一種恒容含瓦斯煤氣固耦合物理力學參數(shù)試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于礦業(yè)工程、巖土工程科研技術領域，特別涉及用于研宄揭示不同荷載和瓦斯壓力條件下含瓦斯煤體的吸附解吸規(guī)律、不同加載階段含瓦斯煤體滲透變化規(guī)律及損傷擴容破壞機理的試驗裝置和試驗方法。
【背景技術】
[0002]瓦斯事故危害巨大，特別是煤與瓦斯突出已成為困擾我國煤礦安全生產(chǎn)的重大難題，然而含瓦斯煤的損傷擴容破壞與瓦斯快速解吸放散導致煤與瓦斯突出的機理研宄還不清楚。根據(jù)煤與瓦斯突出的綜合作用假說:煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯壓力和煤的物理力學性質綜合作用的結果。但是地應力、瓦斯壓力和煤的物理力學性質在煤與瓦斯突出過程中的作用機制，目前尚未研宄清楚。
[0003]大量實際發(fā)生的煤與瓦斯突出案例以及許多學者的研宄成果表明煤與瓦斯突出過程的實質是地應力破壞煤體、煤體快速釋放瓦斯，最終將破壞煤體拋出巷道的過程。目前學者們對含瓦斯煤在不同瓦斯壓力下的煤體強度方面進行了大量研宄。
[0004]瓦斯壓力是影響煤與瓦斯突出的重要因素之一，認清煤體破壞過程中瓦斯壓力及吸附解吸特性的變化規(guī)律對于揭示瓦斯突出發(fā)生機理和預突防突具有重要意義。為此，迫切需要研制一種恒容含瓦斯煤氣固耦合物理力學參數(shù)試驗裝置系統(tǒng)。
[0005]目前，針對含瓦斯煤體的吸附解吸、損傷擴容影響研宄，已開展了大量的研宄工作，研制了一系列模擬試驗裝置，研宄現(xiàn)狀如下:
[0006](I)申請?zhí)枮?00910104608.8的中國專利本發(fā)明公開了一種含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置，它包括升降機架、液壓伺服控制系統(tǒng)、安裝在升降機架頂部的軸向加載裝置和連接在軸向加載裝置下端的三軸壓力室，能夠進行不同地應力、不同瓦斯壓力、不同溫度等狀態(tài)下的含瓦斯煤滲流試驗研宄以及含瓦斯煤在滲流過程中的變形破壞特征研宄。
[0007](2)申請?zhí)枮?01310137965.0的中國專利公開了一種巖石單裂隙不同溫度下化學溶液滲流試驗裝置，包括試件裝置系統(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、化學溶液壓力加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該設備適于研宄不同溫度化學溶液滲過巖石單裂隙時發(fā)生的化學腐蝕一應力耦合作用。
[0008](3)《煤炭科學技術》2009年7月份第37卷7期由劉見中、張東明等發(fā)表的“含瓦斯煤在不同圍壓下的滲流特性試驗”(第86?89頁)一文中第1.2小節(jié)中公開了三軸壓力試驗裝置，該裝置由加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和瓦斯供給系統(tǒng)3部分構成。其中加載系統(tǒng)由Ag-250和自主研發(fā)的三軸瓦斯?jié)B流系統(tǒng)組成，測量系統(tǒng)主要是氣體流量計，瓦斯供給系統(tǒng)由高壓瓦斯罐、減壓閥和壓力表組成?？蓪ψ兓瘒鷫汉屯咚箟毫l件下的煤樣滲流特性進行研宄。
[0009]綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統(tǒng)，均存在以下不足之處:
[0010]1.上述試驗裝置不論大小，均不能解決加載過程中因加載室容積變化導致試驗空間氣體壓強的變化對試驗的客觀干擾問題；
[0011]2.上述試驗裝置試驗過程中操作復雜，功能單一，且大部分僅能定性的觀察破壞現(xiàn)象難以實現(xiàn)試驗過程的可視化實時監(jiān)測。
[0012]為更好地研宄不同荷載、不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤體的吸附解吸規(guī)律及損傷擴容破壞機理，需要研制一種恒容含瓦斯煤氣固耦合物理力學參數(shù)試驗裝置。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種可實現(xiàn)研宄揭示不同荷載、不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤體的吸附解吸規(guī)律及損傷擴容破壞機理的試驗裝置系統(tǒng)和試驗方法。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0015]一種恒容含瓦斯煤氣固耦合物理力學參數(shù)試驗裝置，包括:用于對試件的定量充氣、三軸加壓卸壓以及整個過程的可視化實時監(jiān)測的可視化加載系統(tǒng)、用于實現(xiàn)軸向加壓過程的容積恒定的恒容系統(tǒng)以及用于實現(xiàn)對圍壓的定量卸載以及試件吸附解吸過程的可視化監(jiān)測的常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)；
[0016]所述可視化加載系統(tǒng)與恒容系統(tǒng)和常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)分別連接。
[0017]所述可視化加載系統(tǒng)包括:頂板、底板、加壓頭、加壓室、面試充填槽和立柱；
[0018]所述加壓室固定在頂板和底板之間，所述頂板和底板之間通過立柱固定連接；所述加壓頭固定在頂板上，加壓頭下端深入加壓室，上端伸出頂板，在所述底板上表面中心位置和加壓頭下端分別設有面試充填槽；加壓頭軸心位置預制吸附解吸通道。
[0019]所述底板上分別設有面試充填通道、卸壓通道、恒容通道、以及充圍壓通道，所述面試充填通道和充圍壓通道內設有壓力傳感器用來監(jiān)測和控制試驗壓力；所述面試充填通道外接氣源、內部與面試充填槽連通用于對煤巖定量充氣；卸壓通道外接常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)、內接加壓室用于定量卸載圍壓；恒容通道外接恒容系統(tǒng)、內接加壓室用于恒容加壓，充圍壓通道外接氣源、內接加壓室用于定量充圍壓。
[0020]所述恒容系統(tǒng)包括:恒容室、恒容支架、恒容活塞、連接臂和橡膠管；
[0021]所述恒容室通過連接臂與可視化加載系統(tǒng)的加壓頭上端固定連接，恒容支架固定在可視化加載系統(tǒng)的頂板上，所述恒容活塞的下端深入恒容室、上端固定在恒容支架上，所述恒容室底部通過橡膠管與可視化加載系統(tǒng)連通，所述橡膠管一端與恒容室底部連通另一端與恒容通道連通。
[0022]所述恒容室的室內橫截面積與可視化加載系統(tǒng)的加壓頭下端伸入加壓室內部部分的橫截面積相同。
[0023]所述常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)包括:注水腔、排水腔、底座以及連接管；
[0024]所述注水腔和排水腔固定在底座上，并通過連接管連通；所述注水腔底部與排水腔頂部保持水平，兩腔連通形成U型管，所述排水腔通過雙向連接閥與可視化加載系統(tǒng)連通，所述排水腔還通過單向連接閥與外界空氣連通。
[0025]一種恒容含瓦斯煤氣固耦合物理力學參數(shù)試驗裝置的試驗方法，所述實驗裝置能夠分別進行三類實驗:
[0026]第一類為恒容、三軸加載條件下巖煤體的變形破壞特征試驗；第二類為不同瓦斯壓力和含量下，含瓦斯煤體的損傷擴容特性試驗；第三類為恒容條件下含瓦斯煤體的吸附解吸規(guī)律探宄試驗；
[0027]所述巖煤體的變形破壞特征試驗具體包括如下步驟:
[0028]I)將試件置于加壓室中，試件兩端由橡膠圈固定密閉于面式充填槽內；
[0029]2)裝置組裝，并將組裝好的裝置放到伺服壓力機上；
[0030]3)充圍壓通道與外界氣源連通；
[0031]4)關閉各項閥門和通道，對加壓室抽真空；
[0032]5)根據(jù)試驗方案，對試件進行三軸加載、卸載，其軸向加載壓力值由伺服壓力機控制，圍壓值由置于加壓室內的壓力傳感器控制，試驗過程中恒容室隨著加壓頭的下壓同步下移，恒容活塞相對于恒容室上移，加壓室內氣體圍壓通過橡膠管進入恒容室，實現(xiàn)容積的恒定；
[0033]6)觀察記錄試件在不同加載壓力條件下的變形破壞特征。
[0034]所述含瓦斯煤體的損傷擴容特性試驗具體包括如下步驟:
[0035]I)將煤樣側面密閉并置于加壓室中，試件兩端由橡膠圈固定密閉于面式充填槽內；
[0036]2)裝置組裝，并將組裝好的裝置放到伺服壓力機上；
[0037]3)面試充填通道和充圍壓通道分別與外界氣源連通，吸附解吸通道與常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)連接；
[0038]4)關閉各項閥門和通道，對加壓室抽真空；
[0039]5)關閉常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)的雙向連接閥，打開單向連接閥，向注水腔注水直到注滿排水腔為止，關閉單向連接閥；
[0040]6)根據(jù)試驗方案，對煤樣三軸加載到目標值；
[0041]7)待圍壓和軸向壓力穩(wěn)定后，打開面試充填通道和常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)的雙向連接閥，對煤樣進行面試充氣；
[0042]8)觀察記錄煤樣在不同荷載、瓦斯壓力條件下全應力應變過程體積應變的變化規(guī)律、滲透率、損傷擴容等相關規(guī)律。
[0043]所述含瓦斯煤體的吸附解吸規(guī)律探宄試驗具體包括如下步驟:
[0044]I)將煤樣側面密閉并置于加壓室中，其試件兩端由橡膠圈固定密閉于面式充填槽內；
[0045]2)裝置組裝，并將組裝好的裝置放到伺服壓力機上；
[0046]3)面試充填通道和充圍壓通道分別與外界氣源連通，吸附解吸通道與常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)連接；
[0047]4)關閉各項閥門和通道，對加壓室抽真空；
[0048]5)關閉常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)的雙向連接閥，打開單向連接閥，向注水腔注水直到注滿排水腔為止，關閉單向連接閥；
[0049]6)根據(jù)試驗方案，對煤樣三軸加載到目標值；
[0050]7)待圍壓和軸向壓力穩(wěn)定后，打開面試充填通道和常壓可視化氣體體積測量系統(tǒng)的雙向連接閥；
[0051]8)對煤樣進行面