CN109001053B - 一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试*** - Google Patents

一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，涉及煤岩动力破坏试验技术领域，能够实现高围压、高湿热与强动力扰动条件下煤岩体动态冲击加载。本***由冲击加载装置和湿热力耦合装置组成，冲击加载装置对煤岩体试样施加强动力扰动，湿热力耦合装置对试样形成测试所需的湿度、温度和围压条件。在冲击加载过程中，能够实时获取试样内部微破裂信号和表面断裂图像信息，用于分析高围压、高湿热与强动力扰动条件下煤岩体的动力学响应特征，对于深部地下空间动力灾害预测与控制具有重要的理论意义和实践价值。

Description

一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***
技术领域
本发明涉及煤岩动力破坏试验技术领域，具体涉及一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***。
背景技术
随着全球经济迅猛发展，国防、交通、水利、矿业等行业地下工程规模和深度快速增长，深部地下空间利用与矿产资源开发逐渐成为各国重点研究领域。目前，我国煤炭资源已大多开始向深部延伸，深部地下空间煤岩体往往处于高围压、高湿热和强动力扰动环境，在深部开发过程中极易发生岩爆、冲击地压等动力灾害，严重威胁人员生命与财产安全。
当前，人们对高围压、高湿热与强动力扰动环境下煤岩体动力学响应仍然缺乏足够的认识，因此难以对深部地下空间动力灾害进行有效预测和控制。研制一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，用于分析深部围压与湿热耦合条件下煤岩体动力学响应特征，对于深部地下空间动力灾害预测与控制具有重要的理论意义和实践价值。
目前，现有煤岩动态冲击破坏测试***主要是基于分离式霍普金森压杆装置实现，此类***中的围压装置大多采用液压泵站将油或水注入密闭腔室，通过密封胶套将压力作用在试样周围，这种处理方式有以下缺点：
1.由于霍普金森压杆试验的时间仅在几个ms内即可完成，作用过程瞬间结束，如采用液压方式，液压伺服作动时间过长，导致围压与冲击载荷难以同步加载，并且试验时材料的较大变形会导致围压装置内液压油的体积变化，使得围压装置在试验过程中难以保持稳压。
2.由于试样被封装于密封胶套内，无法直接获取试样在冲击破坏过程中的内部微破裂信号和表面断裂图像信息，阻碍人们对煤岩体动力学响应特征的全面认识。
3.现有煤岩动态冲击破坏测试***均无法模拟湿热环境，更无法用于研究围压与湿热耦合作用下的煤岩体动力学响应。
发明内容
解决的技术问题
本发明的目的是提供一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，能够实现围压与湿热耦合条件下煤岩体动态冲击破坏，并且在冲击破坏过程中，能够实时获取试样内部微破裂信号和表面断裂图像信息，真实反映深部高围压、高湿热与强动力扰动条件下煤岩体的动力学响应特征。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明包括冲击加载装置和湿热力耦合装置；所述冲击加载装置与所述湿热力耦合装置位于同一轴线上，所述冲击加载装置为气动控制，所述湿热力耦合装置外接增压装置、动态监测装置，所述湿热力耦合装置内装设有试样，且所述湿热力耦合装置与所述试样直接接触。
进一步地，所述冲击加载装置包括气室、控制阀、撞击杆、入射杆、透射杆；所述冲击加载装置中控制阀用于控制气室管道开启和闭合状态，撞击杆位于气室管路内，且撞击杆、入射杆和透射杆处于同一轴线上。
进一步地，所述湿热力耦合加载装置包括入射杆套、入射端腔室、透射端腔室、透射杆套；所述入射杆、所述入射杆套及所述入射端腔室从内到外逐层密封套接；所述透射杆、所述透射杆套及所述透射端腔室从内到外逐层密封套接；所述入射杆与所述透射杆之间夹持有试样，所述入射端腔室和所述透射端腔室通过法向螺栓连接，且所述入射端腔室和所述透射端腔室下方均固定有刚性基座。
进一步地，所述增压装置包括液压泵站，所述动态监测装置包括压力传感器、高压气瓶、声发射传感器、电阻加热式盘管、温度传感器、湿度传感器、声发射采集仪、动态数据采集仪、工控计算机和高速摄影仪。
进一步地，所述入射杆套及所述透射杆套周身表面分别设有环状凸起，两个所述环状凸起分别与入射端腔室、所述透射端腔室形成封闭空间；
所述封闭空间内的所述入射端腔室及所述透射杆腔室的壁面上均设置有进油口。
所述入射端腔室包含1个进油口、1个进气口和1个泄压口，进油口通过高压管路和所述液压泵站连接，所述进气口通过高压管路与所述压力传感器和所述高压气瓶连接，所述压力传感器与所述动态数据采集仪连接，所述泄压口连接泄压阀，当压力超出安全门槛值时所述泄压阀自动开启卸压。
所述入射端腔室正对所述试样的位置设置有透明观察窗口，所述透明观察窗口采用高强度玻璃封闭，所述透明观察窗口外设置有所述高速摄影仪；所述透射端腔室包含1个进油口，进油口通过高压管路与所述液压泵站连接。
进一步地，所述入射杆套与所述入射杆同轴心穿过所述入射端腔室，且所述入射杆套与所述入射杆的端面与试样接触。所述入射杆套内沿轴向间隔90°分布多条导线通道a，导线通道a共有4条，导线通道a与所述试样的端面接触，并在导线通道a与所述试样相对的端面处均匀分布有所述声发射传感器。
所述声发射传感器底部设置弹性缓冲垫块，所述声发射传感器导线穿过所述弹性缓冲垫块，经由所述导线通道a穿出所述入射杆杆套，接入所述声发射采集仪。
进一步地，所述透射杆套与所述透射杆同轴心穿过所述透射端腔室，所述透射杆套与所述透射杆的端面与所述试样接触。所述透射杆套内沿轴向设置有1条液体通道和1条导线通道b，所述液体通道的一端与所述试样的端面接触、另一端连接有注水泵站。
所述透射杆套与所述试样相对的侧面端部设置有所述电阻加热式盘管，并在所述透射杆套表面上分布有所述温度传感器与所述湿度传感器，所述电阻加热式盘管通过导线通道b接入所述工控计算机，所述温度传感器与所述湿度传感器的导线均通过所述导线通道b接入所述动态数据采集仪。
进一步地，所述动态数据采集仪、声发射采集仪和高速摄影仪之间通过导线相连，所述动态数据采集仪根据入射杆中应变信号变化开始启动采集并输出TTL电平信号，声发射采集仪和高速摄影仪接收TTL电平信号后开始启动采集。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下
有益效果：
本发明通过将围压装置由液压改为气压直接作用于试样周围，气压冲击加载速度快，不仅提高了围压稳定性，更避免了密封胶套对试样的阻隔，使之可以通过声发射和高速摄影仪直接获取试样在冲击破坏过程中的内部微破裂信号和表面断裂图像信息，更全面地反映煤岩体的动力学响应特征。另一方面，本发明提供了一种围压与湿热耦合作用下冲击加载的实验方法，能够更真实地模拟深部地下空间煤岩体所处的高围压、高湿热和强动力扰动环境，对于研究深部地下空间动力灾害预测与控制机理具有重要的价值，为全面研究煤岩体动力学响应提供了重要途径，对于提高深部地下空间动力灾害预测与控制技术水平具有重要的理论意义和实践价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明的入射杆套立体结构示意图；
图4是本发明的透射杆套立体结构示意图；
图中的标号分别代表：1-气室；2-控制阀；3-撞击杆；4-入射杆；5-入射杆套；6-入射端腔室；7-透射端腔室；8-透射杆套；9-透射杆；10-刚性基座；11-试样；12-环形密封圈；13-法向螺栓；14-径向螺栓；15-环状凸起；16-封闭空间；17-进油口；18-进气口；19-泄压口；20a-导线通道；20b-导线通道b；21-液体通道；22-液压泵站；23-泄压阀；24-压力传感器；25-高压气瓶；26-声发射传感器；27-弹性缓冲垫块；28-电阻加热式盘管；29-注水泵站；30-温度传感器；31-湿度传感器；32-声发射采集仪；33-动态数据采集仪；34-工控计算机；35-透明观察窗口；36-高速摄影仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
结合图1-4：一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，包括冲击加载装置和湿热力耦合装置；所述冲击加载装置与所述湿热力耦合装置位于同一轴线上，冲击加载装置为气动控制，所述湿热力耦合装置外接增压装置、动态监测装置，湿热力耦合装置内装设有试样11，且湿热力耦合装置与试样11直接接触。
所述冲击加载装置包括气室1、控制阀2、撞击杆3、入射杆4、透射杆9；所述冲击加载装置中控制阀2用于控制气室1管道开启和闭合状态，撞击杆3位于气室1管路内，且撞击杆3、入射杆4和透射杆9处于同一轴线上。控制阀2开启气室1后，高压气体从气室1冲出，推动撞击杆3高速撞击入射杆4形成动态冲击载荷。
所述的湿热力耦合加载装置包括入射杆套5、入射端腔室6、透射端腔室7、透射杆套8；所述入射杆4、所述入射杆套5及所述入射端腔室6从内到外逐层密封套接；所述透射杆9、所述透射杆套8及所述透射端腔室7从内到外逐层密封套接；所述入射杆4与所述透射杆9之间夹持有试样11。
所述入射端腔室6与透射端腔室7同轴心并通过法向螺栓13连接，所述入射端腔室6和所述透射端腔室7下方均固定有刚性基座10。且在入射端腔室6与透射端腔室7的接触面处设有两条环形密封圈12，环形密封圈12外部分通过法向螺栓13连接固定。
所述增压装置包括液压泵站22，所述动态监测装置包括压力传感器24、高压气瓶25、声发射传感器26、电阻加热式盘管28、温度传感器30、湿度传感器31、声发射采集仪32、动态数据采集仪33、工控计算机34和高速摄影仪36。
所述入射端腔室6内沿轴心穿过入射杆套5，入射杆套5与入射杆4同轴心且通过径向螺栓14固定，在入射端腔室6内部的入射杆套5与入射杆4端面平行；入射端腔室6内部的入射杆套5周身表面设有环状凸起15，环状凸起15与入射端腔室6内壁接触，环状凸起15表面设置两条环形密封圈12，入射端腔室6端面与入射杆套5接触部分设置两条环形密封圈12；环状凸起15与入射端腔室6形成封闭空间16。
封闭空间16内的入射端腔室6环向壁面上设有进油口17，进油口17与液压泵站22相连；入射端腔室6壁面中部设置进气口18和泄压口19，进气口18依次与压力传感器24和高压气瓶25连接，压力传感器24与动态数据采集仪33连接，泄压口19设置泄压阀23，当入射端腔室6内的压力超出安全压力门槛值后泄压阀23自动开启进行卸压；入射端腔室6壁面中部正对试样11位置设置矩形状的透明观察窗口35，透明观察窗口35采用高强度玻璃覆盖，透明观察窗口35的法线方向设置高速摄影仪36，用来采集试样11冲击断裂过程中裂纹扩展信息。
所述入射杆套5内沿轴向间隔90°设置4条圆形的导线通道a20a，导线通道a20a穿透入射杆套5a并在端部形成圆柱孔洞用于放置声发射传感器26，声发射传感器26与入射杆套5通过圆盘形的弹性缓冲垫块27接触；声发射传感器26的导线穿过弹性缓冲垫块27，经由导线通道a20a穿出入射杆套5，接入声发射采集仪32。
所述透射端腔室7内沿轴心穿过透射杆套8，透射杆套8与透射杆9同轴心且通过径向螺栓14固定，在透射端腔室7内部透射杆套8与透射杆9的端面平行；透射端腔室7内部的透射杆9周身套有环状凸起15，环状凸起15与透射端腔室7内壁接触，环状凸起15接触面内设置两条环形密封圈12，透射端腔室7端面与透射杆套8接触部分设置两条环形密封圈12；环状凸起15与透射端腔室7形成封闭空间16，封闭空间16内的透射端腔室7环向壁面设有进油口17，进油口17与液压泵站22相连。
所述透射杆套8内沿轴向设置1条导线通道b20b和1条液体通道21，透射杆套8与试样11的接触面沿环向设置两条凹槽，凹槽内布置耐高压的电阻加热式盘管28，电阻加热式盘管28的导线经由导线通道b20b穿出透射杆套8与工控计算机34连接，通过工控计算机34控制电阻加热式盘管28的升温速率；液体通道21连通试样11和注水泵站29，通过注水泵站29控制入射端腔室6内湿度条件；透射杆套8表面设置两个环形孔洞，环形孔洞底部与导线通道b20b连通，两个环形孔洞内分别设置耐高压潮湿的温度传感器30和耐高温高压的湿度传感器31，温度传感器30和湿度传感器31导线均经由导线通道b20b穿出透射杆套8与动态数据采集仪33连接。
本试验***理论上能够实现最大围压20MPa，最高冲击载荷400MPa，冲击载荷持续时间最大400us，最高温度100℃，最高相对湿度80％。
下面结合试样11对本发明试验***具体工作原理操作步骤介绍如下：
1.试样11为待测煤岩体取芯制成的圆柱状结构，直径为50mm，长度范围25～50mm，并将试样11各表面打磨平整，两端面不平整度小于0.02mm，端面均垂直于轴线，最大偏差不大于0.25°。打开入射端腔室6和透射端腔室7，将试样11两端面涂抹润滑脂，置于入射杆4和透射杆9中间并夹持稳定。
2.将入射端腔室6与透射端腔室7对接闭合并拧紧径向螺栓14，开启入射端腔室6和透射端腔室7进油口17处连接的液压泵站22，向封闭空间16注入液压油。液压油作用于入射杆套5和透射杆套8的环状凸起15，带动入射杆4和透射杆9向腔体中心运动，对试样11形成1MPa初始轴向夹持应力。
3.开启入射端腔室6进气口18，向封闭空间16内充入1MPa氮气后关闭进气口18。入射端腔室6静置2h，观察入射端腔室6内的压力传感器24读数是否变化，如无变化则证明入射端腔室6密闭性良好，可进行下一步操作，否则需检查入射端腔室6各连接处的环形密封圈12是否连接正常。
4.再次开启入射端腔室6进气口18，向封闭空间16内充入氮气至5MPa后关闭进气口18。高压氮气对试样11形成环向应力，围压大小为5MPa，同时将泄压阀23卸压的门槛值设定为5MPa。通过压力传感器24实时监测入射端腔室6内部的气体压力变化，保持气体围压稳定2h。
5.开启注水泵站29通过液体通道21向透射端腔室7内注入液态水，同时利用计算机控制电阻加热式盘管28开始升温，通过温度传感器30和湿度传感器31实时监测透射端腔室7内的温度和湿度变化，直至温度和湿度达到测试所需条件后关闭注水泵站29和电阻加热。
6.开启气室1控制阀2，气室1内的高压气体迅速推动撞击杆3从气管冲出，碰撞入射杆4形成冲击应力，冲击应力在入射杆4中传播后作用于试样11，对试样11形成动态冲击加载，试样11在冲击加载过程中发生破坏。在动态冲击加载过程中，由于入射杆4运动造成入射端腔室6内的气体围压迅速增大，压力超出卸压门槛值5MPa后，泄压阀23自动开启卸压，保持腔室内气体围压始终为5MPa，从而实现冲击应力与围压同步加载。
7.试样11动态破坏过程中，在试样11内部产生微破裂信号，在试样11表面生成宏观断裂裂纹。微破裂信号被入射杆套5端部的声发射传感器26接收，通过导线通道a20a传输至声发射采集仪32，试样11表面宏观断裂裂纹被透明观察窗口35外的高速摄影仪36采集存储。最终，通过本发明获得围压与湿热耦合条件下试样11冲击破坏的内部微破裂信号和表面断裂图像信息。
本发明通过将围压装置由液压改为气压直接作用于试样周围，气压冲击加载速度快，不仅提高了围压稳定性，更避免了密封胶套对试样的阻隔，使之可以通过声发射和高速摄影仪直接获取试样在冲击破坏过程中的内部微破裂信号和表面断裂图像信息，更全面地反映煤岩体的动力学响应特征。另一方面，本发明提供了一种围压与湿热耦合作用下冲击加载的实验方法，能够更真实地模拟深部地下空间煤岩体所处的高围压、高湿热和强动力扰动环境，对于研究深部地下空间动力灾害预测与控制机理具有重要的价值，为全面研究煤岩体动力学响应提供了重要途径，对于提高深部地下空间动力灾害预测与控制技术水平具有重要的理论意义和实践价值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，其特征在于：包括冲击加载装置和湿热力耦合装置；所述冲击加载装置与所述湿热力耦合装置位于同一轴线上，所述冲击加载装置为气动控制，所述湿热力耦合装置外接增压装置、动态监测装置，所述湿热力耦合装置内装设有试样(11)，且所述湿热力耦合装置与所述试样(11)直接接触，气压围压直接作用于试样周围，避免密封胶套对试样的阻隔，通过声发射和高速摄影仪直接获取试样在冲击破坏过程中的内部微破裂信号和表面断裂图像信息，全面地反映煤岩体的动力学响应特征；
所述冲击加载装置包括气室(1)、控制阀(2)、撞击杆(3)、入射杆(4)及透射杆(9)；
所述控制阀(2)控制所述气室(1)的开合状态，所述撞击杆(3)位于所述气室(1)内，且所述撞击杆(3)、所述入射杆(4)及所述透射杆(9)处于同一轴线上；
所述湿热力耦合加载装置包括入射杆套(5)、入射端腔室(6)、透射端腔室(7)及透射杆套(8)；
所述入射杆(4)、所述入射杆套(5)及所述入射端腔室(6)从内到外逐层密封套接；所述透射杆(9)、所述透射杆套(8)及所述透射端腔室(7)从内到外逐层密封套接；
所述入射杆(4)与所述透射杆(9)之间夹持有所述试样(11)，所述入射端腔室(6)和所述透射端腔室(7)通过法向螺栓(13)连接；
所述增压装置包括液压泵站(22)；
所述入射杆套(5)及所述透射杆套(8)周身表面分别设有环状凸起(15)，两个所述环状凸起(15)分别与入射端腔室(6)、所述透射端腔室(7)形成封闭空间(16)；
所述封闭空间(16)内的所述入射端腔室(6)及所述透射杆腔室(7)的壁面上均设置有进油口(17)，所述进油口(17)通过高压管路与液压泵站(22)连接，所述液压泵站(22)向封闭空间(16)内注入有液压油；
所述动态监测装置包括压力传感器(24)、高压气瓶(25)、动态数据采集仪(33)；
所述入射端腔室(6)的壁面中部设置有进气口(18)和泄压口(19)，所述泄压口(19)处连接有泄压阀(23)；
所述进气口(18)处依次与所述压力传感器(24)及所述高压气瓶(25)连接，所述压力传感器(24)与所述动态数据采集仪(33)连接；
所述高压气瓶(25)通过所述进气口(18)向所述入射端腔室(6)注入高压气体，所述高压气体对所述试样(11)施加有环向围压；
所述动态监测装置包括声发射传感器(26)、声发射采集仪(32)；
所述入射杆套(5)内沿轴向间隔90°均匀分布有多条导线通道a(20a)，且所述声发射传感器(26)均匀分布在所述入射杆套(5)与所述试样(11)相对的端面处；
所述声发射传感器(26)底部设置弹性缓冲垫块(27)，所述声发射传感器(26)导线穿过所述弹性缓冲垫块(27)，并经由所述导线通道a(20a)穿出所述入射杆杆套(5)与所述声发射采集仪(32)连接；
所述动态监测装置还包括电阻加热式盘管(28)、温度传感器(30)、湿度传感器(31)及工控计算机(34)；
所述透射杆套(8)内沿轴向设有液体通道(21)与导线通道b(20b)，所述液体通道(21)的一端与所述试样(11)的端面接触、另一端连接有注水泵站(40)；
所述透射杆套(8)与所述试样(11)相对的侧面端部设置有所述电阻加热式盘管(28)，并在所述透射杆套(8)表面上分布有所述温度传感器(30)与所述湿度传感器(31)，所述电阻加热式盘管(28)通过所述导线通道b(20b)接入所述工控计算机(34)；所述温度传感器(30)与湿度传感器(31)的导线均通过所述导线通道b(20b)连接所述动态数据采集仪(33)。
2.根据权利要求1所述的一种围压与湿热耦合条件下煤岩动态冲击破坏测试***，其特征在于：所述动态监测装置包括高速摄影仪(36)；所述入射端腔室(6)中部正对所述试样(11)的位置设置有透明观察窗口(35)，所述高速摄影仪(36)对应设在所述透明观察窗口(35)的法线方向外部；所述动态数据采集仪(33)、所述声发射采集仪(32)和所述高速摄影仪(36)之间通过导线相连。
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