專利名稱：煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種含瓦斯煤巖的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)裝置，尤其涉及煤巖固氣
耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，適用于不同瓦斯壓力作用下煤巖失穩(wěn)破壞變形全過程
的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)。
背景技術(shù)：
隨著我國煤炭采掘深度和強(qiáng)度的不斷加大，礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重， 對我國國民生產(chǎn)帶來了極大的負(fù)面影響，其中尤以煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重。研 究煤與瓦斯共同作用機(jī)理，煤與瓦斯在資源開采中的動(dòng)態(tài)作用過程，對我國及 世界煤炭工業(yè)的發(fā)展，防治礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害，具有重要的技術(shù)支撐作用。 當(dāng)前，在煤與瓦斯突出機(jī)理的研究中，復(fù)雜條件下煤體物理力學(xué)特性是揭示煤 與瓦斯突出過程中煤與瓦斯相互作用機(jī)理的重要途徑，已有的宏觀試驗(yàn)研究還 有許多不能解釋的現(xiàn)象。從細(xì)觀力學(xué)研究的角度出發(fā)，結(jié)合煤體宏觀的變形破 壞特征，掌握含瓦斯煤體細(xì)觀變形破壞的規(guī)律，可以為煤與瓦斯突出的有關(guān)問 題給予更科學(xué)的解釋，對進(jìn)一步揭示煤與瓦斯突出機(jī)理及提出更加科學(xué)合理的 防治技術(shù)具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。
目前，許多學(xué)者已經(jīng)開始從細(xì)觀角度研究瓦斯作用下煤巖的變形及破壞過 程。劉寶琛等利用剛性加載系統(tǒng)和掃描電鏡對大同礦區(qū)硬煤進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)及 靜態(tài)顯微觀測，由于掃描電鏡對試驗(yàn)環(huán)境真空度要求較高，該類試驗(yàn)未涉及煤
與瓦斯突出有關(guān)的固氣耦合環(huán)境；葛修潤等利用自行設(shè)計(jì)與硏制的與CT機(jī)配套
4的專用加載設(shè)備，進(jìn)行了三軸和單軸荷載作用下煤巖破壞過程的細(xì)觀損傷演化
規(guī)律的即時(shí)動(dòng)態(tài)CT試驗(yàn)，但是此設(shè)備仍然無法實(shí)現(xiàn)瓦斯壓力下的試驗(yàn)；馮夏庭
等發(fā)明了可進(jìn)行應(yīng)力一水流一化學(xué)腐蝕三場耦合和不同圍壓下巖石破裂細(xì)觀力
學(xué)試驗(yàn)，并對試樣的裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行顯微放大和CCD觀測(申請?zhí)?br> 200410061234.3)，它的不足是不能進(jìn)行瓦斯壓力作用下的煤樣試驗(yàn)；何學(xué)秋教 授等曾對含瓦斯煤變形及破壞過程的顯微觀測進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了顯微觀測 與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合，但其煤樣試件受力狀態(tài)單一，觀測范圍僅是試件一側(cè)面積 很小的局部，缺少試件破壞的聲發(fā)射參數(shù)觀測，測試結(jié)果的全面性、可對比性 差。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載 裝置，能進(jìn)行單軸和平面應(yīng)變加載條件下固氣耦合試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯微觀測 和聲發(fā)射信號的采集。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下 一種煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，在試 驗(yàn)體上開設(shè)有測試腔、測量孔和多用氣孔，其中測試腔的敞口處通過壓蓋固定 有透明視鏡，在所述測量孔內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線，該測量導(dǎo)線的內(nèi)端位于測試腔中， 測量導(dǎo)線的外端從試驗(yàn)體的側(cè)面引出，所述多用氣孔的內(nèi)端口位于測試腔的內(nèi)
壁，多用氣孔的外端口在試驗(yàn)體的側(cè)面，且外端口處連接有氣管；在所述測試 腔內(nèi)設(shè)置有墊塊、限位壓頭和加載頭，其中墊塊的上部開設(shè)有"L"形缺口，該 "L"形缺口的縱向面正對限位壓頭，限位壓頭固定于限位桿的內(nèi)端，限位桿的 外端伸出試驗(yàn)體外，并由鎖緊機(jī)構(gòu)限位，所述"L"形缺口的橫向面正對加載頭， 該加載頭固定于加載桿的下端，所述加載桿的上端向上伸出試驗(yàn)體外。
本實(shí)用新型中，測試腔是試驗(yàn)迸行的場所，用于放置測試件；測試腔內(nèi)有墊塊和限位壓頭，可限制測試件側(cè)向位移，提供平面應(yīng)變加載狀態(tài)。透明視鏡 主要提供測試腔內(nèi)的固氣耦合環(huán)境和創(chuàng)造試件破壞的顯微觀測條件。測量導(dǎo)線 與試驗(yàn)體外的測量儀器連接，以傳遞聲發(fā)射、應(yīng)變、應(yīng)力等測量信號，實(shí)現(xiàn)對 試件破壞過程的全面測量。多用氣孔引出的氣管分成兩路， 一路與抽真空設(shè)備 連接，另一路與外界高壓供氣設(shè)備連接，以便在壓力試驗(yàn)前按要求對測試腔進(jìn) 行抽真空和充瓦斯操作。
本實(shí)用新型用于試驗(yàn)時(shí)，先將壓蓋和透明視鏡拆下，將測量導(dǎo)線的內(nèi)端探 頭貼靠在煤巖測試件表面，然后把煤巖測試件放置于墊塊"L"形缺口的橫向面
上，調(diào)節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu)，使限位桿向內(nèi)伸，限位壓頭頂靠在測試件的側(cè)面，并施加 一定的壓力，測試件被夾緊在限位壓頭與墊塊"L"形缺口的縱向面之間，再將
透明視鏡還原，密封，緊固。接著將本裝置整體放置在剛性試驗(yàn)機(jī)上，開啟抽 真空設(shè)備，通過氣管及多用氣孔對測試腔內(nèi)進(jìn)行抽真空，達(dá)到一定真空度后， 關(guān)閉抽真空設(shè)備；開啟高壓供氣設(shè)備，通過氣管及多用氣孔對測試腔內(nèi)進(jìn)行充 瓦斯，達(dá)到一定壓力后，使壓力穩(wěn)定并保持一定時(shí)間，使測試腔內(nèi)測試件對瓦 斯進(jìn)行充分吸附。開啟試驗(yàn)機(jī)和測量儀器，試驗(yàn)機(jī)通過加載桿和加載頭將壓力 傳遞到測試件上，進(jìn)行瓦斯壓力作用下的固氣耦合力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)體透明視鏡 外側(cè)便可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯微觀測，測量儀器通過測量導(dǎo)線采集聲發(fā)射、應(yīng)變、應(yīng)力 等測量信號，實(shí)現(xiàn)對測試件破壞過程的全面測量。
不同瓦斯壓力和不同荷載對煤巖試件的破壞方式、過程、速率等都會(huì)有不 同的影響。本實(shí)用新型裝置就是為需要進(jìn)行平面圖像信號和聲發(fā)射信號采集的 細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)提供有效手段，為不同狀況下固氣耦合煤巖失穩(wěn)破壞的理論分析 提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
上述鎖緊機(jī)構(gòu)由剛性鎖緊立柱、鎖緊梁和鎖緊螺母構(gòu)成，兩根剛性鎖緊立柱垂直固定于試驗(yàn)體的側(cè)面，并分居在限位桿的上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立 柱上活套鎖緊梁，該鎖緊梁內(nèi)表面的中部對限位桿外端固套的預(yù)緊螺母限位， 鎖緊梁外表面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱上套裝的鎖緊螺母限位。鎖 緊機(jī)構(gòu)和限位桿及限位壓頭是為模擬平面應(yīng)變加載狀況而設(shè)計(jì)的，調(diào)節(jié)兩個(gè)鎖 緊螺母，使鎖緊梁朝著試驗(yàn)體的方向運(yùn)動(dòng)，鎖緊梁將限位桿及限位壓頭向內(nèi)頂， 從而使測試件側(cè)面受到一定限位作用力。以上機(jī)構(gòu)不僅簡單實(shí)用，而且可靠性 好。
為了便于加工及裝配，上述測試腔為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺階狀，所述 墊塊、限位壓頭和加載頭位于測試腔的小直徑段內(nèi)，而透明視鏡和壓蓋位于測 試腔的大直徑段內(nèi)。
為了使墊塊放置到測試腔內(nèi)定位方便、穩(wěn)定，上述墊塊與測試腔的腔壁采 用弧面接觸。該弧面的半徑與所述測試腔小直徑段的半徑相等。
為方便拆裝，并使得透明視鏡固定牢靠，上述透明視鏡為圓盤形，壓蓋為 圓環(huán)形，壓蓋設(shè)置在透明視鏡的外邊緣上，并通過圓周上均勻分布的螺釘與試 驗(yàn)體固定。
上述透明視鏡與試驗(yàn)體之間通過O型密封圈密封；加載桿與試驗(yàn)體之間采 用O型密封圈和兩個(gè)Yx型密封圈構(gòu)成的組合密封件密封，組合密封件的外面由 小蓋限位，小蓋通過螺釘固定在試驗(yàn)體上；所述限位桿與試驗(yàn)體之間的密封方 式與加載桿相同。以上設(shè)計(jì)能確保測試腔在抽真空(負(fù)壓)和充瓦斯氣體(正
壓)情況下均具有良好的氣密性。 本實(shí)用新型的有益效果是
1、能為進(jìn)行實(shí)時(shí)顯微觀測和聲發(fā)射信號采集的固氣耦合細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)。
2、 多樣的試件夾具和側(cè)向限位設(shè)施，保證了本實(shí)用新型既可進(jìn)行單軸力學(xué)
試驗(yàn)，也可進(jìn)行平面應(yīng)變力學(xué)試驗(yàn)。
3、 本裝置具有良好的氣密性和耐爆性，能進(jìn)行不同瓦斯壓力作用下的細(xì)觀
力學(xué)試驗(yàn)，特別是為瓦斯壓力作用下煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)創(chuàng)造了與礦山實(shí)際更加 接近的試驗(yàn)條件。
4、 本裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，可靠性好，能夠?qū)﹂L方體、圓柱體等多
種形狀、不同尺寸的測試件進(jìn)行試驗(yàn)，適用面廣。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的A-A剖視圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明
如圖1、圖2所示，試驗(yàn)體1為正方體結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)體1上開設(shè)有測試腔2， 該測試腔2的開口位于試驗(yàn)體1的正面，測試腔2為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺 階狀。透明視鏡6和壓蓋5位于測試腔2的敞口處即大直徑段內(nèi)，其中透明視 鏡6為圓盤形，透明視鏡6的內(nèi)表面由測試腔2內(nèi)的臺階面限位，透明視鏡6 與試驗(yàn)休l之間通過O型密封圈密封，壓蓋5為圓環(huán)形，壓蓋5設(shè)置在透明視 鏡6的外邊緣上，并通過圓周上均勻分布的螺釘與試驗(yàn)體i固定。所述透明視 鏡為整個(gè)試驗(yàn)過程的顯微觀測創(chuàng)造了試驗(yàn)條件。
從圖l、圖2可知，在測試腔2的右側(cè)開設(shè)有測量孔3和多用氣孔4，測量 孔3位于多用氣孔4的上方，測量孔3的內(nèi)端口位于測試腔2的內(nèi)壁，測量孔3的外端口在試驗(yàn)體1的右側(cè)面。在所述測量孔3內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線7，該測量導(dǎo)線
7的內(nèi)端位于測試腔2中，測量導(dǎo)線7的外端穿過測量孔3內(nèi)設(shè)置的密封件，并
從試驗(yàn)體1的右側(cè)面引出，然后與相應(yīng)的測量儀器(圖中未畫出)連接，測量
儀器通過測量導(dǎo)線7采集聲發(fā)射、應(yīng)變、應(yīng)力等測量信號，以實(shí)現(xiàn)對測試件破 壞過程的全面測量。所述多用氣孔4的內(nèi)端口位于測試腔2的內(nèi)壁，多用氣孔4 的外端口在試驗(yàn)體l的右側(cè)面，且外端口處連接有氣管8，該氣管8引出的氣管 分成兩路， 一路與抽真空設(shè)備連接，另一路與外界高壓供氣設(shè)備連接，以便在 壓力試驗(yàn)前按要求對測試腔進(jìn)行抽真空和充瓦斯操作。
從圖l、圖2中進(jìn)一步可知，在所述測試腔2的小直徑段內(nèi)設(shè)置有墊塊9、 限位壓頭10和加載頭11，其中墊塊9與測試腔2的腔壁呈弧面接觸，該弧面的 半徑與所述測試腔2小直徑段的半徑相等。在墊塊9的左上部開設(shè)有"L"形缺 口，該"L"形缺口的橫向面正對加載頭11，該加載頭11固定于豎直布置的加 載桿12的下端，加載桿12的上端向上伸出試驗(yàn)體1的上表面外，加載桿12的 上下運(yùn)動(dòng)由剛性試驗(yàn)機(jī)控制，剛性試驗(yàn)機(jī)為公知公用技術(shù)，其結(jié)構(gòu)及原理在此 不做贅述。所述試驗(yàn)體1上供加載桿12穿設(shè)的孔的上端為臺階狀，且臺階段內(nèi) 設(shè)置有 型密封圈17和兩個(gè)Yx型密封圈18構(gòu)成的組合密封件，組合密封件的 外面有小蓋19，組合密封件對加載桿12和試驗(yàn)體1之間進(jìn)行密封，小蓋19通 過螺釘固定在試驗(yàn)體l上，對組合密封件限位。
從圖1、圖2中還可知，墊塊9 "L"形缺口的縱向面正對限位壓頭10，限 位壓頭10固定于水平布置的限位桿21的內(nèi)端，限位桿21的外端伸出試驗(yàn)體1 的左側(cè)面外，且外端的端部套裝預(yù)緊螺母16。兩根剛性鎖緊立杵13垂直固定于 試驗(yàn)體l的左側(cè)面，并分居在限位桿21的上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立柱13上活套鎖緊梁14，該鎖緊梁14內(nèi)表面的中部對限位桿21限位，鎖緊梁14外表
面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱13上套裝的鎖緊螺母15限位。所述試 驗(yàn)體1上供限位桿21穿設(shè)的孔的外端為臺階狀，且臺階段內(nèi)安裝有O型密封圈 和兩個(gè)Yx型密封圈構(gòu)成的組合密封件，組合密封件的外面有小蓋，組合密封件 套于限位桿21上，對限位桿21和試驗(yàn)體1之間進(jìn)行密封，小蓋通過螺釘固定 在試驗(yàn)體1上，對組合密封件限位。 本實(shí)用新型是這樣工作的
1、 先將壓蓋5和透明視鏡6拆下，將測量導(dǎo)線7的內(nèi)端探頭貼靠在煤巖測 試件20表面，然后把測試件20放置于墊塊9 "L"形缺口的橫向面上，調(diào)節(jié)兩 個(gè)鎖緊螺母15，使鎖緊梁14朝著試驗(yàn)體1的方向運(yùn)動(dòng)，鎖緊梁14將限位桿21 及限位壓頭10向內(nèi)頂，從而使測試件20側(cè)面受到一定的限位作用力，測試件 20被夾緊在限位壓頭10與墊塊9 "L"形缺口的縱向面之間，再將透明視鏡6 和壓蓋5還原，密封，緊固。
2、 將本裝置整體放置在剛性試驗(yàn)機(jī)上，加載桿12正對試驗(yàn)機(jī)的加載頭。
3、 開啟抽真空設(shè)備，通過氣管8及多用氣孔4對測試腔2進(jìn)行抽真空，達(dá)
到一定真空度后，關(guān)閉抽真空設(shè)備。
4、 開啟高壓供氣設(shè)備，通過氣管8及多用氣孔4對測試腔內(nèi)進(jìn)行充瓦斯， 達(dá)到一定壓力后，使壓力穩(wěn)定并保持定吋間。
5、 開啟試驗(yàn)機(jī)和測量儀器，試驗(yàn)機(jī)通過加載桿12和加載頭11將壓力傳遞 到測試件20上，進(jìn)行瓦斯壓力作用下的固氣耦合力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)體透明視鏡6 外側(cè)便可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯微觀測，通過測量導(dǎo)線7利用測量儀器采集聲發(fā)射、應(yīng)變、 應(yīng)力等測量信號，以實(shí)現(xiàn)對測試件破壞過程的全面測量。
權(quán)利要求1、一種煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于在試驗(yàn)體(1)上開設(shè)有測試腔(2)、測量孔(3)和多用氣孔(4)，其中測試腔(2)的敞口處通過壓蓋(5)固定有透明視鏡(6)，在所述測量孔(3)內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線(7)，該測量導(dǎo)線(7)的內(nèi)端位于測試腔(2)中，測量導(dǎo)線(7)的外端從試驗(yàn)體(1)的側(cè)面引出，所述多用氣孔(4)的內(nèi)端口位于測試腔(2)的內(nèi)壁，多用氣孔(4)的外端口在試驗(yàn)體(1)的側(cè)面，且外端口處連接有氣管(8)；在所述測試腔(2)內(nèi)設(shè)置有墊塊(9)、限位壓頭(10)和加載頭(11)，其中墊塊(9)的上部開設(shè)有“L”形缺口，該“L”形缺口的縱向面正對限位壓頭(10)，限位壓頭(10)固定于限位桿(21)的內(nèi)端，限位桿(21)的外端伸出試驗(yàn)體(1)外，并由鎖緊機(jī)構(gòu)限位，所述“L”形缺口的橫向面正對加載頭(11)，該加載頭(11)固定于加載桿(12)的下端，所述加載桿(12)的上端向上伸出試驗(yàn)體(1)外。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于所述鎖緊機(jī)構(gòu)由剛性鎖緊立柱(13)、鎖緊梁(14)和鎖緊螺母(15)構(gòu)成，兩 根剛性鎖緊立柱(13)垂直固定于試驗(yàn)體(1)的側(cè)面，并分居在限位桿(21) 的上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立柱(13)上活套鎖緊梁(14)，該鎖緊梁(14) 內(nèi)表面的中部對限位桿(21)外端固套的預(yù)緊螺母(16)限位，鎖緊梁(14) 外表面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱(13)上套裝的鎖緊螺母(15)限 位。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于所述測試腔(2)為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺階狀，所述墊塊(9)、限位壓 頭(10)和加載頭(11)位于測試腔(2)的小直徑段內(nèi)，而透明視鏡(6)和壓蓋(5)位于測試腔(2)的大直徑段內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于所述墊塊(9)與測試腔(2)腔壁采用弧面接觸，該弧面的半徑與所述測試腔 (2)小直徑段的半徑相等。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于 所述透明視鏡(6)為圓盤形，壓蓋(5)為圓環(huán)形，壓蓋(5)蓋在透明視鏡(6) 的外邊緣上，并通過圓周上均勻分布的螺釘與試驗(yàn)體(1)固定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于 所述透明視鏡(6)與試驗(yàn)體(1)之間通過O型密封圈密封；所述加載桿(12) 與試驗(yàn)體(1)之間采用O型密封圈(17)和兩個(gè)Yx型密封圈(18)構(gòu)成的組 合密封件密封，組合密封件的外面由小蓋(19)限位，小蓋(19)通過螺釘固 定在試驗(yàn)體(1)上；所述限位桿(21)和試驗(yàn)體(1)之間的密封方式與加載 桿(12)相同。
專利摘要一種煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，在試驗(yàn)體上開設(shè)測試腔、測量孔和多用氣孔，測試腔的敞口處固定透明視鏡，在測量孔內(nèi)設(shè)測量導(dǎo)線，所述多用氣孔的內(nèi)端口位于測試腔的內(nèi)壁，外端口連接有氣管；在測試腔內(nèi)設(shè)置墊塊、限位壓頭和加載頭，其中墊塊的上部開設(shè)有“L”形缺口，該“L”形缺口的縱向面正對限位壓頭，限位壓頭固定于限位桿的內(nèi)端，“L”形缺口的橫向面正對加載頭，該加載頭固定于加載桿的下端。本實(shí)用新型既可進(jìn)行固氣耦合環(huán)境下單軸力學(xué)試驗(yàn)，也可進(jìn)行固氣耦合環(huán)境下平面應(yīng)變力學(xué)試驗(yàn)，為進(jìn)行實(shí)時(shí)顯微觀測的圖像信號和聲發(fā)射信號采集的固氣耦合細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)提供可靠的試驗(yàn)條件，使煤與瓦斯突出機(jī)理的試驗(yàn)研究環(huán)境更加接近礦山實(shí)際。
文檔編號G01N21/84GK201266173SQ20082009976
公開日2009年7月1日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者劉延保, 張立強(qiáng), 曹樹剛, 勇 李, 軍 王, 王維忠 申請人:重慶大學(xué)