[實(shí)用新型]多場(chǎng)耦合煤巖沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320571367.X
• 申請(qǐng)日: 2013-09-13
• 公開（公告）號(hào): CN203465159U
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝廣祥;殷志強(qiáng);王磊;胡祖祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/30
• 分類號(hào): G01N3/30
• 代理公司: 北京雙收知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11241
• 代理人: 王菊珍

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于煤巖力學(xué)特性測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于模擬靜應(yīng)力、溫度、瓦斯吸附多場(chǎng)耦合狀態(tài)煤巖沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)

在地下煤炭資源的開采過程中，大量使用機(jī)械化綜采割煤機(jī)對(duì)煤巖進(jìn)行破碎、采空區(qū)頂板周期跨落、以及工作面附近巖巷的爆破開挖等工作對(duì)工作面煤巖體帶來明顯的沖擊動(dòng)力擾動(dòng)，導(dǎo)致深部煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重危害礦工生命安全，為深入研究深部煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的機(jī)理，需要探索煤巖受沖擊加載的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。這些動(dòng)態(tài)力學(xué)特性通常是通過實(shí)驗(yàn)室開展各類沖擊實(shí)驗(yàn)來獲得，目前應(yīng)用較廣泛而且結(jié)果比較可靠的沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是SHPB（split?Hopkinson?pressure?bar，分離式霍普金森壓桿）裝置，以及由此改進(jìn)的各種變形裝置。

眾多學(xué)者認(rèn)為深部煤炭回采過程中的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害是由地應(yīng)力、瓦斯、地溫、開采擾動(dòng)、煤巖的物理力學(xué)特性共同作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的SHPB實(shí)驗(yàn)中，所測(cè)試試樣往往處于室溫和暴露在空氣之中，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程試樣溫度受實(shí)驗(yàn)季節(jié)變化而變化，同時(shí)煤巖中賦存的瓦斯暴露空氣中將發(fā)生瓦斯解吸作用，導(dǎo)致煤巖試樣內(nèi)瓦斯氣體脫離，試樣內(nèi)幾乎不再含有瓦斯氣體。然而，我國(guó)煤層大部分是含有豐富瓦斯(主要是甲烷CH4)的石炭二疊紀(jì)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(shì)，未開采煤體處于富含瓦斯?fàn)顟B(tài)，在地下深處的瓦斯壓力可達(dá)10MPa以上，煤巖體內(nèi)瓦斯含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)試樣中瓦斯含量；同時(shí)隨煤炭資源開采深度的不斷增加，地?zé)釡囟纫悦?00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(dá)40攝氏度，隨開采深度的增加還將進(jìn)一步增高，在瓦斯賦存及高溫條件作用下煤巖的力學(xué)特性與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差別。因此，研制相應(yīng)的多場(chǎng)耦合煤巖沖擊加載裝置，進(jìn)行靜應(yīng)力、瓦斯賦存、溫度場(chǎng)多場(chǎng)耦合條件下的沖擊力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)成了當(dāng)前煤巖力學(xué)領(lǐng)域亟待開展的工作。

現(xiàn)有對(duì)礦山深部資源回采過程中動(dòng)力災(zāi)害研究的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要可分以下幾種：（1）動(dòng)、靜載應(yīng)力耦合，如動(dòng)靜載組合加載實(shí)驗(yàn)裝置，但該類實(shí)驗(yàn)裝置，試樣暴露在空氣中，無法開展模擬瓦斯環(huán)境下煤巖體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)；（2）氣固環(huán)境耦合，瓦斯環(huán)境力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，該類實(shí)驗(yàn)裝置，在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)加載條件下，開展瓦斯氣體在煤巖體靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)加載過程，吸附解吸及滲流特性實(shí)驗(yàn)。

然而在深部煤炭開采過程中，煤巖體承受高地應(yīng)力靜載、開采過程的強(qiáng)動(dòng)力擾動(dòng)、高地溫及高瓦斯壓力共同作用，其受力模式不再是單獨(dú)的靜應(yīng)力、動(dòng)載荷、溫度或瓦斯壓力作用，而是多物理場(chǎng)耦合作用，這是現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法所沒能考慮的。實(shí)現(xiàn)煤巖多物理場(chǎng)耦合沖擊加載實(shí)驗(yàn)，不但能彌補(bǔ)現(xiàn)有煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，而且能為深部煤炭資源回采工程的動(dòng)力災(zāi)害研究提供更為準(zhǔn)確的煤巖特性參數(shù)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型根據(jù)深部煤炭資源回采過程中煤巖賦存狀態(tài)特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)存煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和裝置沒能綜合考慮應(yīng)力耦合和氣固耦合的缺陷，提供一種能實(shí)現(xiàn)煤巖試樣在地應(yīng)力、動(dòng)力擾動(dòng)、瓦斯賦存、地溫的多場(chǎng)耦合條件，與工程實(shí)際更為符合的多場(chǎng)耦合沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置和方法。

為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)一方面，一種多場(chǎng)耦合狀態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)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(jìn)氣管、瓦斯壓力調(diào)節(jié)閥、抽氣泵、瓦斯傳感器、瓦斯出氣管、冷熱兩用壓縮機(jī)、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(yīng)力波入射桿和透射桿之間設(shè)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(shè)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(shè)進(jìn)氣孔和出氣孔，分別與瓦斯進(jìn)氣管和瓦斯出氣管連接，瓦斯進(jìn)氣管通過瓦斯壓力調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程試樣處于瓦斯賦存環(huán)境；在圍壓加載裝置內(nèi)設(shè)置冷熱兩用輸油管，通過伺服油泵與冷熱兩用壓縮機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣實(shí)驗(yàn)過程溫度控制。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的軸向靜壓加載。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置中的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(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的徑向靜態(tài)圍壓加載。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其兩端通過應(yīng)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(yīng)力波信號(hào)。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)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(duì)齊。