一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法，包括承压腔体、热‑气体传输系统、煤岩体放置台、真三轴加压系统、声波换能器组和声波仪，所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与煤岩试样的四个侧面和顶面接触，所述热‑气体传输系统包括真空泵、安全气瓶、高压瓦斯气瓶、加热储气瓶和恒温水箱；本发明专利技术能够模拟深部原位煤体的真实情况，从而得出煤岩体在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下的声波衰减系数各向异性特征，进而能分析煤岩体的滞弹性各向异性，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。

A Gas-solid Thermal Coupled Anisotropic Detection Device and Method for Coal and Rock Mass Anisotropy

The invention discloses a gas-solid thermal coupling anelastic anisotropy detection device and method for coal and rock mass, including a pressure chamber, a heat gas transmission system, a coal and rock placement platform, a true triaxial compression system, an acoustic transducer group and an acoustic instrument. The pressure chamber body is composed of an upper open pressure vessel and a piston top cover, and a plurality of axially compressed rods of the true triaxial compression system are pierced separately. The side wall and piston cap of the overpressure vessel are in contact with four sides and top surfaces of coal and rock samples, and the heat gas transmission system includes vacuum pump, safety gas cylinder, high pressure gas cylinder, heating gas storage cylinder and constant temperature water tank; the invention can simulate the real situation of deep in-situ coal body, thereby obtaining the Co-stress of coal and rock mass under different gas pressure, different temperature and different triaxial loading stress. The anisotropic characteristics of attenuation coefficient of acoustic wave under the same influence can be used to analyze the anelastic anisotropy of coal and rock mass, and provide theoretical support for subsequent coal mine exploration and mining.

【技术实现步骤摘要】
一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法
本专利技术涉及一种煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法，具体是一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法。
技术介绍
伴随着世界能源需求量的增长和开采强度的加大，地球浅部资源日益减少，不得不进行深部矿产资源的开采，但是深部开采相对浅部煤岩体具有更复杂的力学环境和地球物理环境。受深部煤岩体的受力及其作用过程非线性系统的影响，深部工程煤岩体产生煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害，具有随机性、复杂多样性和突发性，这些都严重威胁着矿产资源的安全生产。深部煤岩体处于高应力、高地温和瓦斯压力等多物理场耦合条件下，其多物理场综合作用下的地球物理响应规律是进行深部矿产资源开发的关键因素。由于构造应力的作用，深部构造煤岩往往被认为是各向异性的非均质体，当波在非均质性的深部煤岩内传播时，就会有相当一部分机械能转换成热能，振幅会衰减，且受到扰动的煤体处于三向不等压的应力状态，即在煤岩体的走向、倾向和垂向上的应力为σ1＞σ2＞σ3。因此，在综合考虑地应力、温度、瓦斯压力的前提下，研究深部煤岩的滞弹性各向异性可以测量弹性波在煤岩体中传播时的衰减来解释其机理，由于研究煤岩试件声波衰减可以了解煤岩的微构造及变化，对煤岩的滞弹性性质及各向异性进行分析。而目前有关深部煤岩的多物理场耦合试验通常在常规三轴(σ1＞σ2＝σ3)或单轴(σ1＞σ2＝σ3＝0)的应力状态下进行，存在对煤岩试件剪切作用的失准，难以满足深部构造煤岩各向异性的应力环境；或者忽视了深部煤岩高低温和瓦斯压力的作用，研究结果存在局限性；且大多数是针对煤岩波速的研究，因此目前缺少真三轴应力、温度和瓦斯压力共同作用的情况下煤岩的滞弹性性质及各向异性的研究。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置及方法，能够模拟煤体在深部地下的真实情况，从而得出不同物理力学性质的煤岩体在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下不同层理方向上声波衰减系数各向异性的特征，进而能分析煤岩体的滞弹性各向异性，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置，包括承压腔体、热-气体传输系统、煤岩体放置台、真三轴加压系统、声波换能器组和声波仪，所述真三轴加压系统为现有设备；所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，活塞顶盖密封固定在承压容器的敞口处，煤岩体放置台固定在承压容器内，煤岩试样处于煤岩体放置台上，所述煤岩试样为正方体；所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与煤岩试样的四个侧面和顶面接触，声波换能器组为三个，三个声波换能器组均匀分布在煤岩试样的六个面(即三个声波换能器组分别设置在煤岩试样的走向、倾向和垂向)，所述声波换能器组由两个相对设置的声波发射换能器和声波接收换能器组成，声波发射换能器和声波接收换能器分别耦合在煤岩试样的两个相对面，三个声波换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪连接；所述热-气体传输系统包括真空泵、安全气瓶和高压瓦斯气瓶，所述真空泵的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵的另一端通过管路与安全气瓶连通，高压瓦斯气瓶通过充气管路与加热储气瓶的一端密封连通，加热储气瓶的另一端与承压容器内部密封连通，增/减压阀装在加热储气瓶与承压容器之间的充气管路上，压力表装在增/减压阀与承压容器之间的充气管路上；加热储气瓶放置在恒温水箱内，温度传感器设置在承压容器内，温度显示器设置在承压容器外表面，恒温水箱的控制器分别与温度传感器和温度显示器连接。进一步，所述煤岩体放置台顶面和多个轴压杆端部均开设圆凹槽，使三个声波换能器组中的声波发射换能器和声波接收换能器分别处于各个圆凹槽内，并通过弹簧使各个声波发射换能器和声波接收换能器均与煤岩试样的六个面压紧耦合。进一步，所述分别处于煤岩试样四个侧面的轴压杆端部均采用柔性接触，处于煤岩试样顶面的轴压杆端部采用刚性接触。一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测方法，具体步骤为：A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤岩体或者预制不同物理力学性质的合成煤岩体制成的正方体试样，作为煤岩试样；B、打开承压腔体的活塞顶盖，选取步骤A制成的其中一个煤岩试样放置在承压容器内的煤岩体放置台上，调节真三轴加压系统，使各个轴压杆的压头分别与煤岩试样的各个面接触，同时使各个声波发射换能器和声波接收换能器与煤岩试样的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖与承压容器密封固定；C、在煤岩体测试前，开启增/减压阀，高压瓦斯气瓶通过充气管路向承压腔体内充入瓦斯气体，观察压力表当承压腔体内的瓦斯气体达到一定压力后，关闭增/减压阀，然后持续观察压力表在一段时间内数值变化情况，从而对承压腔体内部气密性进行检查，当气密性检查完毕并确认气密性良好之后，将承压腔体内的瓦斯气体排入安全气瓶内；D、开启真空泵对承压腔体内进行抽真空，通过压力表观察，当承压腔体内达到一定真空值之后停止真空泵，开启声波仪使各个声波发射换能器发射声波信号，声波信号经过煤岩试样至与其对应的各个声波接收换能器，各个声波接收换能器将接收的声波信号反馈给声波仪，声波仪实时记录，并根据声波发射换能器发出时的声波振幅和声波接收换能器接收到的声波振幅相比，从而得出煤岩试样处于常温、真空、无荷载情况下三个声波换能器组各自测得的声波振幅变化情况，然后通过声波振幅变化情况计算得出不同层理方向(即煤岩试样的走向、倾向和垂向)上的声波衰减系数，作为对照数据；E、完成步骤D的采集后，开启真三轴加压系统，使各个轴压杆在煤岩试样的垂向、走向和倾向上分别独立施加应力σ1、应力σ2、应力σ3的荷载，且σ1＞σ2＞σ3，先启动恒温水箱对加热储气瓶加热，然后打开增/减压阀，瓦斯气体从高压瓦斯气瓶经过加热储气瓶进行加热后进入承压腔体内，温度传感器将实时检测的承压腔体内部温度值反馈给恒温水箱的控制器，控制器将该温度值通过温度显示器进行显示，同时控制器将实时检测温度值与设定温度值进行比较，若实时检测温度值达到设定温度值，则控制器控制恒温水箱维持恒温，瓦斯气体持续注入承压腔体内，通过压力表观察达到设定压力值后关闭增/减压阀；开启声波仪记录在该瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值下三个声波换能器组各自测得的声波振幅变化情况，然后调整瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值后，开启声波仪再次记录在该情况下的三个声波换能器组各自测得的声波振幅变化情况，然后计算得出该煤岩试样处于不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下不同层理方向上的声波衰减系数情况(即煤岩试样的走向、倾向和垂向的声波衰减系数)；由于室内小尺寸煤岩试样测试属于高频、小振幅的弹性波，传播时呈指数式衰减，因此具体计算公式为：A＝A0e-αL；公式变换后：其中，α为衰减系数，L为相对的声波发射换能器和声波接收换能器之间的距离(即煤岩试样两个相对面的长度)，A为声波接收换能器接收到的声波振幅，A0为声波发射换能器发出时的声波振幅；F、完成后，先卸载煤岩试样的三轴加载应力，接着停止恒温水箱工作，然后再将瓦斯气体通过管路排出到安全气瓶内，对承压容器内的瓦斯压力进行卸载，最后打开活塞顶盖，取出已测量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置，其特征在于，包括承压腔体(5)、热‑气体传输系统、煤岩体放置台(8)、真三轴加压系统(10)、声波换能器组(6)和声波仪(9)，所述承压腔体(5)由上部敞口的承压容器和活塞顶盖(2)组成，活塞顶盖(2)密封固定在承压容器的敞口处，煤岩体放置台(8)固定在承压容器内，煤岩试样(4)处于煤岩体放置台(8)上，所述煤岩试样(4)为正方体；所述真三轴加压系统(10)的多个轴压杆(1)分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖(2)与煤岩试样(4)的四个侧面和顶面接触，声波换能器组(6)为三个，三个声波换能器组(6)均匀分布在煤岩试样(4)的六个面，所述声波换能器组(6)由两个相对设置的声波发射换能器和声波接收换能器组成，声波发射换能器和声波接收换能器分别耦合在煤岩试样(4)的两个相对面，三个声波换能器组(6)通过连接线与承压容器外部的声波仪(9)连接；所述热‑气体传输系统包括真空泵(17)、安全气瓶(16)、高压瓦斯气瓶(15)、加热储气瓶、恒温水箱、温度传感器和温度显示器，所述真空泵(17)的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵(17)的另一端通过管路与安全气瓶(16)连通，高压瓦斯气瓶(15)通过充气管路与加热储气瓶(13)的一端密封连通，加热储气瓶(13)的另一端与承压容器内部密封连通，增/减压阀(12)装在加热储气瓶(13)与承压容器之间的充气管路上，压力表(11)装在增/减压阀(12)与承压容器之间的充气管路上；加热储气瓶(13)放置在恒温水箱(14)内，温度传感器(7)设置在承压容器内，温度显示器(3)设置在承压容器外表面，恒温水箱(14)的控制器分别与温度传感器(7)和温度显示器(3)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置，其特征在于，包括承压腔体(5)、热-气体传输系统、煤岩体放置台(8)、真三轴加压系统(10)、声波换能器组(6)和声波仪(9)，所述承压腔体(5)由上部敞口的承压容器和活塞顶盖(2)组成，活塞顶盖(2)密封固定在承压容器的敞口处，煤岩体放置台(8)固定在承压容器内，煤岩试样(4)处于煤岩体放置台(8)上，所述煤岩试样(4)为正方体；所述真三轴加压系统(10)的多个轴压杆(1)分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖(2)与煤岩试样(4)的四个侧面和顶面接触，声波换能器组(6)为三个，三个声波换能器组(6)均匀分布在煤岩试样(4)的六个面，所述声波换能器组(6)由两个相对设置的声波发射换能器和声波接收换能器组成，声波发射换能器和声波接收换能器分别耦合在煤岩试样(4)的两个相对面，三个声波换能器组(6)通过连接线与承压容器外部的声波仪(9)连接；所述热-气体传输系统包括真空泵(17)、安全气瓶(16)、高压瓦斯气瓶(15)、加热储气瓶、恒温水箱、温度传感器和温度显示器，所述真空泵(17)的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵(17)的另一端通过管路与安全气瓶(16)连通，高压瓦斯气瓶(15)通过充气管路与加热储气瓶(13)的一端密封连通，加热储气瓶(13)的另一端与承压容器内部密封连通，增/减压阀(12)装在加热储气瓶(13)与承压容器之间的充气管路上，压力表(11)装在增/减压阀(12)与承压容器之间的充气管路上；加热储气瓶(13)放置在恒温水箱(14)内，温度传感器(7)设置在承压容器内，温度显示器(3)设置在承压容器外表面，恒温水箱(14)的控制器分别与温度传感器(7)和温度显示器(3)连接。2.根据权利要求1所述的一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置，其特征在于，所述煤岩体放置台(8)顶面和多个轴压杆(1)端部均开设圆凹槽，使三个声波换能器组(6)中的声波发射换能器和声波接收换能器分别处于各个圆凹槽内，并通过弹簧使各个声波发射换能器和声波接收换能器均与煤岩试样(4)的六个面压紧耦合。3.根据权利要求1所述的一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测装置，其特征在于，所述分别处于煤岩试样(4)四个侧面的轴压杆(1)端部均采用柔性接触，处于煤岩试样(4)顶面的轴压杆(1)端部采用刚性接触。4.一种气固热耦合的煤岩体滞弹性各向异性探测方法，其特征在于，具体步骤为：A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤岩体或者预制不同物理力学性质的合成煤岩体制成的正方体试样，作为煤岩试样(4)；B、打开承压腔体(5)的活塞顶盖(2)，选取步骤A制成的其中一个煤岩试样(4)放置在承压容器内的煤岩体放置台(8)上，调节真三轴加压系统(10)，使各个轴压杆(1)的压头分别与煤岩试样(4)的各个面接触，同时使各个声波发射换能器和声波接收换能器与煤岩试样(4)的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖(2)与承压容器密封固定；C、在煤岩体测试前，开启...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勃，郝家林，黄兰英，刘盛东，周福宝，郑方坤，张振东，金标，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32