一种煤岩多场耦合监测试验装置的制作方法

本实用新型涉及采矿技术领域，特别涉及一种煤岩多场耦合监测试验装置。

背景技术：

煤、岩石长期力学行为是岩石力学领域研究的重要研究方向，同时也是一个工程热点问题。近年来煤炭工业正式进入深部开采阶段，深部煤岩体不仅受到高地应力的作用，同时还会受到高渗透压和高地温的耦合作用，因此采矿工程活动改变了原岩应力的稳定性问题就尤为突显，进而诱发冲击地压和煤与瓦斯突出事故，因此对高地应力-高渗透压-高地温耦合作用下的煤岩体长期力学行为开展研究极为重要，有利于更科学的了解深部高应力、高渗透压力以及高地温环境下煤岩体的灾变孕育机制，更加合理的提出多参量监测方法并建立相应的煤体岩体失稳灾变判定及防治技术，对实现深部煤炭安全开采具有重要的科学意义和工程价值。

目前关于煤岩体三轴力学行为试验装置相对较少，特别是能同时将孔隙流压和温度这两个影响因素开展煤体的长期强度试验的试验装置更为少见，而研究深部煤体岩体冲击地压孕育发生机理不仅需要从理论上研究，同时还需要开展相应的试验研究，因此研制一种可获得煤岩体在应力场、渗流场以及温度场多场耦合作用下的力学行为，并可实现监测其破裂过程中产生的物理信号的试验装置是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种煤岩多场耦合监测试验装置，所述煤岩多场耦合监测试验装置包括底座、安装在底座上的试验腔体和轴向压力施加系统、围压施加系统、孔隙流压模拟系统、温度施加系统、电荷采集系统、声发射信号采集系统、应变采集系统和数据采集分析装置；

试验腔体包括钢制耐压腔和安装在钢制耐压腔底部的密封法兰盘，密封法兰盘中间安装有传动杆，钢制耐压腔与密封法兰盘形成的密闭空间内设有上压头和下压头，下压头与传动杆连接，试样的一端固定在下压头上，上压头固定在试样的另一端，钢制耐压腔内设有上压头限位孔，试样的外表面包裹有热塑套；

孔隙流压模拟系统包括设置在上压头侧壁上的第一孔隙流压口、设置在下压头侧壁上的第二孔隙流压口、设置在所述密封法兰盘上的第一流压传输孔和第二流压传输孔、流量计和流压施加系统，第一孔隙流压口在上压头内延伸至上压头接近试样的端面，第二孔隙流压口在下压头内延伸至下压头接近试样的端面，第一孔隙流压口与第一流压传输孔连通，第一流压传输孔与外界气压或水压施加系统连接，第二孔隙流压口与第二流压传输孔连通，第二流压传输孔与流量计连接；

围压模拟系统与所述试验腔体连通且能向所述试验腔体内施加油压或气压；

温度施加系统包括缠绕在所述热塑套表面的电控加热带，所述密封法兰盘上还设有信号线孔，电控加热带的导线穿过信号线孔与所述数据采集分析装置连接；

电荷采集系统包括设置在所述钢制耐压腔侧壁上的多个电荷探头安装孔、电荷探头和电极片，每个电荷探头安装孔内安装一个电荷探头，每个电荷探头连接一个电极片，电极片位于所述试样和钢制耐压腔内壁之间，电荷探头与所述数据采集分析装置连接；

声发射信号采集系统包括固定在所述热塑套外表面的声发射探头，声发射探头的信号线穿过所述信号线孔与所述数据采集分析装置连接；

应变采集系统包括固定在所述热塑套外表面的轴向引伸计和环向引伸计，轴向引伸计和环形引伸计的信号线穿过所述信号线孔与所述数据采集分析装置连接；

轴向压力施加系统包括轴向液压油缸和压力传感器，轴向液压油缸固定在所述底座上，轴向液压油缸与压力传感器连接，压力传感器与所述传动杆连接，压力传感器与所述数据采集分析装置连接。

所述钢制耐压腔包括腔体本体和腔体上盖；

所述多个电荷探头安装孔设置在所述腔体本体的侧壁上，所述密封法兰盘安装在所述腔体本体的底部，所述腔体本体的底部还设有连接法兰，所述底座上固定有多个举升油缸，多个举升油缸与所述连接法兰连接，所述腔体本体上设有安装孔，腔体上盖位于在安装孔内，所述上压头限位孔设置在所述腔体上盖上。

所述密封法兰盘的底部通过螺栓与铸钢圆筒连接，铸钢圆筒的底部通过螺栓与所述轴向液压油缸的外壳连接，所述轴向液压油缸的外壳固定在所述底座上，所述传动杆和所述压力传感器位于所述铸钢圆筒内。

所述第一孔隙流压口与所述第一流压传输孔通过不锈钢管连通，所述第二孔隙流压口与所述第二流压传输孔通过不锈钢管连通。

所述密封法兰盘为阶梯盘，阶梯盘直径较小的部分位于所述腔体本体内，阶梯盘直径较大的部分与腔体本体的连接法兰通过螺丝连接，第一流压传输孔的一端位于密封法兰盘直径较小部分的端面上，并且在密封法兰盘内延伸至密封法兰盘直径较大部分的侧壁上，第二流压传输孔的一端位于密封法兰盘直径较小部分的端面上，并且在密封法兰盘内延伸至密封法兰盘直径较大部分的侧壁上。

所述上压头和所述下压头的横截面为矩形或者圆形。

本实用新型中的煤岩多场耦合监测试验装置，通过对试样持续稳定的施加围压、轴向压力、孔隙流压以及对试样进行加热，能够模拟开采过程中长期处在高地应力、高渗透压以及高地温耦合作用下的煤岩体的受力情况，并且该监测试验装置能够采集试样整个受载过程中产生的各向应变信号、声发射信号以及电信号，根据各个信号可以得到试样长期演化破坏过程中的轴向和径向应变、试样破坏过程中的声发射信号和电荷信号的时空演化规律，更有利于建立实际开采过程中受到多场耦合作用的煤岩体的力学行为演化与失稳灾变的作用机制，揭示煤岩体动力灾害本源机理，为煤岩体动力灾害防治提供更加可靠的试验基础，根据试验基础建立相应的煤岩体失稳灾变判定及防治技术。

附图说明

图1是本实用新型提供的煤岩多场耦合监测试验装置的主视图；

图2是本实用新型提供的安装了电荷探头的腔体本体的截面图；

图3是本实用新型提供的密封法兰盘的截面图；

图4是本实用新型提供的密封法兰盘的俯视图。

其中，

1底座，2钢制耐压腔，3密封法兰盘，4传动杆，5上压头，6下压头，7试样，8上压头限位孔，9腔体本体，10腔体上盖，11连接法兰，12举升油缸，13轴向液压油缸，14压力传感器，15铸钢圆筒，16轴向液压油缸的外壳，17滑槽孔，18围压传输孔，19排气阀，20第一孔隙流压口，21第二孔隙流压口，22第一流压传输孔，23第二流压传输孔，24信号线孔，25电荷探头安装孔，26电荷探头，27电极片，29密封法兰盘上的螺丝孔。

具体实施方式

为了研究煤岩体长期在高地应力、高渗透压以及高地温耦合作用下的力学行为，如图1至图4所示，本实用新型提供了一种煤岩多场耦合监测试验装置，该煤岩多场耦合监测试验装置包括底座1、安装在底座1上的试验腔体和轴向压力施加系统、围压施加系统、孔隙流压模拟系统、温度施加系统、电荷采集系统、声发射信号采集系统、应变采集系统和数据采集分析装置；

试验腔体包括钢制耐压腔2和安装在钢制耐压腔2底部的密封法兰盘3，密封法兰盘3中间安装有传动杆4，钢制耐压腔2与密封法兰盘3形成的密闭空间内设有上压头5和下压头6，下压头6与传动杆4连接，试样7的一端固定在下压头6上，上压头5固定在试样7的另一端，钢制耐压腔2内设有上压头限位孔8，试样7的外表面包裹有热塑套；

钢制耐压腔2包括腔体本体9和腔体上盖10；

密封法兰盘3安装在腔体本体9的底部，腔体本体9的底部还设有连接法兰11，底座1上固定有多个举升油缸12，多个举升油缸12与连接法兰11连接，腔体本体9上设有安装孔，腔体上盖10位于在安装孔内，上压头限位孔8设置在腔体上盖10上。

轴向压力施加系统包括轴向液压油缸13和压力传感器14，轴向液压油缸13固定在底座1上，轴向液压油缸13与压力传感器14连接，压力传感器14与传动杆4连接，压力传感器14与数据采集分析装置连接；

轴向液压油缸13工作时，轴向液压油缸13推动压力传感器14向上运动，使得压力传感器14推动传动杆4向上运动，进而推动下压头6、试样7和上压头5一起在试验腔体内向上运动，当上压头5卡在上压头限位孔8内时，上压头5停止向上运动，使得试样7受到轴向的挤压力，压力传感器14能够检测轴向液压油缸13对试样7施加的轴向压力的大小，在本实用新型中，上压头5和下压头6的横截面为矩形或者圆形，可以根据不同尺寸的试样7选择横截面不同的上压头5和下压头6，上压头5和下压头6可以选择高强度钢制作而成，压力传感器14能够检测轴向液压传感器施加给试样7的载荷大小；

在本实用新型中，密封法兰盘3的底部通过螺栓与铸钢圆筒15连接，可以在密封法兰盘3上设置螺丝孔28，通过螺丝穿过螺丝孔28和铸钢圆筒15将密封法兰盘3与铸钢圆筒15连接起来，铸钢圆筒15的底部通过螺栓与轴向液压油缸13的外壳16连接，轴向液压油缸13的外壳16固定在底座1上，传动杆4和压力传感器14位于铸钢圆筒15内，可以在铸钢圆筒15的侧壁上设有滑槽孔17，光栅位移传感器位于铸钢圆筒15外，光栅位移传感器连接一个连接杆，且连接杆穿过滑槽孔17与传动杆4连接，光栅位移传感器均与数据采集分析装置连接，当传动杆4向上运动时，会带动连接杆向上运动，连接杆在滑槽孔17向上滑动且带动光栅位移传感器滑动进而检测到轴向液压油缸13带动传动杆4的位移变化情况。

围压模拟系统与试验腔体连通且能向试验腔体内施加油压或气压；围压施加系统可以为外部液压站或者外部气源，从而实现对试验腔体内提供油压提供气体压力，其中，可以在密封法兰盘3上设置围压传输孔18，围压传输孔18将试验腔体和外界连通，外界的围压施加系统通过围压传输孔18向试验腔体内施加油压或者气压，围压传输孔18的数量可以根据实际情况合理设置，为了更好的保证试验腔体内的密封性，可以在密封法兰盘3上设置密封圈，使密封法兰盘3与腔体本体9紧密接触，防止围压外泄，在腔体上盖10与腔体本体9接触的外圆设置密封圈，同时，在传动杆4与密封法兰盘3之间也设置多个密封圈，在下压头6与传动杆4之间也设置多个密封圈，防止围压外泄；本实用新型可以在腔体上盖10设置排气阀19，当围压施加系统向试验腔体内施加的为油压时，打开排气阀19排出试验腔体内的空气。

本实用新型中的轴向压力施加系统和围压模拟系统共同对试样7施加的压力用于模拟实际开采过程中煤岩受到的高地应力；

孔隙流压模拟系统包括设置在上压头5侧壁上的第一孔隙流压口20、设置在下压头6侧壁上的第二孔隙流压口21、设置在密封法兰盘3上的第一流压传输孔22和第二流压传输孔23、流量计和流压施加系统，第一孔隙流压口20在上压头5内延伸至上压头5接近试样7的端面，第二孔隙流压口21在下压头6内延伸至下压头6接近试样7的端面，第一孔隙流压口20与第一流压传输孔22连通，第一流压传输孔22与外界气压或水压施加系统连接，第二孔隙流压口21与第二流压传输孔23连通，第二流压传输孔23与流量计连接，其中，第一孔隙流压口20与第一流压传输孔22可以通过不锈钢管连通，第二孔隙流压口21与第二流压传输孔23可以通过不锈钢管连通；

本实用新型中孔隙流压模拟系统能够对位于试验腔体内的试样7施加孔隙流压，用于模拟深部煤岩体受到的高渗透压，外界气压或水压施加系统提供的气压或者水压通过第一流压传输孔22、不锈钢管和第一孔隙流压口20施加给试样7，流量计能够测出施加给试样7的气体或者水的流量。

本实用新型中，密封法兰盘3设计成一个阶梯盘，直径较小的部分位于腔体本体9内且与腔体本体9的内径相配合，直径较大的部分与腔体本体9的连接法兰11通过螺丝连接，第一流压传输孔22的一端位于密封法兰盘3直径较小部分的端面上，并且在密封法兰盘3内延伸至密封法兰盘3直径较大的部分的侧壁上，同理，第二流压传输孔23的一端位于密封法兰盘3直径较小部分的端面上，并且在密封法兰盘3内延伸至密封法兰盘3直径较大的部分的侧壁上，如此，实现第一流压传输孔22在试验腔体内通过不锈钢管与第一孔隙流压口20连通，且在试样腔体外与流压施加系统连通，以及实现第二流压传输孔23在试验腔体内通过不锈钢管与第二孔隙流压口21连通，且在试样腔体外与流量计连接。

温度施加系统包括缠绕在热塑套表面的电控加热带，密封法兰盘3上还设有信号线孔24，电控加热带的导线穿过信号线孔24与数据采集分析装置连接，电控加热带能够对试样7进行加热至所需温度，用于模拟实际开采过程中深部煤岩体受到的高地温；

本实用新型中的轴向压力施加系统和围压施加系统模拟了深部煤岩体受到的高地应力，孔隙流压模拟系统模拟了深部煤岩体受到的高渗透压，温度施加系统模拟了深部煤岩体受到的高地温，因此模拟了深部煤岩体在应力场、渗流场以及温度场多场耦合作用下力学行为变化。

电荷采集系统包括设置在钢制耐压腔2的腔体本体9的侧壁上的多个电荷探头安装孔25、电荷探头26和电极片27，每个电荷探头安装孔25内安装一个电荷探头26，每个电荷探头26连接一个电极片27，电极片27位于试样7和钢制耐压腔2内壁之间，电荷探头26与数据采集分析装置连接；

在三场耦合作用下，试样7会被破坏，在试样7破坏的过程中会产生微电荷，微电荷会使电极片27带电，电荷探头26采集与其连接的电极片27的电位变化情况并发送给数据采集分析装置，电极片27可以选择材质为镍钴合金的电极片27，为了防止电荷探头26与腔体本体9之间互相连通而影响电位变化，可以在腔体本体9与电荷探头26之间涂有高强度绝缘凝胶；优选地，在腔体本体9侧壁上设置四个电荷探头安装孔25，四个电荷探头安装孔25沿着腔体本体9的周向均匀分布，每个电荷探头安装孔25内均安装一个电荷探头26。

声发射信号采集系统包括固定在热塑套外表面的声发射探头，声发射探头的信号线穿过信号线孔24与数据采集分析装置连接；

声发射信号采集系统包括固定在热塑套外表面的声发射探头，声发射探头的信号线穿过信号线孔24与数据采集分析装置连接；声发射探头可以利用耦合胶水固定在热塑套外表面，在应力场、渗流场以及温度场的作用下，试样7会被破坏，试样7破坏前会发生变形，产生裂缝等，在该过程中试样7会释放出超高频应力波脉冲信号，声发射信号采集系统用于采集该脉冲信号，其中，声发射探头可以按照声发射定位检测方法排布在热塑套外表面，声发射探头的数量为6～12个。

应变采集系统包括固定在热塑套外表面的轴向引伸计和环向引伸计，轴向引伸计和环形引伸计的信号线穿过信号线孔24与数据采集分析装置连接。信号线孔24的数量可以根据实际情况合理设置，由于热塑套紧紧包裹在试样7的表面，因此，试样7在轴向压力和围压的作用下发生轴向和环向的应变时，热塑套会随着试样7同时发生变形，轴向引伸计和环向引伸计分别检测试样7在应力作用下的轴向应变和径向应变，在本实用新型中，对信号线孔24做好相应的密封，保证各个导线以及信号线能够通过信号线孔24伸出外界的同时围压不会通过信号线孔24发生泄露。

本实用新型中数据采集分析装置记录和存储试样7在三场耦合作用下，整个受载过程中产生的各向应变信号、声发射信号和电信号，数据采集分析装置可以包括多个采集仪，每个采集仪对应一个电脑，多个采集仪分别采集声发射探头的声发射信号、电荷探头26的电荷信号、轴向引伸计和环向引伸计的信号、压力传感器14的压力信号以及光栅位移传感器的位移信号，每个采集仪对应一个电脑，对接收到的信号进行存储和后处理。

本实用新型中的煤岩多场耦合监测试验装置的使用方法如下：

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

首先根据煤岩试样7的尺寸选择横截面为圆形或者矩形的上压头5和下压头6，将试样7的一端用胶带固定于下压头6上，将上压头5用胶带固定在试样7的另一端，并利用热塑套将试样7包裹好，将下压头6固定在传动杆4的顶部，将轴向引伸计和环向引伸计固定于热塑套外表面，将声发射探头利用耦合胶水固定在热塑套外表面，将电控加热带缠绕在热塑套外，将轴向引伸计和环向引伸计的信号线、声发射探头的信号线、电控加热带的导线穿过密封法兰盘3的信号线孔24与数据采集分析装置连接，具体地，不同装置的信号线对应连接数据采集分析装置不同的采集仪和电脑；

开启举升油缸12，带动钢制耐压腔2向下运动与密封法兰盘3闭合并通过螺丝紧固腔体本体9和密封法兰盘3，开启轴向液压油缸13，使轴向液压油缸13向上运动，同时带动压力传感器14和传动杆4向上运动，当上压头5卡在上压头限位孔8内时，轴向液压油缸13继续向上运动，会对试样7施加轴向挤压力，开启围压施加系统和孔隙流压施加系统，控制电控加热带对试样7进行加热，其中，围压施加系统根据试验需求，若选择油压作为围压，则打开腔体上盖10的排气阀19，排除试验腔体内多余的空气，在模拟出的高地应力场、高渗透压场以及高低温肠的耦合作用下，声发射信号采集系统实时采集试样7在围压和轴向压力的作用下发出的声发射信号，电荷采集系统实时采集试样7破坏过程中产生的电信号、应变采集系统实时采集试样7在应力状态下发生的轴向和径向的应变信号，数据采集分析装置实时接收各个信号并存储试验结果，直至试样7失去承载能力时停止采集；

试验后，先卸去孔隙流压，再卸去围压和轴向压力，停止对试样7进行加热，开启举升油缸12带动钢制耐压腔22向上运动，取出试样7，对煤岩破坏后的形态进行观察和拍照。

本实用新型中的煤岩多场耦合监测试验装置，通过对试样7持续稳定的施加围压、轴向压力、孔隙流压以及对试样7进行加热，能够模拟开采过程中长期处在高地应力、高渗透压以及高地温耦合作用下的煤岩体的受力情况，并且该监测试验装置能够采集试样7整个受载过程中产生的各向应变信号、声发射信号以及电信号，根据各个信号可以得到试样7长期演化破坏过程中的轴向和径向应变、试样7破坏过程中的声发射信号和电荷信号的时空演化规律，更有利于建立实际开采过程中受到多场耦合作用的煤岩体的力学行为演化与失稳灾变的作用机制，揭示煤岩体动力灾害本源机理，为煤岩体动力灾害防治提供更加可靠的试验基础，根据试验基础建立相应的煤岩体失稳灾变判定及防治技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。