一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统技术方案

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。本发明专利技术为揭示瓦斯作用下煤岩细观结构损伤规律，进一步深入了解含瓦斯煤岩物理力学性质，科学揭示煤岩动力现象的发生机理和开发相应的灾害防治技术提供了更全面、可靠的试验手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种含瓦斯煤岩的细观力学试验系统，具体涉及不同瓦斯压力 作用下，不同受力状态下突出煤岩破裂全过程的细观力学试验系统，以便采用 动态显微观测、声发射实时监测等试验测试方法，对考虑瓦斯作用下及不同受 力条件下的煤岩变形破坏全过程进行细观力学试验。
技术介绍
煤炭工业是我国十分重要的基础产业，其能否健康、稳定、持续地发展是 关系国家能源安全的重大问题。然而，各地煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故 频发，煤矿瓦斯灾害已严重影响了煤炭工业的健康发展。随着浅部或地质条件 简单、煤层赋存条件好的煤炭资源开采储量日益枯竭，我国煤矿企业生产已逐 渐向深部或地质条件复杂的区域转移，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，煤与瓦斯突出机理的综合作用假说最具代表性，它强调煤与瓦斯突出是地 应力、瓦斯压力及煤体物理力学性质三者综合作用的结果。其中，地应力和瓦 斯压力是突出发生与发展的动力，煤体物理力学性质则体现出阻碍突出的发生 和发展。目前，前两方面的研究已经比较深入，并在实际应用中取得了一定的 效果。研究瓦斯作用下，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，结合煤岩宏观的变形破坏特征，掌握含瓦斯煤岩 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 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价值和 工程应用价值。目前，针对岩土类材料的细观力学试验系统主要通过以下三种方式来实现 一是利用计算机层析技术(CT)和岩石力学实验设备相结合的试验系统，如中科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，可完成单轴、假三轴、周期载荷、高温、负温下的CT检测试验，但该系统 仪器设备昂贵，试验费用较高，同时对固-气耦合状态下的试验测试报道很少； 二是利用扫描电镜(SEM)和微加载装置相结合的试验系统，如中国矿业大学的 SEM高温疲劳实验系统，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，但受到SEM实验设备原理的限制，即加载只能在 真空状态下进行，所以无法进行固-气耦合状态下的试验；三是利用光学显微镜 和加载装置相结合的试验系统，如中科院武汉岩土力学研究所研制了岩石细观 力学加载仪，该仪器配装在光学体视显微镜下，可以观察岩样在单轴加载过程 中，四个平面变形破坏的全过程，同时，还研制了应力一水流一化学耦合的岩 石单轴、三轴压縮细观力学试验装置，但该装置对密封及压力要求不高，不能 进行固-气耦合状态的试验。另外，针对含瓦斯煤岩的细观装置非常少见。仅有中国矿业大学何学秋教 授研制的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5mm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10mm 15mm的平面，作为观测平面。观测系统采用长距离高倍 显微镜，可进行左右摆动。由于光学显微镜对观测面的要求较高，该装置采用 圆柱形试件，观测面范围较小，且显微镜只能进行左右摆动观测，致使观测范 围小，不能追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测；其次，该 装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大；而且，从现有的研究成果看，其 观测的可靠性还有待进一步提高。此外，利用SEM和光学显微镜的观测系统，虽然能较好地反映试件表面的 细观结构变化，却不能反映试件内部的变化情况。然而，在岩土类材料的受力 破坏过程中，其内部将产生微破裂，同时原始的裂纹、裂隙不断扩展、断裂、 汇合贯通。对试验过程中试件的声发射信号进行监测，根据声发射信号的特征 可以推断出受力岩石内部的性态变化，反演出岩石的破坏机理及破坏程度。声 发射的特征参数(如振幅、频率等)可以反映微开裂的数量和裂纹的尺寸，同 时，还可以利用系统所带的软件对声发射进行定位，从而推断试件的动态损伤 情况。现有的试验系统大都是单一的采用动态显微观测或声发射监测，试验测 试手段单一。尤其是在含瓦斯煤岩细观力学试验中，动态显微观测和声发射实 时监测还不能结合在一起构成一套完整的含瓦斯煤岩细观力学系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统， 以便进行不同瓦斯压力作用、不同受力状态下的煤岩细观力学试验，并采用动 态显微观测和声发射监测两种手段获得试件表面裂纹的实时变化图像和反映试 件内部结构的损伤演化过程的声发射特征。本专利技术的技术方案如下 一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，在实验体上 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，在透明视镜的正前方设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架 上安装有体视显微镜，在体视显微镜靠近透明视镜的一端安装环形灯，远离透 明视镜的一端安装CCD摄像机；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，并连接有声发射传感器，测量导线的外端从实验体的侧面 引出，并与声发射放大器的输入端连接，声发射放大器的输出端与声发射卡相接；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实验体的侧面，从该外端口处引出的气管分为两路， 一路依次串联瓦斯控制阀、减压阀后，与高压气瓶相接，另一路串联真空控制阀后，与真空泵相接；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 外端伸出实验体外，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实验体外。本专利技术中，测试腔是试验进行的场所，用于放置试件；测试腔内有垫块和 限位压头，可限制试件侧向位移。加载杆由岩石刚性试验机施加压力，岩石刚 性试验机可提供多种加载方式，包括位移加载和应力加载，同时自动记录加载 过程中的轴向压力和位移。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，以便在试验前对测试腔进行抽真空和 充瓦斯操作，抽真空后需达到一定的真空度，充瓦斯后能保持一定的瓦斯压力。 声发射传感器通过测量导线将生发射信号传递到声发射放大器，并通过声发射 放大器将信号放大后，传递给声发射卡，最后由计算机内的采集分析软件从声 发射卡处得到声发射信号。透明视镜为整个实验过程的显微观测提供了有效途径，体视显微镜通过透明视镜可实现对试验过程的实时显微观测，并实现光学 放大；体视显微镜在三维移动显微观测架的作用下，可相对于透明视镜做上下、左右和前后移动，实现了多角度全方位观察。CCD摄像机安装在体视显微镜的目 镜处，可实现图像采集、拍照、摄像和电子放大功能并与计算机相连实现数据 处理和图像处理。上述三维移动显微观测架具有一个水平燕尾槽底座，在水平燕尾槽底座上安装水平燕尾槽拖板，两者之间通过水平丝杆副连接，在水平燕尾槽拖板上装有垂直燕尾槽底座，该垂直燕尾槽底座的一侧安装垂直燕尾槽拖板，两者之间通过垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，其特征在于：在实验体（１）上开设有测试腔（２）、测量孔（３）和多用气孔（４），其中测试腔（２）的敞口处通过压盖（５）固定有透明视镜（６），在透明视镜（６）的正前方设置三维移动显微观测架，该三维移动显微观测架上安装有体视显微镜（２２），在体视显微镜（２２）靠近透明视镜（６）的一端安装环形灯（２３），远离透明视镜（６）的一端安装ＣＣＤ摄像机（２４）；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，并连接有声发射传感器（２５），测量导线（７）的外端从实验体（１）的侧面引出，并与声发射放大器（２６）的输入端连接，声发射放大器（２６）的输出端与声发射卡（２７）相接；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）的外端口在实验体（１）的侧面，从该外端口处引出的气管（８）分为两路，一路依次串联瓦斯控制阀（２８）、减压阀（２９）后，与高压气瓶（３０）相接，另一路串联真空控制阀（３１）后，与真空泵（３２）相接；在所述测试腔（２）内设置有垫块（９）、限位压头（１０）和加载头（１１），其中垫块（９）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（１０），限位压头（１０）固定于限位杆（２１）的内端，限位杆（２１）的外端伸出实验体（１）外，并由锁紧机构限位，所述“Ｌ”形缺口的横向面正对加载头（１１），该加载头（１１）固定于加载杆（１２）的下端，所述加载杆（１２）的上端向上伸出实验体（１）外。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹树刚，刘延保，张立强，李勇，王维忠，王军，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]