一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元

摘要

本发明公开了一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元，包括顶底板夹具，侧向非卸载面夹具，侧向卸载面夹具和声发射探头组件；所述顶底板夹具为两个，每个夹具包含一个位于夹具中心的声发射探头组件；侧向非卸载面夹具为三个，每个夹具各包含两个呈对角线布置的声发射探头组件。该监测单元不仅可以直接接触煤岩体进行准确监测，而且可以实现三轴加载、保压及单面卸载的功能，同时可以准确探测煤岩体受载期间的微破裂事件与清晰波形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测单元，特别是一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，世界各国对各种矿产资源的需求量均日益增加，埋藏于浅层的矿产资源已远远不能满足人类的需要，各国对资源的开采活动不断向地层深部延伸。虽然目前人类对浅层的地下工程有了一系列完整的研究成果，但是由于深部岩体在高地应力的作用下，其变形破坏机理与浅部岩体有很大不同，人类采用多种物理手段探测发现，深部巷道围岩的破坏会出现破裂区与非破裂区交替出现的分区破裂化现象。

相比于常规三轴实验，真三轴实验可将围压进一步划分为中间主应力(σ₂)与最大(小)主应力(σ₁(σ₃))，实现三向应力的独立控制，可更加真实地模拟复杂地质条件下由地下工程开挖所引起的复杂应力路径的演化，深层次探究深部煤岩体的力学性能与破坏机制。

作为一种广泛采用的无损监测方法，声发射法通过对检测对象进行声发射识别，确定检测对象的损伤性质与程度，满足了快速动态监测和损伤评价的要求。在岩石力学实验中，当加载压力仅为煤岩结构损坏所需压力的20％时，便会产生应力波并传播能量，且声发射信号强度将随加载压力的增加而愈发剧烈。因此，通过在煤岩体试样周围安放多个声发射探头，进行实验期间的同步采集与数据处理分析，便可对煤岩体的失稳破坏特性进行评价。

目前大多数现有的真三轴实验只能通过在油缸、夹具外部安装超声波、声发射等监测设备进行探测，无法直接接触煤岩体进行准确监测，由此将产生较大的监测误差，同时也较难定位到内部的裂隙位置。

虽然有些专利设计出了能够实现微破裂准确定位的真三轴物理力学成像单元，但还无法实现单面卸荷、动载冲击等复杂应力路径的实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元，不仅可以直接接触煤岩体进行准确监测，而且可以实现三轴加载、保压及单面卸载的功能，同时可以准确探测煤岩体受载期间的微破裂事件与清晰波形。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元，包括顶底板夹具，侧向非卸载面夹具，侧向卸载面夹具和声发射探头组件，所述顶底板夹具为两个，每个夹具包含一个位于夹具中心的声发射探头组件，侧向非卸载面夹具为三个，每个夹具各包含两个呈对角线布置的声发射探头组件；

所述侧向非卸载面夹具包括临试样夹具组件一和临压头夹具组件一，所述临试样夹具组件一和所述临压头夹具组件一通过螺栓连接，所述临试样夹具组件一呈对角线设置有沿其厚度方向贯通的圆孔一、与圆孔一相通并垂直于侧边的凹槽一，所述临压头夹具组件一呈对角线设置有沿其厚度方向的盲孔一、与盲孔一相通并垂直于侧边的凹槽二，所述圆孔一与盲孔一同轴，盲孔一的直径大于圆孔一的直径，形成台阶孔一，凹槽一与凹槽二的形状、位置对应，形成侧向非卸载面夹具凹槽；

所述顶底板夹具包括临试样夹具组件二和临压头夹具组件二，临试样夹具组件二和临压头夹具组件二通过螺栓连接，所述临试样夹具组件二的中心处开有沿其厚度贯通的圆孔二、与圆孔二相通并垂直于侧边的凹槽三，所述临压头夹具组件二设置有沿其厚度方向的盲孔二、与盲孔二相通并垂直于侧边的凹槽四，所述圆孔二与盲孔二同轴，盲孔二的直径大于圆孔二的直径，形成台阶孔二，凹槽三与凹槽四的形状、位置对应，形成顶底板夹具凹槽；

所述侧向卸载面夹具为实心矩形钢板；

所述声发射探头组件包括探头、防剪切保护套筒和缓冲压紧弹簧，所述防剪切保护套筒为台阶式空心圆柱体，所述防剪切保护套筒的侧边开有贯通槽，其槽宽与非卸载面夹具凹槽、顶底板夹具凹槽的槽宽相等，所述探头安装于防剪切保护套筒内，防剪切保护套筒的大轴安装在盲孔中、小轴安装在圆孔中，缓冲压紧弹簧的一端抵在探头的后端、另一端抵在盲孔的底端，所述探头上设置有探头连接线，探头连接线从防剪切保护套筒及所在夹具组件的凹槽穿出；

所述侧向非卸载面夹具和侧向卸载面夹具通过螺丝和L型压紧连接片两两连接。

进一步，所述防剪切保护套筒的大小与台阶孔一、台阶孔二间隙配合。

进一步，所述临试样夹具组件一和所述临压头夹具组件一通过设置在四角处的4个螺栓连接。

进一步，所述临试样夹具组件二和所述临压头夹具组件二通过设置在四角处的4个螺栓连接。

与现有技术相比：(1)在满足实验期间声发射监测装置与走线不影响到预定功能、实验系统在执行功能时不影响声发射装置对煤样的连续准确监测的前提下，本发明利用真三轴采动煤岩体动力显现实验系统实现了三轴加载、保压及单面卸载的功能。

(2)本申请实现了声发射探头实时紧贴煤样表面，探头布置形式能够监测到试样内各个区域，反射波阻隔垫片消除反射波的问题，能够用来准确探测试样受载期间的微破裂事件与清晰波形。

(3)在真三轴受载煤样进行监测时，声发射探头后侧安装缓冲压紧弹簧，具备可伸缩特性，有效防止了声发射探头由于试样的塑性变形承受载荷而被压坏。此外，考虑了在真三轴加载时，夹具相互之间亦存在相互挤压现象，解决了由此造成的对内置探头的剪切问题，保护了探头的安全。

(4)该监测单元加工制作简单，安装调试过程方便，岩样探头更换方便，可循环利用，大大简化了实验工序，缩短了实验时间，对真三轴采动煤岩体动力显现实验的研究具有重要意义。

附图说明

图1为真三轴声发射监测单元结构示意图；

图2为真三轴声发射监测单元探头布置示意图；

图3为侧向非卸载面夹具的结构示意图；

图4为顶底板夹具结构示意图；

图5为防剪切保护套筒及探头安装方式示意图；

图6为L型压紧连接垫片的结构示意图；

图中：1、临试样夹具组件一，2、临压头夹具组件一，3、圆孔一，4、盲孔一，5、凹槽一，6、凹槽二，7、声发射探头组件，8、顶底板夹具，9、侧向非卸载面夹具，10、螺栓，11、临试样夹具组件二，12、临压头夹具组件二，13、圆孔二，14、凹槽三，15、凹槽四，16、盲孔二，17、侧向卸载面夹具，18、防剪切保护套筒，19、探头，20、探头连接线，21、缓冲压紧弹簧，22、L型压紧连接片，23、试件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种真三轴采动煤岩体动力显现实验的声发射监测单元，采用8通道发射系统，包括顶底板夹具8，侧向非卸载面夹具9，侧向卸载面夹具17和声发射探头组件7，所述顶底板夹具8为两个，每个夹具包含一个位于夹具中心的声发射探头组件7，侧向非卸载面夹具9为三个，每个夹具各包含两个呈对角线布置的声发射探头组件7；4块侧向夹具通过L型压紧连接垫片23连接后，便可将夹具组件安放到真三轴采动煤岩体动力显现实验系统实验机上，安放后的探头相对于试件23的位置如图2所示。

如图3所示，所述侧向非卸载面夹具9包括临试样夹具组件一1和临压头夹具组件一2，所述临试样夹具组件一1和所述临压头夹具组件一2为钢板，两者通过螺栓10连接，所述临试样夹具组件一1呈对角线设置有2个沿其厚度方向贯通的圆孔一3、与圆孔一3相通并垂直于侧边的凹槽一5，所述临压头夹具组件一2呈对角线设置有2个沿其厚度方向的盲孔一4、与盲孔一4相通并垂直于侧边的凹槽二6，两夹具组件组装后，所述圆孔一3与盲孔一4同轴，盲孔一4的直径大于圆孔一3的直径，形成台阶孔一，凹槽一5与凹槽二6的形状、位置对应，形成侧向非卸载面夹具凹槽；所述夹具组合后的台阶孔一内放置声发射探头组件7，探头连接线20通过非卸载面夹具凹槽穿出至侧向非卸载面夹具9的外部；

如图4所示，所述顶底板夹具8包括临试样夹具组件二11和临压头夹具组件二12，临试样夹具组件二11和临压头夹具组件二12通过螺栓10连接，所述临试样夹具组件二11的中心处开有沿其厚度贯通的圆孔二13、与圆孔二13相通并垂直于侧边的凹槽三14，所述临压头夹具组件二12设置有沿其厚度方向的盲孔二16、与盲孔二16相通并垂直于侧边的凹槽四15，两夹具组件组装后，所述圆孔二13与盲孔二16同轴，盲孔二16的直径大于圆孔二15的直径，形成台阶孔二，凹槽三14与凹槽四15的形状、位置对应，形成顶底板夹具凹槽；所述夹具组合后的台阶孔二内放置声发射探头组件7，探头连接线20通过顶底板夹具凹槽穿出至顶底板夹具8的外部；

所述侧向卸载面夹具17为实心矩形钢板；

如图5所示，所述声发射探头组件7包括探头19、防剪切保护套筒18和缓冲压紧弹簧21，所述防剪切保护套筒18为台阶式空心圆柱体，圆柱体内部开有探头19和缓冲压紧弹簧21安装孔道，其直径尺寸可满足将探头19和缓冲压紧弹簧21精准安装其中的要求。所述防剪切保护套筒18的侧边开有贯通槽，其槽宽与非卸载面夹具凹槽、顶底板夹具凹槽的槽宽相等，所述探头19安装于防剪切保护套筒18内，防剪切保护套筒18的大轴安装在盲孔中、小轴安装在圆孔中，缓冲压紧弹簧21的一端抵在探头19的后端、另一端抵在盲孔的底端，所述探头19上设置有探头连接线20，探头连接线20从防剪切保护套筒18及所在夹具组件的凹槽穿出；所述缓冲压紧弹簧21既可以保证探头19时刻紧贴试样，又可以保证探头19具有一定回缩空间，防止煤样塑性变形对探头造成损害。

所述六块夹具与试样之间加装反射波阻隔垫片，所述阻隔垫片对应探头19位置开有通孔，这样设置，探头19可以与试样直接接触，但为了保证试验测试精度，试验时在探头19与试样之间涂抹凡士林，保证探头19与胶皮垫片都能够充分吸收微破裂释放的声波，同时减小反射波影响。

所述侧向非卸载面夹具9和侧向卸载面夹具17通过螺丝和L型压紧连接片22两两连接。

进一步，所述防剪切保护套筒18的大小与台阶孔一、台阶孔二间隙配合，防剪切保护套筒18的直径和长度使其可准确装配于台阶孔一、台阶孔二中。

进一步，所述临试样夹具组件一1和所述临压头夹具组件一2通过设置在四角处的4个螺栓10连接，通过4根螺栓10装配的侧向非卸载面夹具9可以实现台阶孔一、侧向非卸载面夹具凹槽的精准装配。

进一步，所述临试样夹具组件二11和所述临压头夹具组件二12通过设置在四角处的4个螺栓10连接，通过4根螺栓10装配的顶底板夹具8可以实现台阶孔二、顶底板夹具凹槽的精准装配。

以图4中顶底板夹具8为例叙述探头的安装过程：先将探头19和缓冲压紧弹簧21装入防剪切保护套筒18，使探头连接线20从防剪切保护套筒18侧向开口处牵出。将组装好的声发射探头组件7放入临压头侧夹具组件二12且使防剪切保护套筒18开口侧与临压头夹具组件二12的凹槽四15对准，将探头连接线20引出夹具外侧。将声发射探头组件7伸至临试样侧夹具组件二11的圆孔二13中，将临试件侧夹具组件二11的凹槽三14与临压头侧夹具组件二12的凹槽四15精准对应，在夹具组件的四个角处用4根螺栓10安装固定，完成顶底板夹具8的安装。侧向非卸载侧侧向夹具9安装声发射探头组件7的方法类似。

六块夹具的声发射探头组件7安装完毕之后，将试件23置于六块夹具中间，在试样和临试样夹具组件之间安装反射波阻隔垫片，所述阻隔垫片对应探头19位置开有通孔，这样设置，探头19可以与试样直接接触，但为了保证试验测试精度，试验时，在探头19与试样之间涂抹凡士林，4块侧向夹具通过如图6所示的L型压紧连接垫片22连接后，安放到真三轴采动煤岩体动力显现实验系统实验机上，然后试验机预加压，当夹具固定之后，拆除掉卸载面夹具的L型压紧连接片22，单侧卸载时，侧向卸载面夹具17会自动掉落从而实现突然卸载。