[发明专利]一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种含瓦斯煤岩的细观力学试验系统，具体涉及不同瓦斯压力作用下，不同受力状态下突出煤岩破裂全过程的细观力学试验系统，以便采用动态显微观测、声发射实时监测等试验测试方法，对考虑瓦斯作用下及不同受力条件下的煤岩变形破坏全过程进行细观力学试验。

背景技术

煤炭工业是我国十分重要的基础产业，其能否健康、稳定、持续地发展是关系国家能源安全的重大问题。然而，各地煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故频发，煤矿瓦斯灾害已严重影响了煤炭工业的健康发展。随着浅部或地质条件简单、煤层赋存条件好的煤炭资源开采储量日益枯竭，我国煤矿企业生产已逐渐向深部或地质条件复杂的区域转移，研究煤与瓦斯共同作用机理，煤与瓦斯在资源开采中的动态作用过程，对我国及世界煤炭工业的发展，防治矿井煤与瓦斯突出灾害，具有重要的技术支撑作用。当前，在煤与瓦斯突出机理的研究中，煤与瓦斯突出机理的综合作用假说最具代表性，它强调煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及煤体物理力学性质三者综合作用的结果。其中，地应力和瓦斯压力是突出发生与发展的动力，煤体物理力学性质则体现出阻碍突出的发生和发展。目前，前两方面的研究已经比较深入，并在实际应用中取得了一定的效果。研究瓦斯作用下，煤体物理力学特性是揭示煤与瓦斯突出过程中煤与瓦斯相互作用机理的重要途径，已有的宏观试验研究还有许多不能解释的现象。从细观力学研究的角度出发，结合煤岩宏观的变形破坏特征，掌握含瓦斯煤岩细观变形破坏的规律，可以为煤与瓦斯突出的有关问题给予更科学的解释，对揭示煤与瓦斯突出机理及提出更加科学合理的防治技术具有重要的理论价值和工程应用价值。

目前，针对岩土类材料的细观力学试验系统主要通过以下三种方式来实现：一是利用计算机层析技术(CT)和岩石力学实验设备相结合的试验系统，如中科院寒区旱区环境与工程研究所研制的岩土力学专用加载设备与X射线CT机配套，可完成单轴、假三轴、周期载荷、高温、负温下的CT检测试验，但该系统仪器设备昂贵，试验费用较高，同时对固-气耦合状态下的试验测试报道很少；二是利用扫描电镜(SEM)和微加载装置相结合的试验系统，如中国矿业大学的SEM高温疲劳实验系统，可进行金属、非金属材料在静、动态加载时微细观结构变化和缺陷演化的实时观测，但受到SEM实验设备原理的限制，即加载只能在真空状态下进行，所以无法进行固-气耦合状态下的试验；三是利用光学显微镜和加载装置相结合的试验系统，如中科院武汉岩土力学研究所研制了岩石细观力学加载仪，该仪器配装在光学体视显微镜下，可以观察岩样在单轴加载过程中，四个平面变形破坏的全过程，同时，还研制了应力—水流—化学耦合的岩石单轴、三轴压缩细观力学试验装置，但该装置对密封及压力要求不高，不能进行固-气耦合状态的试验。

另外，针对含瓦斯煤岩的细观装置非常少见。仅有中国矿业大学何学秋教授研制的含瓦斯煤变形及破裂动态显微观测系统，其加载装置为设置有观测窗口的圆柱形压力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧磨成平面宽度约为10mm～15mm的平面，作为观测平面。观测系统采用长距离高倍显微镜，可进行左右摆动。由于光学显微镜对观测面的要求较高，该装置采用圆柱形试件，观测面范围较小，且显微镜只能进行左右摆动观测，致使观测范围小，不能追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测；其次，该装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大；而且，从现有的研究成果看，其观测的可靠性还有待进一步提高。

此外，利用SEM和光学显微镜的观测系统，虽然能较好地反映试件表面的细观结构变化，却不能反映试件内部的变化情况。然而，在岩土类材料的受力破坏过程中，其内部将产生微破裂，同时原始的裂纹、裂隙不断扩展、断裂、汇合贯通。对试验过程中试件的声发射信号进行监测，根据声发射信号的特征可以推断出受力岩石内部的性态变化，反演出岩石的破坏机理及破坏程度。声发射的特征参数(如振幅、频率等)可以反映微开裂的数量和裂纹的尺寸，同时，还可以利用系统所带的软件对声发射进行定位，从而推断试件的动态损伤情况。现有的试验系统大都是单一的采用动态显微观测或声发射监测，试验测试手段单一。尤其是在含瓦斯煤岩细观力学试验中，动态显微观测和声发射实时监测还不能结合在一起构成一套完整的含瓦斯煤岩细观力学系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种含瓦斯煤岩细观力学试验系统，以便进行不同瓦斯压力作用、不同受力状态下的煤岩细观力学试验，并采用动态显微观测和声发射监测两种手段获得试件表面裂纹的实时变化图像和反映试件内部结构的损伤演化过程的声发射特征。