含瓦斯煤岩细观剪切试验装置

摘要

本发明公开了一种含瓦斯煤岩细观剪切试验装置，在夹具本体上开有试验腔，在所述试验腔内安装有开有试件放置腔的固定座，所述试件放置腔底部为台阶面，在所述夹具本体上开有贯穿上端面与所述试验腔的夹具本体垂直压轴孔，在该夹具本体开有贯穿左端面与所述试验腔的夹具本体水平压轴孔,在所述夹具本体垂直压轴孔内安装有垂直压轴，该垂直压轴下端伸入所述试件放置腔，在所述夹具本体水平压轴孔内安装有水平压轴，该水平压轴右端伸入所述试件放置腔；本发明能从细观的角度，对煤岩剪切破坏过程中裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程进行研究，为固-气耦合作用下煤岩剪切失稳破坏及煤与瓦斯突出机理研究提供了一种有效的试验手段。

说明书

技术领域

本发明涉及一种剪切试验装置，尤其是涉及一种能够进行不同应力、不同瓦斯压力状态下的含瓦斯煤岩剪切破坏过程试验的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象。近年来，煤与瓦斯突出事故频发，严重威胁着我国煤矿的安全生产。如何认识煤与瓦斯突出机理及依此提出相应的预测预防措施，提高我国煤矿生产的安全程度，是摆在煤炭行业科研工作者面前的一个亟待解决的科学难题。从综合作用假说的观点来看，煤与瓦斯突出实质上是应力、瓦斯耦合作用下煤体产生剪切破坏所形成的一种灾害现象。因此，开展应力、瓦斯耦合作用下煤体的剪切力学特性研究，特别是从细观的角度，对煤岩剪切破坏过程中裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程进行研究，可为煤与瓦斯突出相关现象给予更为科学的解释，对更深层次地揭示煤与瓦斯突出机理及更科学合理地提出预测预防措施具有重要的理论价值和工程指导意义。

目前，为了研究岩土体的强度特性，一些学者和科研单位进行了不懈的努力，研制出了形式各异的抗剪强度试验仪器。河海大学研制了大型单、直剪仪，用于测定粗粒料上体的抗剪强度，以及不同材料的接触面特性等方面的试验研

究。该仪器采用板式框架结构，造型美观，受力条件好；法向荷载及切向推力均用荷载传感器(电子测力计)测定，垂直及水平位移测量采用光栅位移传感器；系统所有液压及电气操作控制阀门、开关均集中安放于控制屏上，方便操作；设备配套有计算机自动数据采集处理系统，完成荷载、位移的采集存储，和水平推力的自动控制。此外，该设备还配套有直剪剪盒，可以进行直剪试验。成都理工大学研制了一种岩石直剪试验机，试验主机包括四立柱垂直荷载加载机架和四拉杆水平荷载加载机架、加载油缸、滚轴排系统与滚珠系统、剪切组件、球头与球座及荷载传感器等部件，液压稳压器与水平加载油缸之间连接一精密调速阀，测量系统由计算机进行数据采集处理，具有岩石直剪试验和直剪流变试验两大功能。中国科学院岩土力学重点实验室研制了现场室内两用大型直剪仪，可用于现场和室内试验。长江科学研究院土工研究所的室内DHJ60型叠环式剪切试验机，试样是尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的立方体，该种直剪仪的最大特点是消除了常规直剪仪中剪切面单一的缺点，使试样有可能沿最弱的剪切面发生破坏。四川大学水利水电学院研制了一台大型粗粒土直剪试验机，采用齿轮齿条机构来固定剪切面中心的位置，同时运用线性比列调压技术使正应力恒定，解决了剪切面中心位置偏移，剪切面上正应力分布不均的问题。

在岩土类材料的细观实验系统方面，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研制的岩土力学专用加载设备与X射线CT机配套，可以完成单轴、假三轴、周期载荷、高温和负温下的CT检测试验。中国矿业大学研制了SEM高温疲劳试验系统，可进行金属、非金属材料在静、动态加载时微细观结构变化和缺陷演化的实时观测。中国科学院武汉岩土力学研究所研制了岩石细观力学加载仪，利用光学体视显微镜观察单轴加载过程中岩样的4个平面变形破坏的全过程，此外还研制了应力–水流–化学耦合的岩石单轴、三轴压缩细观力学试验装置，该装置为开展多物理场耦合的试验研究提供了新的思路。然而针对含瓦斯煤岩的细观装置却比较少见，何学秋等研制了一种含瓦斯煤变形及破裂动态显微观测系统，其加载装置为设置有观测窗口的圆柱形压力缸，用5 mm浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧磨成平面宽度约为10～15 mm的平面，作为观测平面，观测系统采用长距离高倍显微镜，可以进行左右摆动。

重庆大学对含瓦斯煤岩的力学试验进行了卓有成效的研究，并研制了一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，中国专利号为ZL200820099768.9，名称为“含瓦斯煤岩细观力学试验系统”的发明专利记载了一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，在测试腔的敞口处固定透明视镜，透明视镜外设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架上安装体视显微镜及CCD摄像机；测量导线的内端连接声发射传感器，外端与声发射放大器和声发射卡相接；测试腔通过多用气孔与气管相通，气管分为两路，一路与高压气瓶相接，另一路与真空泵相接；在测试腔内设置有垫块、限位压头和加载头，垫块“L”形缺口的纵向面正对限位压头，垫块“L”形缺口的横向面正对加载头。此种结构虽然能够进行不同受力状态和瓦斯压力条件下软弱煤岩的细观力学试验，为固–气耦合条件下煤岩失稳破坏的理论分析提供一定试验手段，但是也存在诸多不足：第一该装置主要实现的是单轴、平面应变、三轴(σ₂=σ₃)等受力状态下的试验测试，未能实现含瓦斯煤岩的剪切试验；第二是在测试腔内设置的是一个圆弧形垫块，同时未设置试件定位装置，因此试件放置在其上时，固定效果差，从而会造成测量数据的不准确；第三是侧向安装的只是一个限位装置，不能实现加载功能。

综上分析可见，已有的设备在功能上要么局限于岩土类材料的剪切特性的研究，要么局限于含瓦斯煤岩在单轴、平面应变、三轴等受力状态下细观力学性能方面的研究，目前还缺乏一种有效的试验方法及设备来开展含瓦斯煤体在剪应力作用下微裂纹动态演化规律方面的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种对不同应力、不同瓦斯压力耦合作用下的煤岩剪切破坏过程中微裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程进行研究的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置。

本发明的技术方案如下：设计的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置，其要点是：A、在夹具本体上开有贯穿该夹具本体前后端面的试验腔，在所述夹具本体上开有贯穿上端面与所述试验腔的夹具本体垂直压轴孔，在该夹具本体开有贯穿左端面与所述试验腔的夹具本体水平压轴孔；B、在所述试验腔内安装有固定座，在该固定座上开有试件放置腔，所述试件放置腔底部为左高右低的由第一底面和第二底面构成的台阶面，在所述固定座上开有贯穿该固定座左端面与试件放置腔的固定座水平压轴导向槽， 所述夹具本体垂直压轴孔与所述第二底面正对，在所述固定座上固定有定位板，该定位板右端伸向所述试件放置腔，并位于所述第一底面的正上方；C、在所述夹具本体垂直压轴孔内安装有垂直压轴，该垂直压轴下端伸入所述试验腔，在所述夹具本体水平压轴孔内安装有水平压轴，该水平压轴右端伸入所述固定座水平压轴导向槽；D、在所述夹具本体前后端均分别盖装有前盖和后盖，在所述后盖上开设进出气孔和测量导线接头安装孔，在所述前盖上固定有透明视镜观察窗。

本发明是在传统剪切试验装置的诸多不足的基础上进行创造性设计的，以上结构中夹具本体上开有贯穿该夹具本体前后端面的试验腔，在该夹具本体前后端均分别盖装有前盖和后盖，如此在将本发明放置在加压工作台上，使得本发明的结构简单且紧凑，在前盖上固定有透明视镜观察窗，此种结构能够使得试验过程中很好的观测试验腔内含瓦斯煤岩的破坏过程，同时，在所述前盖开设进出气孔和测量导线接头安装孔，通过进出气孔能够使试验腔与外界的瓦斯供给系统相通，该瓦斯供给系统由真空泵、压力表、三通控制阀、高压气瓶、气管等组成，如此能够使本发明能够对不同瓦斯压力耦合作用下的煤岩剪切破坏过程中微裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程进行试验，可通过测量导线接头安装孔使安装声发射探头与测量导线内接头连接，测量导线外接头与声发射信号放大器连接，并使声发射信号放大器与计算机连接，体视显微镜与CCD摄像机链接，CCD摄像机与计算机链接，如此能够从细观的角度观测到煤岩剪切破坏过程中微裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程。

以上结构中所述试验腔内安装有固定座，将试件放置在试件放置腔内，由于所述试件放置腔底部为左高右低的第一底面和第二底面构成的台阶面，因此试件下端左部与所述第一底面紧贴，下端右部处于悬空状态，同时固定座上固定有定位板将试件压住，如此即可实现试件的固定放置，需要进行垂直方向的剪切试验时，垂直压轴在加压机的作用下向下运动，并对试验的右部施压，如此即可实现对试件的剪切，垂直压轴的压力可根据需要对加压机的压力进行调节；需要进行水平方向的破坏试验时，水平压轴在加压装置的作用下对试件进行加压，同时，加压力也可通过加压装置进行调节，从而实现不同应力、不同瓦斯压力耦合作用下的煤岩剪切破坏过程中微裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程。

所述夹具本体水平压轴孔为左大右小的阶梯孔，在该夹具本体水平压轴孔安装有第一导向套，该第一导向套外套在所述水平压轴外，并该第一导向套右端抵在所述夹具本体水平压轴孔内的台阶上，在所述第一导向套右侧的水平压轴上套装有第一密封圈。以上结构中设置第一导向套后水平压轴的运动更加可靠，设置第一密封圈能够很好的防止试验腔内瓦斯的泄露，如此能够很好的保证试验的准确性。

同理，为了保证垂直压轴运动的可靠性，防止试验腔内瓦斯的泄露，很好的保证试验的准确性，所述夹具本体垂直压轴孔为上大下小的阶梯孔，在该夹具本体垂直压轴孔安装有第二导向套，该第二导向套外套在所述垂直压轴外，并该第二导向套下端抵在所述夹具本体垂直压轴孔内的台阶上，在所述第二导向套下方的垂直压轴上套装有第二密封圈。

为了在试验过程中能够更加方便的将试件放置到试件放置腔内，在所述固定座上开有贯穿该固定座右端面与所述试件放置腔的试件放入孔，并该所述试件放入孔与所述固定座水平压轴导向槽正对。

在所述试件放置腔内放置有定位减摩挡板，该定位减摩挡板右端面贴紧所述试件放置腔的内壁，并该定位减摩挡板与所述固定座水平压轴导向槽正对，所述定位减摩挡板由挡板和滚柱组成，在所述挡板上横向开有一组弧形滚柱安装槽，所述滚柱卡在该滚柱安装槽内，且该滚柱能够在所述滚柱安装槽内滚动。以上结构中创造性地设置了定位减摩挡板，放置在试件放置腔内的试件紧贴在该定位减摩挡板上，在剪切试验过程中，试件右端部在垂直压轴的作用下向下运动，由于定位减摩挡板上滚柱的存在，因此试件剪切的一部能够做滚动运动，采用滚动替换滑动，大大的降低了摩擦阻力，从而提高了试验的精度。

在所述水平压轴左部设有限位台阶，在该水平压轴上套装有压缩弹簧，该压缩弹簧一端抵在所述限位台阶上，另一端抵在所述第一导向套上，以上结构采用设置压缩弹簧，能够使水平压轴在试验完成后自动复位。

在所述水平压轴右端固定有水平压轴过渡压头，在该水平压轴左端固定有侧向加载机构，所述侧向加载机构由微型千斤顶固定腔座、微型千斤顶和数显压力传感器组成，其中所述微型千斤顶固定腔座固定在所述夹具本体左端，在该微型千斤顶固定腔座内安装有微型千斤顶，该微型千斤顶活塞端固定有数显压力传感器，该数显压力传感器抵在所述水平压轴左端，采用以上结构水平压轴过渡压头能够避免水平压轴过短造成行程不够，微型千斤顶的存在能够在保证加压的同时结构更加简单，设置数显压力传感器能够对微型千斤顶所施加的压力进行观察。

在所述固定座后端面上固定有4颗定位销，该4颗定位销后端均抵在所述后盖上，以上结构能够很好的防止固定座在试验过程中的晃动。

有益效果：1、本发明可进行流固耦合作用下煤岩及中软岩石的剪切力学试验，特别是为瓦斯压力作用下煤岩剪切细观力学试验提供了更为可靠的试验手段，为从细观角度研究煤与瓦斯突出机理提供了新的试验方法。

2、本发明可进行多种形式的试验。本发明对试件夹具和侧向限位装置进行了灵活的设计，即可进行限制性剪切也可进行非限制性剪切试验，即可进行含瓦斯煤岩的剪切细观力学试验也可进行不含瓦斯煤岩或岩石的剪切细观力学试验，试件的安装、调试及拆卸也更为方便。

3、本发明具有良好的气密性。考虑到充气和抽真空对密封性的不同要求，本装置的垂向压轴和侧向压轴与试验本体间均采用O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件进行密封，前盖和后盖与试验本体间采用O型密封圈进行密封，保证了装置整体的密封效果，能进行不同瓦斯压力作用下的剪切细观力学试验，使试验研究条件更加接近现场实际。

4、本发明的测试手段多样化。本发明在试验过程中通过压力试验机记录剪切应力-应变曲线，通过裂纹观测系统进行试验过程中裂纹发展的实时显微图像观测及采集，通过声发射系统进行试件内部损伤的声发射信号的采集，为从细观角度研究煤与瓦斯突出机理提供了全方位的研究参数。

5、本发明整体设计上具有结构简单，加工成本低，可靠性好，操作方便等特点。本装置在满足实验要求的前提下，对各部件的尺寸进行了优化，既满足了结构上的简单化，同时也大大降低了加工成本。从对前期砂岩试件的试验结果来看，装置的可靠性高，操作上也方便。

附图说明

图1是本发明的结构意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为图1中固定座4的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为图1中定位减摩挡板12的结构示意图；

图7为图6的左视图；

图8为图6的俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

请参见图1、图2和图3：所示的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置，由夹具本体1、固定座2、定位板3、垂直压轴4、水平压轴5、前盖6、后盖7、透明视镜观察窗8等构成，在夹具本体1上开有贯穿该夹具本体1前后端面的试验腔1a，该试验腔1a为方形试验腔，在所述夹具本体1上开有贯穿上端面与所述试验腔1a的夹具本体垂直压轴孔1b，所述夹具本体垂直压轴孔1b为上大下小的阶梯孔，在该夹具本体垂直压轴孔1b安装有第二导向套11，并该第二导向套11下端抵在所述夹具本体垂直压轴孔1b内的台阶上，在所述夹具本体垂直压轴孔1b内的第二导向套11内穿设有垂直压轴4，该垂直压轴4下端伸入所述试验腔1a，并在所述第二导向套11下方的垂直压轴4上套装有第二密封圈19，该第二密封圈19采用O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件进行密封，在该夹具本体1开有贯穿左端面与所述试验腔1a的夹具本体水平压轴孔1c，所述夹具本体水平压轴孔1c为左大右小的阶梯孔，在该夹具本体水平压轴孔1c安装有第一导向套9，并该第一导向套9右端抵在所述夹具本体水平压轴孔1c内的台阶上，在所述夹具本体水平压轴孔1c内的第一导向套9内穿设有水平压轴5，该水平压轴5右端伸入所述固定座水平压轴导向槽2b，在所述第一导向套9右侧的水平压轴5上套装有第一密封圈10，该第一密封圈10也采用O型密封圈和两个Yx型密封圈构成的组合密封件进行密封；

结合图1～图5可以看出：在所述试验腔1a内安装有固定座2，在该固定座2上开有试件放置腔2a，在所述固定座2上开有贯穿该固定座2右端面与所述试件放置腔2a的试件放入孔2c，并该所述试件放入孔2c与所述固定座水平压轴导向槽2b正对，所述试件放置腔2a底部为左高右低的第一底面2a′和第二底面2a″构成的台阶面，在所述固定座2上开有贯穿该固定座2左端面与试件放置腔2a的固定座水平压轴导向槽2b，并所述固定座水平压轴导向槽2b与所述夹具本体水平压轴孔1c正对，所述夹具本体垂直压轴孔1b与所述第二底面2a″正对，在所述固定座2上固定有定位板3，该定位板3右端伸向所述试件放置腔2a，并位于所述第一底面2a′的正上方，在所述定位板3右部伸出端上开有螺栓孔，当将试件放入所述试件放置腔2a时，为了防止定位板3不能很好的将试件压住，因此在所述定位板3与试件之间还增设了垫板20，该垫板20上开有与所述定位板3上的螺杆孔正对的凹坑，在所述定位板3上的螺杆孔内装入螺杆，该螺杆的下端抵在所述垫板20的凹坑内，旋转螺杆，该螺杆就会给垫板20一个向下的力，从而将试件牢牢固定；

在所述夹具本体1前后端均分别盖装有前盖6和后盖7，在所述后盖7开设进出气孔7a和测量导线接头安装孔7b，在所述前盖6上固定有透明视镜观察窗8，在所述固定座2后端面上固定有4颗定位销18，该4颗定位销18后端均抵在所述后盖7上，所述前盖6与夹具本体1之间、后盖7与夹具本体1之间均采用O型密封圈进行密封，如此能够防止瓦斯气体的泄漏，上述进出气孔6a与本发明外的瓦斯供给系统相贯通，该瓦斯供给系统由真空泵、压力表、三通控制阀、高压气瓶、气管等组成，上述的测量导线接头安装孔使安装声发射探头与测量导线内接头连接，测量导线外接头与声发射信号放大器连接，并使声发射信号放大器与计算机连接，体视显微镜与CCD摄像机链接，CCD摄像机与计算机链接，如此能够从细观的角度观测到煤岩剪切破坏过程中微裂纹的产生、扩展直至断裂的动态过程。

结合图1、图2、图3、图6、图7和图8可以看出：在所述试件放置腔2a内放置有定位减摩挡板12，该定位减摩挡板12右端面贴紧所述试件放置腔2a的内壁，并该定位减摩挡板12与所述固定座水平压轴导向槽2b正对，所述定位减摩挡板12由挡板12a和滚柱12b组成，所述挡板12a上开有纵向宽槽，并在该挡板12a上横向开有一组弧形滚柱安装槽，所述滚柱12b卡在该滚柱安装槽内，且该滚柱12b能够在所述滚柱安装槽内滚动。

图1中：在所述垂直压轴4下端固定有垂直压轴过渡压头13；在所述水平压轴5左部设有限位台阶5a，在该水平压轴5上套装有压缩弹簧14，该压缩弹簧14一端抵在所述限位台阶5a上，另一端抵在所述第一导向套9上。

结合图1、图2和图3还可以看出：在所述水平压轴5右端固定有水平压轴过渡压头15，在该水平压轴5左端固定有侧向加载机构，所述侧向加载机构由微型千斤顶固定腔座16、微型千斤顶17和数显压力传感器18组成，其中所述微型千斤顶固定腔座16固定在所述夹具本体1左端，在该微型千斤顶固定腔座16内安装有微型千斤顶17，该微型千斤顶17活塞端固定有数显压力传感器18，该数显压力传感器18抵在所述水平压轴5左端。

本发明是这样来工作的：

（1）试件制备。原煤：将从现场取来的原始煤块切割成立方体方块，用磨床将切割出的煤块小心仔细地打磨成40×40×40 mm的原煤煤样，然后用细砂纸对六个面进行抛光处理后，并将之置于烘箱内烘干，再用干燥箱存放，以备实验之用；型煤：将所取原始煤块用粉碎机粉碎，通过振动筛筛选煤粒粒径为60～80目之间的煤粉颗粒，然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在200t刚性实验机上以100MPa的压力压制成40×40×40 mm的煤样，最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内以备实验时用。

（2）试件安装。将固定座2从试验腔1a中取出，把试件放在固定座2中部，试件的二分之一正对第二底面2a″，其侧面紧贴在定位减摩挡板12上，另二分之一用定位板3夹持，并紧好定位螺杆，将垂直压轴过渡压头13置于正对第二底面2a″的试件之上，水平压轴过渡压头15置于固定座水平压轴导向槽2b中，并顶靠在试件的侧面。

（3）装机。将试验本体放置于压力试验机加载台上，并根据裂纹观测系统的观测方向调整好位置，使垂向压轴4与试验机加载头处于同一中心线上；将声发射探头贴在试件非观测面上，并用声发射信号传输线将探头与计算机系统连接好；把固定座2放入试验腔1a内，将垂向压轴4和水平压轴5分别与垂直压轴过渡压头13和水平压轴过渡压头15接触好，用压力试验机和液压油泵分别给垂向压轴4和水平压轴5施加一定的预紧力；上好前盖6和后盖7将试验腔1a密封；连接好瓦斯供给系统；连接好裂纹观测系统；并检查各系统工作是否正常。

（4）真空脱气。检查试验腔1a的气密性，打开三通阀门，用真空泵进行脱气，脱气时间一般2~3h，以保证良好的脱气效果。

（5）充气吸附平衡。脱气后，关闭三通阀门，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，施加预定的瓦斯压力，向试验腔内充气，充气时间一般为24h，使煤样瓦斯充分吸附平衡。

（6）进行试验。开启压力试验机和各测量系统，按照制定的试验方案进行不同条件下的加载。通过压力试验机系统记录剪应力和剪切位移；通过声发射系统记录试件内部损伤发出的声发射信号；通过裂纹观测系统观测裂纹的发展并捕捉图片。一个试件做完后，拆卸试件，并重复（2）~（6）步骤进行下一轮试验。

（7）测定参数。所要记录的参数有：剪应力、剪切位移、瓦斯压力、正应力、裂纹发展的图片及录影、声发射信号等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。