可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机及试验方法与流程

本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，特别涉及一种用于研究揭示煤岩体在静态加载和动力扰动冲击状态下含瓦斯煤体的吸附解吸规律、不同加载阶段含瓦斯煤体渗透变化规律及损伤扩容破坏机理的试验装置系统和试验方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象，j.hanes等人根据澳大利亚煤与瓦斯突出的考察分析，将煤与瓦斯突出发展过程分为四个阶段：激发阶段、临界阶段、发生阶段和结束阶段。对于突出的激发阶段其描述为：含瓦斯煤体的变形和破坏达到某种临界条件或外界突然施加了一个扰动荷载，导致失稳煤岩被快速破坏和抛出，并形成最初的突出孔洞。但是地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质在煤与瓦斯突出过程中的作用机制，目前尚未研究清楚。

关于煤与瓦斯突出机理的研究成果使我们基本认清煤与瓦斯突出的影响因素、发展过程、作用机制和发生条件，然而这些假说和理论在细节上却存在很大不同。特别是扰动条件下含瓦斯煤体的破碎致突机理和突出激发条件仍需要通过试验和理论分析等手段深入研究，由表及里，层层深入，揭示煤与瓦斯突出发生的本质。为此，迫切需要研制一种用于多相耦合的动静联合加载岩石试验装置。

目前，针对含瓦斯煤体的吸附解吸、损伤扩容影响研究，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)申请号为201510055670.8的中国专利本发明公开了一种恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置及方法,，包括用于对试件的定量充气、三轴加压卸压以及整个过程的可视化实时监测的可视化加载系统、用于实现轴向加压过程的容积恒定的恒容系统以及用于实现对围压的定量卸载以及试件吸附解吸过程的可视化监测的常压可视化气体体积测量系统。但存在装置体积较大试验不便，加载室整体采用圆筒玻璃抗压能力不能保证，且弧形玻璃观察拍照等图像容易变形等问题。

(2)申请号为200910104608.8的中国专利本发明公开了一种含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,它包括升降机架、液压伺服控制系统、安装在升降机架顶部的轴向加载装置和连接在轴向加载装置下端的三轴压力室，能够进行不同地应力、不同瓦斯压力、不同温度等状态下的含瓦斯煤渗流试验研究以及含瓦斯煤在渗流过程中的变形破坏特征研究。

(3)申请号为201310137965.0的中国专利公开了一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，包括试件装置系统、轴向加压系统、围压系统、化学溶液压力加载系统、伺服控制系统和数据采集系统，该设备适于研究不同温度化学溶液渗过岩石单裂隙时发生的化学腐蚀—应力耦合作用。

(4)《煤炭科学技术》2009年7月份第37卷7期由刘见中、张东明等发表的“含瓦斯煤在不同围压下的渗流特性试验”(第86～89页)一文中第1.2小节中公开了三轴压力试验装置，该装置由加载系统、测量系统和瓦斯供给系统3部分构成。其中加载系统由ag-250和自主研发的三轴瓦斯渗流系统组成,测量系统主要是气体流量计,瓦斯供给系统由高压瓦斯罐、减压阀和压力表组成。可对变化围压和瓦斯压力条件下的煤样渗流特性进行研究。

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.上述试验装置不论大小，均不能实现煤岩试件在三轴静态加载和多相耦合作用下的动力加载；

2.上述试验装置试验过程中操作复杂，体积庞大，功能单一，且大部分仅能定性的观察破坏现象难以实现试验过程的可视化实时监测。

为更好地研究揭示煤岩体在静态加载和动力扰动冲击状态下含瓦斯煤体的吸附解吸规律、不同加载阶段含瓦斯煤体渗透变化规律及损伤扩容破坏机理的试验装置系统

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种即可配合现有试验压力机进行静态加载又可独立操控模拟动力冲击扰动、不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤体的吸附解吸规律及损伤扩容破坏机理的试验装置系统和试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机，由可视化围压加载室模块、气压控制模块、动力加载模块、恒容模块四部分组成；

所述的可视化围压加载室模块为一个外方内圆的钢桶式结构；钢桶式结构内部形成加载室；在钢桶式结构顶部设有一个穿过其顶部进入到加载室内的压头，压头内设有解吸通道，压头的底部设有与解吸通道连通的面式解析槽，在钢桶式结构内设有一个与所述面式解析槽上下相对的面式填充槽；在钢桶式结构的底板上设有试件填充口和围压口；

所述的气压控制模块分别与试件填充口、围压口、解吸通道相连，通过围压口将气体引入密封的加载室实现模拟围压地应力功能；通过试件填充口将气体引入到加载室内对试件定量充气；通过解吸通道使解吸气体由顶部面式解吸槽进入压头内部实现吸附解吸定量测试；

所述的动力加载模块为所述的压头提供动力；

所述的恒容模块安装在可视化围压加载室模块的顶部，其包括两个横容活塞，在压头下压或上升，将带动两端的恒容活塞一起联动，使得轴向加压过程中反应室的容积恒定以排除压强改变对试验过程的干扰。

进一步的，所述的气压控制模块包括一个阀块，在所述的阀块上设有阀块解吸通道、试件充填通道、充围压通道、卸围压通道、压力传感器和安全溢流阀，

所述的解吸通道一端连接截止阀，另一端通过管路与压头内的压头解吸通道口连接，将解吸气体引入阀块解吸通道内从而实现含试件解吸时的压力采集；

所述的试件充填通道一端连接截止阀，另一端通过管路与试件充填口连接，实现对试件的气体充填；

所述的充围压通道一端连接截止阀，另一端通过管路与围压口连接，实现对加载室内的气体充填以模拟水平应力；

所述的卸围压通道一端连接截止阀，另一端和充围压通道合并，并通过对应管路与围压口连接，实现对加载室内气体的卸载以模拟不同梯度的水平应力；

所述的压力传感器安装在阀块上与各通道联通，实现对解吸压力、充填压力、加载室围压压力的实时采集与监控；

所述的安全溢流阀起到意外因素下压力超过安全值时的自动卸压功能，所述的截止阀起到关闭和切断气源功能。

进一步的，在动力冲击试验时，所述的动力加载模块包括支架、传力杆和冲击砝码，所述传力杆设置在支架上，所述冲击砝码由若干不同质量的圆环状钢块组成；试验前将传力杆预先套上冲击砝码，再将其放置于压头上并借助压力机的压头压紧，模块工作时，将质量一定的冲击砝码沿传力杆的轴向方向的不同高度滑落使其做自由落体，最后通过压头将冲击能量传递给试件完成冲击试验；

进一步的，在静载试验时，所述的动力加载模块为伺服压力机。

进一步的，所述的恒容模块还包括两个支架，所述的两个支架通过横梁与压头固定连接，在所述的两个横容活塞分别安装在支架上与所述的压头一起下压或上升；且所述的两个恒容活塞的截面积之和等于压头伸入顶板部分的横截面积，从而避免因压头升降造成容积改变造成试验干扰，其恒容活塞设有密封凹槽用于放置密封圈保证气密性。

进一步的，所述的钢桶式结构的四个侧面，其中三个侧面分别透明窗体，一个侧面安装后门；其顶部的顶板底部的底板通过四根立柱将加载室压紧形成密闭空间，在所述加载室内可安装各类监测装置(如传感器、led灯)并通过底板的传感器引线通道引出实现试验过程中试件各物理力学参数的实时监测。

进一步的，所述的加载室上下两端与顶底板接触面及后门开口位置均设有密封凹槽用于放置密封圈实现钢结构压紧后的密封作用。

进一步的，所述的顶板中心开孔内设三道密封凹槽内置密封圈起到压头穿过顶板深入加载室过程的密封作用；

进一步的，所述的窗体上安装钢化高硼硅玻璃，钢化高硼硅玻璃的上下表面均粘贴圆环状石棉垫圈与玻璃一同内嵌在窗体内组成可视化窗口可实现试验过程的可视化观察。

三轴加载多相耦合静载试验具体试验步骤如下：

1)将装置的可视化围压加载室模块主体放置在伺服压力机操作平台上，使装置压头与压力机压头对接；

2)将试件用热缩管套紧，其上下两端开口；

3)将底板及压头各通道出口与阀块对应接口连接，阀块上传感器与采集系统连接；

4)将试件置于面式充填槽上；

5)启动伺服压力机，使压头下降，直到面式解吸槽与试件上表面接触停止；

6)将气压控制模块上的卸围压通道与抽真空装置连接，并打开截止阀启动抽真空；

6)待监测卸围压通道的压力传感器达到目标值后，关闭截止阀，关闭抽真空装置；

7)将气压控制模块上的充围压通道与外界气源连通；

8)打开充围压通道的截止阀，打开气源对加载室充围压；

9)将气压控制模块上的试件充填通道与外界气源连接；

10)打开试件充填通道的截止阀，打开高压气源或水源，对试件进行面式充气/注水，模拟煤岩体吸附解吸或水力劈裂工况；

11)待充围压通道和试件充填通道的压力传感器读数达到目标值后，关闭各截止阀；

12)再次启动伺服压力机使压力机下压达到目标值；

13)结合试验方案，对试件进行不同强度的加载、卸载和多相耦合，其轴向加载压力值由伺服压力机控制，围压和面式充填量值由压力传感器实时监控；

14)通过可视化围压加载室模块的可视化窗口，观察或录像，记录试件在不同加载压力条件下的变形破坏特征，通过气压控制模块上解吸通道监测气固耦合状态下煤岩试件解吸压力；

15)试验结束，打开气压控制模块上的卸围压通道进行围压卸载，打开侧门，取出试件。

利用所述的可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机进行动载试验的方法，

1)将装置的可视化围压加载室模块放置在伺服压力机操作平台上；

2)将传力杆套上冲力砝码并放置于可视化围压加载室模块压头上，启动伺服压力机，使压头下降，将传力杆压紧；

3)将试件用热缩管套紧，其上下两端开口；

4)将底板及压头各通道出口与阀块对应接口连接，阀块上传感器与采集系统连接；

5)将试件置于面式充填槽上；

6)使压头下降，直到面式解吸槽与试件上表面接触停止；

7)将气压控制模块上的卸围压通道与抽真空装置连接，并打开截止阀启动抽真空；

8)待监测卸围压通道的压力传感器达到目标值后，关闭截止阀，关闭抽真空装置；

9)将气压控制模块上的充围压通道与外界气源连通；

10)打开充围压通道的截止阀，打开气源对加载室充围压；

11)将气压控制模块上的试件充填通道与外界气源连接；

12)打开试件充填通道的截止阀，打开高压气源或水源，对试件进行面式充气/注水，模拟煤岩体吸附解吸或水力劈裂等工况；

13)待充围压通道和试件充填通道的压力传感器读数达到目标值后，关闭各截止阀；

14)再次启动伺服压力机使压力机下压达到目标值；

15)结合试验方案，将一定质量的冲击砝码置于不同高度使其沿传力杆轴向方向做自由落体运动，完成对三轴加载条件下试件的冲击做功，并改变冲击高度及不同强度的加载、卸载和多相耦合；

16)通过可视化围压加载室模块的可视化窗口，观察或录像，记录试件在不同加载压力条件下的变形破坏特征，通过气压控制模块上解吸通道监测气固耦合状态下煤岩试件解吸压力；

17)试验结束，打开气压控制模块上的卸围压通道进行围压卸载，取出试件。

本发明的有益效果是：

1装置采用模块化设计，各模块分工明确，目的明确，操作简便；

2即可结合常规伺服压力机对试件进行三轴加载，又可安装动力加载模块完成三轴加载条件下的动态冲击试验；

3可实现对煤岩体标准试件的定量充气/注水、三轴加压卸压、以及整个过程的可视化实时监测；

4气压控制模块安装压力传感器可监测和控制试验压力；

5可视化围压加载室模块装有后门，可随时打开/关闭，方便试件放入/取出；

6可实现气固耦合状态下试件解吸量的测量，具体的测量方法是通过外接气源和压力传感器控制，对试件底面充已知量气体，试件顶端与面式解吸通道连通，静态加载或动态冲击过程中，解吸气体通过吸附解吸通道进入气压控制模块，通过压力传感器或外接质量流量计监控和计算解吸压力与解吸量；

7可实现轴向加压过程的容积恒定以排除压强改变对试验过程的干扰，具体方法是，试验过程中恒容活塞随着压头的下压同步下移，恒容缸相对于恒容活塞上移，加压室内气体围压通过管路与恒容连接口连接进入恒容缸，压头伸入可视化围压加载室模块的顶板部分截面积等于两端恒容缸面积之和，从而实现容积恒定。

附图说明

图1、图2、图3是本发明各个部件的整体结构示意图；

图4是可视化围压加载室模块的剖示图；

图5是可视化围压加载室模块外观示意图；

图6、图7、图8是可视化围压加载室底板结构示意图；

图9是气压控制模块示意图；

图10是动力加载模块示意图；

图11、图12是恒容模块示意图；

其中，1可视化围压加载室模块，1-1底板，1-2顶板，1-3立柱，1-4压头，1-5面式充填槽，1-6面式解吸槽，1-7解吸通道，1-8加载室，1-9窗体，1-10钢化高硼硅玻璃，1-11后门，1-12密封槽，1-13传感器引线通道，1-14试件充填口，1-15围压口，1-16航空插头，1-17插头固定底座，1-18绝缘引线；2气压控制模块，2-1阀块，2-2解吸通道，2-3试件充填通道，2-4充围压通道，2-5卸围压通道，2-6模块连接口，2-7压力传感器，2-8安全溢流阀，2-9截止阀；3动力加载模块，3-1传力杆，3-2冲击砝码；4恒容模块，4-1恒容支架，4-2恒容缸，4-3恒容活塞，4-4恒容固定梁，4-5恒容连接口。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示：可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机，包括可视化围压加载室模块1，气压控制模块2，动力加载模块3和恒容模块4；各模块分功明确，相互配合，其可视化围压加载室模块1为标准试件的多相耦合与三轴加载提供可视化的试验空间；气压控制模块2实现对加载室内各通道的气压定量充填与控制；动力加载模块3完成对试件的动态冲击试验；恒容模块4保证了轴向加压过程中反应室的容积恒定以排除压强改变对试验过程的干扰。既可结合常规伺服压力机对试件进行高压气体吸附和围压加载，又可安装动力加载模块进行冲击载荷试验；

可视化围压加载室模块，可随时打开/关闭，方便试件放入/取出；可在加载室内安装各类监测装置(如传感器、led灯)通过底板的传感器引线通道引出实现试验过程中试件各物理力学参数的实时监测；

气压控制模块，内部各通道与对应的可视化围压加载室模块连接，并装配压力传感器实现对可视化围压加载室模块内的定量充气和试件解吸量监控量测；

三轴静态加载时，将压头与伺服压力机对接实现轴向加载，将外接气源或油源通过气压控制模块的充围压通道实现对煤岩试件的充气/油以模拟水平应力；

动态冲击试验时将传力杆套上冲力砝码并放置于可视化围压加载室模块压头上，启动伺服压力机，使压头下降，将传力杆压紧，结合试验方案，将一定质量的冲击砝码置于不同高度使其沿传力杆轴向方向做自由落体运动，完成对三轴加载条件下试件的冲击做功。

如图4、图5所示：可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机的可视化围压加载室模块1，主要由底板1-1，顶板1-2，立柱1-3，压头1-4，面式充填槽1-5，面式解吸槽1-6，解吸通道1-7，加载室1-8，窗体1-9，钢化高硼硅玻璃1-10，后门1-11，密封槽1-12，传感器引线通道1-13，试件充填口1-14，围压口1-15，航空插头1-16，插头固定底座1-17及绝缘引线1-18组成。

其加载室1-8为外方内圆的钢桶式结构，三面开窗一面开门分别通过螺栓与窗体1-9和后门1-11连接，其底板1-1与顶板1-2通过四根立柱1-3将加载室1-8压紧形成密闭空间，且加载室1-8上下两端及后门1-11开口位置均设有一道密封槽1-12用于放置密封圈实现钢结构压紧后的密封作用，顶板1-2中心开孔内设置三道密封槽1-12内置密封圈起到压头1-4穿过顶板1-2深入加载室1-8过程的密封作用，其钢化高硼硅玻璃1-10上下表面均粘贴圆环状石棉垫圈与玻璃一同安装在窗体1-9内组成可视化窗口可实现试验过程的可视化观察，其后门1-11为放置试件和各类传感器的开口，其绝缘引线1-18贯穿传感器引线通道1-13并通过灌注高强密封胶进行密封，引线两端均焊接航空插头1-16并固定在插头固定底座1-17上方便传感器连接，如图6、7、8所示，试件充填口1-14通过外接气源将气体引入面式充填槽1-5实现对试件的均匀气体填充，围压口1-14通过外接气源将气体引入密封的加载室1-8实现模拟围压地应力功能，面式解吸槽1-6与压头1-4对接可将试件解吸气体通过解吸通道1-7引到外面；

如图9所示：可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机的气压控制模块2主要由阀块2-1，解吸通道2-2，试件充填通道2-3，充围压通道2-4，卸围压通道2-5，模块连接口2-6，压力传感器2-7，安全溢流阀2-8，截止阀2-9；

其阀块2-1为矩形铝块内含解吸通道2-2、试件充填通道2-3、充围压通道2-4、卸围压通道2-5，解吸通道2-2一端连接截止阀2-9一端通过对应的模块连接口2-6与压头1-4内的解吸通道1-7连接，将解吸气体引入解吸通道2-2从而实现含试件解吸时的压力采集；试件充填通道2-3一端连接截止阀2-9一端通过对应的模块连接口2-6与底板1-1内的1-14试件充填口连接实现对试件的气体充填；充围压通道2-4一端连接截止阀2-9一端通过对应的模块连接口2-6与底板1-1内的围压口1-15连接，实现对加载室1-8内的气体充填以模拟水平应力；卸围压通道2-5一端连接截止阀2-9一端和充围压通道2-4合并并通过对应的模块连接口2-6与底板1-1内的围压口1-15连接，实现对加载室1-8内气体的卸载以模拟不同梯度的水平应力；压力传感器2-7分别安装在阀块2-1上实现对解吸压力、充填压力、加载室围压压力的实时采集；其安全溢流阀2-8起到意外因素下压力超过安全值时的自动卸压功能，其截止阀2-9起到关闭和切断气源功能。

如图10所示，动力加载模块3由传力杆3-1，冲击砝码3-2组成；其传力杆3-1为厚壁钢管，冲击砝码3-2由若干不同质量的圆环状钢块组成，将传力杆3-1预先套上冲击砝码3-2，再将其放置于压头1-4上并借助压力机的压头压紧，模块工作时，将质量一定的冲击砝码3-2沿传力杆3-1的轴向方向的不同高度滑落使其做自由落体，最后通过压头1-4将冲击能量传递给试件完成冲击试验；

如图11、图12所示：可用于多相耦合的动静联合加载岩石试验机的恒容模块4，主要由恒容支架4-1，恒容缸4-2，恒容活塞4-3，恒容固定梁4-4和恒容连接口4-5构成，其恒容支架4-1固定在顶板1-2上，恒容缸4-2固定在恒容支架4-1，其恒容活塞4-3固定在恒容固定梁4-4两端，恒容固定梁4-4固定在压头1-4上，恒容缸4-2顶部通过管路与恒容连接口4-5连接，系统工作时即压头下压或上升，将带动两端的恒容活塞4-3一起联动，且两个恒容活塞4-3的截面积之和等于压头1-4伸入顶板1-2部分的横截面积从而保证压头升降过程中加载室内容积恒定(避免因压头升降造成容积改变造成试验干扰)，其恒容活塞4-3设有密封槽1-12用于放置密封圈保证气密性；

利用上述装置进行三轴加载多相耦合静载试验，具体试验步骤如下：

1)将装置的可视化围压加载室模块主体放置在伺服压力机操作平台上，使装置压头与压力机压头对接；

2)将试件用热缩管套紧，其上下两端开口；

3)将底板及压头各通道出口与阀块对应接口连接，阀块上传感器与采集系统连接；

4)打开后门，将试件置于面式充填槽上；

5)关闭后门启动伺服压力机，使压头下降，直到面式解吸槽与试件上表面接触停止；

6)将气压控制模块上的卸压通道与抽真空装置连接，并打开截止阀启动抽真空(其它截止阀处于关闭状态)；

6)待监测卸围压通道的压力传感器达到目标值后，关闭截止阀，关闭抽真空装置；

7)将气压控制模块上的充围压通道与外界气源连通；

8)打开充围压通道的截止阀，打开气源对加载室充围压(煤样可充无吸附解吸性质的氦气，岩样可充油压)；

9)将气压控制模块上的试件充填通道与外界气源连接；

10)打开试件充填通道的截止阀，打开高压气源或水源，对试件进行面式充气/注水，模拟煤岩体吸附解吸或水力劈裂等工况；

11)待充围压通道和试件充填通道的压力传感器读数达到目标值后，关闭各截止阀；

12)再次启动伺服压力机使压力机下压达到目标值；

13)结合试验方案，对试件进行不同强度的加载、卸载和多相耦合，其轴向加载压力值由伺服压力机控制，围压和面式充填量值由压力传感器实时监控(试验过程中恒容活塞随着压头的下压同步下移，恒容缸相对于恒容活塞上移，加压室内气体围压通过管路与恒容连接口连接进入恒容缸，实现容积恒定)；

14)通过可视化窗口，观察或录像，记录试件在不同加载压力条件下的变形破坏特征，通过气压控制模块上解吸通道监测气固耦合状态下煤岩试件解吸压力；

15)试验结束，打开气压控制模块上的卸围压通道进行围压卸载，打开侧门，取出试件。

利用上述装置进行动载冲击试验，具体试验步骤如下：

1)将装置的可视化围压加载室模块放置在伺服压力机操作平台上；

2)将传力杆套上冲力砝码并放置于可视化围压加载室模块压头上，启动伺服压力机，使压头下降，将传力杆压紧；

3)将试件用热缩管套紧，其上下两端开口；

4)将底板及压头各通道出口与阀块对应接口连接，阀块上传感器与采集系统连接；

5)打开后门，将试件置于面式充填槽上；

6)关闭后门，使压头下降，直到面式解吸槽与试件上表面接触停止；

7)将气压控制模块上的卸压通道与抽真空装置连接，并打开截止阀启动抽真空(其它截止阀处于关闭状态)；

8)待监测卸围压通道的压力传感器达到目标值后，关闭截止阀，关闭抽真空装置；

9)将气压控制模块上的充围压通道与外界气源连通；

10)打开充围压通道的截止阀，打开气源对加载室充围压(煤样可充无吸附解吸性质的氦气，岩样可充油压)；

11)将气压控制模块上的试件充填通道与外界气源连接；

12)打开试件充填通道的截止阀，打开高压气源或水源，对试件进行面式充气/注水，模拟煤岩体吸附解吸或水力劈裂等工况；

13)待充围压通道和试件充填通道的压力传感器读数达到目标值后，关闭各截止阀；

14)再次启动伺服压力机使压力机下压达到目标值；

15)结合试验方案，将一定质量的冲击砝码置于不同高度使其沿传力杆轴向方向做自由落体运动，完成对三轴加载条件下试件的冲击做功，并改变冲击高度及不同强度的加载、卸载和多相耦合；

16)通过可视化窗口，观察或录像，记录试件在不同加载压力条件下的变形破坏特征，通过气压控制模块上解吸通道监测气固耦合状态下煤岩试件解吸压力；

17)试验结束，打开气压控制模块上的卸围压通道进行围压卸载，打开侧门，取出试件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。