[發明專利]多場耦合煤巖沖擊加載實驗裝置及實驗方法

有效

• 申請號: 201310422175.7
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103454164A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 謝廣祥;殷志強;王磊;胡祖祥
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30
• 代理公司: 北京雙收知識產權代理有限公司 11241
• 代理人: 王菊珍

技術領域

本發明屬于煤巖力學特性測試技術領域，更具體地，涉及一種用于模擬靜應力、溫度、瓦斯吸附多場耦合狀態煤巖沖擊加載實驗裝置及實驗方法。

背景技術

在地下煤炭資源的開采過程中，大量使用機械化綜采割煤機對煤巖進行破碎、采空區頂板周期跨落、以及工作面附近巖巷的爆破開挖等工作對工作面煤巖體帶來明顯的沖擊動力擾動，導致深部煤巖瓦斯動力災害頻繁，嚴重危害礦工生命安全，為深入研究深部煤巖瓦斯動力災害的機理，需要探索煤巖受沖擊加載的動態力學特性。這些動態力學特性通常是通過實驗室開展各類沖擊實驗來獲得，目前應用較廣泛而且結果比較可靠的沖擊實驗系統是SHPB（split?Hopkinson?pressure?bar，分離式霍普金森壓桿）裝置，以及由此改進的各種變形裝置。

眾多學者認為深部煤炭回采過程中的煤巖瓦斯動力災害是由地應力、瓦斯、地溫、開采擾動、煤巖的物理力學特性共同作用的結果。傳統的SHPB實驗中，所測試試樣往往處于室溫和暴露在空氣之中，導致實驗過程試樣溫度受實驗季節變化而變化，同時煤巖中賦存的瓦斯暴露空氣中將發生瓦斯解吸作用，導致煤巖試樣內瓦斯氣體脫離，試樣內幾乎不再含有瓦斯氣體。然而，我國煤層大部分是含有豐富瓦斯(主要是甲烷CH4)的石炭二疊紀的煤層，隨著煤炭資源回采深度的不斷增加，煤巖體瓦斯含量也呈增加趨勢，未開采煤體處于富含瓦斯狀態，在地下深處的瓦斯壓力可達10MPa以上，煤巖體內瓦斯含量遠遠高于傳統實驗試樣中瓦斯含量；同時隨煤炭資源開采深度的不斷增加，地熱溫度以每100米3攝氏度的速度增加，以回采1千米深度的煤炭資源為例，其煤巖本身的溫度可達40攝氏度，隨開采深度的增加還將進一步增高，在瓦斯賦存及高溫條件作用下煤巖的力學特性與傳統實驗結果有較大差別。因此，研制相應的多場耦合煤巖沖擊加載裝置，進行靜應力、瓦斯賦存、溫度場多場耦合條件下的沖擊力學特性實驗成了當前煤巖力學領域亟待開展的工作。

現有對礦山深部資源回采過程中動力災害研究的模擬實驗裝置，主要可分以下幾種：（1）動、靜載應力耦合，如動靜載組合加載實驗裝置，但該類實驗裝置，試樣暴露在空氣中，無法開展模擬瓦斯環境下煤巖體力學特性實驗；（2）氣固環境耦合，瓦斯環境力學實驗裝置，該類實驗裝置，在靜態試驗機加載條件下，開展瓦斯氣體在煤巖體靜態準靜態加載過程，吸附解吸及滲流特性實驗。

然而在深部煤炭開采過程中，煤巖體承受高地應力靜載、開采過程的強動力擾動、高地溫及高瓦斯壓力共同作用，其受力模式不再是單獨的靜應力、動載荷、溫度或瓦斯壓力作用，而是多物理場耦合作用，這是現存實驗裝置與實驗方法所沒能考慮的。實現煤巖多物理場耦合沖擊加載實驗，不但能彌補現有煤巖力學實驗方法，而且能為深部煤炭資源回采工程的動力災害研究提供更為準確的煤巖特性參數。

發明內容

本發明根據深部煤炭資源回采過程中煤巖賦存狀態特點，針對現存煤巖力學實驗方法和裝置沒能綜合考慮應力耦合和氣固耦合的缺陷，提供一種能實現煤巖試樣在地應力、動力擾動、瓦斯賦存、地溫的多場耦合條件，與工程實際更為符合的多場耦合沖擊加載實驗裝置和方法。

為解決上述技術問題，根據一方面，一種多場耦合狀態沖擊實驗裝置，包括軸向靜壓加載裝置、軸向靜壓加載液壓油泵、軸向靜壓輸油管、圍壓加載液壓油泵、圍壓加載輸油管、徑向圍壓加載裝置、瓦斯氣罐、瓦斯進氣管、瓦斯壓力調節閥、抽氣泵、瓦斯傳感器、瓦斯出氣管、冷熱兩用壓縮機、伺服油泵、冷熱兩用輸油管，其特征是：在煤巖試樣的兩端的應力波入射桿和透射桿之間設置所述軸向靜壓加載裝置，在軸向靜壓加載裝置中間試樣位置設置所述徑向圍壓加載裝置；在試樣兩端的入射桿和透射桿中心開設進氣孔和出氣孔，分別與瓦斯進氣管和瓦斯出氣管連接，瓦斯進氣管通過瓦斯壓力調節閥與瓦斯氣罐連接，瓦斯出氣管通過瓦斯傳感器與抽氣泵連接，實現實驗過程試樣處于瓦斯賦存環境；在圍壓加載裝置內設置冷熱兩用輸油管，通過伺服油泵與冷熱兩用壓縮機相連，實現對試樣實驗過程溫度控制。

本發明的實驗裝置中的所述軸向靜壓加載裝置通過軸向靜壓輸油管與軸向靜壓加載液壓油泵相連，實現對試樣的軸向靜壓加載；所述徑向圍壓加載裝置通過圍壓加載輸油管與圍壓加載液壓油泵相連，實現對試樣的徑向靜態圍壓加載。

本發明的實驗裝置還包括數據采集系統，其兩端通過應變片分別與入射桿和透射桿連接，用于采集入射桿和透射桿中的應力波信號。

本發明的實驗裝置還包括熱縮管橡膠套，將所述試樣除兩端頭外四周涂抹硅膠置于熱縮管橡膠套中，保證試樣與圍壓液壓油隔離，試樣兩端頭分別與入射桿和透射桿軸心對齊。