动静荷载-酸性水耦合破碎煤岩体力学测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种酸性矿井水侵蚀作用下破碎煤岩体力学强度劣化规律的测试装置及其试验方法，具体涉及一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置及方法，属于煤岩破碎测试领域。

背景技术

我国是一个富煤贫油少气的国家，煤炭资源在我国能源结构中占有举足轻重的地位。近年来，随着我国经济建设的快速发展，采煤技术的不断创新，我国煤炭产量快速增长，导致煤炭储采比大幅下降。煤炭资源作为一种不可再生能源，一种战略能源，煤炭资源的可持续开采一直是重点研究内容。早期由于历史原因和开采技术所限，导致我国现有大量的优质遗留煤炭资源，将这部分优质遗煤安全高效的开采出来，可以很大程度上保证我国煤炭资源的产量并有利于我国能源供给安全。

在我国，富水矿井占有很大比例，老采空区积水现象极为普遍，其为本煤层、邻近上下优质煤层的安全复采造成巨大安全隐患。煤层开采后，顶板破碎煤岩体垮塌，且在上覆岩层下沉运动过程中不断被压缩；另一方面伴随着顶板岩层的下沉运动以及垮冒矸石被压缩，老采空区中积水也逐步增加，且其酸度亦随时间的积累不断增加。因此，这使得老空区破碎煤岩体不仅受到上覆岩层的压力而被不断压缩，且该压缩过程中亦受到不同酸度的酸性矿井水、不同侵蚀时间长度的综合影响。这种情况下，老空区破碎煤岩体的承载能力及其变形特征则显著有别于未受矿井水侵蚀的破碎煤岩体的承载能力及其变形特征。由于采空区煤矸石在酸性矿井水侵蚀作用下承载能力不断劣化，迫使上覆岩层载荷不断向采空区实体煤侧或煤柱侧转移，进而对采空区及煤柱应力分布规律产生重大影响。因此，探究并掌握不同酸度酸性水且不同侵蚀时长作用下破碎煤岩体承载能力的劣化规律，对于确定富水矿井老空区旁区段煤柱的留设宽度、沿空掘巷煤柱宽度、确保本煤层以及邻近优质遗留煤层的安全复采具有重要意义。

中国专利CN201520826300.5公开了一种含水矸石压缩试验装置，首先对矸石进行浸泡，而后对不同含水率的矸石进行压缩试验，从而得到不同含水率矸石的压缩率和受力大小关系。该装置未能实现破碎矸石的带压加载试验，即在破碎矸石承压过程中开展酸性水侵蚀，缺乏承压和酸性水同时作用的设计及实验方法；且实验所得数据仅为压力机压力和位移数据，缺乏酸性矿井水带压侵蚀破碎煤矸石力学特性及其表面变形破坏特征，未能够给出装置设计及观测方法。

中国专利CN202010304979.7公开了一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置和试验方法，主要对不同岩性、不同破碎程度破碎煤岩体动静加载过程中红外信息的观测测量，研究破碎煤岩体在不同应力状态以及不同气体压力条件下承压破碎煤岩体动静加载过程中内部非均匀变形与破坏特性。该装置未能实现破碎煤岩体先保压而后被酸性矿井水侵蚀的作用过程，且缺乏不同PH及不同作用时长的酸性矿井水的侵蚀过程及渗透过程的装置，未能获得对酸性矿井水侵蚀作用下破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏特征。

中国专利CN201811607762.2公开了一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法，主要进行不同水体渗流试验方法来测试破碎煤岩体渗透性，并没有实现破碎煤岩体先保压而后被酸性矿井水侵蚀的作用过程，亦缺乏有效的破碎煤岩体表面变形、破坏规律的监测方法。

综上可知，现存的破碎煤岩体压缩装置和实验方法中，均不能满足破碎煤岩体先承压而后被酸水侵蚀的实验要求，本发明通过额外设置压头及其配重块，有效解决了这一问题。破碎煤岩体在由压头自重或增减磁性配重块提供的不同稳压状态下，研究不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息观测。

发明内容

本发明旨在提供一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置及方法，探究了破碎煤岩体在受不同稳压状态下，不同pH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息，提供了一种操作简便、功能多样，适用于实验室内的一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置及方法。

本发明的可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置包括一个盛装破碎煤岩体的不锈钢桶，钢桶内的压头，钢桶正面的DIC观测窗口，钢桶底部的滤网，钢桶底座，钢桶底座上的自动升降柱以及若干注酸水桶和磁性配重块；通过本发明，实现了在不同稳压状态下，研究不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息观测。对于确定富水矿井老空区旁区段煤柱的留设宽度、沿空掘巷煤柱宽度、确保本煤层以及邻近优质遗留煤层的安全复采具有重要意义。

本发明提供了一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置，其特征在于，它包括一个盛装破碎煤岩体试样的不锈钢桶，钢桶内的压头，钢桶正面的DIC观测窗口，钢桶底部的滤网，钢桶底座，钢桶底座上的自动升降柱以及若干注酸水桶和磁性配重块。破碎煤岩体试样上方与压头接触，压头两侧设有磁性配重块，压头顶部带有压板，破碎煤岩体试样的顶部两端分别设有与注酸水桶连接的进水导管，自动升降柱的顶部接触压板。

所述的不锈钢桶由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成；所述的钢桶顶部安装有测距传感器，量程1m，测距传感器检测到配重块或压板会输出信号，输出信号接入PLC控制器，由PLC读取处理，测距传感器用来监测压头的行程，从而得出破碎煤岩体的压实量；所述不锈钢桶侧面沿圆周方向等间距开设6个进水螺孔。

所述钢桶内的压头由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成；

所述的DIC观测窗口在不锈钢钢桶正面居中的位置，安设一个不锈钢窗框和两页不锈钢窗扇，将两块耐酸高强度具有高透射率的透明石英玻璃固定在两页不锈钢窗扇上，不锈钢窗扇和不锈钢窗框之间用合页固定，且两页窗扇正面各有一个把手，方便开合玻璃，耐酸高强度具有高透射率的透明石英玻璃是曲面形状，它用来透过DIC仪器发射出来的光线，DIC仪器通过石英玻璃观测试样的表面变形破坏信息；

所述滤网由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成，滤网的网孔数为200目。

所述的磁性配重块与压头接触面进行磁化处理，磁性配重块可以磁吸在压头上。

所述底座上固定有自动升降柱，自动升降柱为电动式，自动升降柱可以控制带压板的压头升降，自动升降柱对压板起支撑作用，通过降柱与压板完全脱离，可以由压头自重给试样施加稳压，且不同的稳压状态可通过增减磁性配重块实现。

所述底座内部开设出水孔以及出水螺孔，底座通过螺柱与钢桶连接，底座外壁有出水导管，出水导管进水端有与底座出水螺孔相匹配的外螺纹，通过外螺纹可以使出水导管连接在底座出水螺孔中，出水导管与底座外壁做密封处理；

所述注酸水桶由聚四氟乙烯材料制作而成，注酸水桶底部连接进水导管，通过进水阀门控制进水；所述进水导管用聚四氟乙烯材料制成，进水导管出水端有与钢桶进水螺孔相匹配的外螺纹，通过外螺纹可以使进水导管连接在钢桶进水螺孔中，进水导管与钢桶外壁做密封处理；

进一步地，所述不锈钢桶侧面沿圆周方向等间距开设6个进水螺孔，并通过进水导管分别连接六个盛有不同PH值的注酸水桶，将注酸水桶编号，1号水桶代表PH值为1的注酸水桶，以此类推，6号水桶代表PH值为6的注酸水桶；

进一步地，所述压头是一个圆柱钢，圆柱的直径与钢桶内径相匹配。

进一步地，所述底座内部开设三个出水孔和一个出水螺孔，并将三个出水孔与出水螺孔连通；所述出水导管用聚四氟乙烯材料制成，出水导管另一端连接水龙头控制出水，水龙头下放置一个回收桶，用于回收酸性水。

本发明提供了一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性试验方法，包括如下步骤：

试验不同稳压状态下，不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息；

(1)在实验室内将可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置组装，首先用螺柱将钢桶固定在底座上，再将装置放在压力机上，进水阀门和水龙头保持关闭；

(2)自动升降柱升柱，在钢桶底部放置滤网，在钢桶中铺设破碎煤岩体试样，所用试样粒径在2.5mm-10mm之间，粒径不宜太大，试样高度与进水螺孔持平即可。自动升降柱缓慢降柱，将带压板的压头慢慢放入钢桶中，直至与试样接触，再完全降柱，与压板完全脱离，由压头自重给试样施加稳压，不同的稳压状态可通过增减磁性配重块实现；

(3)打开1号水桶进水阀门，将PH为1的酸性水注入钢桶内，直至酸性水高度与进水螺孔持平，酸水没过试样，关闭进水阀门，浸泡试样5天；

(4)5天后，打开水龙头，将钢桶内的酸性水排完，关闭水龙头。

(5) 打开DIC观测窗口，给钢桶内的试样喷上黑漆，形成黑色斑点，再合上窗口，窗框和窗扇与钢桶接触处进行密封处理，将DIC仪器布置在透明石英玻璃前，调整好观测位置和角度；

(6)打开测距传感器，启动压力机，对试样施加载荷；

(7)将测距传感器的数据以及压力大小进行记录并保存，将DIC观测到的表面变形破坏信息保存；

(8)自动升降柱升柱，将带压板的压头悬空，拧开底座与钢桶连接的螺柱，清理钢桶内的试样，并用清水冲洗干净钢桶内腔和滤网以及底座内部的出水管路；

(9)重复上述（1）-（8）步，要求所用破碎煤岩体矸石是同一批次，将破碎煤岩体在PH为1的酸性水中浸泡10天、15天、20天，调整好DIC仪器观测位置和角度，探究前期不同稳压状态下，PH相同的酸性水中，后期不同的侵蚀时长对破碎煤岩体的力学特性影响和表面变形破坏信息，将数据信息记录保存；

(10)重复上述（1）-（8）步，依次将2.3.4.5.6号注酸水桶内的酸性水注入钢桶内，调整好DIC仪器观测位置和角度，依次将数据记录保存。探究前期不同稳压状态下，后期不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息。

本发明的有益效果：

本发明实现了在不同稳压状态下，研究不同pH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息观测。对于确定富水矿井老空区旁区段煤柱的留设宽度、沿空掘巷煤柱宽度、确保本煤层以及邻近优质遗留煤层的安全复采具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置示意图；

图2为本发明的钢桶俯视图；

图3为本发明的DIC观测窗口图；

图4为本发明的底座主视图；

图5为本发明的自动升降柱连接图；

图中，1-压板、2-压头、3-钢桶、4-注酸水桶、5-DIC观测窗口、501-把手、502-透明石英玻璃、503-不锈钢窗扇、504-不锈钢窗框、6-试样、7-滤网、8-底座、9-出水孔、10-螺柱、101-螺孔、11-出水螺孔、12-出水导管、13-水龙头、14-进水螺孔、15-进水导管、16-进水阀门、17-自动升降柱、18-测距传感器、19-回收桶、20-磁性配重块、401-1号水桶、402-2号水桶、403-3号水桶、404-4号水桶、405-5号水桶、406-6号水桶。

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。

实施例1：

下面参照附图进一步说明实施例。

如图1所示，一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置，它包括一个盛装破碎煤岩体的不锈钢桶3，钢桶内的压头2，钢桶正面的DIC观测窗口5，钢桶底部的滤网7，钢桶底座8，钢桶底座8上的自动升降柱17以及若干注酸水桶4和磁性配重块20。

所述的不锈钢桶3由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成；所述的钢桶顶部安装有测距传感器18；所述不锈钢桶3侧面沿圆周方向等间距开设进水螺孔14；

所述钢桶内的压头2由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成；

所述的DIC观测窗口5在钢桶3正面居中的位置，安设一个不锈钢窗框504和两页不锈钢窗扇503，将两块耐酸高强度具有高透射率的透明石英玻璃502固定在两页不锈钢窗扇503上，不锈钢窗扇503和不锈钢窗框504之间用合页固定，且两页窗扇正面各有一个把手501，方便开合玻璃，耐酸高强度具有高透射率的透明石英玻璃502是曲面形状，它用来透过DIC仪器发射出来的光线，DIC仪器通过石英玻璃502观测试样的表面变形破坏信息，如图3所示；

所述滤网7由耐酸且强度较高的的SUS316L不锈钢材料制作而成，滤网的网孔数为200目；

所述的磁性配重块20与压头2接触面进行磁化处理，磁性配重块20可以磁吸在压头2上，如图5所示。

所述底座8上固定有自动升降柱17，自动升降柱17为电动式，自动升降柱17可以控制带压板1的压头2升降，自动升降柱17对压板1起支撑作用，通过降柱与压板1完全脱离，可以由压头2自重给试样6施加稳压，且不同的稳压状态可通过增减磁性配重块20实现，如图5所示；

所述底座8内部开设出水孔9以及出水螺孔11，底座8通过螺柱10与钢桶3连接，底座8外壁有出水导管12，出水导管12进水端有与底座8出水螺孔11相匹配的外螺纹，通过外螺纹可以使出水导管12连接在底座8出水螺孔11中，出水导管12与底座8外壁做密封处理，如图4所示；

所述注酸水桶4由聚四氟乙烯材料制作而成，注酸水桶4底部连接进水导管15，通过进水阀门16控制进水；所述进水导管15用聚四氟乙烯材料制成，进水导管15出水端有与钢桶3进水螺孔14相匹配的外螺纹，通过外螺纹可以使进水导管15连接在钢桶3进水螺孔14中，进水导管15与钢桶3外壁做密封处理；

进一步，所述不锈钢桶3侧面沿圆周方向等间距开设6个进水螺孔14，并通过进水导管15分别连接六个盛有不同PH值的注酸水桶4，将注酸水桶4编号，1号水桶401代表PH值为1的注酸水桶4，以此类推，6号水桶406代表PH值为6的注酸水桶，如图2所示；

进一步，所述压头2是一个圆柱钢，圆柱的直径与钢桶3内径相匹配。

进一步，所述底座8内部开设三个出水孔9和一个出水螺孔11，并将三个出水孔9与出水螺孔11连通；所述出水导管12用聚四氟乙烯材料制成，出水导管12另一端连接水龙头13控制出水，水龙头13下放置一个回收桶19，用于回收酸性水。

本发明的上述装置的使用方法，参照图1，包括如下步骤：

试验不同稳压状态下，不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息

第1步，在实验室内将可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置组装，首先用螺柱10将钢桶3固定在底座8上，再将装置放在压力机上，进水阀门16和水龙头13保持关闭；

第2步，自动升降柱17升柱，在钢桶3底部放置滤网7，在钢桶3中铺设破碎煤岩体试样6，所用试样6粒径在2.5mm-10mm之间，粒径不宜太大。试样6高度与进水螺孔14持平即可。自动升降柱17缓慢降柱，将带压板1的压头2慢慢放入钢桶3中，直至与试样6接触，再完全降柱，与压板1完全脱离，由压头2自重给试样6施加稳压，不同的稳压状态可通过增减磁性配重块20实现；

第3步，打开1号水桶进水阀门16，将PH为1的酸性水注入钢桶3内，直至酸性水高度与进水螺孔14持平，酸水没过试样6，关闭进水阀门16，浸泡试样5天；

第4步，5天后，打开水龙头13，将钢桶3内的酸性水排完，关闭水龙头13。

第5步，打开DIC观测窗口5，给钢桶内的试样6喷上黑漆，形成黑色斑点，再合上窗口5，窗框504和窗扇503与钢桶3接触处进行密封处理，将DIC仪器布置在透明石英玻璃502前，调整好观测位置和角度；；

第6步，打开测距传感器18，启动压力机，对试样6施加载荷；

第7步，将测距传感器18的数据以及压力大小进行记录并保存，将DIC观测到的表面变形破坏信息保存；

第8步，自动升降柱17升柱，将带压板1的压头2悬空，拧开底座8与钢桶3连接的螺柱10，清理钢桶3内的试样6，并用清水冲洗干净钢桶3内腔和滤网7以及底座8内部的出水管路；

第9步，重复上述（1）-（8）步，要求所用破碎煤岩体是同一批次，将破碎煤岩体在PH为1的酸性水中浸泡10天，15天，20天，调整好DIC仪器观测位置和角度，探究前期不同稳压状态下，PH相同的酸性水中，后期不同的侵蚀时长对破碎煤岩体的力学特性影响和表面变形破坏信息，将数据信息记录保存

第10步，重复上述（1）-（8）步，依次将2.3.4.5.6号注酸水桶内的酸性水注入钢桶内，调整好DIC仪器观测位置和角度，依次将数据记录保存。探究前期不同稳压状态下，后期不同PH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息。