CN103760027A

CN103760027A - 连续加压恒压煤岩流变试验装置

Info

Publication number: CN103760027A
Application number: CN201410003081.0A
Authority: CN
Inventors: 张东明; 尹光志; 张先萌; 齐消寒; 许江; 王维忠; 郑彬彬; 白鑫; 蒋长宝; 易理德; 汤伏蛟
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103760027B

Abstract

本发明公开了一种连续加压恒压煤岩体流变试验装置，包括与地基固定的左框架和右框架；左框架和右框架之间设置有压力室座；压力室座的下部设置有顶升机构；左框架高于右框架；左框架的上部固定有一杆底座，顶部固定有三杆底座；右框架的顶部固定有二杆底座；一杆底座、二杆底座和三杆底座上分别铰接有一杆、二杆和三杆；一杆的下部设置有与压力室座中心正对的压头；一杆与二杆通过一级连杆和销连接；二杆与三杆通过二级连杆和销连接；三杆位于三杆底座的左端通过钢绳连接有压块，右端通过钢绳连接有水箱；水箱上设置有进水口和出水口。本发明具有结构简单，加工成本低，可靠性好，操作方便等特点。

Description

连续加压恒压煤岩流变试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种用于测试煤岩在连续加压恒压状态下产生流变的试验装置。

背景技术

在各种煤岩体工程中，煤岩的应力状态、变形、和失稳都有明显的时间效应。煤岩石流变学的主要目地是建立岩石的应力、变形、与时间的关系。煤岩流变性质的研究是煤岩非线性变形失稳破坏研究的重要手段，是建立煤岩流变本构模型的基础。室内试验具有能够长期观察、可严格控制试验条件、重复次数多和耗资少等优点。但由于岩石工程处于复杂应力状态，受岩石本身（渗透性）及其所处环境（温度、水）的影响较大，在很多情况下，简单应力状态下的岩石流变试验不能完全反映工程实际中的岩体应力状态和岩石性态。

现有的煤岩流变试验装置存在以下问题：（1）试件尺寸小，不能够反映出岩石结构内原生裂隙对岩石流变性质的影响；（2）应力持续时间短等缺点，试验状态与岩石的真实存在环境有较大的差异，很难反映出自然状态下的岩石流变性质；（3）应变、位移测量***获取数据量有限，所得应变-时间、应力-时间曲线粗糙，在一定程度上影响了岩石流变性质的研究；（4）在试验过程中不可避免出现人为误差，从而影响到试验结果；（5）不能够试验不同温度下岩石的流变性质，也不能够对流变过程中岩石的渗透效果进行研究；（6）且造价高昂。

因此本领域技术人员致力于开发一种能更准确反映工程实际且成本低廉的煤岩流变试验装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能更准确反映工程实际且成本低廉的煤岩流变试验装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续加压恒压煤岩体流变试验装置，包括与地基固定的左框架和右框架；所述左框架和右框架之间设置有压力室座；所述压力室座的下部设置有顶升机构；所述左框架高于所述右框架；所述左框架的上部固定有一杆底座，顶部固定有三杆底座；所述右框架的顶部固定有二杆底座；

所述一杆底座、二杆底座和三杆底座上分别铰接有一杆、二杆和三杆；所述一杆的下部设置有与所述压力室座中心正对的压头；所述一杆与二杆通过一级连杆和销连接；所述二杆与三杆通过二级连杆和销连接；

所述三杆位于所述三杆底座的左端通过钢绳连接有压块，右端通过钢绳连接有水箱；所述水箱上设置有进水口和出水口。

所述右框架的顶部固定有计量架；所述计量架的上部设置有以所述三杆与三杆底座的铰接点为中心的弧形板；所述弧形板的弧形边缘均布有多个计量孔；所述三杆的右端固定有计量杆；所述计量杆上固定有可与各所述计量孔正对的光纤位移传感器。

所述光纤位移传感器为“Y”型结构，其合并端为光纤探头，两分支端分别为光源光纤和接受光纤；所述光源光纤和接受光纤分别位于所述计量孔的两侧。

为防止顶升机构产生的力使连续加压恒压煤岩流变实验装置整体框架发生非平衡震动，所述顶升机构包括与所述压力室座的下部固定的垫块；所述垫块与丝杠配合；所述丝杠通过多级齿轮传动由电机带动；

所述左框架和右框架之间固定有止动座；所述丝杠穿过所述止动座并由轴承支承；所述止动座上固定有止动杆；所述丝杠的端部中心设置有插销；所述插销与连扳固定；所述连扳一端与机座固定，另一端与所述止动杆固定；所述机座与所述地基固定。

较佳的，所述左框架和右框架上分别固定有左导板和右导板；所述压力室座与所述左导板和右导板配合。

较佳的，所述水箱的外部设置有水位显示管。

本发明的有益效果是：

1.轴向加载***的荷载，通过四连杆扩力***，逐级扩大，经过250倍的扩大传递到试件轴向，最大轴向应力300KN，实现了连续恒定轴向加载。通过机械扩力方式，改变了以往流变试验装置以液压方式实现轴向加载的方式，使得荷载更加稳定；四连杆扩力***与以往流变试验机所运用的杠杆原理扩力相比效果更加明显，更加容易获得流变试验要求的荷载值，使得该***造价低廉，实验过程更加稳定，能够模拟自然环境下煤岩的流变过程。

2.轴向加载监测监控***采用光纤位移传感器进行位移的测量记录，光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

3.在试验装置内不仅可以进行三轴流变试验而且还可以进行围压三轴蠕变渗流实验、围压三轴渗流实验、含瓦斯煤岩的流变实验等，实现多种功能。

4.该连续加压恒压煤岩体流变大型试验装置具有结构简单，加工成本低，可靠性好，操作方便等特点。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是图1中I处的局部放大图。

图3是图1中II处的局部放大图。

图4是图1的左视结构示意图。

图5是图1的俯视结构示意图。

图6是本发明中光纤位移传感器的结构原理图。

图7是本发明中四连杆机构的受力简图。

图8是本发明中未加载平衡状态下一杆的受力分析图。

图9是本发明中未加载平衡状态下二杆的受力分析图。

图10是本发明中未加载平衡状态下三杆的受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，一种连续加压恒压煤岩体流变试验装置，包括与地基1固定的左框架2和右框架3，左框架2高于右框架3。左框架2和右框架3上分别固定有左导板28和右导板27，左导板28和右导板29之间配合有压力室座4。

左框架2的上部固定有一杆底座5，顶部固定有三杆底座6，右框架3的顶部固定有二杆底座7。一杆底座5、二杆底座7和三杆底座6上分别铰接有一杆8、二杆9和三杆10，一杆8的下部设置有与压力室座4中心正对的压头8a。一杆8与二杆9通过一级连杆11和销连接，二杆9与三杆10通过二级连杆12和销连接。

三杆10位于三杆底座6的左端通过钢绳连接有压块13，右端通过钢绳连接有水箱14。水箱14上设置有进水口14a和出水口14b，水箱14的外部设置有水位显示管18。

右框架2的顶部固定有计量架15，计量架15的上部设置有以三杆10与三杆底座6的铰接点A为中心的弧形板16，弧形板16的弧形边缘均布有多个计量孔17。三杆10的右端固定有计量杆19，计量杆19上固定有可与各计量孔17正对的光纤位移传感器18。计量孔分布在计量架上端扇形盘的边缘，光纤位移传感器安装在计量杆的末端，实验过程中轴向发生位移变化时，计量杆的位置随着发生变化，光纤位移传感器记录下变化过程中计量孔的数量。由此可以测量出轴向位移变化量，并在轴向控制器面板上显示。

如图6所示，光纤位移传感器18为“Y”型结构，其合并端为光纤探头18a，两分支端分别为光源光纤18b和接受光纤18c。光源光纤18b和接受光纤18c分别位于计量孔17的两侧。

光由光源光纤传输，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收。光源光纤、接收光纤固定在计量杆末端，分别安装在计量孔的内外两侧，只有当光源光纤、接收光纤、计量孔三者共线时才能够接收到光信号。实验过程中当计量杆随着三杆运动时，光纤传感器接收到的光信号会交替出现，通过光纤位移传感器记录实验过程中轴向的位移。

压力室座4的下部设置有顶升机构，顶升机构包括与压力室座4的下部固定的垫块20；垫块20与丝杠21配合；丝杠21通过多级齿轮传动由电机22带动。垫块20将产生的向上的位移均匀的传递到压力室座4，使得压力室升起过程平稳可靠。

左框架2和右框架3之间固定有止动座23，止动座23上固定有止动杆24。丝杠21穿过止动座23并由轴承支承。丝杠的端部中心设置有插销25，插销25与连扳26固定，连扳26一端与机座27固定，另一端与止动杆24固定，机座27与地基1固定。

当没有加载煤岩试样，且轴向加载***处于平衡状态时，由一杆8、二杆9和三杆10，以及一级连杆11和二级连杆12构成的四杆机构的受力简图见图7所示，在此状态下，一杆8、二杆9和三杆10的手里头状态分别如图8、图9和图10所示

根据力矩平衡原理对三杆、二杆、一杆分析如下：

G₁L₁+F₂L₂-G₂（L₃+L₂）＝0

F₂′（L₄+L₅）-F₃L₅＝0

F₃′（L₆+L₇）-F′L₇＝0

F₂＝F₂′

F₃＝F₃′

F＝F′

结合上式得：

F_{2} = \frac{G_{2} (L_{3} + L_{2}) - G_{1} L_{1}}{L_{2}} = 5 g G_{2} - \frac{0.66}{0.35} g G_{1}

F_{3} = {F_{3}}^{'} = \frac{{F_{2}}^{'} (L_{4} + L_{5})}{L_{5}} = 10 g {F_{2}}^{'} = 10 g F_{2}

F = F^{'} = \frac{{F_{3}}^{'} (L_{6} + L_{7})}{L_{7}} = 5 g {F_{3}}^{'} = 5 g F_{3}

F = \frac{G_{2} (L_{3} + L_{2}) - G_{1} L_{1}}{L_{2}} g \frac{(L_{4} + L_{5})}{L_{5}} g \frac{(L_{6} + L_{7})}{L_{7}} = 250 g G_{2} - \frac{660}{7} g G_{1} = 0

故右侧加水

后，

F + &dtri; F = 250 g (G_{2} + &dtri; G) - \frac{660}{7} g G_{1},

故

&dtri; F = 250 g &dtri; G,

所以施加到试件轴向的力恒为250倍的

且二杆扩力倍数为10倍，一杆扩力倍数为5倍。若轴向加载***的右侧压块最大容量为12L，当压块内加满水时最终加载到试件轴向的应力可以到达300KN。

试验可按照以下步骤进行：

（1）煤样制作：将原煤用粉碎机粉碎，通过振动筛筛选，筛选40～60目的粉煤，然后将煤粉与一定量的纯净水混合后在2000kN材料试验机上以100MPa的成型应力稳定20min后压制成φ50mm×100mm的成型煤试件，最后将制备好的试件烘干后放置于干燥箱内备用。

（2）实验准备：将试件侧面用704硅橡胶涂抹约1mm，以保证气密性。然后将试件安装在压力室内，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用电吹风将圆筒热缩管均匀吹紧，保证圆筒热缩管与煤样侧面接触紧密，然后用金属箍分别箍住试件上下端的圆筒热缩管与支撑轴及加压活塞杆的重合部分，最后将链式径向位移引伸计安装于煤试件的中部位置，连接好数据传输接线，并将压力室安装在压力室座4上，然后启动电机22，使顶升机构带动压力室座4上升，从而使压力室预设的加压缺口与一杆的压头8a配合。如果要进行单轴流变实验，应根据细观演化***的监测方向调试好试件位置，连接细观演化观测***和声发射***，检查各个***的能否正常工作。

（3）真空脱气：检查试验压力室的气密性，打开三通阀门，用真空泵进行脱气，脱气时间一般为3～4h，以保证良好的脱气效果。

（4）充气及吸附平衡：脱气后，关闭三通阀门，调节高压甲烷钢瓶的减压阀门，施加1.0MPa的瓦斯压力，向试验腔内充气，充气时间为48h，使煤样达到充分吸附平衡。

（5）轴向加载：试件安装后，开启光纤位移传感器，按照实验方案设计，向水箱内加水，达到所需要的轴向压力后，停止加水，可由水位显示管测得水位，并计算出加水量，从而得到压块施加的力的大小。保持轴向压力恒定，由激光测位***记录流变实验过程中轴向位移变化量。

（6）围压加载：试件安装后，在轴向压力加载的同时，开启液压控制阀，待油压上升到实验要求停止供给，保持稳定加压。

（7）数据采集与处理：实验过程中通过连续加压恒压轴向加载***的激光测位***记录轴向应力及应变。按照试验方案及时记录保存相关数据，试验后及时处理。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种连续加压恒压煤岩体流变试验装置，包括与地基（1）固定的左框架（2）和右框架（3）；所述左框架（2）和右框架（3）之间设置有压力室座（4）；所述压力室座（4）的下部设置有顶升机构；其特征是：所述左框架（2）高于所述右框架（3）；所述左框架（2）的上部固定有一杆底座（5），顶部固定有三杆底座（6）；所述右框架（3）的顶部固定有二杆底座（7）；

所述一杆底座（5）、二杆底座（7）和三杆底座（6）上分别铰接有一杆（8）、二杆（9）和三杆（10）；所述一杆（8）的下部设置有与所述压力室座（4）中心正对的压头（8a）；所述一杆（8）与二杆（9）通过一级连杆（11）和销连接；所述二杆（9）与三杆（10）通过二级连杆（12）和销连接；

所述三杆（10）位于所述三杆底座（6）的左端通过钢绳连接有压块（13），右端通过钢绳连接有水箱（14）；所述水箱（14）上设置有进水口（14a）和出水口（14b）。

2.如权利要求1所述的连续加压恒压煤岩体流变试验装置，其特征是：所述右框架（2）的顶部固定有计量架（15）；所述计量架（15）的上部设置有以所述三杆（10）与三杆底座（6）的铰接点（A）为中心的弧形板（16）；所述弧形板（16）的弧形边缘均布有多个计量孔（17）；所述三杆（10）的右端固定有计量杆（19）；所述计量杆（19）上固定有可与各所述计量孔（17）正对的光纤位移传感器（18）。

3.如权利要求2所述的连续加压恒压煤岩体流变试验装置，其特征是：所述光纤位移传感器（18）为“Y”型结构，其合并端为光纤探头（18a），两分支端分别为光源光纤（18b）和接受光纤（18c）；所述光源光纤（18b）和接受光纤（18c）分别位于所述计量孔（17）的两侧。

4.如权利要求1或2或3所述的连续加压恒压煤岩体流变试验装置，其特征是：所述顶升机构包括与所述压力室座（4）的下部固定的垫块（20）；所述垫块（20）与丝杠（21）配合；所述丝杠（21）通过多级齿轮传动由电机（22）带动；

所述左框架（2）和右框架（3）之间固定有止动座（23）；所述丝杠（21）穿过所述止动座（23）并由轴承支承；所述止动座（23）上固定有止动杆（24）；所述丝杠的端部中心设置有插销（25）；所述插销（25）与连扳（26）固定；所述连扳（26）一端与机座（27）固定，另一端与所述止动杆（24）固定；所述机座（27）与所述地基（1）固定。

5.如权利要求1或2或3所述的连续加压恒压煤岩体流变试验装置，其特征是：所述左框架（2）和右框架（3）上分别固定有左导板（28）和右导板（29）；所述压力室座（4）与所述左导板（28）和右导板（29）配合。

6.如权利要求1或2或3所述的连续加压恒压煤岩体流变试验装置，其特征是：所述水箱（14）的外部设置有水位显示管（18）。