封件的外面有小盖19，组合密封件对加载杆12和试验体1之间进行密封，小盖19通过螺钉固定在试验体1上，对组合密封件限位。

从图1、图2中还可知，垫块9“L”形缺口的纵向面正对限位压头10，限位压头10固定于水平布置的限位杆21的内端，限位杆21的外端伸出试验体1的左侧面外，且外端的端部套装预紧螺母16。两根刚性锁紧立柱13垂直固定于试验体1的左侧面，并分居在限位杆21的上、下两侧，在两刚性锁紧立柱13上活套锁紧梁14，该锁紧梁14内表面的中部对限位杆21限位，锁紧梁14外表面的上、下部分别由两根刚性锁紧立柱13上套装的锁紧螺母15限位。所述试验体1上供限位杆21穿设的孔的外端为台阶状，且台阶段内安装有O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件，组合密封件的外面有小盖，组合密封件套于限位杆21上，对限位杆21和试验体1之间进行密封，小盖通过螺钉固定在试验体1上，对组合密封件限位。

本发明是这样工作的：

1、先将压盖5和透明视镜6拆下，将测量导线7的内端探头贴靠在煤岩测试件20表面，然后把测试件20放置于垫块9“L”形缺口的横向面上，调节两个锁紧螺母15，使锁紧梁14朝着试验体1的方向运动，锁紧梁14将限位杆21及限位压头10向内顶，从而使测试件20侧面受到一定的限位作用力，测试件20被夹紧在限位压头10与垫块9“L”形缺口的纵向面之间，再将透明视镜6和压盖5还原，密封，紧固。

2、将本装置整体放置在刚性试验机上，加载杆12正对试验机的加载头。

3、开启抽真空设备，通过气管8及多用气孔4对测试腔2进行抽真空，达到一定真空度后，关闭抽真空设备。

4、开启高压供气设备，通过气管8及多用气孔4对测试腔内进行充瓦斯，达到一定压力后，使压力稳定并保持一定时间。

5、开启试验机和测量仪器，试验机通过加载杆12和加载头11将压力传递到测试件20上，进行瓦斯压力作用下的固气耦合力学试验，试验体透明视镜6外侧便可进行实时显微观测，通过测量导线7利用测量仪器采集声发射、应变、应力等测量信号，以实现对测试件破坏过程的全面测量。