一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种含瓦斯煤循环摩擦‑瓦斯运移耦合实验装置及试验方法，通过结合分析采矿及岩石力学相关的现场实际情况，其通过带有凹槽夹持垫块与嵌套轴向加载油缸的设计，着重解决了装置密封困难的问题，使得煤岩循环摩擦与渗流问题的耦合分析得以实现。该装置主要包括含瓦斯煤循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，可实现煤岩体的循环摩擦滑移行为与瓦斯渗流同时进行，并利用数据实时采集系统对煤岩体循环摩擦剪切滑移状态及瓦斯运移特征进行数据监测、采集，从而可以实现煤岩循环滑移‑瓦斯渗流耦合特征的真实模拟，该试验装置可以有效地模拟断层构造或贯通裂隙的含瓦斯煤岩循环摩擦滑移现象，对研究滑移失稳诱发煤与瓦斯突出机理及煤炭安全开采与灾害防治有着重要意义。

A coupling test device and method of coal rock cyclic friction and gas seepage

【技术实现步骤摘要】
一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法
本专利技术涉及采矿及岩石力学领域，具体涉及一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法。
技术介绍
在矿山开采过程中，由于断层或贯通裂隙等结构面的存在，在开采扰动下煤岩体常常会沿着这些结构面发生摩擦滑移现象，特别是在复杂的开采扰动条件下，这些结构面通常处于一种循环加载状态，循环剪切荷载作用下的煤岩体发生更为复杂的循环摩擦滑移行为，显著改变煤岩的力学性质并影响着煤岩结构体的稳定性。瓦斯渗流一直是在煤炭资源科学开采过程中的重要问题，煤内部的瓦斯渗流特征是研究瓦斯动力灾害及瓦斯抽采等相关领域的基础内容。尤其是对于煤断层或者贯通裂隙这些弱力学性质的结构面，其在循环剪切载荷作用下的摩擦滑移行为(如断层活化滑移诱发突出)成为诱发煤岩动力灾害的主要因素，而在循环摩擦滑移过程中伴随着的瓦斯渗流使这一问题更为复杂。因此煤岩体循环摩擦滑移-瓦斯渗流耦合作用机制的研究具有重要意义。在岩石力学相关研究中，岩石结构面或裂隙的摩擦现象又被称为节理剪切；目前已有部分学者采用煤岩体结构面开展循环节理剪切试验，但由于密封的困难，其并没有考虑气(流)体的作用；已有的“渗流-节理剪切”试验装置又仅能进行单一路径的剪切滑移，无法描述循环剪切滑移下煤岩样接触面破坏对摩擦滑移特征及渗流特性的作用。综上所述，煤岩体的“循环摩擦-瓦斯渗流”耦合机制下的煤体摩擦滑移特征及渗透率演化的研究十分必要，但目前尚缺乏可有效描述煤岩“循环摩擦-瓦斯渗流”耦合特征的试验装置。因此，有必要克服现有的技术缺陷，设计一种可以描述煤岩体循环摩擦-瓦斯渗流耦合作用规律的试验装置及试验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及其试验方法。为了达成上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，包括煤岩循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，所述煤岩循环摩擦系统包括装置外壳体、第一轴向加载油缸、第二轴向加载油缸、密封橡胶膜、围压腔室、试验腔室、夹持垫块；所述的第一轴向加载油缸和第二轴向加载油缸都各有两个独立控制的油缸且分别位于装置两侧，其中第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸的内部；所述的试验腔室位于装置的正中央，所述的夹持垫块位于轴向加载油缸内侧端和试验腔室之间；所述的密封橡胶膜包裹着部分夹持垫块与试验腔室，并且密封橡胶膜与外壳体之间的空间为围压腔室；所述的注气及加压系统包括1个注气管路、1个围压加载油路和4个轴向加载油路；其中注气管路内部连通试验腔室，外接气泵；围压加载油路内部连通围压腔室，外接围压泵；轴向加载油路则包括第一轴向加载油路和第二轴向加载油路各2路；所述数据实时采集系统包括应力传感器、位移传感器、流量计和PC等。所述的第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸内部，而第一轴向加载油缸靠近外侧一端为细长中空圆柱，靠试验腔室一端为侧“凹”型结构，并且第一轴向加载油缸侧“凹”型结构内底端与内部的第二轴向加载油缸内端部之间留有滑槽空间；第一轴向加载油缸外部与外壳体之间也设有滑槽空间，前述2个滑槽最大空间距离都相等。第一、第二轴向加载油缸组合体结构类似于二级伸缩式油缸，但各个油缸均采用单独控制的方式；上述中所设有的滑槽可使得装置两侧的各轴向加载油缸单独进行往复运动，以实现循环摩擦的效果，此外试验装置初始状态时的滑槽空间距离即最大距离。所述的夹持垫块分为第一夹持垫块和第二夹持垫块各两块，其中试验腔室左下侧和右上侧为第二夹持垫块，左上侧和右下侧为第一夹持垫块，上下夹持垫块摩擦界面处设有渗流通道；其中第一夹持垫块为长方体，其外端与同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板端部始终相接触；第二夹持垫块外端对应同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板位置设有凹槽且二者可相嵌合，其与同侧第二轴向加载油缸端部始终相接触。第一夹持垫块外端与同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板端部、第二夹持垫块外端与同侧第二轴向加载油缸端部的“始终相接触”描述的是装置循环摩擦中夹持垫块与轴向加载油缸的对应位置状态，即在摩擦循环中，各夹持垫块与加载油缸会产生不同的相对运动，但第一夹持垫块仅由与其同侧的第一轴向加载油缸直接推动，第二夹持垫块仅由与其同侧的第二轴向加载油缸直接推动。夹持垫块的作用包括：一是上下垫块摩擦界面设置渗流通道，从而为式样摩擦面提供瓦斯(或其他气体、流体)；二是辅助密封作用，配合各轴向加载油缸及装置内部相应位置所设的密封圈，形成由轴向加载油缸内侧端面、上部夹持垫块的下表面、下部夹持垫块的上表面以及试件部分外端面构成密封渗流腔，从而保证式样摩擦面为唯一渗流路径；三是固定式样并通过第二垫块设计的凹槽来对应加载油缸的运动，以实现控制装置内部式样摩擦的作用；以初始状态为例：式样位于中间，第一夹持垫块与第一轴向加载油缸的侧凹型结构侧板端部始终接触，而第二夹持垫块对应第一轴向加载油缸端部位置则为凹槽且可相嵌合，因此当右侧的第一轴向加载油缸运动时，会直接推动第一夹持垫块来并带动下部式样滑动，而这个过程中右侧第一轴向加载油缸的侧凹型结构上侧板嵌入第二夹持垫块凹槽，即第二夹持垫块和上部式样位置保持不变，这样可实现上下式样摩擦滑移的效果；此外，夹持垫块采用高强度刚性材料，可承受加载油缸所施加的载荷。所述的第一轴向加载油缸及第二轴向加载油缸各位置设有的滑槽最大空间距离与第二夹持垫块凹槽长度都相等。第二夹持垫块的凹槽可用来实现轴向加载油缸对式样的间接控制，而凹槽长度与滑槽最大距离的相等可保证各轴向加载油缸、式样及夹持垫块摩擦滑移运动的准确控制。密封橡胶膜、夹持垫块以及轴向加载油缸等结构的摩擦接触面都进行光滑处理并添加润滑油，尽可能减小试验装置内部结构的摩擦。所述的2个第一轴向加载油路进油口分别位于外壳体的右上部和左下部，且油路内部与第一轴向加载油缸相连通；所述的2个第二轴向加载油路进油口分别位于两个第一轴向加载油缸的外侧端并从第一轴向加载油缸内部所设的空隙接入，油路内部与第二轴向加载油缸相连通；所述的4个轴向加载油路外接1个轴向加载泵。第一和第二轴向加载油缸分别采用不同的进油口及油路可实现对各加载油缸的单独控制，并且第二轴向加载油路经由第一轴向加载油缸孔隙内部但对第一轴向加载油缸不产生作用，因此，对应4个轴向加载油缸共有4个轴向加载油路及进油口；但4个轴向加载油路外接同一个轴向加载泵，各轴向加载油路设有相应的阀门以实现1个轴向加载泵对各个轴向加载油缸的控制。所述的注气管路进出气口分别位于两个第二轴向加载油缸外侧端，并且经由第二轴向加载油缸内部所设的空隙，最终与试验腔室相连通。注气管路经由第二轴向加载油缸内部所设的空隙但对第二轴向加载油缸不产生作用。试验步骤如下：S1：获取试样，经过加工处理制备匹配试验仪器的煤岩块体；在矿区获取试验所需的煤岩体；切取质地均匀、设定尺寸的块状煤、岩样，然后在煤岩样摩擦界面经过人工打磨以达到设定的粗糙度，在非摩擦界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：包括煤岩循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，所述煤岩循环摩擦系统包括装置外壳体、第一轴向加载油缸、第二轴向加载油缸、密封橡胶膜、围压腔室、试验腔室、夹持垫块；所述的第一轴向加载油缸和第二轴向加载油缸都各有两个独立控制的油缸且分别位于装置两侧，其中第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸的内部；所述的试验腔室位于装置的正中央，所述的夹持垫块位于轴向加载油缸内侧端和试验腔室之间；所述的密封橡胶膜包裹着部分夹持垫块与试验腔室，并且密封橡胶膜与外壳体之间的空间为围压腔室；所述的注气及加压系统包括1个注气管路、1个围压加载油路和4个轴向加载油路；其中注气管路内部连通试验腔室，外接气泵；围压加载油路内部连通围压腔室，外接围压泵；轴向加载油路则包括第一轴向加载油路和第二轴向加载油路各2路；所述数据实时采集系统包括应力传感器、位移传感器、流量计和PC等。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：包括煤岩循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，所述煤岩循环摩擦系统包括装置外壳体、第一轴向加载油缸、第二轴向加载油缸、密封橡胶膜、围压腔室、试验腔室、夹持垫块；所述的第一轴向加载油缸和第二轴向加载油缸都各有两个独立控制的油缸且分别位于装置两侧，其中第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸的内部；所述的试验腔室位于装置的正中央，所述的夹持垫块位于轴向加载油缸内侧端和试验腔室之间；所述的密封橡胶膜包裹着部分夹持垫块与试验腔室，并且密封橡胶膜与外壳体之间的空间为围压腔室；所述的注气及加压系统包括1个注气管路、1个围压加载油路和4个轴向加载油路；其中注气管路内部连通试验腔室，外接气泵；围压加载油路内部连通围压腔室，外接围压泵；轴向加载油路则包括第一轴向加载油路和第二轴向加载油路各2路；所述数据实时采集系统包括应力传感器、位移传感器、流量计和PC等。


2.根据权利要求1所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸内部，而第一轴向加载油缸靠近外侧一端为细长中空圆柱，靠试验腔室一端为侧“凹”型结构，并且第一轴向加载油缸侧“凹”型结构内底端与内部的第二轴向加载油缸内端部之间留有滑槽空间；第一轴向加载油缸外部与外壳体之间也设有滑槽空间，前述2个滑槽最大空间距离都相等。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的夹持垫块分为第一夹持垫块和第二夹持垫块各两块，其中试验腔室左下侧和右上侧为第二夹持垫块，左上侧和右下侧为第一夹持垫块，上下夹持垫块摩擦界面处设有渗流通道；其中第一夹持垫块为长方体，其外端与同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板端部始终相接触；第二夹持垫块外端对应同侧第一轴向加载油缸侧“凹”型结构侧板位置设有凹槽且二者可相嵌合，其与同侧第二轴向加载油缸端部始终相接触。


4.根据权利要求1-3任一项所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的第一轴向加载油缸及第二轴向加载油缸各位置设有的滑槽最大空间距离与第二夹持垫块凹槽长度都相等。


5.根据权利要求1所述的一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，其特征在于：所述的2个第一轴向加载油路进油口分别位于外壳体的右上部和左下部，且油路内部与第一轴向加载油缸相连通；所述的2个第二轴向加载油路进油口分别位于两个第一轴向加载油缸的外侧端并从第一轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：周爱桃，胡嘉英，王凯，刘赛菲，武俊超，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11