[实用新型]多场耦合煤岩冲击加载实验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于煤岩力学特性测试技术领域，更具体地，涉及一种用于模拟静应力、温度、瓦斯吸附多场耦合状态煤岩冲击加载实验装置。

背景技术

在地下煤炭资源的开采过程中，大量使用机械化综采割煤机对煤岩进行破碎、采空区顶板周期跨落、以及工作面附近岩巷的爆破开挖等工作对工作面煤岩体带来明显的冲击动力扰动，导致深部煤岩瓦斯动力灾害频繁，严重危害矿工生命安全，为深入研究深部煤岩瓦斯动力灾害的机理，需要探索煤岩受冲击加载的动态力学特性。这些动态力学特性通常是通过实验室开展各类冲击实验来获得，目前应用较广泛而且结果比较可靠的冲击实验系统是SHPB（split Hopkinson pressure bar，分离式霍普金森压杆）装置，以及由此改进的各种变形装置。

众多学者认为深部煤炭回采过程中的煤岩瓦斯动力灾害是由地应力、瓦斯、地温、开采扰动、煤岩的物理力学特性共同作用的结果。传统的SHPB实验中，所测试试样往往处于室温和暴露在空气之中，导致实验过程试样温度受实验季节变化而变化，同时煤岩中赋存的瓦斯暴露空气中将发生瓦斯解吸作用，导致煤岩试样内瓦斯气体脱离，试样内几乎不再含有瓦斯气体。然而，我国煤层大部分是含有丰富瓦斯(主要是甲烷CH4)的石炭二叠纪的煤层，随着煤炭资源回采深度的不断增加，煤岩体瓦斯含量也呈增加趋势，未开采煤体处于富含瓦斯状态，在地下深处的瓦斯压力可达10MPa以上，煤岩体内瓦斯含量远远高于传统实验试样中瓦斯含量；同时随煤炭资源开采深度的不断增加，地热温度以每100米3摄氏度的速度增加，以回采1千米深度的煤炭资源为例，其煤岩本身的温度可达40摄氏度，随开采深度的增加还将进一步增高，在瓦斯赋存及高温条件作用下煤岩的力学特性与传统实验结果有较大差别。因此，研制相应的多场耦合煤岩冲击加载装置，进行静应力、瓦斯赋存、温度场多场耦合条件下的冲击力学特性实验成了当前煤岩力学领域亟待开展的工作。

现有对矿山深部资源回采过程中动力灾害研究的模拟实验装置，主要可分以下几种：（1）动、静载应力耦合，如动静载组合加载实验装置，但该类实验装置，试样暴露在空气中，无法开展模拟瓦斯环境下煤岩体力学特性实验；（2）气固环境耦合，瓦斯环境力学实验装置，该类实验装置，在静态试验机加载条件下，开展瓦斯气体在煤岩体静态准静态加载过程，吸附解吸及渗流特性实验。

然而在深部煤炭开采过程中，煤岩体承受高地应力静载、开采过程的强动力扰动、高地温及高瓦斯压力共同作用，其受力模式不再是单独的静应力、动载荷、温度或瓦斯压力作用，而是多物理场耦合作用，这是现存实验装置与实验方法所没能考虑的。实现煤岩多物理场耦合冲击加载实验，不但能弥补现有煤岩力学实验方法，而且能为深部煤炭资源回采工程的动力灾害研究提供更为准确的煤岩特性参数。

实用新型内容

本实用新型根据深部煤炭资源回采过程中煤岩赋存状态特点，针对现存煤岩力学实验方法和装置没能综合考虑应力耦合和气固耦合的缺陷，提供一种能实现煤岩试样在地应力、动力扰动、瓦斯赋存、地温的多场耦合条件，与工程实际更为符合的多场耦合冲击加载实验装置和方法。

为解决上述技术问题，根据一方面，一种多场耦合状态冲击实验装置，包括轴向静压加载装置、轴向静压加载液压油泵、轴向静压输油管、围压加载液压油泵、围压加载输油管、径向围压加载装置、瓦斯气罐、瓦斯进气管、瓦斯压力调节阀、抽气泵、瓦斯传感器、瓦斯出气管、冷热两用压缩机、伺服油泵、冷热两用输油管，其特征是：在煤岩试样的两端的应力波入射杆和透射杆之间设置所述轴向静压加载装置，在轴向静压加载装置中间试样位置设置所述径向围压加载装置；在试样两端的入射杆和透射杆中心开设进气孔和出气孔，分别与瓦斯进气管和瓦斯出气管连接，瓦斯进气管通过瓦斯压力调节阀与瓦斯气罐连接，瓦斯出气管通过瓦斯传感器与抽气泵连接，实现实验过程试样处于瓦斯赋存环境；在围压加载装置内设置冷热两用输油管，通过伺服油泵与冷热两用压缩机相连，实现对试样实验过程温度控制。

本实用新型的实验装置中的所述轴向静压加载装置通过轴向静压输油管与轴向静压加载液压油泵相连，实现对试样的轴向静压加载。

本实用新型的实验装置中的所述径向围压加载装置通过围压加载输油管与围压加载液压油泵相连，实现对试样的径向静态围压加载。

本实用新型的实验装置还包括数据采集系统，其两端通过应变片分别与入射杆和透射杆连接，用于采集入射杆和透射杆中的应力波信号。

本实用新型的实验装置还包括热缩管橡胶套，将所述试样除两端头外四周涂抹硅胶置于热缩管橡胶套中，保证试样与围压液压油隔离，试样两端头分别与入射杆和透射杆轴心对齐。