[實用新型]含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統

無效

• 申請號: 200820099768.9
• 申請日: 2008-08-22
• 公開（公告）號: CN201266174Y
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發明（設計）人: 曹樹剛;劉延保;張立強;李勇;王維忠;王軍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N29/14;G01N3/00
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所
• 代理人: 郭 云;方 洪

技術領域

本實用新型涉及一種含瓦斯煤巖的細觀力學試驗系統，具體涉及不同瓦斯 壓力作用下，不同受力狀態下突出煤巖破裂全過程的細觀力學試驗系統，以便 采用動態顯微觀測、聲發射實時監測等試驗測試方法，對考慮瓦斯作用下及不 同受力條件下的煤巖變形破壞全過程進行細觀力學試驗。

背景技術

煤炭工業是我國十分重要的基礎產業，其能否健康、穩定、持續地發展是 關系國家能源安全的重大問題。然而，各地煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故 頻發，煤礦瓦斯災害已嚴重影響了煤炭工業的健康發展。隨著淺部或地質條件 簡單、煤層賦存條件好的煤炭資源開采儲量日益枯竭，我國煤礦企業生產已逐 漸向深部或地質條件復雜的區域轉移，研究煤與瓦斯共同作用機理，煤與瓦斯 在資源開采中的動態作用過程，對我國及世界煤炭工業的發展，防治礦井煤與 瓦斯突出災害，具有重要的技術支撐作用。當前，在煤與瓦斯突出機理的研究 中，煤與瓦斯突出機理的綜合作用假說最具代表性，它強調煤與瓦斯突出是地 應力、瓦斯壓力及煤體物理力學性質三者綜合作用的結果。其中，地應力和瓦 斯壓力是突出發生與發展的動力，煤體物理力學性質則體現出阻礙突出的發生 和發展。目前，前兩方面的研究已經比較深入，并在實際應用中取得了一定的 效果。研究瓦斯作用下，煤體物理力學特性是揭示煤與瓦斯突出過程中煤與瓦 斯相互作用機理的重要途徑，已有的宏觀試驗研究還有許多不能解釋的現象。 從細觀力學研究的角度出發，結合煤巖宏觀的變形破壞特征，掌握含瓦斯煤巖 細觀變形破壞的規律，可以為煤與瓦斯突出的有關問題給予更科學的解釋，對 揭示煤與瓦斯突出機理及提出更加科學合理的防治技術具有重要的理論價值和 工程應用價值。

目前，針對巖土類材料的細觀力學試驗系統主要通過以下三種方式來實現： 一是利用計算機層析技術(CT)和巖石力學實驗設備相結合的試驗系統，如中 科院寒區旱區環境與工程研究所研制的巖土力學專用加載設備與X射線CT機配 套，可完成單軸、假三軸、周期載荷、高溫、負溫下的CT檢測試驗，但該系統 儀器設備昂貴，試驗費用較高，同時對固-氣耦合狀態下的試驗測試報道很少； 二是利用掃描電鏡(SEM)和微加載裝置相結合的試驗系統，如中國礦業大學的 SEM高溫疲勞實驗系統，可進行金屬、非金屬材料在靜、動態加載時微細觀結構 變化和缺陷演化的實時觀測，但受到SEM實驗設備原理的限制，即加載只能在 真空狀態下進行，所以無法進行固-氣耦合狀態下的試驗；三是利用光學顯微鏡 和加載裝置相結合的試驗系統，如中科院武漢巖土力學研究所研制了巖石細觀 力學加載儀，該儀器配裝在光學體視顯微鏡下，可以觀察巖樣在單軸加載過程 中，四個平面變形破壞的全過程，同時，還研制了應力—水流—化學耦合的巖 石單軸、三軸壓縮細觀力學試驗裝置，但該裝置對密封及壓力要求不高，不能 進行固-氣耦合狀態的試驗。

另外，針對含瓦斯煤巖的細觀裝置非常少見。僅有中國礦業大學何學秋教 授研制的含瓦斯煤變形及破裂動態顯微觀測系統，其加載裝置為設置有觀測窗 口的圓柱形壓力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，將圓柱形煤巖試件的一側磨 成平面寬度約為10mm～15mm的平面，作為觀測平面。觀測系統采用長距離高倍 顯微鏡，可進行左右擺動。由于光學顯微鏡對觀測面的要求較高，該裝置采用 圓柱形試件，觀測面范圍較小，且顯微鏡只能進行左右擺動觀測，致使觀測范 圍小，不能追蹤特定裂紋的破壞過程和進行一定范圍內的定量觀測；其次，該 裝置的氣體壓力較低，與礦山實際差異較大；而且，從現有的研究成果看，其 觀測的可靠性還有待進一步提高。

此外，利用SEM和光學顯微鏡的觀測系統，雖然能較好地反映試件表面的 細觀結構變化，卻不能反映試件內部的變化情況。然而，在巖土類材料的受力 破壞過程中，其內部將產生微破裂，同時原始的裂紋、裂隙不斷擴展、斷裂、 匯合貫通。對試驗過程中試件的聲發射信號進行監測，根據聲發射信號的特征 可以推斷出受力巖石內部的性態變化，反演出巖石的破壞機理及破壞程度。聲 發射的特征參數(如振幅、頻率等)可以反映微開裂的數量和裂紋的尺寸，同 時，還可以利用系統所帶的軟件對聲發射進行定位，從而推斷試件的動態損傷 情況。現有的試驗系統大都是單一的采用動態顯微觀測或聲發射監測，試驗測 試手段單一。尤其是在含瓦斯煤巖細觀力學試驗中，動態顯微觀測和聲發射實 時監測還不能結合在一起構成一套完整的含瓦斯煤巖細觀力學系統。

實用新型內容