一种可视化煤岩力学行为监测试验装置的制作方法

本实用新型涉及采矿技术领域，特别涉及一种可视化煤岩力学行为监测试验装置。

背景技术：

煤岩力学行为变异机制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。在煤岩开采的过程中，采矿工程活动改变了原岩应力状态的稳定性，使得煤岩受到高地应力的作用，进而诱发冲击地压和煤与瓦斯突出事故，因此对高地应力作用下的煤岩体力学行为开展研究极为重要，有利于更科学的了解高地应力环境下煤岩体的灾变孕育机制，并建立相应的煤岩体失稳灾变判定及防治技术，对实现煤炭安全开采具有重要的科学意义和工程价值。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种可视化煤岩力学行为监测试验装置，所述可视化煤岩力学行为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、窥镜采集系统、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，下压头与传动杆的顶部连接，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；

轴向压力施加系统包括轴向液压油缸、压力传感器和光栅位移传感器，轴向液压缸的外壳底部与所述底座固连，外壳顶部与铸钢圆筒的一端连接，铸钢圆筒的另一端与所述密封法兰盘连接，所述传动杆和所述压力传感器位于铸钢圆筒内，轴向液压油缸的活塞与压力传感器连接，压力传感器与所述传动杆的底部连接，铸钢圆筒的侧壁上设有滑槽孔，光栅位移传感器位于铸钢圆筒外，光栅位移传感器连接一个连接杆，且连接杆穿过滑槽孔与所述传动杆连接，压力传感器和光栅位移传感器均与所述数据采集分析装置连接；

围压模拟系统包括设置在所述密封法兰盘上的围压传输孔和围压施加系统，围压传输孔的一端与试验腔体连通，另一端与外界连通，围压传输孔的另一端与围压施加系统连接，围压施加系统能向所述试验腔体内施加油压或气压；

窥镜采集系统包括多个窥镜，窥镜安装在所述密封法兰盘上，多个窥镜均匀分布在所述试样的周围，密封法兰盘上设有信号线孔，窥镜的导线穿过信号线孔与所述数据采集分析装置连接，多个窥镜用于采集所述试样的图像，所述钢制耐压腔的侧壁上设有多个视窗安装孔，每个视窗安装孔内安装一个耐压视窗，每个耐压视窗均包括钢制耐压外框和耐压钴玻璃，钢制耐压外框固定在视窗安装孔内，耐压钴玻璃固定在钢制耐压外框内；

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，轴向引伸计和环向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。

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和所述多个视窗安装孔均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。

所述腔体上盖设有排气阀，当所述围压施加系统通过所述围压传输孔向所述试验腔体内施加油压时，打开所述排气阀排出所述试验腔体内的空气。

所述上压头和所述下压头的横截面为矩形或者圆形。

所述电极片的材料为镍钴合金。

所述钢制耐压腔侧壁上设有四个电荷探头安装孔，四个电荷探头安装孔沿着所述钢制耐压腔的周向均匀分布，每个电荷探头安装孔内均安装一个电荷探头。

本实用新型中的可视化煤岩力学行为监测试验装置，通过对试样持续稳定的施加围压和轴向压力，能够模拟开采过程中长期处在高地应力环境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、电信号以及试样的外观图像信号，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、观测试样的破坏过程，更有利于建立高地应力场对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可视化煤岩力学行为监测试验装置的主视图；

图2是本实用新型提供的安装了耐压视窗和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轴向液压油缸，10压力传感器，11轴向液压油缸的外壳，12铸钢圆筒，13滑槽孔，14中心杆，15腔体本体，16腔体上盖，17连接法兰，18举升油缸，19围压传输孔，20排气阀，21窥镜，22信号线孔，23视窗安装孔，24耐压视窗，25钢制耐压外框，26耐压钴玻璃，27电荷探头安装孔，28电荷探头，29电极片，30密封法兰盘上的螺丝孔。

具体实施方式

为了研究高地应力作用下的煤岩力学行为，并相应的建立煤岩体失稳灾变判定及防治技术，如图1至图4所示，本实用新型提供了一种可视化煤岩力学行为监测试验装置，该可视化煤岩力学行为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、窥镜采集系统、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的顶部连接，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；

轴向压力施加系统包括轴向液压油缸9、压力传感器10和光栅位移传感器，轴向液压油缸9的外壳11底部与底座1固连，外壳11顶部与铸钢圆筒12的一端连接，铸钢圆筒12的另一端与密封法兰盘3连接，密封法兰盘3上设有多个螺丝孔30，使用螺丝穿过螺丝孔30以及铸钢圆筒12将铸钢圆筒12与密封法兰盘3连接起来，传动杆4和压力传感器10位于铸钢圆筒12内，轴向液压油缸9的活塞与压力传感器10连接，压力传感器10与传动杆4的底部连接，铸钢圆筒12的侧壁上设有滑槽孔13，光栅位移传感器位于铸钢圆筒12外，光栅位移传感器连接一个连接杆，且连接杆穿过滑槽孔13与传动杆4连接，压力传感器10和光栅位移传感器均与数据采集分析装置连接，通过压力传感器10和光栅位移传感器检测轴向液压油缸9的运动与载荷情况；

为了更好的传递轴向压力，轴向液压油缸9的活塞、压力传感器10、传动杆4、上压头5、试样7和下压头6共轴布置，可以在传动杆4内安装一个中心杆14，中心杆14的中心轴线与下压头6、传动杆4、压力传感器10以及轴向液压油缸9的活塞的中心轴线重合，所述与光栅位移传感器连接且穿过滑槽孔13的连接杆穿过传动杆4与中心杆14连接，如此，当传动杆4向上运动时，中心杆14会同时向上运动，因此会带动所述连接杆向上运动，连接杆在滑槽孔13向上滑动且带动光栅位移传感器滑动进而检测到传动杆4的位移变化情况；

轴向液压油缸9工作时，轴向液压油缸9的活塞推动压力传感器10向上运动，使得压力传感器10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10能够检测轴向液压油缸9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。

在本实用新型中，钢制耐压腔2包括腔体本体15和腔体上盖16；

密封法兰盘3安装在腔体本体15的底部，腔体本体15的底部还设有连接法兰17，底座1上固定有多个举升油缸18，多个举升油缸18与连接法兰17连接，腔体本体15上设有安装孔，腔体上盖16位于在安装孔内，并通过螺丝紧固腔体上盖16与腔体本体15，上压头限位孔8设置在腔体上盖16上，举升油缸18能够带动腔体本体15和腔体上盖16上下运动，当将试样7固定在上压头5和下压头6上后，举升油缸18带动腔体本体15和腔体上盖16向下运动，直至腔体本体15与密封法兰盘3闭合，通过高强度螺丝将腔体本体15和密封法兰盘3连接起来。

围压模拟系统包括设置在密封法兰盘3上的围压传输孔19和围压施加系统，围压传输孔19的一端与试验腔体连通，另一端与外界连通，围压传输孔19的另一端与围压施加系统连接，围压施加系统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提供油压或者外部气源提供气体压力，从而实现对试验腔体内施加所需的油压或者气压，热塑套防止围压直接施加在试样7表面，其中，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15内且与腔体本体15的内径相配合，直径较大的部分与腔体本体15的连接法兰17通过螺丝连接，围压传输孔19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，如此实现围压传输孔19的一端与试验腔体连通，另一端与外界连通，外界的围压施加系统通过围压传输孔19向试验腔体内施加油压或者气压，围压传输孔19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直径较小的部分设置密封圈，使密封法兰盘3与腔体本体15紧密接触，防止围压外泄，在腔体上盖16与腔体本体15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；

在本实用新型中，腔体上盖16设有排气阀20，当围压施加系统通过围压传输孔19向试验腔体内施加的为油压时，打开排气阀20排出试验腔体内的空气。

本实用新型中，轴向压力施加系统和围压施加系统共同对试样7施加的压力用于模拟实际开采过程中的高地应力，在轴向压力施加系统和围压施加系统共同的作用下，对试样7的变化进行监测。

窥镜采集系统包括多个高分辨率窥镜21，窥镜21安装在密封法兰盘3上，多个窥镜21均匀分布在试样7的周围，窥镜21的支撑架可调节，可以通过调整支撑架来调整窥镜21采集试样7的图像的角度，窥镜21能够采集到试样7的细微变化过程，热塑套为透明热塑套不会影响图像采集效果，或者采用透明隔绝凝胶取代热塑套包裹在试样7外表面也不会影响图像采集效果，密封法兰盘3上还设有信号线孔22，信号线孔22与围压传输孔19结构相同均是一端与试验腔体连通，另一端与外界连通，窥镜21的导线穿过信号线孔22与数据采集分析装置连接，同时，对信号线孔22做好相应的密封，保证窥镜21的导线能够通过信号线孔22伸出外界的同时围压不会通过信号线孔22发生泄露，钢制耐压腔2的腔体本体15侧壁上设有多个视窗安装孔23，每个视窗安装孔23内安装一个耐压视窗24，每个耐压视窗24均包括钢制耐压外框25和耐压钴玻璃26，钢制耐压外框25固定在视窗安装孔23内，耐压钴玻璃26固定在钢制耐压外框25内；

窥镜采集系统能够采集试样7在轴向压力以及围压的作用下的连续变化图像，更直观的看到试样7的变化情况，同时还能通过耐压视窗24观察到试验腔体内的大致情况，可以在试验腔体外、耐压视窗24前设置摄像机采集试验腔体内的图像。

电荷采集系统包括设置在钢制耐压腔2的腔体本体15侧壁上的多个电荷探头安装孔27、电荷探头28和电极片29，每个电荷探头安装孔27内安装一个电荷探头28，每个电荷探头28连接一个电极片29，电极片29位于试样7和钢制耐压腔2内壁之间，电荷探头28与数据采集分析装置连接；

在轴向压力和围压的作用下，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29带电，电荷探头28采集与其连接的电极片29的电位变化情况并发送给数据采集分析装置，电极片29可以选择材质为镍钴合金的电极片29，为了防止电荷探头28与腔体本体15之间互相连通而影响电位变化，可以在腔体本体15与电荷探头28之间涂有高强度绝缘凝胶；优选地，在腔体本体15侧壁上设置四个电荷探头安装孔27，四个电荷探头安装孔27沿着腔体本体15的周向均匀分布，每个电荷探头安装孔27内均安装一个电荷探头28。

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22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，在轴向压力和围压的作用下，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，轴向引伸计和环向引伸计的信号线穿过信号线孔22与数据采集分析装置连接，信号线孔22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。

本实用新型中数据采集分析装置记录和存储试样7在轴向压力以及围压下，整个受载过程中产生的各向应变信号、声发射信号、电信号以及试样7的外观图像信号，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28的电荷信号、轴向引伸计和环向引伸计的信号、压力传感器10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。

本实用新型中的可视化煤岩力学行为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，并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，调节多个窥镜21的调节杆，使试样7在多个窥镜21的图像采集范围内，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、窥镜21的导线穿过密封法兰盘3的信号线孔22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18，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15和密封法兰盘3，开启轴向液压油缸9，使轴向液压油缸9向上运动，同时带动压力传感器10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9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，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16的排气阀20，排除试验腔体内多余的空气，施加围压至目标载荷后，随后将轴压挤压力施加至目标载荷，在此过程中，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、窥镜采集系统实时采集试样7的变化图像，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，卸去围压和轴向压力，开启举升油缸18带动钢制耐压腔2向上运动，取出试样7。

本实用新型中的可视化煤岩力学行为监测试验装置，通过对试样7持续稳定的施加围压和轴向压力，能够模拟开采过程中长期处在高地应力环境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、电信号以及试样7的外观图像信号，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、观测试样7的破坏过程，更有利于建立高地应力场对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。