倾斜层状煤岩体力-声-光-波一体化测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种倾斜层状煤岩体破裂演化过程特征实验测试装置与方法，能够较好地实现煤矿井下采动过程中倾斜层状煤岩体破裂行为特征的宏细观一体化精确表征，属于实验岩石力学领域。

背景技术

地下煤层开采过程中，采场围岩体经历了从原岩应力、轴向应力升高而围压递减到卸载破坏的完整采动力学过程，在此过程中，层状组合煤岩体从受压转变为受拉状态，其内部结构面的力学性能改变导致采动卸荷条件下煤岩体力学行为与常规加载条件下力学特性差异显著。层状煤岩体作为一种特殊的沉积岩介质，其变形、强度及破坏特征作为深部煤矿动力灾害研究的重要内容近年来受到广泛关注。

岩石因受载荷而导致其内部微结构面产生、闭合及扩展，进而快速释放不同能量、不同频率的弹性波，对于岩石破裂过程的声发射特性，以往的研究大都是从参数分析的角度进行定性的描述岩石破坏特征，然而不同岩性表现出来的比较相似的参数特征给岩石破裂预测带来一定的困难。超声波是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损监测方法，由于超声波同时具有几何声学和物理声学的特性，在介质传播时能量损失小，穿透力强，对岩土体具有较高的分辨力，在岩土体介质中传播时携带了许多与岩土物理力学参数及微观结构裂隙变化相关的信息，近年来在岩土体测试领域具有出较强的优势和发展前景。

在开采扰动作用下层状煤岩体破裂监测与预警过程中，通过实时同步采集层状煤岩体受载过程中多源信号，进而分析超声波、声发射、裂隙扩展、应力应变数据，就能真实全面反映地下层状煤岩体内部裂纹萌生、拓展和破裂过程中的多物理场响应特征，但是不同应力环境、应力路径、煤岩体结构属性条件下层状煤岩体的动力破坏过程、多元物理场响应差异等，目前尚缺乏系统的探测、辨识、数理量化与监测预警分析。

发明内容

本发明目的在于提供一种倾斜层状煤岩体采动力学特性力-声-光-波一体化测试装置与方法，通过这种方法辨识和揭示开采扰动作用下倾斜层状煤岩体动力破坏过程中的多元信息响应特征，实现煤岩超声波、声发射、裂隙发育动态记录、应力-应变一体化同步监测系统，建立倾斜层状煤岩体破裂的多参量监测指标体系，为现场开采扰动作用下层状煤岩体动力灾害预警提供支撑。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明提供了一种倾斜层状煤岩体力-声-光-波一体化测试装置，包括：

电液伺服岩石力学加载系统Ⅰ，用于对倾斜层状煤岩体试件加载应力，并将层状煤岩体试样轴向载荷、位移和侧向位移信息传递至超声波测试系统Ⅱ和声发射测试系统Ⅲ；

超声波测试系统Ⅱ，用于采集入射波形和通过获取采集倾斜层状煤岩体试件的接收波形信号，提取计算倾斜层状煤岩体试件超声波形、波速、幅值、频率、频谱特征参数；

声发射测试系统Ⅲ，用于获取倾斜层状煤岩体试件的声发射信号波形、撞击数、能量和幅度参数；

煤岩体裂隙发育动态记录系统Ⅳ，用于实时全程监测倾斜层状煤岩体试件破裂过程中裂隙扩展方向、长度和宽度数据，并存储；

电液伺服岩石力学加载系统Ⅰ分别连接超声波测试系统Ⅱ和声发射测试系统Ⅲ，分别提取倾斜层状煤岩体试件受应力的变形超声波形信息和声发射信号，通过煤岩体裂隙发育动态记录系统Ⅳ采集存储，实现倾斜层状煤岩体采动力学特性力-声-光-波一体化测试。

优选的，电液伺服岩石力学加载系统Ⅰ包括一个带有上、下压头的加载机架，还包括连接下压头的动力油源；上、下压头分别加载在倾斜层状煤岩体试件上，倾斜层状煤岩体试件中设有应力传感器；倾斜层状煤岩体试件连接到声发射测试系统Ⅲ，上、下压头连接到超声波测试系统Ⅱ，应力传感器、上下压头和动力油源分别连接到控制器。

优选的，上、下压头分别通过上、下承压换能器密封压头加载在倾斜层状煤岩体试件上。

优选的，应力传感器包括加载应力传感器、垂向引伸计和侧向引伸计，加载应力传感器、垂向引伸计和侧向引伸计分别通过加载系统底座转接口连接到声发射测试系统Ⅲ。

优选的，声发射测试系统Ⅲ包括依次与加载系统底座转接口连接的声发射传感器、声发射放大器、声发射采集卡和声发射测试仪。

优选的，超声波测试系统Ⅱ包括高频高压放大器、分别与高频高压放大器连接的波形发生器和示波器，示波器连接有超声波数据采集及后处理模块Ⅱ。

优选的，煤岩体裂隙发育动态记录系统Ⅳ包括高速摄像机和高亮度光源，和一个连接高速摄像机的后处理模块Ⅰ，高速摄像机和高亮度光源出射光束正对待测试倾斜层状煤岩体试件。

相应地，本发明还提供了一种所述装置的倾斜层状煤岩体力-声-光-波一体化测试方法，包括：

1)通过电液伺服实验岩石力学加载系统控制终端设置1kN加载压力，上、下压头夹紧倾斜层状煤岩体试件；

2)开启应力、轴向应变和环向应变过载保护，电液伺服实验岩石力学加载系统自检10秒后启动加载程序；

电液伺服岩石力学实验系统I记录加卸载过程中煤岩体试样轴向载荷、轴向位移、侧向位移数据；超声波测试系统II采集煤岩体试样位移波形信号；声发射测试系统III记录煤岩体试样位移声发射信号波形和事件、撞击数、能量、幅度参数；煤岩体裂隙发育动态记录系统IV实时监测煤岩体破裂全过程中裂隙扩展方向、长度、宽度；

3)加载倾斜层状煤岩体试件达到屈服极限后出现明显宏观贯通裂隙，不足以形成稳定形态时，完成测试；停止加载；

4)取其他同类倾斜层状煤岩体试件，通过电液伺服岩石力学实验系统I计算机控制终端改变不同加卸载路径以及加载速率，重复步骤2)～3)；

5)统计各个类倾斜层状煤岩体试件测试数据，综合分析处理，探究倾斜层状煤岩体加卸载破裂过程中多类型、多维度、多尺度、多时段等宏细观非线性演化规律。

优选的，电液伺服岩石力学加载系统最大载荷峰值为4600kN。

优选的，倾斜层状煤岩体试件倾斜角度为0°～90°。

本发明实验装置具有以下优点：

1)本实验装置结构简单、设计合理、适用性强，能够实现单轴压缩、等值循环加卸载、分级加卸载等不同路径下层状煤岩体应力、超声波、声发射、宏观裂隙扩展一体化监测，实时采集、存储层状煤岩体破裂过程中的多参量前兆信息；

2)本实验装置采用更高精度压力、应变、超声波、声发射传感器，同时实现了高清晰动态成像技术，实验测试精度更高，实验结果更可靠；

3)本实验方法可实现在不同受力状态下试件的加卸载，通过对电液伺服岩石力学加载系统、超声波测试系统、声发射测试系统和煤岩体裂隙发育动态记录系统单一源监测数据进行分析处理的基础上，探索宏观变形能与应力降、声发射/微震能量之间的转化关系，超声波波形速度、频谱与声发射能率、事件数之间的相关关系，实现层状煤岩体加卸载过程中多类型、多维度、多尺度、多时段等宏细观非线性特征精确描述，有助于建立煤矿井下煤岩体动力灾害预测多源前兆信息预警方法。

本发明设计合理，可操作性强，可考虑各种煤矿井下层状煤岩体加卸载应力路径，准确、科学便捷、有效地实现倾斜层状煤岩体采动力学特性力-声-光-波一体化监测。

附图说明

图1为本发明的实验系统组成示意图；

图2为本发明的超声波信号参数提取示意图。

图中：I电液伺服岩石力学实验系统；II超声波测试系统；III声发射测试系统；IV煤岩体裂隙发育动态记录系统。

1.倾斜层状煤岩体试件；2.加载机架；3.动力油源；4.上压头；5.下压头；6.垂向引伸计；7.侧向引伸计；8.电液伺服岩石力学实验系统控制器；9.波形发生器；10.高频高压放大器；11.示波器；12.后处理模块II；13.上承压换能器密封压头；14.下承压换能器密封压头；15.声发射采集卡；16.声发射放大器；17.声发射传感器；18.声发射测试仪；19.高速摄像机；20.高亮度光源；21.后处理模块I。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的倾斜层状煤岩体采动力学特性力-声-光-波一体化测试装置包括：电液伺服岩石力学实验系统I、超声波测试系统II，声发射测试系统III和煤岩体裂隙发育动态记录系统IV。电液伺服岩石力学加载系统Ⅰ，用于对倾斜层状煤岩体试件加载应力，并将层状煤岩体试样轴向载荷、位移和侧向位移信息传递至超声波测试系统Ⅱ和声发射测试系统Ⅲ；超声波测试系统Ⅱ，用于采集入射波形和通过获取采集倾斜层状煤岩体试件的接收波形信号，提取计算倾斜层状煤岩体试件超声波形、波速、幅值、频率、频谱特征参数；声发射测试系统Ⅲ，用于获取倾斜层状煤岩体试件1的声发射信号波形、撞击数、能量和幅度参数；煤岩体裂隙发育动态记录系统Ⅳ，用于实时全程监测倾斜层状煤岩体试件1破裂过程中裂隙扩展方向、长度和宽度数据，并存储。

电液伺服岩石力学加载系统Ⅰ分别连接超声波测试系统Ⅱ和声发射测试系统Ⅲ，分别提取倾斜层状煤岩体试件受应力的变形超声波形信息和声发射信号，通过煤岩体裂隙发育动态记录系统Ⅳ采集存储，实现倾斜层状煤岩体采动力学特性力-声-光-波一体化测试。

其中，电液伺服岩石力学加载系统I包括加载机架2、动力油源3、上、下压头4、5和控制器8，将倾斜层状煤岩体试件1置于加载机架2的上、下压头4、5之间，上、下压头4、5分别通过上、下承压换能器密封压头13、14加载在倾斜层状煤岩体试件1上。倾斜层状煤岩体试件1中设有加载应力传感器、垂向引伸计6和侧向引伸计7，加载应力传感器、垂向引伸计6和侧向引伸计7分别通过加载系统底座转接口连接到声发射测试系统Ⅲ。上、下压头4、5内侧的上、下承压换能器密封压头13、14分别连接到超声波测试系统Ⅱ，应力传感器、上下压头4、5和动力油源3分别连接到控制器8。加载机架2与电液伺服岩石力学实验系统控制器8连接并接地保护，轴向引伸计6、侧向引伸计7分别通过加载系统底座转接口连接到控制器8，加载应力和模式、数据采集由控制器8控制，通过控制器8可输出直线、正弦波、三角波、方波等加卸载波形；电液伺服岩石力学加载系统I实时采集载荷、轴向位移、侧向位移数据，根据岩石力学理论分析确定试样加卸载过程中应力-应变特征。

电液伺服岩石力学加载系统最大载荷峰值4600kN，可实现单轴压缩、等值循环加卸载、分级加卸载等不同路径，通过控制器可输出直线、正弦波、三角波、方波等加卸载波形，并实时采集载荷、轴向位移、侧向位移数据，根据岩石力学理论分析确定试样加卸载过程中应力-应变特征；伺服阀灵敏度290Hz，数据采集频率5kHz；应变率范围10

声发射测试系统Ⅲ包括依次与加载系统底座转接口连接的声发射传感器17、声发射放大器16、声发射采集卡15和声发射测试仪18；声发射传感器通过同轴电缆、放大器与声发射采集卡连接，采集卡再与存储显示、后处理分析模块计算机连接，实时显示波形、参数表、相关图及定位图形。

将声发射传感器17用橡皮圈固定于倾斜层状煤岩体试件1侧面，声发射传感器17通过同轴电缆、放大器16与声发射采集卡15连接，声发射采集卡15与声发射测试仪18连接；采集软件可实现实时波形、参数表、相关图及定位图形显示，后处理模块采用FFT、小波等现代波形分析方法进行波形信号特征提取，采用人工神经网络等技术进行波形信号模式识别。

声发射测试系统采集卡安装在专用的独立主机箱中，通过USB接口连接到计算机，最大可实现30MB/s连续数据传输速率，采集软件可实现实时波形、参数表、相关图及定位图形显示，后处理软件采用FFT、小波等现代波形分析方法进行波形信号特征提取，采用人工神经网络等技术进行波形信号模式识别；声发射测试系统可实时采集、分析和显示声发射信号波形和事件、撞击数、能量、幅度等参数提取，所以可充分满足实验室层状煤岩体试样声发射测试应用要求。声发射传感器响应频率频率范围60kHz～400kHz，谐振频率150kHz，尺寸Φ19mm*15mm。

超声波测试系统Ⅱ包括波形发生器9(KEYSIGHT 33500B Series)、高频高压放大器10(ELECTRONICS A400DI)、示波器11(KEYSIGHT DSOS054A)、上下承压换能器密封压头13、14和超声波数据采集及后处理模块Ⅱ12；将上承压换能器13置于试件1上端面，下承压换能器14置于试件1下端面，上承压换能器13与下承压换能器14与高频高压放大器10连接，高频高压放大器10与波形信号发生器9连接，高频高压放大器10与示波器11连接，示波器11与超声波数据采集及后处理模块II12连接。超声波发射、接收信号由示波器11实时显示，根据发射、接收超声波形信号(衰减系数、频率、相位等)差异，精确描述层状煤岩体试样加卸载过程中内部层状裂隙发育、各向异性、弹塑性特征，综合评价层状煤岩体受力变形状态。超声波发射、接收信号由示波器实时显示。

如图2所示，超声波测试系统中的波形发生器的带宽0Hz～100kHz，频率10MHz，其中内置LAN、USB和GPIB接口便捷地通过计算机控制把波形传输到上下承压换能器密封压头上；高频高压放大器的频宽为：DC～1MHz(100Vpp)，电压波形信号放大20倍；示波器带宽500MHz，最大采样速率20GSa/s；承压换能器频率0～700kHz，可满足常规混凝土、岩石、煤岩体破裂过程发生的纵波波形、波速、幅值、频率、频谱信号的采集，根据发射、接收超声波形信号(衰减系数、频率、相位等)差异，精确描述层状煤岩体试样加卸载过程中内部层状裂隙发育、各向异性、弹塑性特征，综合评价层状煤岩体受力变形状态；承压峰值50MPa，直径50mm，高55mm。

煤岩体裂隙发育动态记录系统IV包括高速摄像机19(VE0710L)、控制软件、高亮度光源20、煤岩体裂隙发育动态记录系统后处理模块Ⅰ21(TEMA2D)、高清输出线缆等；高速摄像机19和高亮度光源20出射光束正对待测试倾斜层状煤岩体试件1。高速摄像机19与煤岩体裂隙发育动态记录系统后处理模块Ⅰ21连接；煤岩体裂隙发育动态记录系统后处理模块Ⅰ21根据四象限标记点算法，实现试样标志点位置的实时动态跟踪与计量分析，可在高亮度光源指示下，实现对层状煤岩体裂隙扩展方向、长度、宽度等数据实时全程高精度监测及测量，通过图像处理软件对层状煤岩体破裂模式进行精确描述。

煤岩体裂隙发育动态记录系统像素数1024000，1us曝光时间，最高拍摄速率60万帧/秒，最高拍摄速率600000fps，72G内存；可在高亮度光源指示下，实现对层状煤岩体裂隙扩展方向、长度、宽度等数据实时全程高精度监测及测量，通过图像处理软件对层状煤岩体破裂模式进行精确描述。

倾斜层状煤岩体试件规格为：圆柱体试样Φ50mm*100mm、立方体试样70mm*70mm*70mm、大尺寸试样2000mm*500mm*500mm等，倾斜层状煤岩体角度0°～90°。

通过对电液伺服岩石力学加载系统I、超声波测试系统II、声发射测试系统III和煤岩体裂隙发育动态记录系统IV单一源监测数据进行分析处理的基础上，探索宏观变形能与应力降、声发射/微震能量之间的转化关系，超声波波形速度、频谱与声发射能率、事件数之间的相关关系，实现层状煤岩体加卸载过程中多类型、多维度、多尺度、多时段等宏细观非线性特征精确描述，有助于建立煤矿井下煤岩体动力灾害预测多源前兆信息预警方法。

本发明的实验方法包括以下步骤：

1)按上述要求连接好实验装置各个测试系统；

2)将预制层状倾斜层状煤岩体试件1置于电液伺服实验加载系统I机架中上、下承压换能器密封压头13、14之间，将声发射传感器17探头用橡皮圈固定于层状倾斜层状煤岩体试件侧面下端头处，上、下承压换能器13、14、声发射传感器17探头与层状倾斜层状煤岩试件1接触处均涂抹耦合剂；

3)通过电液伺服实验岩石力学加载系统控制器8设置1kN加载压力夹紧试件1，待层状倾斜层状煤岩试件1夹紧后将轴向、侧向引伸计6、7固定于层状倾斜层状煤岩试件1中部，关闭压力室保护门；

4)开启应力、轴向应变和环向应变过载保护，电液伺服实验岩石力学加载系统I自检10秒；

5)同时启动电液伺服岩石力学实验系统I、超声波测试系统II、声发射测试系统III和煤岩体裂隙发育动态记录系统IV；

6)电液伺服岩石力学实验系统I记录加卸载过程中层状煤岩体试样1轴向载荷、轴向位移、侧向位移数据；超声波测试系统II产生高压脉冲波形信号，同时采集入射波形及通过试样后接收波形信号，提取计算超声波形纵波波形、波速、幅值、频率、频谱等特征参数；声发射测试系统Ⅲ记录声发射信号波形和事件、撞击数、能量、幅度等参数；煤岩体裂隙发育动态记录系统IV实时全程高精度监测煤岩体破裂全过程中裂隙扩展方向、长度、宽度等数据，并存储视频文件；

7)加载层状倾斜层状煤岩体试件1达到屈服极限后出现明显宏观贯通裂隙以至于不足以形成稳定形态时，完成测试实验；停止加载并撤去电液伺服岩石力学实验系统I施加载荷，同时结束超声波测试系统II、声发射测试系统III和煤岩体裂隙发育动态记录系统IV记录工作；

8)取其他同类层状倾斜层状煤岩体试件，通过电液伺服岩石力学实验系统控制器8改变不同加卸载路径以及加载速率，重复2)～7)步骤，共取10-12个层状倾斜层状煤岩体试件进行实验，保存数据；

9)收集各个测试系统数据，综合分析处理，探究倾斜层状煤岩体加卸载破裂过程中多类型、多维度、多尺度、多时段等宏细观非线性演化规律。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。