[發明專利]用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202011580861.3
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112858015A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 李振;趙嘉鵬;楊鵬;楊曉軍;范偉超;馮國瑞;方智龍;張純旺;申雄;崔家慶;牛小紅;宋誠
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/303;G01N21/84
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 王軍

1.一種用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置，其特征在于，包括：箱體容器、頂板、空心鋼管下落軌道、壓板、多孔板、紅外觀測窗口、底座、氣源鋼瓶、減壓閥、總閥門、三通管、吸附解吸氣體壓力傳感器、吸附解吸氣體流量傳感器、閥門一、圍壓氣體壓力傳感器、圍壓氣體流量傳感器、閥門二、電磁閥、數據采集與控制系統及落錘；

其中，所述箱體容器內部形成加載室，箱體容器頂部通過螺栓與頂板連接，且連接處設有O型密封圈，設置空心鋼管下落軌道，穿過頂板中心進入箱體容器，且連接處設有O型密封圈內；所述空心鋼管下落軌道頂部與伺服壓力機壓頭連接，空心鋼管下落軌道底部與壓板上端通過螺紋連接，壓板下方設置多孔板，多孔板與壓板之間設有濾紙，壓板內設有與多孔板相通的瓦斯進氣口，壓板下方對應設置用于固定試件的底座，箱體容器一側設置紅外觀測窗口，另一側設有出氣口與抽真空孔，箱體容器底部設有與加載室相通的吸附解吸口與圍壓進氣口，吸附解吸口與瓦斯進氣口通過氣管連通；

氣源鋼瓶與減壓閥、總閥門、三通管依次連接；三通管第一端與閥門一、吸附解吸氣體流量傳感器、吸附解吸氣體壓力傳感器、吸附解吸口依次相連組成吸附解吸氣路；三通管第二端與閥門二、圍壓氣體流量傳感器、圍壓氣體壓力傳感器、圍壓進氣口依次相連組成圍壓加載氣路；出氣口與電磁閥相連；

所述吸附解吸口一端連接吸附解吸氣體壓力傳感器，另一端通過作為吸附解吸通道的氣管與壓板底部的瓦斯進氣口連接；

所述的圍壓進氣口一端連接圍壓氣體壓力傳感器，另一端通過管路進入加載室；充圍壓時，通過對試件提供氣體圍壓以模擬水平應力；卸圍壓時，數據采集與控制系統根據圍壓氣體壓力傳感器的壓力數據是否達到實驗方案設定的目標值實現對電磁閥的智能控制，以實現不同卸載速度、卸載梯度下煤巖體變形破壞特征及紅外輻射特性的研究；

所述空心鋼管下落軌道開有長方形的觀測口，觀測口上刻有顯示高度的刻度，空心鋼管下落軌道內設置截止臺，落錘由觀測口放入空心鋼管下落軌道內進行自由落體運動至截止臺對伺服壓力機壓頭施加軸向動態荷載，軸向靜態載荷由伺服壓力機提供。

2.如權利要求1所述的用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置，其特征在于，箱體容器整體均為低熱導材料制成，內外涂有隔熱漆。

3.如權利要求1所述的用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置，所述伺服壓力機壓頭通過空心鋼管下落軌道的頂部對試樣施加載荷。

4.如權利要求1所述的用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置，其特征在于，紅外觀測窗口由內而外依次由紅外玻璃、階梯型密閉臺組成；所述階梯型密閉臺內部涂有隔熱漆，有利于鎖住紅外熱量，減少氣體流動對觀測效果的影響。

5.如權利要求1所述的用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置，其特征在于，所述吸附解吸氣體壓力傳感器、吸附解吸氣體流量傳感器、圍壓氣體壓力傳感器、圍壓氣體流量傳感器、電磁閥通過導線與數據采集與控制系統連接，實現對吸附解吸壓力、加載室圍壓壓力的實時采集與監控及電磁閥的通斷控制。

6.一種用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗方法，其特征在于，通過如權利要求1-5任一所述的用于煤巖氣固耦合動靜加卸載紅外觀測的試驗裝置分別進行三類實驗：

第一類為探究煤巖氣固耦合靜態加卸載變形破壞紅外輻射觀測試驗；第二類為探究含瓦斯煤巖動靜組合加卸載吸附解吸過程中紅外輻射觀測試驗；第三類為探究煤巖氣固耦合動靜組合加卸載變形破壞紅外輻射觀測試驗；

其中，所述探究煤巖氣固耦合靜態加卸載變形破壞紅外輻射觀測試驗包括如下步驟：

1)將試件置于加載室的底座中，試件兩端用橡膠圈進行固定密閉，將立方體可視化加載模塊放到伺服壓力機上，啟動伺服壓力機，使伺服壓力機壓頭下降，當多孔板與試件上表面接觸時停止下降；

2)將紅外熱像儀面向加載室放置于紅外觀測窗口的階梯型密閉臺之上，打開紅外熱像儀并調節好焦距；

3)由抽真空孔對加載室內抽真空；

4)打開紅外熱像儀的數據采集功能，同時打開總閥門、閥門二，調節減壓閥，經過圍壓加載氣路向加載室內充圍壓氣體直至加載室內圍壓氣體壓力傳感器達到實驗方案設置的目標值后，停止充圍壓；

5)再次啟動伺服壓力機，將試件軸向壓力加載到設定的目標值；

6)利用數據采集與控制系統與電磁閥配合控制出氣口的圍壓卸載速度、卸載梯度，進行圍壓瞬時卸載；

7)紅外熱像儀全程記錄三軸加卸載過程中試件表面溫度變化及變形破壞特征；

8)按照設定的實驗方案改變所提供的氣體圍壓與軸向壓力，重復多次步驟4)~7)，紅外熱像儀記錄在不同氣體圍壓、不同卸圍壓速度、不同軸向壓力條件下試件表面的溫度變化，并分析試件在不同三軸壓力條件下的變形破壞特征，直至試驗結束，取出試件；

所述探究探究含瓦斯煤巖動靜組合加卸載吸附解吸過程中紅外輻射觀測試驗包括如下步驟：

1)將試件置于加載室的底座中，試件兩端用橡膠圈進行固定密封，保證氣體從試件上方沿軸向方向經圓柱體試件向下吸附，將立方體可視化加載模塊放到伺服壓力機上，啟動伺服壓力機，使伺服壓力機壓頭下降，當多孔板與試件上表面接觸時停止下降；

2)將紅外熱像儀面向加載室放置于紅外觀測窗口的階梯型密閉臺之上，打開紅外熱像儀并調節好焦距；

3)由抽真空孔對加載室內抽真空；

4)再次啟動伺服壓力機，將試件軸向壓力加載到實驗方案設定的目標值；

5)待軸向壓力穩定后，打開紅外熱像儀的數據采集功能，同時打開總閥門、閥門一，調節減壓閥，通過吸附解吸氣路對煤樣通入一定壓力瓦斯氣體，將落錘置于空心鋼管下落軌道內，使落錘依照設定的實驗方案沿豎直方向做自由落體運動，待吸附解吸氣體壓力傳感器、吸附解吸氣體流量傳感器數據不再發生變化時中止實驗，通過紅外熱像儀觀測該階段整個吸附過程中試件表面溫度變化；

6)關閉總閥門、閥門一、減壓閥，打開出氣口使試件解吸瓦斯，將落錘置于空心鋼管下落軌道內，使落錘依照設定的實驗方案沿豎直方向做自由落體運動，待吸附解吸氣體壓力傳感器、吸附解吸氣體流量傳感器數據不再發生變化時，中止實驗，通過紅外熱像儀觀測該階段整個解附過程中試件溫度變化；

7)改變落錘質量、沖擊高度、次數及軸向壓力，重復多次步驟4)～6)，直到所有變軸向壓力和變動態載荷實驗結束為止；

所述探究煤巖氣固耦合動靜組合加卸載變形破壞紅外輻射觀測試驗包括以下步驟：

1)將試件置于加載室的底座中，試件兩端用橡膠圈進行固定密閉，將立方體可視化加載模塊放到伺服壓力機上，啟動伺服壓力機，使伺服壓力機壓頭下降，當多孔板與試件上表面接觸時停止下降；

2) 將紅外熱像儀面向加載室放置于紅外觀測窗口的階梯型密閉臺之上，打開紅外熱像儀并調節好焦距；

3)由抽真空孔對加載室內抽真空；

4)打開紅外熱像儀的數據采集功能，同時打開總閥門、閥門二，調節減壓閥，經過圍壓加載氣路向加載室內充圍壓氣體直至加載室內圍壓氣體壓力傳感器達到實驗方案設置的目標值后，停止充圍壓；

5)再次啟動伺服壓力機，將試件軸向壓力加載到實驗方案設定的目標值；

6)將落錘置于空心鋼管下落軌道內并依照實驗方案使落錘從設定的高度處沿豎直方向做自由落體運動，完成對試件三軸加載條件下的沖擊實驗；

7)按照實驗方案利用數據采集與控制系統與電磁閥配合控制出氣口的圍壓卸載速度、卸載梯度，進行圍壓瞬時卸載；

9)依照試驗方案改變落錘質量、沖擊高度、次數及所提供氣體圍壓與軸向壓力，重復多次步驟4)~8)，記錄試件在不同壓力條件下表面溫度變化，分析試件在動靜聯合加載及不同卸圍壓條件下變形破壞特征，直至試驗結束，取出試件。