CN116148036A - 一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，涉及待检煤样，包括：压力加载模块，用于向待检煤样施加应力；真空模块，用于将待检煤样的检测环境抽真空；气体吸附模块，用于在抽真空后向待检煤样的检测环境中通入CH4并在密封环境下使其被吸附；数字散斑测量模块，用于在对待检煤样施加应力过程中保持影像的录制，并在待检煤样破裂时，反馈录制信息进行处理分析；本发明中，能够在气‑固‑力含三场耦合条件下对含瓦斯煤岩体进行静力加载实验，并利用DIC技术对静力加载下试样表面进行采样、匹配，将所测量的信息经由软件处理后来获取加载过程中试样表面精确的应变场与位移场的变化。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩瓦斯灾害防控技术领域，尤其涉及一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置及方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是井下一种十分复杂的动力灾害，在短时间内煤层会突然向外喷射出大量的煤与瓦斯且伴有严重的动力效应，给煤炭的安全开采、矿工的生命安全都带来了极大的威胁。同时，随着煤矿资源需求的不断增加，煤矿资源的开采也从浅层开采进入了深层开采，井下环境愈加恶劣，突出灾害的危险性逐渐增加，高瓦斯、高应力都是深层开采所要面对的挑战。
近年来，煤岩体在受载过程中的力学特性研究成果颇丰，如轴压、围压、加载速率等因素对煤岩体力学特性的影响现已取得长足进展。但由于装置气密性无法保证，对于受载煤体在瓦斯环境的研究鲜有报道，并且由于瓦斯对煤岩体的侵蚀劣化作用使其表面会发生微小变形及受载过程中煤岩体会产生大量微裂隙，这些微小变形及裂隙演化无法直接通过肉眼进行观测，因而会借助应变场的变化情况对煤体裂隙发展规律进行表征。在传统的应变场测量实验中，通常会借助光弹、红外扫描技术等手段进行研究，但存在精度或分辨率不高的情况，易导致应变场测量不准确。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置及方法，旨在解决现有的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，涉及待检煤样，包括：
压力加载模块，用于向待检煤样施加应力；
真空模块，用于将待检煤样的检测环境抽真空；
气体吸附模块，用于在抽真空后向待检煤样的检测环境中通入CH4并在密封环境下使其被吸附；
数字散斑测量模块，用于在对待检煤样施加应力过程中保持影像的录制，并在待检煤样破裂时，反馈录制信息进行处理分析。
进一步地，所述气体吸附模块包括压力罐，所述压力罐上设有两处气孔，两处所述气孔通过气管分别与气瓶和废气集气瓶连接，所述气管上均设有阀门。
进一步地，所述压力罐上嵌设有可视化的厚玻璃面板，且所述压力罐上设有压力罐釜盖，所述压力罐釜盖上插设有伸入至压力罐内的顶棒，所述顶棒一侧设有螺纹贯穿压力罐釜盖的螺栓锁紧装置，所述顶棒与压力罐的罐口接触端设有橡胶密封圈。
进一步地，所述压力加载模块包括门式框架结构压力装置，所述门式框架结构压力装置包括可上下移动的力杆，所述力杆通过升降控制器控制移动。
进一步地，所述真空模块包括真空泵和压力表，所述真空泵的真空管路与废气集气瓶的管路连通，且所述真空泵的抽气速率为50L/min。
进一步地，所述数字散斑测量模块包括用于对待检煤样施加应力过程中录像的高速摄像机以及用于对录像画面处理分析的数据处理***。
进一步地，所述门式框架结构压力装置最大施加压力为100kN，力值精度大于±1％，位移精度大于0.0025mm±0.5％。
进一步地，所述高速摄像机的拍摄帧率为120fps，图像分辨率为7952×5304ppi。
一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置的使用方法，具体包括以下步骤，
步骤一：对试样进行喷涂油漆处理，形成明显的散斑，打开电脑***，进行抽真空等准备工作；
步骤二：旋开压力罐釜盖，将待检煤样放入压力罐中，拧紧压力罐釜盖，连接管路于气孔上，打开阀门，关闭阀门，对罐体进行抽真空；
步骤三：抽真空完毕后，关闭阀门，打开阀门，打开气阀，将气瓶中的CH4注入压力罐，观察压力表，压力表数值稳定时，关闭气阀，进行吸附24h；
步骤四：关闭阀门，使用升降控制器调节入门式框架结构压力装置中的力杆，使其以一定的速率往下降，当力杆接触到顶棒时，停止力杆下降，并开启高速摄像机，之后再次调节力杆的速率使其以恒定的速率将顶棒往下压，当顶棒与试样上表面重合时，开始实验；
步骤五：在加载过程中，摄像机要保持对焦于待检煤样表面，且保持充分光照于待检煤样上，并保证机器处于录制视频模式；
步骤六：当待检煤样破裂时，停止试验，关闭摄像机，并将录制的影像传输至信息采集及数字散斑处理***，打开阀门，将废气存贮至废气集气瓶；
步骤七：关闭所有阀门，取出试样；
步骤八：若加载过程中出现失控，可随即按下停止按钮，仪器停止，保证实验安全。
本发明的有益效果体现在：
本发明中，能够在气-固-力含三场耦合条件下对含瓦斯煤岩体进行静力加载实验，并利用DIC技术对静力加载下试样表面进行采样、匹配，将所测量的信息经由软件处理后来获取加载过程中试样表面精确的应变场与位移场的变化。
附图说明
图1为本发明含瓦斯煤岩体吸附加载数字散斑试验；
图2为本发明吸附压力罐示意图；
图3为本发明门式框架结构压力装置；
图4为本发明经过散斑喷漆处理后的煤样；
图5为本发明应力分布图；
图6为本发明应力应变曲线图。
附图标记说明：
1、顶棒；2、压力罐釜盖；3、螺栓锁紧装置；4、橡胶密封圈；5、釜盖锁紧螺纹；6、压力罐；7、厚玻璃面板；8、待检煤样；9、底座；10、气孔(10-1，10-2)；11、底座；12、升降控制器；13、力杆；14、启动按钮；15、停止按钮；16、气瓶；17、气阀；18、压力表；19、门式框架结构压力装置；20、废气集气瓶；21、阀门(21-1，21-2，21-3)；22、真空泵；23、高速摄像机；24、数据处理***。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在。
实施例一：请参阅图1和2，本发明一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，涉及待检煤样8，包括：
压力加载模块，用于向待检煤样8施加应力；
真空模块，用于将待检煤样8的检测环境抽真空；
气体吸附模块，用于在抽真空后向待检煤样8的检测环境中通入CH4并在密封环境下使其被吸附；
数字散斑测量模块，用于在对待检煤样8施加应力过程中保持影像的录制，并在待检煤样8破裂时，反馈录制信息进行处理分析。
该***通过构成一个可视化窗口，数字散斑测量模块正对可视化窗口，利用摄像机对含瓦斯煤岩体表面进行散斑位置捕捉，进而获得含瓦斯煤岩体在加载过程中的变形情况。采用DIC技术进行图像测量，可以更为直观，准确的观察到加载过程中应变场的变化。同时该***具有看良好的密闭性、抗腐蚀性和耐高压性，极大的保障了试验人员的安全。
能够在气-固-力含三场耦合条件下对含瓦斯煤岩体进行静力加载实验，并利用DIC技术对静力加载下试样表面进行采样、匹配，将所测量的信息经由软件处理后来获取加载过程中试样表面精确的应变场与位移场的变化。
在一实施例中，请参阅图2，气体吸附模块包括压力罐6，压力罐6上设有两处气孔10，两处气孔10通过气管分别与气瓶16和废气集气瓶20连接，气管上均设有阀门21。其中，两处气孔10分别对应附图2中标记为10-1和10-2。
此处阀门21对应附图1中的标记为21-1和21-3。
其中，压力罐6的筒壁采用20mm厚度的合金球型筒壁，可承受-0.1KPa～7MPa。罐内空间为180*180mm，可放置50*100mm的煤岩体试样。
在一实施例中，请参阅图2，压力罐6上嵌设有可视化的厚玻璃面板7，且压力罐6上设有压力罐釜盖2，压力罐釜盖2上插设有伸入至压力罐6内的顶棒1，顶棒1一侧设有螺纹贯穿压力罐釜盖2的螺栓锁紧装置3，顶棒1与压力罐6的罐口接触端设有橡胶密封圈4。
其中，螺栓锁紧装置3能够在顶棒1与待检煤样8接触后将顶棒1锁紧，起到保压效果。
橡胶密封圈4的设置能够保证气密性进而达到保压效果。
厚玻璃面板7采用20mm厚度，直径为120mm的圆形钢化玻璃。
螺栓、压力罐釜盖2也均采用合金材料制作，其中，压力罐釜盖2可拆卸，并通过螺栓固定于压力罐6罐体上。
在一实施例中，请参阅图3，压力加载模块包括门式框架结构压力装置19，门式框架结构压力装置19包括可上下移动的力杆13，力杆13通过升降控制器12控制移动。
其中，力杆13与升降调节器连接，升降控制器12与升降调节器电性连接，升降调节速度范围为0.01～500mm/min,无极调速±1％。
在一实施例中，请参阅图1，真空模块包括真空泵22和压力表18，真空泵22的真空管路与废气集气瓶20的管路连通，且真空泵22的抽气速率为50L/min。
其中，真空管路上设有阀门，此处阀门对应附图1中的标记为21-2。
在一实施例中，请参阅图1，数字散斑测量模块包括用于对待检煤样8施加应力过程中录像的高速摄像机23以及用于对录像画面处理分析的数据处理***24。
其中，高速摄像机23配备有照明闪光灯。数据处理***24采用的软件为3D Dic。
在一实施例中，门式框架结构压力装置19最大施加压力为100kN，力值精度大于±1％。位移精度大于0.0025mm±0.5％。这样设置，确保待检煤样8能够被压破裂，位移精度的设置能够在破裂的瞬间，使得门式框架结构压力装置19的压力结构停止移动。
在一实施例中，高速摄像机23的拍摄帧率为120fps，图像分辨率为7952×5304ppi。这样设置，能够全程记录待检煤样8受压破裂过程中的影像信息，并保持足够的清晰度。
实施例二：一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置的使用方法，具体包括以下步骤，请参阅图4-6，
步骤一：对试样进行喷涂油漆处理，形成明显的散斑，打开电脑***，进行抽真空等准备工作；
步骤二：旋开压力罐釜盖2，将待检煤样8放入压力罐中，拧紧压力罐釜盖2，连接管路于气孔10上，打开阀门21-2，关闭阀门21-1、21-3，对罐体进行抽真空；
步骤三：抽真空完毕后，关闭阀门21-2，打开阀门21-3，打开气阀17，将气瓶16中的CH4注入压力罐，观察压力表18，压力表18数值稳定时，关闭气阀17，进行吸附24h；
步骤四：关闭阀门21-3，使用升降控制器调节入门式框架结构压力装置19中的力杆13，使其以一定的速率往下降，当力杆13接触到顶棒1时，停止力杆13下降，并开启高速摄像机23，之后再次调节力杆13的速率使其以恒定的速率将顶棒1往下压，当顶棒1与试样上表面重合时，开始实验；
步骤五：在加载过程中，摄像机要保持对焦于待检煤样8表面，且保持充分光照于待检煤样8上，并保证机器处于录制视频模式；
步骤六：当待检煤样8破裂时，停止试验，关闭摄像机，并将录制的影像传输至信息采集及数字散斑处理***，打开阀门21-1，将废气存贮至废气集气瓶20；
步骤七：关闭所有阀门，取出试样；
步骤八：若加载过程中出现失控，可随即按下停止按钮，仪器停止，保证实验安全。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，涉及待检煤样(8)，其特征在于,包括：
压力加载模块，用于向待检煤样(8)施加应力；
真空模块，用于将待检煤样(8)的检测环境抽真空；
气体吸附模块，用于在抽真空后向待检煤样(8)的检测环境中通入CH4并在密封环境下使其被吸附；
数字散斑测量模块，用于在对待检煤样(8)施加应力过程中保持影像的录制，并在待检煤样(8)破裂时，反馈录制信息进行处理分析。
2.如权利要求1所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述气体吸附模块包括压力罐(6)，所述压力罐(6)上设有两处气孔(10)，两处所述气孔(10)通过气管分别与气瓶(16)和废气集气瓶(20)连接，所述气管上均设有阀门。
3.如权利要求2所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述压力罐(6)上嵌设有可视化的厚玻璃面板(7)，且所述压力罐(6)上设有压力罐釜盖(2)，所述压力罐釜盖(2)上插设有伸入至压力罐(6)内的顶棒(1)，所述顶棒(1)一侧设有螺纹贯穿压力罐釜盖(2)的螺栓锁紧装置(3)，所述顶棒(1)与压力罐(6)的罐口接触端设有橡胶密封圈(4)。
4.如权利要求1所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述压力加载模块包括门式框架结构压力装置(19)，所述门式框架结构压力装置(19)包括可上下移动的力杆(13)，所述力杆(13)通过升降控制器(12)控制移动。
5.如权利要求2所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述真空模块包括真空泵(22)和压力表(18)，所述真空泵(22)的真空管路与废气集气瓶(20)的管路连通，且所述真空泵(22)的抽气速率为50L/min。
6.如权利要求1所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述数字散斑测量模块包括用于对待检煤样(8)施加应力过程中录像的高速摄像机(23)以及用于对录像画面处理分析的数据处理***(24)。
7.如权利要求4所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述门式框架结构压力装置(19)最大施加压力为100kN，力值精度大于±1％，位移精度大于0.0025mm±0.5％。
8.如权利要求6所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置，其特征在于：所述高速摄像机(23)的拍摄帧率为120fps，图像分辨率为7952×5304ppi。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种可测含瓦斯煤岩体受载过程应变场的实验装置的使用方法，其特征在于，
步骤一：对试样进行喷涂油漆处理，形成明显的散斑，打开电脑***，进行抽真空等准备工作；
步骤二：旋开压力罐釜盖(2)，将待检煤样(8)放入压力罐中，拧紧压力罐釜盖(2)，连接管路于气孔(10)上，打开阀门(21-2)，关闭阀门(21-1、21-3)，对罐体进行抽真空；
步骤三：抽真空完毕后，关闭阀门(21-2)，打开阀门(21-3)，打开气阀(17)，将气瓶(16)中的CH4注入压力罐，观察压力表(18)，压力表(18)数值稳定时，关闭气阀(17)，进行吸附24h；
步骤四：关闭阀门(21-3)，使用升降控制器调节入门式框架结构压力装置(19)中的力杆(13)，使其以一定的速率往下降，当力杆(13)接触到顶棒(1)时，停止力杆(13)下降，并开启高速摄像机(23)，之后再次调节力杆(13)的速率使其以恒定的速率将顶棒(1)往下压，当顶棒(1)与试样上表面重合时，开始实验；
步骤五：在加载过程中，摄像机要保持对焦于待检煤样(8)表面，且保持充分光照于待检煤样(8)上，并保证机器处于录制视频模式；
步骤六：当待检煤样(8)破裂时，停止试验，关闭摄像机，并将录制的影像传输至信息采集及数字散斑处理***，打开阀门，将废气存贮至废气集气瓶(20)；
步骤七：关闭所有阀门，取出试样；
步骤八：若加载过程中出现失控，可随即按下停止按钮，仪器停止，保证实验安全。
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