一种测试煤岩体动力学特性的实验装置及方法与流程

本发明涉及一种煤岩的实验装置及方法，具体是一种测试煤岩体动力学特性的实验装置及方法。

背景技术：

近年来，随着国民经济的发展，煤炭的需求也越来越大，煤炭资源大量开采，导致浅部煤炭资源枯竭，采矿作业向深部发展，开采更多的煤炭资源，随之而来的是地质条件的复杂，矿井灾害的增多，尤其是冲击地压，已经严重影响着采矿作业的安全性。一直以来，冲击地压作为一项世界性难题，严重地威胁着煤矿的安全生产。依据作用于煤岩体的应力变化时间尺度的不同，可将冲击地压分为静载导致的冲击地压(简称静载冲击地压)和动载诱发的冲击地压(简称动载冲击地压)。静载冲击地压是由原岩应力和采动应力等大小、方向和作用点在较长时间尺度上缓慢变化的应力作用下，导致的剧烈动压现象。而动载冲击地压是由应力波扰动引发应力在以秒、毫秒、甚至微秒的短暂时间尺度上发生显著改变，导致的剧烈动压现象。事实上，已经受原岩、采动应力等静载作用的井下煤岩体，当受到爆破、顶板断裂等震源释放的应力波扰动诱发冲击地压，可以用动静组合加载来模拟，这比单纯考虑动载作用或静载作用更具有实际意义。大多数学者认为冲击地压的发生是围岩–煤体系统的破坏失稳，对其进行研究应充分考虑顶板、煤层和底板各子系统间的相互作用，从煤岩体变形能储存和释放及相互作用等方面，研究煤岩体结构特性对组合煤岩动力失稳的影响。考虑到动载冲击地压的发生是动静载荷叠加作用的结果，并且大量的试验和理论分析表明，动静组合加载下煤岩体具有与纯静载、纯动载下截然不同的独特破坏特性，但关于静载恒定时组合煤岩对不同应力波能量的响应，应力波能量相同时不同静载对组合煤岩的破坏特性的影响以及煤岩结构特性对动静加载下组合煤岩破坏失稳的影响这几方面的研究，亟待研究。传统的岩石试样加载装置一般可提供单轴的静载或者动载，近年来也出现了同轴的动静载叠加加载装置，但是还是不能够更好的贴近煤岩在地下的实际受力环境。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种测试煤岩体动力学特性的实验装置及方法，对煤岩试样组合体采用动加载与静加载相互垂直施加的方式，从而可更好的模拟组合岩石试样在实际环境下的受力情况，为后续工程实践提供理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测试煤岩体动力学特性的实验装置，包括水平动加载装置、垂直静加载装置和限位板，水平动加载装置与限位板相对设置，所述水平动加载装置为霍普金森压杆，限位板上设有两个形状相同的限位块，所述两个限位块之间形成滑移凹槽，所述垂直静加载装置由静加载上压头和静加载下压头组成，静加载上压头和静加载下压头相对设置，静加载上压头与压力机ⅰ固定连接，静加载下压头与压力机ⅱ固定连接；所述静加载上压头的圆盘和静加载下压头的圆盘上分别设有三个声发射探测头和一个超声波发收探头；声发射探测头和超声波发收探头均与计算主机连接，计算主机与多通道示波器连接。

进一步，所述静加载上压头的圆盘上的三个声发射探测头设置在圆盘外沿并且等分圆盘的圆周，所述超声波发收探头设置在静加载上压头的圆盘中心。

进一步，所述声发射探测头和超声波发收探头在静加载下压头的位置与静加载上压头的位置相同。

一种测试煤岩体动力学特性实验装置的实验方法，具体步骤为：

a、选取三个煤岩试样，并将三个煤岩试样切割成形状相同的长方体；

b、将三个煤岩体试样相互叠加后，形成煤岩试样组合体；

c、煤岩试样组合体的下端与静加载下压头接触、上端与静加载上压头接触；

d、水平动加载装置处于煤岩试样组合体中间试样的水平位置一侧，煤岩试样组合体的另一侧固定有限位板，限位板上的两个限位块分别与煤岩试样组合体的上部试样和下部试样接触；

e、静加载上压头和静加载下压头分别对煤岩试样组合体的上端煤岩试样和下端煤岩试样进行垂直静加载，同时水平动加载装置开始对煤岩试样组合体的中间煤岩试样进行一次动加载过程，中间煤岩试样会向限位板内的滑移凹槽粘滑；

f、声发射探测头和超声波发收探头实时对煤岩试样组合体整个动加载和静加载的过程进行数据采集；

g、将声发射探测头和超声波发收探头采集的数据反馈给计算主机，计算主机结合采集的数据进行分析处理得出煤岩试样组合体的能量释放、释放能量位置及粘滑时速度、加速度的情况，计算主机将上述数据后发送给多通道示波器进行显示。

与现有技术相比，本发明采用水平动加载装置、垂直静加载装置、限位板、声发射探测头和超声波发收探头相结合方式，本发明同时利用声发射和超声波来监测数据，两种监测手段同时运用，有利于将组合试样在动静载叠加过程中的粘滑过程的能量释放特性、粘滑时的速度和加速度同时监测；同时，本发明的方法克服了之前对于动静载叠加加载装置只是沿相同方向进行加载，动载和静载加载方向垂直，且上下两个静载加力端分别设置一套加载控制系统，可以更好的模拟组合岩石试样在实际环境下的受力情况，为后续工程实践提供理论支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中限位板与煤岩试样组合体的装配示意图；

图3是本发明中声发射探测头和超声波发收探头的布置示意图。

图中：1、霍普金森压杆，2、静加载上压头，3、静加载下压头，4、声发射探测头，5、超声波发收探头，6、煤岩试样组合体，7、限位板。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种测试煤岩体动力学特性的实验装置，包括水平动加载装置、垂直静加载装置和限位板7，水平动加载装置与限位板7相对设置，所述水平动加载装置为霍普金森压杆1，限位板7上设有两个形状相同的限位块，所述两个限位块之间形成滑移凹槽，所述垂直静加载装置由静加载上压头2和静加载下压头3组成，静加载上压头2和静加载下压头3相对设置，静加载上压头2与压力机ⅰ固定连接，静加载下压头与压力机ⅱ固定连接；所述静加载上压头2的圆盘和静加载下压头3的圆盘上分别设有三个声发射探测头4和一个超声波发收探头5；声发射探测头4和超声波发收探头5均与计算主机连接，计算主机与多通道示波器连接。

进一步，所述静加载上压头2的圆盘上的三个声发射探测头4设置在圆盘外沿并且等分圆盘的圆周，所述超声波发收探头5设置在静加载上压头2的圆盘中心。

进一步，所述声发射探测头4和超声波发收探头5在静加载下压头3的位置与静加载上压头2的位置相同。

一种测试煤岩体动力学特性实验装置的实验方法，具体步骤为：

a、选取三个煤岩试样，并将三个煤岩试样切割成形状相同的长方体；

b、将三个煤岩体试样相互叠加后，形成煤岩试样组合体6；

c、煤岩试样组合体6的下端与静加载下压头3接触、上端与静加载上压头2接触；

d、水平动加载装置处于煤岩试样组合体6中间试样的水平位置一侧，煤岩试样组合体6的另一侧固定有限位板7，限位板7上的两个限位块分别与煤岩试样组合体6的上部试样和下部试样接触；

e、静加载上压头2和静加载下压头3分别对煤岩试样组合体6的上端煤岩试样和下端煤岩试样进行垂直静加载，同时水平动加载装置开始对煤岩试样组合体6的中间煤岩试样进行一次动加载过程，中间煤岩试样会向限位板7内的滑移凹槽粘滑；

f、声发射探测头4和超声波发收探头5实时对煤岩试样组合体6整个动加载和静加载的过程进行数据采集；

g、将声发射探测头4和超声波发收探头5采集的数据反馈给计算主机，计算主机结合采集的数据进行分析处理得出煤岩试样组合体6的能量释放、释放能量位置及粘滑时速度、加速度的情况，计算主机将上述数据后发送给多通道示波器进行显示。