[發明專利]含瓦斯煤巖試樣縱波測試裝置

有效

• 申請號: 201410791107.2
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN104502453A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 袁瑞甫;蘇承東;王桂伍;侯志強;馬驥
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙)41104
• 代理人: 王聚才;朱俊峰

技術領域

本發明涉及煤礦安全生產技術領域，具體涉及一種含瓦斯煤巖試樣縱波測試裝置。

背景技術

以CH4為主的瓦斯氣體是煤層生成過程的伴生產物，我國所有煤層均含有瓦斯。煤體本身是多孔介質，對瓦斯等氣體具有較強的吸附性，在一定條件下可以吸附超過自身幾十倍體積的瓦斯氣體，因此，煤體含有瓦斯后其物理力學性質會有所改變。對于含瓦斯后煤體的靜態力學特征，已有較多的研究，而含瓦斯煤的動態力學特征研究較少，主要是測度動態含瓦斯煤力學特征設備和條件需要特殊設計和加工。

在巖體中傳播的彈性波大致可分為兩類，一類是在巖體內部傳播的體波，另一類是僅僅沿著巖體表面傳遞的面波。而體波又可分為兩類，一類是質點振動方向與波傳播方向一致的波稱為縱波（又稱壓力波或P波），它產生壓縮或拉伸變形；另一類是質點振動方向與波傳播方向垂直的波，稱為橫波（又稱拉力波或S波），它產生剪切變形。彈性波在煤、巖介質中的傳播特征可以反應煤巖介質的物理力學特征，并可以計算動態力學參數，在不含瓦斯條件下，煤巖介質的彈性波傳播特征可以直接由聲波測試儀測試。含瓦斯煤要置于一定的瓦斯氣體壓力環境下，因此，需要將煤樣放置在一個密封的容器中，如要對含瓦斯煤樣進行聲波測試則需要重新設計一套測試設置。

發明內容

本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種能夠對含瓦斯煤樣進行彈性波測試、并且能夠對加載過程中的含瓦斯煤樣進行彈性波測試的含瓦斯煤巖試樣縱波測試裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：含瓦斯煤巖試樣縱波測試裝置，包括煤-氣耦合單元、氣源單元、聲波檢測單元和排氣單元；

煤-氣耦合單元包括底盤，底盤上設有壓力缸，壓力缸內裝有試樣，壓力缸下部設有進氣連接頭，壓力缸上部設有數據線穿孔，壓力缸頂部設有出氣連接頭；

氣源單元包括高壓氣瓶、高壓氣瓶的出氣口與壓力缸上的進氣連接頭之間通過進氣管連接，進氣管上沿氣流方向順次設有氣瓶閥門、減壓閥和第一截止閥；

聲波檢測單元包括控制計算機、超聲采集儀和聲波傳感器，聲波傳感器設有兩個，兩個聲波傳感器設在壓力缸內并分別與試樣的上端和下端接觸，超聲采集儀的信號輸入端和信號輸出端分別通過數據信號線與聲波傳感器和控制計算機連接；

排氣單元包括真空泵，真空泵的抽氣口與壓力缸的出氣連接頭通過抽氣管連接，抽氣管上設有第二截止閥和負壓表。

所述壓力缸包括設在底盤上的底座、設在底座上的缸體和設在缸體上端的密封蓋，缸體上端和密封蓋的下端的外部均設有外螺紋，缸體與密封蓋之間通過具有內螺紋的套管同軸向連接，進氣連接頭和數據線穿孔設在缸體上，出氣連接頭設在密封蓋上，密封蓋頂部中央設有可沿密封蓋軸向方向移動的加載壓頭，加載壓頭上端設有密封蓋把手，密封蓋下端外周和缸體上端外周分別與套管內壁之間設有密封圈，缸體底部設有下壓頭，缸體上部設有上壓頭，試樣設在上壓頭和下壓頭之間，上壓頭底部和下壓頭底部分別設有用于放置聲波傳感器的槽孔，上壓頭側部和下壓頭側部分別設有用于穿設與聲波傳感器連接的數據信號線的凹槽，上壓頭側部連接有用于監測上壓頭向下移動的位移傳感器，缸體外部設有缸體把手。

采用上述技術方案，煤-氣耦合單元是本發明的核心部件，其主要功能是使煤樣吸附高壓瓦斯，在煤樣上下兩端安裝聲波傳感器，同時能夠對吸附瓦斯的試樣進行加載。氣源單元的主要功能是按實驗要求穩定的給煤-氣耦合單元供氣。聲波檢測單元主要由超聲波采集儀和控制計算機組成，主要用于對含瓦斯進行聲波傳播特征檢測。排氣單元主要功能是給原始煤樣抽真空及實驗完成后排除瓦斯氣體。

測試含瓦斯煤樣的難點在于，需要將煤樣置于密閉的高壓容器內，然后充入高壓瓦斯氣體，檢測容器內煤樣的聲波信號，并且能夠對煤樣進行加載破壞，以得到含瓦斯煤樣加載破壞過程中聲波信號變化情況。本發明具體工作原理及試驗步驟如下：

第一步，煤樣安裝：將加工好的標準試樣兩端涂上黃油，使其能夠與聲波傳感器耦合。兩個聲波傳感器分別放入上壓頭和下壓頭的槽孔中，數據線信號線通過凹槽引出。用膠帶將試樣兩端分別與上壓頭、下壓頭粘在一起，分別在槽孔中塞入泡沫塑料等軟材料以使聲波傳感器能夠貼緊試樣。將粘在一起的試樣、上壓頭、下壓頭放入缸體內，手拎密封蓋把手將密封蓋放到缸體上，然后把套管旋轉在缸體和密封蓋上，聲波傳感器的數據信號線通過缸體上的數據線穿孔引出缸體，連接到超聲采集儀上，并通過控制計算機來發出采集指令，存儲聲波數據。連接好以后測試原始試樣的聲波，檢查設備運行情況，并將數據存儲。