[发明专利]一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法

说明书

一种热力耦合条件下煤岩平面薄板试验装置及试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴，其特征在于该装置由轴向应变约束系统1、平面加载系统2、底部温控及支撑调整组件系统3、声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力‑变形测试系统6 六大系统组成，可模拟热力耦合条件下，处于平面应力状态的煤岩平面煤岩薄板试件力学特性试验，通过声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力‑变形测试系统6全程监测平面煤岩薄板试件在热力耦合条件下的裂缝的起裂、扩展特性，观察和分析掌握热力耦合条件下裂缝的形成及扩展机理，为平面煤岩薄板试件热力耦合作用下的破裂提供理论基础和实验依据。

技术领域：

本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴。具体涉及一种处于平面应力状态的煤岩薄板材料在真三轴伺服压力试验机上实现热力耦合的试验装置与试验方法。通过对煤岩薄板试件热力耦合岩石力学试验，揭示处于平面应力状态的煤岩薄板材料在不同应力及温度状况下的应力-应变等岩石力学性质及其变化规律；通过水平双向加载可实现平面应力状态下煤岩薄板试件裂纹起裂扩展过程；通过底部温控装置对煤岩薄板试件进行加热控制；通过应力-变形测试系统对煤岩薄板试件的应力-应变进行监测；通过声发射系统及可视化监测系统对煤岩薄板试件热力耦合条件下裂缝的起裂、扩展特性进行观察，分析掌握裂缝的形成及扩展机理，为煤岩薄板材料的裂纹起裂、扩展直至破裂提供实验支撑和理论基础。

背景技术：

对于煤岩薄板试件，通常定义为试件外形长宽尺寸与其厚度的比为10:1及以上，此范围均属于平面薄板范畴。目前，煤岩体岩石力学试验在宏观上趋向于真三轴模拟，但对于真三轴条件下煤岩内部的三维裂隙演化规律尚未能实现可视化监测，而该技术装置中平面应力状态下的煤岩薄板装置可实现二维裂隙演化规律的可视化监测，另外，相关可实现煤岩平面薄板力学特性的试验装置在国内也鲜见报道，也就是说急需创新和填补对于可实现热力耦合条件下，处于平面应力状态的煤岩薄板试件力学特性研究的试验装置及试验方法的空缺。

发明内容：

本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置与试验方法，目的在于弥补煤岩薄板受力变形试验装置的空缺，克服传统试验方法的缺陷与不足，根据不同煤岩特性，提供一种可模拟煤岩薄板试件在平面应力状态下的热力耦合作用过程的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置及试验方法。

本发明一种热力耦合条件下煤岩薄板平面应力状态试验装置，其特征在于是一种可模拟在热力耦合条件下，温度最高可达400℃环境条件下，处于平面应力状态的煤岩薄板试件力学特性的实验装置，该装置由轴向应变约束系统1、平面加载系统2、底部温控及支撑调整组件系统3、声发射监测系统4、可视化监测系统5以及应力-变形测试系统6六大系统组成。

所述的轴向应变约束系统1，由轴向轴套13、轴向耐高压隔热传压板11、轴向传压杆7、传力圈梁10和耐高温高压透明玻璃盖板9组成，主要为煤岩薄板试件8提供纵向应变约束，保障其处于平面应力状态。

所述的平面加载系统2，由平面水平加载轴套16、平面水平方向耐高压隔热板15、组合传力扁杆19以及扁平自适应压头20组成，主要为煤岩薄板试件8提供平面应力载荷。

所述的底部温控及支撑调整组件系统3，由底部温控加热垫板23、底部耐高压隔热板22和底部模型支撑调整组件21组成，主要为煤岩薄板试件8提供温度控制以及调整支撑平台平衡作用。

所述的声发射监测系统4，由目前国内外广泛使用的耐高温陶瓷声发射探头25以及声发射处理装置组成，利用声发射仪监测煤岩薄板试件8的声发射事件，并进行三维声发射定位，用来监测煤岩薄板试件8内部裂纹的起裂和扩展演化参数。

所述的可视化监测系统5，主要由记录速度达5000帧/秒以上的高速摄像机组成，主要用来记录及影像处理煤岩薄板试件8裂纹起裂扩展直至破裂过程。