一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法与流程

1.本发明涉及含瓦斯煤层力学特性研究领域，尤其涉及一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法。


背景技术：

2.随着高速公路建设的发展，穿越煤系地层的公路隧道越来越多，煤系地层通常富含瓦斯，当隧道穿越煤系地层时，此时地层中存在瓦斯气体会向隧道开挖空间涌出，导致隧道作业空间内含有瓦斯气体，形成瓦斯隧道。由于煤质岩层作为围岩的条件太差，煤系地层软弱围岩工程地质条件十分复杂，在隧道开挖时，随时可能出现围岩大变形以及隧道塌方的情况。同时，瓦斯隧道的施工具有较大的施工风险，存在因瓦斯引起的瓦斯爆炸、人员中毒窒息、煤与瓦斯突出等特异性灾害，造成大量的人员伤亡和财产损失，增加隧道建设费用，延误隧道的建设工期，同时还可能形成恶劣的社会影响，事故发生后果严重。国内外曾多次发生过因隧道施工管理不善而导致的重大安全事故。为保证瓦斯隧道的施工安全，穿越煤层隧道施工过程中，常需通过大量的数值模拟方法或理论计算手段，开展穿越煤系地层隧道围岩稳定性分析和揭煤防突技术研究，优化隧道支护设计与开挖方案，判断瓦斯抽放钻孔的稳定性。此时，需要知道含瓦斯煤层的剪切力学特性及抗剪强度参数指标(粘聚力和内摩擦角)。
3.富含瓦斯的煤层力学特性十分复杂，瓦斯在煤层中流动受吸附解吸、瓦斯压力、地层应力、地下水和温度等多因素影响，一方面煤层因瓦斯解吸引起煤基质收缩变形渗透能力提高，另一方面因瓦斯压力降低而有效应力增加，煤体压缩变形又致使渗透能力降低，煤岩体和瓦斯之间表现为强烈的动态气固耦合关系。因此，地应力、瓦斯压力、煤层渗透性对含瓦斯煤层剪切力学特性的影响十分关键。土工直剪切试验是确定岩土类材料剪切力学特性及抗剪切强度指标的最直接常用方法，但是目前的土工试验直剪试验仪无法对煤层中瓦斯压力及瓦斯渗流对其剪切力学特性影响研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服背景技术所指出的技术问题，提供一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置及方法，通过多孔型垫层接收来自瓦斯进气瓶中的瓦斯气体，并实现对煤样瓦斯压力试验模拟，通过真空泵对煤样进行抽气处理以模拟瓦斯渗流，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体输入氮气并模拟煤样的法向压力，通过千斤顶作用下剪切盒并实现煤样的剪切作业，然后就能分别实现不同情况下煤样的抗剪强度参数测试研究。
5.本发明的目的通过下述技术方案实现：
6.一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，包括由上剪切盒与下剪切盒构成的剪切组合盒，上剪切盒顶部与底部均开口，上剪切盒的上剪切腔与下剪切盒的下剪切腔组成煤样组合腔。本发明还包括固定钢支架、瓦斯进气瓶、千斤顶及千斤顶驱动控制器，所述上剪切盒与固定钢支架连接固定，所述千斤顶具有千斤顶伸缩臂，下剪切盒外侧壁设
有与千斤顶伸缩臂端部对应接触的下剪切盒顶推点，所述千斤顶驱动控制器控制千斤顶进行顶推剪切作业；所述上剪切盒的上剪切腔顶部设有多孔型垫层及密封覆盖多孔型垫层顶部的橡胶膜，上剪切盒顶部连接有与多孔型垫层相连通的瓦斯进气导管，瓦斯进气瓶出口与瓦斯进气导管通过柔性橡胶输气管d密闭连通，瓦斯进气瓶出口处设置有气体控制球阀a，柔性橡胶输气管d上还安装有气体压力表a。
7.为了更好地实现本发明，本发明还包括剪切盒钢支座，剪切盒钢支座顶部固定有钢底板，所述剪切组合盒放置于钢底板上，钢底板顶部固定有千斤顶钢支座，所述千斤顶可拆卸式固定于千斤顶钢支座顶部；所述下剪切盒底部与钢底板之间设有钢珠辅助移动层，钢珠辅助移动层由若干个钢珠组成。
8.优选地，本发明还包括真空泵，所述下剪切盒底部连通设有下排气钢导管，所述真空泵进口与下排气钢导管之间通过柔性橡胶输气管组密闭连通。
9.优选地，本发明还包括轴向压力腔体，轴向压力腔体具有轴向压力腔室，轴向压力腔体与上剪切盒上下重叠，且轴向压力腔体底部完全包裹密封住橡胶膜、多孔型垫层。
10.优选地，本发明还包括氮气供气瓶，所述轴向压力腔体顶部连通设有进气钢导管，氮气供气瓶出口与进气钢导管之间通过柔性橡胶输气管a密闭连通。
11.优选地，所述柔性橡胶输气管a靠近氮气供气瓶出口位置处安装有气体控制球阀b，所述柔性橡胶输气管a靠近进气钢导管位置处安装有气体压力表b。
12.优选地，所述轴向压力腔体顶部连接有钢顶盖，所述钢顶盖与钢底板之间可拆卸式连接有左钢化玻璃挡板和右钢化玻璃挡板，所述左钢化玻璃挡板和右钢化玻璃挡板共同组合成玻璃挡板组合件，玻璃挡板组合件形成一个密闭容纳腔体。
13.优选地，所述柔性橡胶输气管组包括柔性橡胶输气管b、左排气导管和柔性橡胶输气管c，左排气导管贯穿安装于左钢化玻璃挡板上，所述柔性橡胶输气管b连接于真空泵与左排气导管之间，所述柔性橡胶输气管c连接于真空泵、下排气钢导管之间；所述柔性橡胶输气管b上安装有气体控制球阀c和气体压力表c。
14.优选地，所述千斤顶驱动控制器与千斤顶通过导线连接，所述导线穿过右钢化玻璃挡板，右钢化玻璃挡板上设有保护导线的橡胶导管和钢导管。
15.一种利用权利要求8所述的测量装置的测量方法，其方法包括：
16.a、煤层瓦斯压力作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀a，通过瓦斯进气瓶向多孔型垫层输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层均衡对煤样压力；观察柔性橡胶输气管d上的气体压力表a，直到气体压力表a显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f1且稳定保持时间h1；启动千斤顶驱动控制器，向千斤顶驱动控制器控制千斤顶逐步提升顶推力并推动下剪切盒剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据；
17.b、煤层瓦斯压力、瓦斯渗流作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀a，通过瓦斯进气瓶向多孔型垫层输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层均衡对煤样压力，同时启动真空泵并对煤样组合腔进行抽气处理，煤样中产生上下瓦斯渗流；观察柔性橡胶输气管d上的气体压力表a，直到气体压力表a显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f2且
稳定保持时间h2；启动千斤顶驱动控制器，向千斤顶驱动控制器控制千斤顶逐步提升顶推力并推动下剪切盒剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据；
18.c、煤层法向压力下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀b，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体的轴向压力腔室输入氮气，氮气在轴向压力腔室中均衡地给多孔型垫层压力并传递至煤样顶部；观察气体压力表b，直到气体压力表b显示氮气压力达到氮气压力设定值f3且稳定保持时间h3；启动千斤顶驱动控制器，向千斤顶驱动控制器控制千斤顶逐步提升顶推力并推动下剪切盒剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
19.本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
20.(1)本发明通过多孔型垫层接收来自瓦斯进气瓶中的瓦斯气体，并实现对煤样瓦斯压力试验模拟，通过真空泵对煤样进行抽气处理以模拟瓦斯渗流，通过氮气供气瓶向轴向压力腔体输入氮气并模拟煤样的法向压力，通过千斤顶作用下剪切盒并实现煤样的剪切作业，然后就能分别实现不同情况下煤样的抗剪强度参数测试研究。
21.(2)本发明通过左右钢化玻璃挡板构成密封罩以保持剪切试验过程中不漏气，通过供气与抽气作业在煤层试验中形成瓦斯渗流，并向煤层施加瓦斯压力，从而可以实现煤岩剪切-瓦斯渗流耦合特征的真实模拟，可以研究瓦斯压力、煤层渗透性对含瓦斯煤层剪切力学特性，可以进一步为煤样稳定性等研究提供基础数据。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为图1中a处的局部放大示意图。
24.其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
25.1—氮气供气瓶，2—柔性橡胶输气管a，3—地面，4—固定钢支架，5—真空泵，6—柔性橡胶输气管b，7—左钢化玻璃挡板，8—左排气导管，9—柔性橡胶输气管c，10—轴向压力腔体，11—进气钢导管，12—钢顶盖，13—橡胶膜，14—多孔型垫层，15—上剪切盒，16—下剪切盒，17—煤样，18—右钢化玻璃挡板，19—千斤顶钢支座，20—千斤顶驱动控制导线，21—剪切盒钢支座；22—柔性橡胶输气管d，23—千斤顶驱动控制器，24—瓦斯进气瓶，25—瓦斯进气导管，26—钢珠，27—下排气钢导管，28—钢底板，29—密封螺栓，30—千斤顶，31—橡胶导管，32—下剪切盒顶推点，33—千斤顶伸缩臂，34—钢导管，35—气体控制球阀a，351—气体控制球阀b，36—气体压力表a,361—气体压力表b。
具体实施方式
26.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
27.实施例
28.如图1、图2所示，一种瓦斯渗流及压力下煤层抗剪强度的测量装置，包括由上剪切盒15与下剪切盒16构成的剪切组合盒，上剪切盒15顶部与底部均开口，上剪切盒15的上剪切腔与下剪切盒16的下剪切腔组成煤样组合腔。本发明还包括固定钢支架4、瓦斯进气瓶
24、千斤顶30及千斤顶驱动控制器23，上剪切盒15与固定钢支架4连接固定，千斤顶30具有千斤顶伸缩臂33，下剪切盒16外侧壁设有与千斤顶伸缩臂33端部对应接触的下剪切盒顶推点32，千斤顶驱动控制器23用于设定千斤顶的控制参数及控制千斤顶30按照控制参数进行顶推剪切作业，控制参数包括顶推压力控制(比如设定的顶推压力逐步提升控制、顶推压力设定值)及监测(千斤顶驱动控制器23进行千斤顶30的顶推压力控制并记录顶推压力)、顶推速度(在进行剪切时，千斤顶30控制千斤顶伸缩臂33运动的速度)、顶推距离控制(设定顶推极限距离)及监测(千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30的千斤顶伸缩臂33伸出运动并对煤样17进行剪切作业，在达到煤样17的剪切压力时，超过剪切压力持续顶推，千斤顶伸缩臂33会实现对煤样17的剪切作业，同时监测千斤顶伸缩臂33的移动距离，实现对煤样17的剪切位移进行监测，当然也可以在下剪切盒16上设置位移传感器，实现剪切位移的监测)。上剪切盒15的上剪切腔顶部设有多孔型垫层14及密封覆盖多孔型垫层14顶部的橡胶膜13，上剪切盒15顶部连接有与多孔型垫层14相连通的瓦斯进气导管25，瓦斯进气瓶24出口与瓦斯进气导管25通过柔性橡胶输气管d22密闭连通，瓦斯进气瓶24出口处设置有气体控制球阀a35，柔性橡胶输气管d22上还安装有气体压力表a36。
29.在一些实施例中，本发明还包括剪切盒钢支座21，剪切盒钢支座21放置于地面3上，剪切盒钢支座21顶部固定有钢底板28，剪切组合盒放置于钢底板28上，钢底板28顶部固定有千斤顶钢支座19，千斤顶30可拆卸式固定于千斤顶钢支座19顶部。下剪切盒16底部与钢底板28之间设有钢珠辅助移动层，钢珠辅助移动层由若干个钢珠26组成。
30.在一些实施例中，本发明还包括真空泵5，下剪切盒16底部连通设有下排气钢导管27，真空泵5进口与下排气钢导管27之间通过柔性橡胶输气管组密闭连通。
31.在一些实施例中，本发明还包括轴向压力腔体10，轴向压力腔体10具有轴向压力腔室，轴向压力腔体10与上剪切盒15上下重叠，且轴向压力腔体10底部完全包裹密封住橡胶膜13、多孔型垫层14。
32.在一些实施例中，本发明还包括氮气供气瓶1，轴向压力腔体10顶部连通设有进气钢导管11，氮气供气瓶1出口与进气钢导管11之间通过柔性橡胶输气管a2密闭连通。
33.在一些实施例中，柔性橡胶输气管a2靠近氮气供气瓶1出口位置处安装有气体控制球阀b351，柔性橡胶输气管a2靠近进气钢导管11位置处安装有气体压力表b361。
34.在一些实施例中，轴向压力腔体10顶部连接有钢顶盖12，钢顶盖12与钢底板28之间可拆卸式连接有左钢化玻璃挡板7和右钢化玻璃挡板18(如图1所示，左钢化玻璃挡板7顶部、右钢化玻璃挡板18顶部通过密封螺栓29与钢顶盖12螺纹可拆卸式连接，左钢化玻璃挡板7底部、右钢化玻璃挡板18底部通过密封螺栓29与钢底板28螺纹可拆卸式连接)，左钢化玻璃挡板7和右钢化玻璃挡板18共同组合成玻璃挡板组合件，玻璃挡板组合件就相当于一个密封罩体，有效保证试验过程中的瓦斯不会泄漏，玻璃挡板组合件形成一个密闭容纳腔体。
35.在一些实施例中，柔性橡胶输气管组包括柔性橡胶输气管b6、左排气导管8和柔性橡胶输气管c9，左排气导管8贯穿安装于左钢化玻璃挡板7上，柔性橡胶输气管b6连接于真空泵5与左排气导管8之间，柔性橡胶输气管c9连接于真空泵5、下排气钢导管27之间。柔性橡胶输气管b6上安装有气体控制球阀c和气体压力表c。
36.在一些实施例中，千斤顶驱动控制器23与千斤顶30通过导线(即图1中所示的千斤
顶驱动控制导线20)连接，导线穿过右钢化玻璃挡板18，右钢化玻璃挡板18上设有保护导线的橡胶导管31和钢导管34。
37.一种利用权利要求8的测量装置的测量方法，其方法包括：
38.a、煤层瓦斯压力作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样17放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀a35，通过瓦斯进气瓶24向多孔型垫层14输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层14均衡对煤样压力。观察柔性橡胶输气管d22上的气体压力表a36，直到气体压力表a36显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f1且稳定保持时间h1。启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样17移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
39.b、煤层瓦斯压力、瓦斯渗流作用下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样17放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀a35，通过瓦斯进气瓶24向多孔型垫层14输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层14均衡对煤样压力，同时启动真空泵5并对煤样组合腔进行抽气处理，煤样17中产生上下瓦斯渗流。观察柔性橡胶输气管d22上的气体压力表a36，直到气体压力表a36显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f2且稳定保持时间h2。启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样17移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
40.c、煤层法向压力下的煤样抗剪强度测量：将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样17放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀b351，通过氮气供气瓶1向轴向压力腔体10的轴向压力腔室输入氮气，氮气在轴向压力腔室中均衡地给多孔型垫层14压力并传递至煤样17顶部。观察气体压力表b361，直到气体压力表b361显示氮气压力达到氮气压力设定值f3且稳定保持时间h3。启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样17移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
41.方法a是通过本发明测量装置进行煤样17单独在瓦斯压力作用下的抗剪强度测试及测量，方法b是通过本发明测量装置进行煤样17在瓦斯压力、瓦斯渗流共同作用下的抗剪强度测试及测量，方法c是通过本发明测量装置进行煤样17单独在法向压力作用下的抗剪强度测试及测量。本发明还可以对方法a、方法b、方法c进行组合测试，比如将方法c叠加到方法a中，具体方法如下：
42.将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样17放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀b351，通过氮气供气瓶1向轴向压力腔体10的轴向压力腔室输入氮气，氮气在轴向压力腔室中均衡地给多孔型垫层14压力并传递至煤样17顶部。同时打开气体控制球阀a35，通过瓦斯进气瓶24向多孔型垫层14输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层14均衡对煤样压力。观察柔性橡胶输气管d22上的气体压力表a36，直到气体压力表a36显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f4且稳定保持时间h4。启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样17移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录
顶推力与顶推位移对应数据。
43.或者将方法c叠加到方法b中，具体方法如下：
44.将采集的煤样制成与煤样组合腔相配合的煤样，将煤样17放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，打开气体控制球阀b351，通过氮气供气瓶1向轴向压力腔体10的轴向压力腔室输入氮气，氮气在轴向压力腔室中均衡地给多孔型垫层14压力并传递至煤样17顶部。同时打开气体控制球阀a35，通过瓦斯进气瓶24向多孔型垫层14输入瓦斯气体，瓦斯气体经过多孔型垫层14均衡对煤样压力；同时启动真空泵5并对煤样组合腔进行抽气处理，煤样17中产生上下瓦斯渗流。观察柔性橡胶输气管d22上的气体压力表a36，直到气体压力表a36显示瓦斯气体压力达到瓦斯压力设定值f5且稳定保持时间h5。启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动煤样17移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
45.除此之外，本发明可以直接采样含瓦斯煤样进行实际瓦斯煤样的剪切强度测试，方法如下：
46.将含瓦斯煤样放置于剪切组合盒的煤样组合腔中，启动千斤顶驱动控制器23，向千斤顶驱动控制器23控制千斤顶30逐步提升顶推力并推动下剪切盒16剪切运动，并监测得到开始顶推移动含瓦斯煤样移动的顶推力数据，然后控制千斤顶30保持顶推，并记录顶推力与顶推位移对应数据。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。