[發明專利]單軸壓縮下含瓦斯煤巖力學特性模擬實驗方法

有效

• 申請號: 201710971124.8
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107576774B
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 潘紅宇;葛迪;張天軍;李樹剛;董曉剛;張磊;包若羽;宋爽;周敖;蔣興科;趙云紅;陳佳偉;范亞飛
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N33/22
• 分類號: G01N33/22;G01N1/28
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

1.一種單軸壓縮下含瓦斯煤巖力學特性模擬實驗方法，其采用的實驗裝置包括煤樣容器(15)、應力加載系統、充瓦斯系統、瓦斯檢測儀(21)、VIC-3D非接觸全場應變測量系統和聲發射系統；

所述煤樣容器(15)包括煤樣容器殼體(15-2)和設置在煤樣容器殼體(15-2)內的煤樣放置腔(15-1)，所述煤樣容器殼體(15-2)的頂部密封連接有活塞(16)，所述煤樣容器殼體(15-2)的一側設置有第一多用氣孔(15-3)，所述煤樣容器殼體(15-2)的另一側設置有第二多用氣孔(15-4)和透明視鏡(15-5)，所述第一多用氣孔(15-3)上設置有第一密封接頭(23)，所述第二多用氣孔(15-4)上設置有第二密封接頭(22)；

所述應力加載系統包括電子萬能試驗機(13)和與電子萬能試驗機(13)的應力加載探頭(17)相接的第一計算機(18)；

所述充瓦斯系統包括通過第一連接管與第一密封接頭(23)連接的三通閥(5)，以及與三通閥(5)連接的抽真空管和充瓦斯管，所述抽真空管未與三通閥(5)連接的一端端部連接有真空泵(8)，所述抽真空管上設置有真空壓力表(7)和抽真空控制閥(6)，所述充瓦斯管未與三通閥(5)連接的一端端部連接有瓦斯氣瓶(1)，所述充瓦斯管上設置有減壓閥(2)、瓦斯氣體壓力表(3)和充瓦斯控制閥(4)；

所述瓦斯檢測儀(21)通過第二連接管連接在第二密封接頭(22)上；

所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統包括VIC-3D測量儀(19)和與VIC-3D測量儀(19)相接的第二計算機(20)；

其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、試樣制備，具體過程為：

步驟101、取實驗室殘余煤塊，通過粉碎機粉碎成煤粉；

步驟102、按照煤粉：石膏：水＝12：3：5的比例配置好煤樣制備原料后，將煤樣制備原料放入正方體煤樣模具中制作12個正方體型煤樣(14)；

步驟103、將12個正方體型煤樣(14)靜置于通風陰涼處養護1～2周；

步驟104、對12個正方體型煤樣(14)進行拋光和打磨處理；

步驟105、在12個正方體型煤樣(14)的觀測面均勻抹大白粉；

步驟106、從12個正方體型煤樣(14)中先取出一半，作為無瓦斯的6個正方體型煤樣(14)，并進行編號1、2、3、4、5、6；

步驟107、將剩余的一半正方體型煤樣(14)放置在在密閉的容器中，先用真空泵抽真空，再從壓力罐中充入瓦斯氣體2～3小時，預制成6個含瓦斯氣體的正方體型煤樣(14)，并進行編號7、8、9、10、11、12；

步驟二、搭建試驗裝置，具體過程為：

步驟201、連接應力加載系統、充瓦斯系統、瓦斯檢測儀(21)、VIC-3D非接觸全場應變測量系統和聲發射系統；

步驟202、取編號為1的正方體型煤樣(14)放置于煤樣容器(15)內，將所述聲發射系統中的傳感器(12)固定于正方體型煤樣(14)的一側，并在傳感器(12)和正方體型煤樣(14)之間涂抹耦合劑或黃油，確保傳感器(12)和正方體型煤樣(14)接觸良好；

步驟203、開啟所述聲發射系統后，用自動鉛筆在正方體型煤樣(14)兩端進行斷鉛操作，查看所述聲發射系統檢測的數據，根據數據矯正傳感器(12)的固定位置；

步驟204、開啟所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統，并開啟所述應力加載系統，調整好所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統中VIC-3D測量儀(19)的位置；

步驟三、裝置氣密性檢測，具體過程為：

步驟301、將三通閥(5)、第一多用氣孔(15-3)和第二多用氣孔(15-4)均采用硅橡膠涂抹密封，然后再用密封膠帶纏緊，再在外邊緣再次用硅橡膠涂抹處理；

步驟302、打開充瓦斯控制閥(4)和減壓閥(2)，往煤樣容器(15)內通入一定量的瓦斯氣體，再關閉充瓦斯控制閥(4)和減壓閥(2)，再觀測瓦斯檢測儀(21)的讀數，通過讀數的變化檢測煤樣容器(15)內瓦斯氣體的變化情況來檢測裝置的氣密性；

步驟四、無瓦斯環境下進行試驗，具體過程為：

步驟401、開啟真空泵(8)和抽真空控制閥(6)，先用真空泵(8)將煤樣容器(15)抽成真空，待真空壓力表(7)上顯示的煤樣容器(15)內的氣壓低于50Pa時，關閉真空泵(8)和抽真空控制閥(6)；

步驟402、先將煤樣容器(15)的活塞(16)與正方體型煤樣(14)接觸，再將電子萬能試驗機(13)的應力加載探頭(17)下降速度轉到高速，待應力加載探頭(17)與活塞(16)剩余1cm～2cm時暫停電子萬能試驗機(13)，并將電子萬能試驗機(13)的應力加載探頭(17)下降速度轉到低速，再使應力加載探頭(17)緩緩下降，在下降過程中，觀察電子萬能試驗機(13)所連第一計算機(18)上顯示的加載力的數值，當加載力數值接近零時暫停，然后將所有數值項目清零；

步驟403、利用電子萬能試驗機(13)按位移加載，在加載的同時，開始采用所述聲發射系統對正方體型煤樣(14)進行聲發射數據的采集，并采用所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統對正方體型煤樣(14)瞬時變化情況照片進行采集；加載時的加載速率為0.05mm/min，數據采集頻率為1Hz，直至正方體型煤樣(14)破壞，停止加載和數據采集，記錄并保存電子萬能試驗機(13)、所述聲發射系統和所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統的數據；

步驟404、將編號為2～6的正方體型煤樣(14)取出重復步驟401～403進行試驗，記錄并保存編號為2～6的正方體型煤樣(14)試驗中電子萬能試驗機(13)、所述聲發射系統和所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統的數據；

步驟五、有瓦斯環境下進行試驗，具體過程為：

步驟501、開啟真空泵(8)和抽真空控制閥(6)，先用真空泵(8)將煤樣容器(15)抽成真空，待真空壓力表(7)上顯示的煤樣容器(15)內的氣壓低于50Pa時，關閉真空泵(8)和抽真空控制閥(6)；

步驟502、取含瓦斯氣體的正方體型煤樣(14)放置于煤樣容器(15)內，先將煤樣容器(15)的活塞(16)與正方體型煤樣(14)接觸，再將電子萬能試驗機(13)的應力加載探頭(17)下降速度轉到高速，待應力加載探頭(17)與活塞(16)剩余1cm～2cm時暫停電子萬能試驗機(13)，并將電子萬能試驗機(13)的應力加載探頭(17)下降速度轉到低速，再使應力加載探頭(17)緩緩下降，在下降過程中，觀察電子萬能試驗機(13)所連第一計算機(18)上顯示的加載力的數值，當加載力數值接近零時暫停，然后將所有數值項目清零；

步驟503、開啟充瓦斯控制閥(4)和減壓閥(2)，瓦斯氣瓶(1)內的瓦斯充入煤樣容器(15)內，待瓦斯氣體壓力表(3)上顯示的壓力達到預定的試驗壓力后，使壓力穩定并保持10min～60min，使正方體型煤樣(14)充分吸收瓦斯氣體；再觀測瓦斯檢測儀(21)的讀數，通過讀數的變化檢測煤樣容器(15)內瓦斯氣體的變化情況來檢測煤樣容器(15)內瓦斯的濃度；

步驟504、利用電子萬能試驗機(13)按位移加載，在加載的同時，開始采用所述聲發射系統對正方體型煤樣(14)進行聲發射數據的采集，并采用所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統對正方體型煤樣(14)瞬時變化情況照片進行采集；加載時的加載速率為0.05mm/min，數據采集頻率為1Hz，直至正方體型煤樣(14)破壞，停止加載和數據采集，記錄并保存電子萬能試驗機(13)、所述聲發射系統和所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統的數據；

步驟505、將編號為7～12的正方體型煤樣(14)取出重復步驟501～504進行試驗，記錄并保存編號為7～12的正方體型煤樣(14)試驗中電子萬能試驗機(13)、所述聲發射系統和所述VIC-3D非接觸全場應變測量系統的數據。