本發(fā)明屬于煤礦開采過程中含瓦斯煤的力學(xué)和聲學(xué)特征研究技術(shù)，尤其涉及用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

煤巖系統(tǒng)的失穩(wěn)是煤巖瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的先決條件，而失穩(wěn)破壞是否發(fā)生則取決于含瓦斯煤體是否發(fā)生強(qiáng)度破壞和相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)。煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，天然的吸附體，煤體中可吸附大量的瓦斯。因此，研究煤巖瓦斯動力災(zāi)害應(yīng)首先研究瓦斯對煤體物理力學(xué)特性的影響，這是研究含瓦斯煤體破壞機(jī)理和本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的相關(guān)研究主要是在常規(guī)三軸的情況下進(jìn)行的。但國家標(biāo)準(zhǔn)中煤巖物理力學(xué)指標(biāo)多是在單軸作用下取得的。因此，如果能測定含瓦斯煤體單軸作用下的力學(xué)指標(biāo)以便與無瓦斯情況下煤體力學(xué)指標(biāo)加以對比分析，則可更進(jìn)一步揭示瓦斯的存在對煤體物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，從而更進(jìn)一步揭示災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，可以保證煤樣在一定瓦斯壓力下進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并取得精準(zhǔn)的相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置，所述試驗(yàn)裝置包括底座、密封筒、密封頂蓋和上壓頭，密封筒分別與底座和密封頂蓋可拆卸連接，上壓頭與密封頂蓋中心處的缺口通道間隙配合；底座中心處與上壓頭同軸設(shè)有下壓頭，上、下壓頭對應(yīng)處分別設(shè)有用于容納超聲探頭的槽體；上壓頭與底座上分別設(shè)有進(jìn)氣通道和排氣通道以及超聲探頭的導(dǎo)線通道；底座兩側(cè)還設(shè)有分別用于與聲發(fā)射傳感器和應(yīng)力計(jì)連接的BNC接口及單線接口，BNC接口和單線接口的相應(yīng)導(dǎo)線從底座穿出。

優(yōu)選的，所述密封筒與密封頂蓋及底座的對接處分別設(shè)有密封墊圈。

優(yōu)選的，上壓頭于對應(yīng)密封頂蓋底面處設(shè)有定位凸臺，密封頂蓋底面設(shè)有與定位凸臺配合的定位凹槽。

優(yōu)選的，密封頂蓋于與上壓頭配合的缺口通道內(nèi)壁上設(shè)有密封墊圈。

優(yōu)選的，所述上壓頭和下壓頭對應(yīng)處皆可拆卸式設(shè)有用于粘接超聲探頭的透氣板，透氣板上對應(yīng)進(jìn)氣通道和排氣通道處設(shè)有透氣孔，透氣板對應(yīng)超聲探頭處設(shè)有環(huán)形透氣槽。

優(yōu)選的，所述下壓頭外壁套設(shè)有用于定位煤樣柱的定位筒，定位筒的頂面水平高度大于下壓頭的透氣板頂面水平高度。

采用上述用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括聲學(xué)特征測量裝置、應(yīng)力應(yīng)變測量裝置、超聲探測裝置和瓦斯填充裝置；所述超聲測量裝置包括分別位于上、下壓頭槽體內(nèi)的上、下超聲探頭，上、下超聲探頭粘接在透氣板上且通過導(dǎo)線通道將導(dǎo)線穿出并與外界的智能超聲綜合測試儀連接；

所述聲學(xué)特征測量裝置包括位于密封筒內(nèi)部的聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器通過導(dǎo)線與BNC接口連接，BNC接口通過導(dǎo)線穿出底座并與外界的聲發(fā)射監(jiān)測儀連接；

所述應(yīng)力應(yīng)變測量裝置包括位于密封筒內(nèi)部的應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)通過導(dǎo)線與單線接口連接，單線接口通過導(dǎo)線穿出底座并與外界的應(yīng)力應(yīng)變儀連接；

所述瓦斯填充裝置包括抽真空機(jī)構(gòu)和瓦斯充氣機(jī)構(gòu)，抽真空機(jī)構(gòu)包括通過抽氣管與上壓頭進(jìn)氣通道連接的抽氣泵，瓦斯充氣機(jī)構(gòu)包括通過三通管與抽氣管連接的充氣管，充氣管與瓦斯罐連接，三通管與抽氣泵之間的抽氣管上設(shè)有第一閥門，充氣管上設(shè)有氣壓表和第二閥門；

所述底座的排氣通道通過排氣管與外界連通，排氣管上設(shè)有第三閥門。

使用上述試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)方法，步驟如下：

1）裝配系統(tǒng)，將上、下超聲探頭置于相應(yīng)的凹槽內(nèi)并與透氣板粘接，然后將通過連接件將透氣板固定在上、下壓頭上，再將煤樣柱套接在下壓頭的定位套中間，然后將應(yīng)力計(jì)和聲發(fā)射傳感器通過耦合劑粘接在煤樣柱表面，再使得上壓頭和下壓頭處的透氣板壓緊煤樣柱，最后將密封筒、密封頂蓋套、上壓頭和底座通過連接件進(jìn)行裝配；

2）數(shù)據(jù)獲取，通過抽真空機(jī)構(gòu)對密封圈內(nèi)部抽真空，然后通過瓦斯充氣機(jī)構(gòu)對密封圈內(nèi)部充瓦斯至氣壓表指數(shù)不產(chǎn)生變化，然后關(guān)閉相應(yīng)閥門，通過巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的伺服壓頭對上壓頭進(jìn)行加載、卸載壓力，并記錄智能超聲綜合測試儀、聲發(fā)射監(jiān)測儀壓和應(yīng)力應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)變化，整理即得所述含瓦斯煤單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€、聲發(fā)射特征參數(shù)圖和縱波、橫波波形圖；

3）泄壓拆分，試驗(yàn)完畢后通過排氣管排出密封筒內(nèi)的瓦斯，然后按照第1）步驟的逆向操作，對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆裝即可。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）本發(fā)明采用單軸壓縮測量含瓦斯煤的沖擊傾向性和聲學(xué)特征參數(shù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中沖擊傾向性指標(biāo)測試方法的一些弊端，測量的數(shù)據(jù)更接近煤礦的實(shí)際工程情況，為沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)測防治提供借鑒；

2）將聲發(fā)射傳感器置于內(nèi)部，直接粘貼于煤樣柱表面，避免了現(xiàn)有技術(shù)中將聲發(fā)射傳感器外置導(dǎo)致的信號接收不到、干擾因素多等問題，聲發(fā)射信號的精確度得以大大提高，進(jìn)而提高聲發(fā)射監(jiān)測的可靠性；

3）采用多個密封套圈對各機(jī)構(gòu)的連接處進(jìn)行密閉封堵，保證密封套圈內(nèi)部的密封性，提高相應(yīng)參數(shù)的精確度；

4）結(jié)構(gòu)小巧簡單且功能多樣，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變、聲發(fā)射信號和聲波信號，而且本發(fā)明通過與含瓦斯煤三軸壓縮試驗(yàn)用的外部裝置構(gòu)件連接后，即可進(jìn)行含瓦斯煤三軸壓縮試驗(yàn)。

附圖說明

圖1為具體實(shí)施方式中用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示試驗(yàn)裝置中密封頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1所示試驗(yàn)裝置中透氣板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1-4所示，一種用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置，所述試驗(yàn)裝置包括底座10、密封筒20、密封頂蓋30和上壓頭40，密封筒20分別與底座10和密封頂蓋30可拆卸連接，密封筒20與密封頂蓋及底座的對接處分別設(shè)有密封墊圈21，上壓頭40與密封頂蓋30中心處的缺口通道31間隙配合，缺口通道31內(nèi)壁上設(shè)有密封墊圈32，上壓頭40于對應(yīng)密封頂蓋30底面處設(shè)有定位凸臺45，密封頂蓋30底面設(shè)有與定位凸臺45配合的定位凹槽33；底座中心處與上壓頭同軸設(shè)有下壓頭，上壓頭與底座上分別設(shè)有進(jìn)氣通道41和排氣通道15以及上超聲探頭的導(dǎo)線通道42和下超聲探頭的導(dǎo)線通道16；上、下壓頭對應(yīng)處分別設(shè)有用于容納超聲探頭的槽體44和槽體13，上壓頭和下壓頭對應(yīng)處通過螺栓設(shè)有用于粘接超聲探頭的透氣板43，透氣板43上對應(yīng)進(jìn)氣通道41和排氣通道15處設(shè)有透氣孔18，透氣板43對應(yīng)超聲探頭處設(shè)有環(huán)形透氣槽17，透氣板43對應(yīng)螺栓處設(shè)有安裝孔19，所述下壓頭外壁套設(shè)有用于定位煤樣柱的定位筒14，定位筒14的頂面水平高度大于下壓頭的透氣板頂面水平高度；底座兩側(cè)還設(shè)有分別用于與聲發(fā)射傳感器和應(yīng)力計(jì)連接的BNC接口11及單線接口12，BNC接口11和單線接口12的相應(yīng)導(dǎo)線從底座穿出。

采用上述用于單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括聲學(xué)特征測量裝置、應(yīng)力應(yīng)變測量裝置、超聲探測裝置和瓦斯填充裝置；所述超聲測量裝置包括分別位于上壓頭槽體內(nèi)的上超聲探頭80、下壓頭槽體內(nèi)的下超聲探頭81，上、下超聲探頭粘接在透氣板43上且通過相應(yīng)的導(dǎo)線通道將導(dǎo)線穿出并與外界的智能超聲綜合測試儀82連接；

所述聲學(xué)特征測量裝置包括位于密封筒20內(nèi)部的聲發(fā)射傳感器60，聲發(fā)射傳感器通過導(dǎo)線60與BNC接口11連接，BNC接口11通過導(dǎo)線穿出底座并與外界的聲發(fā)射監(jiān)測儀61連接；

所述應(yīng)力應(yīng)變測量裝置包括位于密封筒內(nèi)部的應(yīng)力計(jì)70，應(yīng)力計(jì)70通過導(dǎo)線與單線接口12連接，單線接口12通過導(dǎo)線穿出底座并與外界的應(yīng)力應(yīng)變儀71連接；

所述瓦斯填充裝置包括抽真空機(jī)構(gòu)和瓦斯充氣機(jī)構(gòu)，抽真空機(jī)構(gòu)包括通過抽氣管與上壓頭進(jìn)氣通道41連接的抽氣泵90，瓦斯充氣機(jī)構(gòu)包括通過三通管92與抽氣管連接的充氣管，充氣管與瓦斯罐93連接，三通管92與抽氣泵90之間的抽氣管上設(shè)有第一閥門91，充氣管上設(shè)有氣壓表95和第二閥門94；

所述底座的排氣通道15通過排氣管與外界連通，排氣管上設(shè)有第三閥門96。

使用上述試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮測量含瓦斯煤沖擊傾向性指標(biāo)及聲學(xué)特征的試驗(yàn)方法，步驟如下：

1）裝配系統(tǒng)，將上、下超聲探頭置于相應(yīng)的凹槽內(nèi)并與透氣板粘接，然后將通過連接件將透氣板固定在上、下壓頭上，再將煤樣柱套接在下壓頭的定位套中間，然后將應(yīng)力計(jì)和聲發(fā)射傳感器通過耦合劑粘接在煤樣柱表面，再使得上壓頭和下壓頭處的透氣板壓緊煤樣柱，最后將密封筒、密封頂蓋套、上壓頭和底座通過連接件進(jìn)行裝配；

2）數(shù)據(jù)獲取，通過抽真空機(jī)構(gòu)對密封圈內(nèi)部抽真空，然后通過瓦斯充氣機(jī)構(gòu)對密封圈內(nèi)部充瓦斯至氣壓表指數(shù)不產(chǎn)生變化，然后關(guān)閉相應(yīng)閥門，通過巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的伺服壓頭對上壓頭進(jìn)行加載、卸載壓力，并記錄智能超聲綜合測試儀、聲發(fā)射監(jiān)測儀壓和應(yīng)力應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)變化，整理即得所述含瓦斯煤單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€、聲發(fā)射特征參數(shù)圖和縱波、橫波波形圖；

3）泄壓拆分，試驗(yàn)完畢后通過排氣管排出密封筒內(nèi)的瓦斯，然后按照第1）步驟的逆向操作，對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆裝即可。