本发明专利技术属于岩石力学与工程技术领域范畴，具体为THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置及方法；该装置轴向加载采用伺服加载控制，温度采用恒温水浴控制，围压采用围压跟踪泵控制，对试件施加孔隙水压；采用多个均匀分布的位移传感器，通过测量试件圆周多个点的径向变形间接测量试件径向应变；本发明专利技术能解决以水为围压介质的三轴流变试验试样径向变形无法测量的问题，能进行不同温度、围压、加载速率条件下的煤岩体的单轴及三轴试验，实现不同等级的动静组合加载，且准确测量试验过程中的试样变形破坏情况及损伤破坏情况，具有测控系统稳定、测量精度高、稳压效果好等特点。稳压效果好等特点。稳压效果好等特点。
【技术实现步骤摘要】
THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置及方法
[0001]本专利技术属于岩石力学与工程
，具体为一种THMC耦合作用下煤岩体三轴流变试验及多参数测量装置及方法。
技术介绍
[0002]随着残煤复采技术的逐步推广和应用，上世纪采用旧式开采体系遗留的煤炭资源逐步被开采利用，该部分煤炭资源大都以煤柱的形式赋存，称为残采煤柱。残采煤柱长期处在采空水、地压、地温等的复杂环境中，呈现明显的流变特性，残采煤柱出现不同程度的变形和损伤破坏，在复采巷道掘进动压及工作面回采动压的扰动下，残采煤柱的变形及损伤破坏明显增加，其力学特性及稳定性发生明显的变化。研究残采煤柱在THMC耦合作用下的力学特征及稳定性对研究复采采场顶板稳定及煤柱失稳机理有极为重要的作用。
[0003]众所周知，煤岩体流变试验的主要特点是试验持续时间长，因而对试验装置的加载及测量系统稳定性要求高，且流变实验对环境尤其是温度极其敏感，必须保证试验过程中温度的恒定。研究煤岩体在三轴状态下的流变特性，最重要的是获取煤岩体在不同加载条件下的轴向及径向变形，进而建立流变的本构模型。
[0004]目前国内大多数煤岩体三轴流变试验机均采用油为围压介质，而关于以水为围压介质的三轴流变试验机的研究较少，其主要技术难题就是解决在水环境中煤岩体变形的测量，现有的大多数位移传感器无法保证孔隙水压作用下位移引伸计及应变片的稳定性。研究在以水为围压介质的条件下测量煤岩体的径向变形方法及装置是研究残采煤柱在采空水、地压、地温、采动压力等多场耦合作用下的三轴流变特性的关键。
[0005]目前国内关于煤岩体三轴流变试验装置的中国专利技术专利主要有：中国矿业大学专利技术的“一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置及方法”(CN103884604B)；太原理工大学专利技术的“一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法”(CN109946171A)；中国科学院武汉岩土力学研究所专利技术的“一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪”(CN105510144B)；中国矿业大学(北京)专利技术的“动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法”(CN107036903B)。已有的相关专利技术专利的主要有以下特点：现有的煤岩体三轴压缩试验机施加围压的介质一般为油，煤岩体受压过程中的轴向及径向变形一般采用引伸计和应变片进行测量；三轴流变实验一般采用机械加载或微机伺服控制加载；煤岩体在动载作用下的力学特性及力学响应一般对煤岩体进行SHPB动态冲击试验，一般用应变率的大小来评判动态冲击试验过程中动载的大小。
[0006]在水环境中进行煤岩体的三轴流变试验时，现有的试验装置及技术存在以下缺陷：受水的导电性的影响，煤岩样的径向变形测量困难，现有的径向位移传感器无法在水中进行测量；应变片需要进行防水处理，且受水压的影响，应变片本身产生较大的应变对测量结果产生较大的影响；轴向加载不能实现不同应变率的精准控制，无法在试验过程实现对试件的动态加载，且不能确保长时间的稳压效果。因此，需要研制新的实验装置实现THMC耦合作用下的煤岩体的三轴流变试验，且能在水环境中测量试样的径向变形。
技术实现思路
[0007]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种THMC耦合作用下煤岩体三轴流变试验及多参数测量装置及方法。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0009]THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，包括轴向伺服加载系统、三轴压力室及主测试系统、围压跟踪系统、温度控制系统、数据采集与控制系统；其特征在于，所述三轴压力室及主测试系统的三轴压力室外部设置有水浴槽，所述温度控制系统与水浴槽相连接；三轴压力室通过管路与围压跟踪泵相连接，通过围压跟踪泵对三轴压力室内的试件施加孔隙水压；所述三轴压力室的水平轴向均匀布置N个径向位移传感器，N为偶数，通过径向位移传感器测量试件水平轴向相应测点的径向变形；所述三轴压力室的底部设置有通道，所述通道用于监测试件的损伤变形；所述轴向伺服加载系统为电液伺服加载控制。
[0010]优选的，所述径向位移传感器的传感器探头长度可调节。
[0011]优选的，所述三轴压力室为圆柱型结构，三轴压力室的中部圆周均匀布置N个径向位移传感器。
[0012]更进一步，三轴压力室的中部圆周均匀布置8个径向位移传感器。
[0013]进一步的，所述通道内设置有声发射监测装置或应变片。
[0014]进一步的，所述轴向伺服加载系统由加载油缸、伺服油源系统、轴向力传感器、电液伺服阀、控制器组成，控制器接收轴向力传感器的反馈信号后控制轴向加载速率与幅度。
[0015]采用所述测量装置的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量方法，包括以下步骤：
[0016]1)安装试样并装配三轴压力室，采用恒位移目标力加载方式进行预加载，使试件与轴向伺服加载系统完全接触。
[0017]2)三轴压力室内充满水并通过围压跟踪泵对试件施加孔隙水压，使三轴压力室内围压和温度恒定；三轴压力室的中部圆周均匀布置8个径向位移传感器，通过试件的直径d的变化计算得出试件的径向应变ε
d
；具体为通过径向位移传感器获得8个径向变形：Δd1～Δd8；8个径向变形数据两两对应，共计4对径向变形数据Δd1+Δd5、Δd2+Δd6、Δd3+Δd7、Δd4+Δd8；计算试件的径向应变ε
d
＝(Δd1+Δd2+
…
+Δd8)/4d；
[0018]3)通过数据采集与控制系统设置加载参数，并通过设置多个位移加载速率实现轴向多等级静态或动态加载。
[0019]优选的，三轴压力室内围压的压力范围0～20MPa。
[0020]优选的，通过轴向伺服加载系统内的轴向力传感器的读数ε
l
和试件高度l计算试件的轴向应变ε
l
＝Δl/l；通过应变率和试件高度计算试验所需的轴向加载速率，其中试件高度l、轴向应变率ε、轴向加载速率v之间的关系为：v＝ε
×
l。
[0021]优选的，所述温度控制系统对三轴压力室进行恒温控制，温度控制范围5～80℃。
[0022]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：
[0023]1、本专利技术装置的轴向加载系统采用电液伺服加载控制，可实现轴向加载的恒压控制，实现加载过程恒试验力、恒位移控制，轴向位移加载速率可在0～3mm/s范围内调节，实现轴向动态加载，轴向加载稳压精度高，稳压误差小于0.05kN。
[0024]2、本专利技术装置及方法的三轴压力室内施加围压的介质为水，结合围压跟踪泵对煤
岩体施加孔隙水压，试件的径向变形采用高精度防水LVDT位移传感器进行测量，通过测量试件中部圆周8个表面点沿直径方向的扩张量，间接测量试件的径向应变。
[0025]3、本专利技术装置及方法的围压跟踪系统配合温度控制系统实现三轴压力室内的围压(孔隙水压)和温度保持恒定，温度控制和围压介质均为水，三轴压力室内的温度受外界温度变化影响小且能保持恒定。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，包括轴向伺服加载系统、三轴压力室及主测试系统、围压跟踪系统、温度控制系统、数据采集与控制系统；其特征在于，所述三轴压力室及主测试系统的三轴压力室(9)外部设置有水浴槽，所述温度控制系统与水浴槽相连接；三轴压力室(9)通过管路与围压跟踪泵(16)相连接，通过围压跟踪泵(16)对三轴压力室(9)内的试件(13)施加孔隙水压；所述三轴压力室(9)的水平轴向均匀布置N个径向位移传感器(11)，N为偶数，通过径向位移传感器(11)测量试件(13)水平轴向相应测点的径向变形；所述三轴压力室(9)的底部设置有通道，所述通道用于监测试件(13)的损伤变形；所述轴向伺服加载系统为电液伺服加载控制。2.根据权利要求1所述的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，其特征在于，所述径向位移传感器(11)的传感器探头(14)长度可调节。3.根据权利要求1所述的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，其特征在于，所述三轴压力室(9)为圆柱型结构，三轴压力室(9)的中部圆周均匀布置N个径向位移传感器(11)。4.根据权利要求3所述的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，其特征在于，三轴压力室(9)的中部圆周均匀布置8个径向位移传感器(11)。5.根据权利要求1所述的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，其特征在于，所述通道内设置有声发射监测装置或应变片。6.根据权利要求1所述的THMC耦合煤岩体三轴流变试验多参数测量装置，其特征在于，所述轴向伺服加载系统由加载油缸、伺服油源系统、轴向力传感器、电液伺服阀、控制器组成，控制器接收轴向力传感器的反馈信号后控制轴向加载速率与...
【专利技术属性】
技术研发人员：王开，岳少飞，张小强，闫建兵，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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