水-气-温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水

【技术实现步骤摘要】
水
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气
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种煤岩材料的动力学测试装置及方法，具体是一种水
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气
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统及方法，属于岩石动态力学性能测试领域。

技术介绍

[0002]煤炭资源的高强度开采迫使我国越来越多的煤矿不断遭遇“淘汰
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关闭
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废弃”的尴尬局面。同时，受历史及开采技术水平限制，上述衰老矿井的残采区内却遗留大量的稀缺优质煤炭资源（简称“遗煤”资源），其储量约400亿吨。安全绿色开采残采区内的遗煤资源对于促进中国煤炭资源可持续发展和缓解国家能源需求的紧张局面具有重要意义。然而，复杂的遗留空间使得遗煤资源处于固
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液
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气及应力
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温度等多相多场的复杂环境。此外，遗煤资源的二次开采势必造成强烈的开采扰动，诱发冲击载荷。因此，精确掌握煤岩体在水、瓦斯、温度及冲击载荷耦合作用下的力学性能是保障遗煤安全开采的重要前提。目前，现有的室内实验只能单独完成水
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动力耦合（CN 206248439 U），瓦斯
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动力耦合（CN 110082228 A）及温度
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动力耦合（CN201811601112.7）作用下煤岩体动态冲击实验研究，尚未有水
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气
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温和动静载荷同时耦合的实验装置及实验方法，以致不能更全面地了解动静载荷与水
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气
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温耦合作用下煤岩体的动态力学响应。因此，针对这一工程面临的难题，研发水
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气
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温多场耦合的动态冲击试验装置是重中之重。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种动静组合加载霍普金森压杆的水
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气
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温多场耦合加载系统及方法，真实模拟残采区内煤岩体的赋存环境，解决目前无法对水
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气
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温耦合作用下煤岩体动态力学性能测试的技术难题。
[0004]本专利技术提供了一种水
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气
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统，包括试样密封舱，瓦斯气压加载装置，水压加载装置，温度加载装置及霍普金森压杆动静组合加载装置；所述试样密封舱包括密封法兰、Y型耐高温密封圈、密封腔体；密封腔体为圆柱形空腔，腔体左右两侧开设内径为50mm的圆形腔口，腔口内壁设有用于安装Y型耐高温密封圈的凹槽，腔口左右外壁对称设有进气口和排气口，其中进气口也为进水口，排气口也为排水口；密封腔体与密封法兰通过高强度螺栓连接，密封法兰两端通过U型凹槽钢板垂直固定于滑动导轨上；所述瓦斯气压加载装置包括顺次连接的高压瓦斯罐、调压阀、第二气压表、第二高压阀门和第一三通阀门，第一三通阀门的另外两端分别连接密封舱进气口外部的第二三通阀门和抽真空装置，抽真空装置由顺次连接的高压阀、第一气压表和抽真空泵构成，瓦斯气压加载装置的各部件之间均由耐高压的橡胶导气管连接；所述水压加载装置由顺次连接的电动试压水泵、水压表、蓄能器和单向阀构成，单向阀与密封舱外部的第二三通阀门相连接，其中水压加载装置的各部件之间均由耐高压的橡胶导水管连接，电动试压水泵提供水压，蓄能器保证水压稳定，水压表监测水的压力；
所述温度加载装置由顺次连接的加热棒、温度显示器及热电偶温度控制线路板组成；其中热电偶加热棒加热温度范围为0
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100℃，热电偶加热棒与温度显示器及热电偶控制线路之间均为电联接；所述霍普金森压杆动静组合加载装置由轴压加载装置、冲击加载装置及霍普金森压杆构件组成；轴压加载装置包括透射杆，轴向液压缸，其中通过轴向液压缸内的油压可对透射杆及试样施加预应力静态载荷；冲击加载装置由高压储气室，子弹，炮管和入射杆构成，其中高压气室内存有高压气体，作为冲击动力源，圆形炮管内嵌于高压气室的排气口，子弹内置于炮管内，释放高压气体能驱动子弹完成冲击加载；霍普金森压杆构件包括冲击限位装置和轴压限位装置。冲击限位装置由第一限位法兰，圆柱限位筒，滑动导轨和第二限位法兰构成，圆柱限位筒内部为直径与入射杆相等的空心腔体，圆柱限位筒的腔体与第一和第二限位法兰通过高强度螺栓连接，第一和第二限位法兰两端均通过U型凹槽钢板垂直固定于滑动导轨上，入射杆一端穿过圆柱限位筒，限制入射杆只能沿轴向移动；入射杆另一端通过固定支架连接试样密封舱，试样密封舱另一端通过透射杆连接轴压限位装置；轴压限位装置由第一轴压限位法兰，第二轴压限位法兰，固定杆，缓冲尾座，缓冲尾座固定槽，和滑动导轨构成，其中滑动导轨只能沿轴向滑动，轴压限位装置限制透射杆和轴向液压缸只能沿轴向加载；轴向液压缸末端设有缓冲尾座，缓冲尾座位于缓冲尾座固定槽上。
[0005]进一步地，炮管通过固定支架进行固定，固定支架由竖板与垂直的底座组成，竖板的中心设有通孔，炮管从该通孔穿过。
[0006]进一步地，试样密封舱和轴压限位装置均放置于滑动导轨上。
[0007]进一步地，加热棒的二分之一长度内嵌于试样密封舱腔体内。
[0008]进一步地，抽真空装置由高压阀门、气压表和真空泵顺次连接；水压加载装置由顺次连接的电动试压水泵、压力表、蓄能器、单向阀门构成；温度加载装置由顺次连接的加热棒、温度显示器及热电偶控制线路板构成。
[0009]本专利技术提供了一种水
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气
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载方法，包括如下步骤：1）根据岩石动力学测试标准将大块的煤样进行钻芯，切割及抛光，制备成高径比为0.6的圆柱形试样，并夹持于入射杆和透射杆之间，通过滑动导轨移动密封腔体将试样至于试样密封舱内；2）启动霍普金森压杆动静组合加载装置的轴压加载装置，通过轴向液压缸和透射杆对试样施加静态预应力载荷至设定值；3）启动抽真空装置，通过抽真空泵对试样密封舱内进行真空脱气处理1小时，待抽气完毕后关闭抽真空泵及第一高压阀门；所述步骤3）开始前，第一高压阀门处于开启状态，第二高压阀门和单向阀处于关闭状态。
[0010]4）打开瓦斯气压加载装置的第二高压阀门及调压阀对试样密封舱内充瓦斯气压，当压力表的示数至预定值时，顺次关闭调压阀和第二高压阀门；5）打开单向阀门，并启动电动试压水泵对试样密封舱内进行充水压，待水压达到预定值，关闭电动试压水泵和单向阀门；所述步骤5）完成后，密封舱内的瓦斯气体会被注入的水进一步压缩，待达到平衡
后密封舱内水、瓦斯与试样直接接触，且作用于试样上的压力大小一致；6）打开热电偶控制线路板中的加热开关，通过热电偶加热棒首先对密封腔体进行加热，加热后的密封腔体可进一步通过腔体内的水对试样进行热传导加热，待温度显示器显示值到预定值时，关闭热电偶开关，此时预应力试样处于水
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气
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温多场耦合条件下；7）启动冲击加载装置，使高压气体驱动子弹对此时处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水
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气
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统，其特征在于：包括试样密封舱，瓦斯气压加载装置，水压加载装置，温度加载装置及霍普金森压杆动静组合加载装置；所述试样密封舱包括密封法兰、Y型耐高温密封圈、密封腔体，密封腔体为圆柱形空腔，腔口左右外壁对称设有进气口和排气口，其中进气口也为进水口，排气口也为排水口；密封腔体与密封法兰通过高强度螺栓连接，密封法兰两端通过U型凹槽钢板垂直固定于滑动导轨上；所述瓦斯气压加载装置包括顺次连接的高压瓦斯罐、调压阀、第二气压表、第二高压阀门和第一三通阀门，第一三通阀门的另外两端分别连接密封舱进气口外部的第二三通阀门和抽真空装置，抽真空装置由顺次连接的高压阀、第一气压表和抽真空泵构成，瓦斯气压加载装置的各部件之间均由耐高压的橡胶导气管连接；所述水压加载装置由顺次连接的电动试压水泵、水压表、蓄能器和单向阀构成，单向阀与密封舱外部的第二三通阀门相连接，其中水压加载装置的各部件之间均由耐高压的橡胶导水管连接，电动试压水泵提供水压，蓄能器保证水压稳定，水压表监测水的压力；所述温度加载装置由顺次连接的加热棒、温度显示器及热电偶温度控制线路板组成；热电偶加热棒与温度显示器及热电偶控制线路之间均为电联接；所述霍普金森压杆动静组合加载装置由轴压加载装置、冲击加载装置及霍普金森压杆构件组成；轴压加载装置包括透射杆，轴向液压缸，其中通过轴向液压缸内的油压可对透射杆及试样施加预应力静态载荷；冲击加载装置由高压储气室，子弹，炮管和入射杆构成，其中高压气室内存有高压气体，作为冲击动力源，圆形炮管内嵌于高压气室的排气口，子弹内置于炮管内，释放高压气体能驱动子弹完成冲击加载；霍普金森压杆构件包括冲击限位装置和轴压限位装置；冲击限位装置由第一限位法兰，圆柱限位筒，滑动导轨和第二限位法兰构成，入射杆一端穿过圆柱限位筒，限制入射杆只能沿轴向移动；入射杆另一端通过固定支架连接试样密封舱，试样密封舱另一端通过入射杆连接轴压限位装置；轴压限位装置由第一轴压限位法兰，第二轴压限位法兰，固定杆，缓冲尾座，缓冲尾座固定槽和滑动导轨构成，其中滑动导轨只能沿轴向滑动，轴压限位装置限制透射杆和轴向液压缸只能沿轴向加载；轴向液压缸末端设有缓冲尾座，缓冲尾座位于缓冲尾座固定槽上。2.根据权利要求1所述的水
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统，其特征在于：圆柱限位筒内部为直径与入射杆相等的空心腔体，圆柱限位筒的腔体与第一和第二限位法兰通过高强度螺栓连接，第一和第二限位法兰两端均通过U型凹槽钢板垂直固定于滑动导轨上。3.根据权利要求1所述的水
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温多场耦合霍普金森压杆试验加载系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，白锦文，冯国瑞，郭军，崔博强，史旭东，毋皓田，杨欣宇，宋诚，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：