用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置及方法

技术领域

本发明属于矿山岩体力学研究领域，具体涉及一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置及试验方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是一种在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出的现象。煤与瓦斯突出是煤矿井下生产中破坏性极大的一种自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产。当前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，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。尤其是符合真实采矿环境的动静态组合加卸载条件下含瓦斯煤体的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。因此，研制一种用于煤岩气固耦合动静加卸载试验装置具有重要意义。

目前，前人针对含瓦斯煤体变形破坏及吸附解吸特性的研究，已开展了大量的研究工作并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。包括可视化加载系统、恒容系统以及常压可视化气体体积测量系统。但该装置不能模拟实现煤岩体三维动静态组合加卸载条件下变形破坏实验，且存在装置体积较大试验不便，弧形玻璃观察拍照等图像容易变形等问题。

（2）申请号为201510055670.8的中国专利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，该发明设置可视化窗口通过高速相机对煤岩体轴向加卸载过程中变形破坏特征进行观测。该高速相机仅能在可见光范围内对试样已经发生的破裂信息进行采集观测，无法实现变形破坏前兆信息的采集，不能对煤岩破裂灾害做出预测预警。

另一方面红外热成像技术具有非接触、无损伤、实时性、费用低、效率高的优点，它可以通过远距离观测试件表面温度信号，实现对煤岩体破坏失稳的预测预报。许多专家学者陆续建立了室内热红外辐射观测试验系统，开展了大量对多种岩石以及煤等材料的变形红外辐射的试验，研究结果表明岩石在受力变形直至破坏过程中存在规律性的红外辐射效应，岩石在变形破坏时存在红外异常前兆。申请号为CN201810199495.3的中国专利公开了一种多场红外辐射观测装置及方法，但该装置仅能实现两向受力条件下煤岩红外辐射特性的研究，同时不能提供气固耦合的实验条件，进而无法实现煤与瓦斯突出机理的深入探究。

综上，目前缺乏运用红外观测手段对煤岩气固耦合动静加卸载条件下煤岩裂纹萌生、发展直至破坏前兆信息进行研究的试验装置及实验方法，无法实现煤与瓦斯突出机理和突出激发条件的深入探究。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置及方法。

为实现上述目的，提出一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，包括：箱体容器、顶板、空心钢管下落轨道、压板、多孔板、红外观测窗口、底座、气源钢瓶、减压阀、总阀门、三通管、吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器、阀门一、围压气体压力传感器、围压气体流量传感器、阀门二、电磁阀、数据采集与控制系统及落锤；

其中，所述箱体容器内部形成加载室，箱体容器顶部通过螺栓与顶板连接，且连接处设有O型密封圈，设置空心钢管下落轨道，穿过顶板中心进入箱体容器，且连接处设有O型密封圈内；所述空心钢管下落轨道顶部与伺服压力机压头连接，空心钢管下落轨道底部与压板上端通过螺纹连接，压板下方设置多孔板，多孔板与压板之间设有滤纸，压板内设有与多孔板相通的瓦斯进气口，压板下方对应设置用于固定试件的底座，箱体容器一侧设置红外观测窗口，另一侧设有出气口与抽真空孔，箱体容器底部设有与加载室相通的吸附解吸口与围压进气口，吸附解吸口与瓦斯进气口通过气管连通；

气源钢瓶与减压阀、总阀门、三通管依次连接；三通管第一端与阀门一、吸附解吸气体流量传感器、吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸口依次相连组成吸附解吸气路；三通管第二端与阀门二、围压气体流量传感器、围压气体压力传感器、围压进气口依次相连组成围压加载气路；出气口连接电磁阀组成围压卸载气路；

所述吸附解吸口一端连接吸附解吸气体压力传感器，另一端通过作为吸附解吸通道的气管与压板底部的瓦斯进气口连接；

所述的围压进气口一端连接围压气体压力传感器，另一端通过管路进入加载室；充围压时，通过对试件提供气体围压以模拟水平应力；卸围压时，数据采集与控制系统根据围压气体压力传感器的压力数据是否达到实验方案设定的目标值实现对电磁阀的智能控制，以实现不同卸载速度、卸载梯度下煤岩体变形破坏特征及红外辐射特性的研究；

所述空心钢管下落轨道开有长方形的观测口，观测口上刻有显示高度的刻度，空心钢管下落轨道内设置截止台，落锤由观测口放入空心钢管下落轨道内进行自由落体运动至截止台对伺服压力机压头施加轴向动态荷载，轴向静态载荷由伺服压力机提供。

其中，箱体容器整体均为低热导材料制成，内外涂有隔热漆。

其中，伺服压力机压头通过空心钢管下落轨道的顶部对试样施加载荷。

其中，红外观测窗口由内而外依次由红外玻璃、阶梯型密闭台组成；所述阶梯型密闭台内部涂有隔热漆，有利于锁住红外热量，减少气体流动对观测效果的影响。

其中，吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器、围压气体压力传感器、围压气体流量传感器、电磁阀通过导线与数据采集与控制系统连接，实现对吸附解吸压力、加载室围压压力的实时采集与监控及电磁阀的通断控制。

此外，本发明提供了一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验方法，采用如前述技术方案所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置分别进行三类实验：

第一类为探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验；第二类为探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验；第三类为探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验；

其中，所述探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括如下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2)将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门二，调节减压阀，经过围压加载气路向加载室内充围压气体直至加载室内围压气体压力传感器达到实验方案设置的目标值后，停止充围压；

5)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到设定的目标值；

6)利用数据采集与控制系统与电磁阀配合控制出气口的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；

7)红外热像仪全程记录三轴加卸载过程中试件表面温度变化及变形破坏特征；

8)按照设定的实验方案改变所提供的气体围压与轴向压力，重复多次步骤4)~7)，红外热像仪记录在不同气体围压、不同卸围压速度、不同轴向压力条件下试件表面的温度变化，并分析试件在不同三轴压力条件下的变形破坏特征，直至试验结束，取出试件；

所述探究含探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验包括如下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密封，保证气体从试件上方沿轴向方向经圆柱体试件向下吸附，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2)将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到实验方案设定的目标值；

5)待轴向压力稳定后，打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门一，调节减压阀，通过吸附解吸气路对煤样通入一定压力瓦斯气体，将落锤置于空心钢管下落轨道内，使落锤依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器数据不再发生变化时中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个吸附过程中试件表面温度变化；

6)关闭总阀门、阀门一、减压阀，打开出气口使试件解吸瓦斯，将落锤置于空心钢管下落轨道内，使落锤依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器数据不再发生变化时，中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个解附过程中试件温度变化；

7)改变落锤质量、冲击高度、次数及轴向压力，重复多次步骤4)～6)，直到所有变轴向压力和变动态载荷实验结束为止；

所述探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括以下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2) 将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门二，调节减压阀，经过围压加载气路向加载室内充围压气体直至加载室内围压气体压力传感器达到实验方案设置的目标值后，停止充围压；

5)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到实验方案设定的目标值；

6)将落锤置于空心钢管下落轨道内并依照实验方案使落锤从设定的高度处沿竖直方向做自由落体运动，完成对试件三轴加载条件下的冲击实验；

7)按照实验方案利用数据采集与控制系统与电磁阀配合控制出气口的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；

9)依照试验方案改变落锤质量、冲击高度、次数及所提供气体围压与轴向压力，重复多次步骤4)~8)，记录试件在不同压力条件下表面温度变化，分析试件在动静联合加载及不同卸围压条件下变形破坏特征，直至试验结束，取出试件。

与传统装置相比：（1）本装置及方法克服了传统试验装置只能在可见光条件下观测试件破裂过程，无法得到煤岩体失稳破坏的前兆规律的研究；（2）本发明成功克服了传统装置不能实现同时观测煤岩体在动静载荷条件下吸附解吸规律及温度变化规律的研究；（3）本装置及方法克服了传统试验装置试件受压过程多为两向受力而不是三向受力，且没有气体围压不能模拟真实的气固耦合实验条件，从而无法真实反映实际地应力条件下煤岩体破坏特征；（4）本发明采用电磁阀控制及红外观测相结合的方式实现了不同卸载梯度、卸载速度对瞬时卸荷煤岩体变形破坏特性及红外辐射规律的研究。

附图说明

图1是本发明煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置的结构示意图；

其中，1顶板，2O型密封圈，3螺栓，4压板，5多孔板，6瓦斯进气口，7加载室，8红外玻璃，9阶梯型密闭台，10 抽真空孔，11出气口，12电磁阀，13底座，14吸附解吸口，15围压进气口，16吸附解吸气体压力传感器，17吸附解吸气体流量传感器，18围压气体压力传感器，19围压气体流量传感器，201阀门一，202阀门二，21三通管，22总阀门，23减压阀，24气源钢瓶，25空心钢管下落轨道，26落锤，27观测口，28截止台，29数据采集与控制系统，30伺服压力机，31螺纹。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

参阅图1，本发明提供了一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，包括：

顶板1，O型密封圈2，螺栓3，压板4，多孔板5，瓦斯进气口6，加载室7，红外玻璃8，阶梯型密闭台9，抽真空孔10，出气口11，电磁阀12，底座13，吸附解吸口14，围压进气口15，吸附解吸气体压力传感器16，吸附解吸气体流量传感器17，围压气体压力传感器18，围压气体流量传感器19，阀门一201，阀门二202，三通管21，总阀门22，减压阀23，气源钢瓶24，空心钢管下落轨道25，落锤26，观测口27，截止台28，数据采集与控制系统29，伺服压力机30，螺纹31；

本发明装置主体为立方体型箱体容器，箱体容器上方设置倒阶梯形结构的顶板1，顶板1通过螺栓3与箱体容器连接，且连接处设有O型密封圈2，箱体容器内部密闭空间形成加载室7。设置空心钢管下落轨道25穿过顶板1中心进入到加载室7中，一侧红外玻璃8上下表面均粘贴圆环状石棉垫圈与玻璃一同安装在阶梯型密闭台9内组成红外可视化窗口，可将红外热像仪放置在阶梯型密闭台9上来实现试验过程的可视化观察。

空心钢管下落轨道25顶部与伺服压力机30压头连接，空心钢管下落轨道25底部与压板4上端通过螺纹31连接，压板4下方设置多孔板5，压板4内设有与多孔板6相通的瓦斯进气口，压板4下方对应设置用于固定试件的底座13，箱体容器一侧设置红外观测窗口，另一侧设有出气口11与抽真空孔10，箱体容器底部设有与加载室7相通的吸附解吸口14与围压进气口15，吸附解吸口14与瓦斯进气口15通过气管连通。

其中，立方体型箱体容器整体均为低热导材料制成，内外涂有隔热漆。

其中，空心钢管下落轨道25顶部与伺服压力机30压头连接，空心钢管下落轨道25底部与压板4上端固结，空心钢管下落轨道25与顶板1连接处设有O型密封圈2；多孔板5与压板4之间设有滤纸。

其中，红外观测窗口由内而外依次由红外玻璃8、阶梯型密闭台9组成；红外玻璃8、阶梯型密闭台9一起组成红外观测窗口的密闭空间，密闭空间内部设置漫反射处理。

气源钢瓶24与减压阀23、总阀门22、三通管21依次连接；三通管21第一端与阀门一201、吸附解吸气体流量传感器16、吸附解吸气体压力传感器17、吸附解吸口14依次相连组成吸附解吸气路；三通管21第二端与阀门二202、围压气体流量传感器18、围压气体压力传感器19、围压进气口15依次相连组成围压加载气路；三通管21出气口连接电磁阀12组成围压卸载气路；

吸附解吸口14一端连接吸附解吸气体压力传感器16，另一端通过作为吸附解吸通道的气管与压板4底部的瓦斯进气口6连接；

围压进气口15一端连接围压气体压力传感器18，另一端通过管路进入加载室7；充围压时，通过对试件提供气体围压以模拟水平应力；卸围压时，根据围压气体压力传感器的压力数据对电磁阀12进行通断控制，模拟不同卸载速度、卸载梯度下煤岩体变形破坏特征。

其中，吸附解吸气体压力传感器16、吸附解吸气体流量传感器17、围压气体压力传感器18、围压气体流量传感器19、电磁阀12通过导线与数据采集与控制系统29连接，实现对吸附解吸压力、加载室围压压力的实时采集与监控及电磁阀12的通断控制。

其中，动静态组合加载模块包括落锤26；空心钢管下落轨道25开有长方形的观测口27，观测口27上刻有显示高度的刻度，落锤26在空心钢管下落轨道25内进行自由落体给伺服压力机30压头施加轴向动态荷载，轴向静态载荷由伺服压力机30提供。

此外，本发明提供了一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验方法，采用如前述技术方案所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置分别进行三类实验：第一类为探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验；第二类为探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验；第三类为探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验；

其中，所述探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括如下步骤：

1）将煤岩块在实验室加工切割成直径50mm,高度100mm的“翼”型裂隙试件；

2)将试件置于加载室7的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机30上，启动伺服压力机30，使伺服压力机30压头下降，当多孔板5与试件上表面接触时停止下降；

3)将红外热像仪面向加载室7放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台9之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

4)由抽真空孔10对加载室7内抽真空；

5)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门22、阀门二202，调节减压阀23，经过围压加载气路向加载室7内充围压气体直至加载室7内围压气体压力传感器18达到实验方案设置的目标值后，停止充围压；经过围压加载气路向加载室7内充围压气体直至内围压气体压力传感器18达到10MPa后，停止充围压。

6)再次启动伺服压力机30，将试件轴向压力加载到60KN；

7)利用数据采集与控制系统29与电磁阀12配合控制出气口11的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；通过数据采集与控制系统29对电磁阀12控制，依次设定围压卸载时间为0.5s、0.4s...0.1s内卸载到6MPa完成瞬时卸围压。

8)红外热像仪全程记录三轴加卸载过程中试件上下表面与含裂隙处表面温度变化及裂隙处拓展变形破坏特征；

9) 改变所提供的气体围压（10MPa、8MPa、6MPa)、轴向压力(60KN、50KN...20KN)、围压卸载梯度（4MPa、6MPa、8MPa),重复多次步骤4)~7)，红外热像仪记录在不同气体围压、不同卸围压速度（梯度）、不同轴向压力条件下试件表面与含裂隙处表面温度变化及裂隙处拓展变形破坏特征，并分析试件在不同三轴压力条件下的变形破坏特征，直至试验结束，取出试件。

探究探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验包括如下步骤：

1）将煤岩块在实验室加工切割成直径50mm,高度100mm的试件；

2）将试件置于加载室7的底座13中，试件两端用橡胶圈进行固定密封，保证气体从试件上方沿轴向方向经圆柱体试件向下吸附，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机30上，启动伺服压力机30，使伺服压力机30压头下降，当多孔板5与试件上表面接触时停止下降；

3) 将红外热像仪面向加载室7放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台9之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

4)由抽真空孔10对加载室7内抽真空，待加载室7内围压气体压力传感器18达到目标值后，停止抽真空；

5)再次启动伺服压力机30，将试件轴向压力加载到40KN。

6)待轴向压力稳定后，打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门22、阀门一201，调节减压阀23，通过吸附解吸气路对煤样通入一定压力瓦斯气体，将落锤26置于空心钢管下落轨道25内，使落锤26依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器16、吸附解吸气体流量传感器17数据不再发生变化时中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个吸附过程中试件表面温度变化；

7)关闭总阀门22、阀门一201、减压阀23，打开出气口11使试件解吸瓦斯，将落锤26置于空心钢管下落轨道27内，使落锤26依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器16、吸附解吸气体流量传感器17数据不再发生变化时，中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个解附过程中试件温度变化；

8) 改变落锤26冲击高度（50cm、40cm、....10cm）、质量（1kg、4kg、....10kg）、次数及轴向压力（50KN、60KN、70KN)，重复多次步骤5)～7)，直到所有实验结束为止；

探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括以下步骤：

1）将煤岩块在实验室加工切割成直径50mm,高度100mm的试件；

2)将试件置于加载室7的底座13中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机30上，启动伺服压力机30，使伺服压力机30压头下降，当多孔板5与试件上表面接触时停止下降；

3) 将红外热像仪面向加载室7放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台9之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

4)由抽真空孔10对加载室7内抽真空，待加载室内7围压气体压力传感器18达到目标值后，停止抽真空；

5)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门22、阀门二202，调节减压阀23，经过围压加载气路向加载室7内充围压气体直至加载室7内围压气体压力传感器18达到10MPa后，停止充围压；

6)再次启动伺服压力机30，试件轴向压力加载到60KN；

7)依照实验方案将一定质量的落锤26置于空心钢管下落轨道25从某一高度沿竖直方向做自由落体运动，完成对试件三轴加载条件下的冲击实验；具体的，将质量为5kg的落锤26置于空心钢管下落轨道25同一高度沿竖直方向做自由落体运动并重复10次，完成对试件三轴加载条件下的冲击做功。

8)按照实验方案利用数据采集与控制系统29与电磁阀12配合控制出气口11的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；设定围压卸载时间为0.5s内卸载到6MPa完成瞬时卸围压；

9)通过红外可视化窗口，利用红外热像仪观察或录像，记录在动静联合加载及不同卸围压条件下的煤岩体温度演化规律；

10) 改变落锤26冲击高度（50cm、40cm、....10cm）、质量（1kg、4kg、....10kg）、次数及所提供气体围压（10MPa、8MPa、6MPa)与轴向压力(60KN、50KN...20KN)，重复多次步骤5)~9)，记录试件在不同压力条件下表面温度变化，分析试件在动静联合加载及不同卸围压条件下变形破坏特征，直至试验结束，取出试件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。