一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統的製作方法

2023-05-28 05:39:31 3

專利名稱：一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含瓦斯煤巖的細觀力學試驗系統，具體涉及不同瓦斯壓力 作用下，不同受力狀態下突出煤巖破裂全過程的細觀力學試驗系統，以便採用 動態顯微觀測、聲發射實時監測等試驗測試方法，對考慮瓦斯作用下及不同受 力條件下的煤巖變形破壞全過程進行細觀力學試驗。
背景技術：
煤炭工業是我國十分重要的基礎產業，其能否健康、穩定、持續地發展是 關係國家能源安全的重大問題。然而，各地煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故 頻發，煤礦瓦斯災害已嚴重影響了煤炭工業的健康發展。隨著淺部或地質條件 簡單、煤層賦存條件好的煤炭資源開採儲量日益枯竭，我國煤礦企業生產已逐 漸向深部或地質條件複雜的區域轉移，研究煤與瓦斯共同作用機理，煤與瓦斯 在資源開採中的動態作用過程，對我國及世界煤炭工業的發展，防治礦井煤與 瓦斯突出災害，具有重要的技術支撐作用。當前，在煤與瓦斯突出機理的研究 中，煤與瓦斯突出機理的綜合作用假說最具代表性，它強調煤與瓦斯突出是地 應力、瓦斯壓力及煤體物理力學性質三者綜合作用的結果。其中，地應力和瓦 斯壓力是突出發生與發展的動力，煤體物理力學性質則體現出阻礙突出的發生 和發展。目前，前兩方面的研究已經比較深入，並在實際應用中取得了一定的 效果。研究瓦斯作用下，煤體物理力學特性是揭示煤與瓦斯突出過程中煤與瓦
斯相互作用機理的重要途徑，已有的宏觀試驗研究還有許多不能解釋的現象。 從細觀力學研究的角度出發，結合煤巖宏觀的變形破壞特徵，掌握含瓦斯煤巖 細觀變形破壞的規律，可以為煤與瓦斯突出的有關問題給予更科學的解釋，對 揭示煤與瓦斯突出機理及提出更加科學合理的防治技術具有重要的理論價值和 工程應用價值。
目前，針對巖土類材料的細觀力學試驗系統主要通過以下三種方式來實現 一是利用計算機層析技術(CT)和巖石力學實驗設備相結合的試驗系統，如中
科院寒區旱區環境與工程研究所研製的巖土力學專用加載設備與X射線CT機配 套，可完成單軸、假三軸、周期載荷、高溫、負溫下的CT檢測試驗，但該系統 儀器設備昂貴，試驗費用較高，同時對固-氣耦合狀態下的試驗測試報導很少； 二是利用掃描電鏡(SEM)和微加載裝置相結合的試驗系統，如中國礦業大學的 SEM高溫疲勞實驗系統，可進行金屬、非金屬材料在靜、動態加載時微細觀結構 變化和缺陷演化的實時觀測，但受到SEM實驗設備原理的限制，即加載只能在 真空狀態下進行，所以無法進行固-氣耦合狀態下的試驗；三是利用光學顯微鏡 和加載裝置相結合的試驗系統，如中科院武漢巖土力學研究所研製了巖石細觀 力學加載儀，該儀器配裝在光學體視顯微鏡下，可以觀察巖樣在單軸加載過程 中，四個平面變形破壞的全過程，同時，還研製了應力一水流一化學耦合的巖 石單軸、三軸壓縮細觀力學試驗裝置，但該裝置對密封及壓力要求不高，不能 進行固-氣耦合狀態的試驗。
另外，針對含瓦斯煤巖的細觀裝置非常少見。僅有中國礦業大學何學秋教 授研製的含瓦斯煤變形及破裂動態顯微觀測系統，其加載裝置為設置有觀測窗 口的圓柱形壓力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，將圓柱形煤巖試件的一側磨 成平面寬度約為10mm 15mm的平面，作為觀測平面。觀測系統採用長距離高倍 顯微鏡，可進行左右擺動。由於光學顯微鏡對觀測面的要求較高，該裝置採用 圓柱形試件，觀測面範圍較小，且顯微鏡只能進行左右擺動觀測，致使觀測範 圍小，不能追蹤特定裂紋的破壞過程和進行一定範圍內的定量觀測；其次，該 裝置的氣體壓力較低，與礦山實際差異較大；而且，從現有的研究成果看，其 觀測的可靠性還有待進一步提高。
此外，利用SEM和光學顯微鏡的觀測系統，雖然能較好地反映試件表面的 細觀結構變化，卻不能反映試件內部的變化情況。然而，在巖土類材料的受力 破壞過程中，其內部將產生微破裂，同時原始的裂紋、裂隙不斷擴展、斷裂、 匯合貫通。對試驗過程中試件的聲發射信號進行監測，根據聲發射信號的特徵 可以推斷出受力巖石內部的性態變化，反演出巖石的破壞機理及破壞程度。聲 發射的特徵參數(如振幅、頻率等)可以反映微開裂的數量和裂紋的尺寸，同 時，還可以利用系統所帶的軟體對聲發射進行定位，從而推斷試件的動態損傷 情況。現有的試驗系統大都是單一的採用動態顯微觀測或聲發射監測，試驗測 試手段單一。尤其是在含瓦斯煤巖細觀力學試驗中，動態顯微觀測和聲發射實 時監測還不能結合在一起構成一套完整的含瓦斯煤巖細觀力學系統。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統， 以便進行不同瓦斯壓力作用、不同受力狀態下的煤巖細觀力學試驗，並採用動 態顯微觀測和聲發射監測兩種手段獲得試件表面裂紋的實時變化圖像和反映試 件內部結構的損傷演化過程的聲發射特徵。
本發明的技術方案如下 一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，在實驗體上 開設有測試腔、測量孔和多用氣孔，其中測試腔的敞口處通過壓蓋固定有透明 視鏡，在透明視鏡的正前方設置三維移動顯微觀測架，該三維移動顯微觀測架 上安裝有體視顯微鏡，在體視顯微鏡靠近透明視鏡的一端安裝環形燈，遠離透 明視鏡的一端安裝CCD攝像機；在所述測量孔內穿設測量導線，該測量導線的 內端位於測試腔中，並連接有聲發射傳感器，測量導線的外端從實驗體的側面 引出，並與聲發射放大器的輸入端連接，聲發射放大器的輸出端與聲發射卡相
接；所述多用氣孔的內埠位於測試腔的內壁，多用氣孔的外埠在實驗體的
側面，從該外埠處引出的氣管分為兩路， 一路依次串聯瓦斯控制閥、減壓閥
後，與高壓氣瓶相接，另一路串聯真空控制閥後，與真空泵相接；在所述測試 腔內設置有墊塊、限位壓頭和加載頭，其中墊塊的上部開設有"L"形缺口，該 "L"形缺口的縱向面正對限位壓頭，限位壓頭固定於限位杆的內端，限位杆的 外端伸出實驗體外，並由鎖緊機構限位，所述"L"形缺口的橫向面正對加載頭， 該加載頭固定於加載杆的下端，所述加載杆的上端向上伸出實驗體外。
本發明中，測試腔是試驗進行的場所，用於放置試件；測試腔內有墊塊和 限位壓頭，可限制試件側向位移。加載杆由巖石剛性試驗機施加壓力，巖石剛 性試驗機可提供多種加載方式，包括位移加載和應力加載，同時自動記錄加載 過程中的軸向壓力和位移。多用氣孔引出的氣管分成兩路， 一路與抽真空設備 連接，另一路與外界高壓供氣設備連接，以便在試驗前對測試腔進行抽真空和 充瓦斯操作，抽真空後需達到一定的真空度，充瓦斯後能保持一定的瓦斯壓力。 聲發射傳感器通過測量導線將生發射信號傳遞到聲發射放大器，並通過聲發射 放大器將信號放大後，傳遞給聲發射卡，最後由計算機內的採集分析軟體從聲 發射卡處得到聲發射信號。透明視鏡為整個實驗過程的顯微觀測提供了有效途
徑，體視顯微鏡通過透明視鏡可實現對試驗過程的實時顯微觀測，並實現光學 放大；體視顯微鏡在三維移動顯微觀測架的作用下，可相對於透明視鏡做上下、
左右和前後移動，實現了多角度全方位觀察。CCD攝像機安裝在體視顯微鏡的目 鏡處，可實現圖像採集、拍照、攝像和電子放大功能並與計算機相連實現數據 處理和圖像處理。
上述三維移動顯微觀測架具有一個水平燕尾槽底座，在水平燕尾槽底座上
安裝水平燕尾槽拖板，兩者之間通過水平絲杆副連接，在水平燕尾槽拖板上裝
有垂直燕尾槽底座，該垂直燕尾槽底座的一側安裝垂直燕尾槽拖板，兩者之間
通過垂直絲杆副連接，在所述垂直燕尾槽拖板的外側面固定支座，該支座上安
裝支撐軸，所述支撐軸呈前後方向水平布置，且支撐軸上套裝一級顯微鏡支架，
該一級顯微鏡支架由徑向上穿設的粗調旋鈕頂緊，在一級顯微鏡支架上安裝二
級顯微鏡支架，二級顯微鏡支架能相對一級顯微鏡支架前後移動，在所述二級
顯微鏡支架上安裝體視顯微鏡，該體視顯微鏡與支撐軸同向布置。
通過轉動水平絲杆驅動水平燕尾槽拖板在水平方向左右移動，可以實現體
視顯微鏡在水平面內的橫向左右移動；通過轉動垂直絲杆驅動垂直燕尾槽拖板
在垂直方向上下移動，可以實現體視顯微鏡在垂直面內的豎向上下移動；通過
粗調旋鈕調整一級顯微鏡支架在支撐軸上的位置，可以實現體視顯微鏡在水平
面內的縱向前後大尺度移動； 一級顯微鏡支架能繞支撐軸360度旋轉，可以改
變體視顯微鏡在軸向上的位置，擴大觀察範圍，實現了多角度觀察；二級顯微
鏡支架能相對一級顯微鏡支架做前後微小移動，可以實現體視顯微鏡在水平面
內的縱向前後小尺度移動。體視顯微鏡和CCD攝像機在三維移動顯微觀測架的
作用下，可以對一個平面場進行定量實時觀測並拍攝圖像，能完整記錄試件裂
紋在不同階段的擴展情況和最後的破壞狀態；拍攝功能可以回放整個試驗過程，
更有利於深入研究試件裂紋形成、發展過程；具有測量裂紋長度及試件的微觀 結構的功能。
為了防止二級顯微鏡支架相對於一級顯微鏡支架發生左右晃動，並保證二 級顯微鏡支架前後微小移動的可靠性，上述二級顯微鏡支架的底部具有燕尾形 導條，該導條嵌入一級顯微鏡支架頂部對應的燕尾槽中，在一級顯微鏡支架內 安裝齒輪，該齒輪與導條底面設置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出 一級顯微鏡支架的兩側面，並分別安裝微調旋鈕。
在上述水平燕尾槽底座正面的上部固定有水平標尺，水平燕尾槽拖板上設 有與該水平標尺相對應的指針；在所述垂直燕尾槽底座正面的中部固定有垂直 標尺，垂直燕尾槽拖板上設有與該垂直標尺相對應的指針。指針與水平標尺配 合，可以確定水平燕尾槽拖板的水平移動距離，實現水平方向定量移動；指針 與垂直標尺配合，可以確定垂直燕尾槽拖板的垂直移動距離，實現垂直方向的 定量移動。
在上述水平燕尾槽底座底部的四個角處均裝有腳螺旋，在支座上部的平臺 上安裝氣泡水平儀。通過調節腳螺旋和觀察氣泡水平儀，可以調整水平燕尾槽 底座的水平度，以保證顯微鏡與試件垂直。
上述鎖緊機構由剛性鎖緊立柱、鎖緊梁和鎖緊螺母構成，兩根剛性鎖緊立 柱垂直固定於實驗體的側面，並分居在限位杆的上、下兩側，在兩剛性鎖緊立 柱上活套鎖緊梁，該鎖緊梁內表面的中部對限位杆外端固套的預緊螺母限位， 鎖緊梁外表面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱上套裝的鎖緊螺母限位。鎖 緊機構和限位杆及限位壓頭是為模擬平面應變受力狀況而設計的，調節兩個鎖
緊螺母，使鎖緊梁朝著實驗體的方向運動，鎖緊梁將限位杆及限位壓頭向內頂， 從而使試件側面受到一定限位作用力。以上機構不僅簡單實用，而且可靠性好。
為了便於加工及裝配，上述測試腔為圓形，並呈內小外大的臺階狀，所述 墊塊、限位壓頭和加載頭位於測試腔的小直徑段內，而透明視鏡和壓蓋位於測 試腔的大直徑段內。
為了使墊塊放置到測試腔內定位方便、穩定，上述墊塊與測試腔的腔壁採 用弧面接觸。該弧面的半徑與所述測試腔小直徑段的半徑相等。
為方便拆裝，並使得透明視鏡固定牢靠，上述透明視鏡為圓盤形，壓蓋為 圓環形，壓蓋設置在透明視鏡的外邊緣上，並通過圓周上均勻分布的螺釘與實 驗體固定。
上述透明視鏡與實驗體之間通過O型密封圈密封；加載杆與實驗體之間採 用O型密封圈和兩個Yx型密封圈構成的組合密封件密封，組合密封件的外面由 小蓋限位，小蓋通過螺釘固定在實驗體上；所述限位杆和實驗體之間的密封方 式與加載杆相同。以上設計能確保測試腔在抽真空(負壓)和充瓦斯氣體(正 壓)情況下均具有良好的氣密性。
本發明的有益效果是
1、 可進行單軸、平面應變狀態下的加載試驗，試件的安裝、調試均很方便。
2、 高壓密封的獨立氣路使氣體壓力可達到2.5Mpa，能夠提供固-氣耦合要 求的試驗條件。
3、 可以動態監測試件受力過程中聲發射變化特徵，同時還可以進行聲發射 定位，有效地彌補了光學顯微鏡只能觀測試件表面的不足。
4、 通過體視顯微鏡和CCD攝像機能夠完整記錄試件裂紋在不同階段的擴展
情況和最後的破壞狀態；拍攝功能可以回放整個試驗過程，有利於深入研究試
件的破裂形成機理；具有測量裂紋長度及試件的微觀結構的功能。
5、 體視顯微鏡和CCD攝像機能夠全方位移動，不僅觀測範圍廣，而且能夠
追蹤特定裂紋的破壞過程和進行一定範圍內的定量觀測。
6、 動態顯微觀測和聲發射實時監測相結合，為全面揭示瓦斯作用下煤巖細 觀結構損傷規律，深入研究含瓦斯煤巖物理力學性質，科學揭示煤巖動力現象 的發生機理和開發相應的災害防治技術提供了更全面、可靠的試驗手段。
7、 本系統結構簡單，成本較低，可靠性好，能夠對長方體、圓柱體等多種 形狀的試件進行試驗，適用面廣。


圖l為本發明的結構示意圖。
圖2為本發明中實驗體及其內部件、周邊件的結構示意圖。 圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為本發明中三維移動顯微觀測架的結構示意圖。 圖5為圖4中體視顯微鏡的右視圖。
圖6為本發明中三維移動顯微觀測架的主視圖。圖中1-實驗體，2-測試 腔，3-測量孔，4-多用氣孔，5-壓蓋，6-透明視鏡，7-測量導線，8-氣管，9-墊塊，10-限位壓頭，11-加載頭，12-加載杆，13-剛性鎖緊立柱，14-鎖緊梁， 15-鎖緊螺母，16-預緊螺母，17-0型密封圈，18-Yx型密封圈，19-小蓋，20-試件，21-限位杆，22-體視顯微鏡，23-環形燈，24 -CCD攝像機，25-聲發射 傳感器，26-聲發射放大器，27-聲發射卡，28-瓦斯控制閥，29-減壓閥，30_氣 瓶，31-真空控制閥，32-真空泵，33-水平燕尾槽底座，34-水平燕尾槽拖板，
35-垂直燕尾槽底座，36-垂直燕尾槽拖板，37-支座，38-支撐軸，39 —級顯微 鏡支架，40-粗調旋鈕，41-二級顯微鏡支架，42-微調旋鈕，43-水平標尺，44-垂直標尺，45-腳螺旋，46氣泡水平儀，47-巖石剛性試驗機，48-採集分析軟體， 49-高精度壓力表，50-真空壓力表，51-水平絲杆，52-垂直絲杆。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
如圖1、圖2和圖3所示，實驗體1為長方體結構，放置在巖石剛性試驗機 47上，在實驗體1上開設有測試腔2，該測試腔2的開口位於實驗體l的正面， 測試腔2為圓形，並呈內小外大的臺階狀。透明視鏡6和壓蓋5位於測試腔2 的敞口處即大直徑段內，其中透明視鏡6為圓盤形，透明視鏡6的內表面由測 試腔2內的臺階面限位，透明視鏡6與實驗體1之間通過0型密封圈密封，壓 蓋5為圓環形，壓蓋5蓋在透明視鏡6的外邊緣上，並通過圓周上均勻布置的 螺釘與實驗體1固定。所述透明視鏡6為整個實驗過程的顯微觀測提供了有效 途徑。
從圖1、圖2和圖3可知，在測試腔2的右側開設有測量孔3和多用氣孔4， 測量孔3位於多用氣孔4的上方，測量孔3的內埠位於測試腔2的內壁，測 量孔3的外埠在實驗體1的右側面。在所述測量孔3內穿設測量導線7，該測 量導線7的內端位於測試腔2中，並連接有聲發射傳感器25，測量導線7的外 端穿過測量孔3內設置的密封件，並從實驗體1的右側面引出，然後與聲發射 放大器26的輸入端連接，聲發射放大器26的輸出端與聲發射卡27相接，發射 卡27向計算機內的採集分析軟體48傳遞聲發射信號，以實現對試件破壞的全 面測量。所述多用氣孔4的內埠位於測試腔2的內壁，多用氣孔4的外埠
在實驗體1的右側面，且外埠處連接有氣管8，該氣管8引出的氣管分成兩路，
一路依次串聯瓦斯控制閥28、減壓閥29後，與高壓氣瓶30相接，另一路串聯 真空控制閥31後，與真空泵32相接。在瓦斯控制閥28與減壓閥29之間通過 氣管連接有高精度壓力表49，真空控制閥31與真空泵32之間通過氣管連接有 真空壓力表50。
從圖1、圖2和圖3中進一步可知，在所述測試腔2的小直徑段內設置有墊 塊9、限位壓頭10和加載頭11，其中墊塊9與測試腔2的腔壁相接觸的面為弧 面，該弧面的半徑與所述測試腔2小直徑段的半徑相等。在墊塊9的左上部開 設有"L"形缺口，該"L"形缺口的橫向面正對加載頭11，該加載頭11固定於 豎直布置的加載杆12的下端，加載杆12的上端向上伸出實驗體1的上表面外， 加載杆12的加載方式由巖石剛性試驗機控制，巖石剛性試驗機為公知公用技術， 其結構及原理在此不做贅述。所述實驗體1上供加載杆12穿設的孔的上端為臺 階狀，且臺階段內設置有O型密封圈17和兩個Yx型密封圈18構成的組合密封 件，組合密封件的外面有小蓋19，組合密封件對加載杆12和實驗體1之間進行 密封，小蓋19通過螺釘固定在實驗體1上，對組合密封件限位。
從圖1、圖2和圖3中還可知，墊塊9 "L"形缺口的縱向面正對限位壓頭 10，限位壓頭10固定於水平布置的限位杆21的內端，限位杆21的外端伸出實 驗體1的左側面外，且外端的端部套裝預緊螺母16。兩根剛性鎖緊立柱13垂直 固定於實驗體l的左側面，並分居在限位杆21的上、下兩側，在兩剛性鎖緊立 柱13上活套鎖緊梁14，該鎖緊梁14內表面的中部對限位杆21限位，鎖緊梁 14外表面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱13上套裝的鎖緊螺母15限位。 所述實驗體1上供限位杆21穿設的孔的外端為臺階狀，且臺階段內安裝有O型密封圈和兩個YX型密封圈構成的組合密封件，組合密封件的外面有小蓋，組合
密封件套於限位杆21上，對限位杆21和試驗體1之間進行密封，小蓋通過螺
釘固定在試驗體l上，對組合密封件限位。
如圖1、圖4和圖5所示，在透明視鏡6的正前方設置三維移動顯微觀測架， 該三維移動顯微觀測架具有一個水平燕尾槽底座33，在水平燕尾槽底座33底部 的四個角處均裝有腳螺旋45，以便調整水平燕尾槽底座33的水平度。在水平燕 尾槽底座33內的上部安裝水平絲杆51，該水平絲杆51呈左右方向水平布置， 在水平絲杆51的外端裝有帶手柄的轉盤。水平燕尾槽拖板34通過螺釘固定在 水平燕尾槽底座33的頂部，水平燕尾槽拖板34底部安裝的螺母套裝在水平絲 杆51上，兩者螺紋配合，轉動水平絲杆51可以驅動水平燕尾槽拖板34在水平 方向左右移動。在水平燕尾槽底座33正面的上部固定有橫向分布的水平標尺43， 水平燕尾槽拖板34上設有與該水平標尺43相對應的指針，指針與水平標尺43 配合，可以確定水平燕尾槽拖板34的水平移動距離，實現水平方向定量移動。 如圖1、圖4和圖5所示，在水平燕尾槽拖板34的頂部通過螺釘固定垂直燕尾 槽底座35，該垂直燕尾槽底座35內的中部安裝垂直絲杆52，該垂直絲杆52呈 上下方向豎直布置，在垂直絲杆52的上端裝有帶手柄的轉盤。垂直燕尾槽拖板 36位於垂直燕尾槽底座35的右側，該垂直燕尾槽拖板36上的螺母套裝在垂直 絲杆52上，兩者螺紋配合，轉動垂直絲杆52可以驅動垂直燕尾槽拖板36在垂 直方向上下移動。在垂直燕尾槽底座35正面的中部固定有呈豎直分布的垂直標 尺44，垂直燕尾槽拖板36上設有與該垂直標尺44相對應的指針，指針與垂直 標尺44配合，可以確定垂直燕尾槽拖板36的垂直移動距離，實現垂直方向的 定量移動。
如圖l、圖4和圖5所示，在垂直燕尾槽拖板36的右側通過螺釘固定支座 37，該支座37上部的平臺上安裝有氣泡水平儀46，通過觀察氣泡水平儀46可 以判斷水平燕尾槽底座33的水平度。在所述支座37上安裝支撐軸38，該支撐 軸38呈前後方向水平布置，且支撐軸38上套裝一級顯微鏡支架39，該一級顯 微鏡支架39由徑向上穿設的粗調旋鈕40頂緊。在一級顯微鏡支架39上安裝二 級顯微鏡支架41， 二級顯微鏡支架41的底部具有燕尾形導條，該導條嵌入一級 顯微鏡支架39頂部對應的燕尾槽中，在一級顯微鏡支架39內安裝齒輪，該齒 輪與導條底面設置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出一級顯微鏡支架 39的兩側面，並分別安裝微調旋鈕42。在所述二級顯微鏡支架41上安裝體視 顯微鏡22，該體視顯微鏡22與支撐軸38同向布置，體視顯微鏡22實現光學放 大。在體視顯微鏡22的前部裝有環形燈23，體視顯微鏡22後端的目鏡處安裝 CCD攝像機24， CCD攝像機24由二級顯微鏡支架41支撐，實現圖像採集、拍
照、攝像和電子放大功能，並與計算機相連實現數據處理和圖像處理。
本發明中體視顯微鏡22在空間上具有多個自由度，g卩通過轉動水平絲杆 51驅動水平燕尾槽拖板34在水平方向左右移動，可以實現體視顯微鏡22在水 平面內的橫向左右移動；通過轉動垂直絲杆52驅動垂直燕尾槽拖板36在垂直 方向上下移動，可以實現體視顯微鏡22在垂直面內的豎向上下移動；通過粗調 旋鈕40調整-一級顯微鏡支架39在支撐軸38上的位置，可以實現體視顯微鏡22 在水平面內的縱向前後大尺度移動； 一級顯微鏡支架39能繞支撐軸38進行360 度旋轉，可以改變體視顯微鏡22在周向上的位置，實現多角度觀察；通過微調 旋鈕42驅動二級顯微鏡支架41相對一級顯微鏡支架39做前後微小移動，可以 實現體視顯微鏡22在水平面內的縱向前後小尺度移動。
本發明是這樣工作的
1、 先將壓蓋5和透明視鏡6拆下，將聲發射傳感器25固定在試件20的非 觀測面，然後把煤巖試件20放置於墊塊9"L"形缺口的橫向面上，調節兩個鎖 緊螺母15，使鎖緊梁14朝著實驗體1的方向運動，鎖緊梁14將限位杆21及限 位壓頭10向內頂，從而使試件20側面位移受到限制，試件20被夾緊在限位壓 頭10與墊塊9 "L"形缺口的縱向面之間，再將透明視鏡6及壓蓋5還原，密 封，緊固。
2、 開啟真空泵32及真空控制閥31 (此時瓦斯控制閥28和減壓閥29處於 關閉狀態)，在真空泵32的作用下，通過氣管8及多用氣孔4對測試腔2進行 抽真空，真空壓力表50顯示氣壓狀態，達到一定真空度後，關閉真空泵32和 真空控制閥31。
3、 開啟瓦斯控制閥28和減壓閥29 (此時真空控制閥31處於關閉狀態)， 高壓氣瓶30內的高壓瓦斯依次通過減壓閥29、瓦斯控制閥28、氣管8及多用 氣孔4，充入測試腔2內，高精度壓力表49顯示瓦斯壓力狀態，達到一定壓力 後，穩定測試腔內瓦斯壓力，使試件充分吸附瓦斯。
4、 開啟試驗機和測量儀器，試驗機通過加載杆12和加載頭11將壓力傳遞 到試件20上，進行瓦斯壓力作用下的煤巖細觀力學試驗。聲發射傳感器25通
過測量導線7傳遞聲發射信號至聲發射放大器，並通過聲發射放大器26將信號 放大後，傳遞給聲發射卡27，最後由計算機內的採集分析軟體48從聲發射卡
27處得到聲發射信號；通過三維移動顯微觀測架調整體視顯微鏡22，使物鏡對 準所需要觀測的試驗中試件表面，以達到最佳的觀測效果，試驗開始前期，使 用小倍數的大範圍觀測，當發現裂紋時，移動水平和垂直燕尾槽拖板，使裂紋尖端位於物鏡視場中間，再通過粗調和微調旋鈕調整物距，增加放大倍數，進 入細觀觀測階段，同時拍攝裂紋的發展和捕捉圖片。
權利要求
1、一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於在實驗體(1)上開設有測試腔(2)、測量孔(3)和多用氣孔(4)，其中測試腔(2)的敞口處通過壓蓋(5)固定有透明視鏡(6)，在透明視鏡(6)的正前方設置三維移動顯微觀測架，該三維移動顯微觀測架上安裝有體視顯微鏡(22)，在體視顯微鏡(22)靠近透明視鏡(6)的一端安裝環形燈(23)，遠離透明視鏡(6)的一端安裝CCD攝像機(24)；在所述測量孔(3)內穿設測量導線(7)，該測量導線(7)的內端位於測試腔(2)中，並連接有聲發射傳感器(25)，測量導線(7)的外端從實驗體(1)的側面引出，並與聲發射放大器(26)的輸入端連接，聲發射放大器(26)的輸出端與聲發射卡(27)相接；所述多用氣孔(4)的內埠位於測試腔(2)的內壁，多用氣孔(4)的外埠在實驗體(1)的側面，從該外埠處引出的氣管(8)分為兩路，一路依次串聯瓦斯控制閥(28)、減壓閥(29)後，與高壓氣瓶(30)相接，另一路串聯真空控制閥(31)後，與真空泵(32)相接；在所述測試腔(2)內設置有墊塊(9)、限位壓頭(10)和加載頭(11)，其中墊塊(9)的上部開設有「L」形缺口，該「L」形缺口的縱向面正對限位壓頭(10)，限位壓頭(10)固定於限位杆(21)的內端，限位杆(21)的外端伸出實驗體(1)外，並由鎖緊機構限位，所述「L」形缺口的橫向面正對加載頭(11)，該加載頭(11)固定於加載杆(12)的下端，所述加載杆(12)的上端向上伸出實驗體(1)外。
2、 根據權利要求l所述的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於所 述三維移動顯微觀測架具有一個水平燕尾槽底座(33)，在水平燕尾槽底座(33) 上安裝水平燕尾槽拖板(34)，兩者之間通過水平絲杆副連接，在水平燕尾槽拖板(34)上裝有垂直燕尾槽底座(35)，該垂直燕尾槽底座(35)的一側安裝垂 直燕尾槽拖板(36)，兩者之間通過垂直絲杆副連接，在所述垂直燕尾槽拖板(36) 的外側面固定支座(37)，該支座(37)上安裝支撐軸(38)，所述支撐軸(38) 呈前後方向水平布置，且支撐軸(38)上套裝一級顯微鏡支架(39)，該一級顯 微鏡支架(39)由徑向上穿設的粗調旋鈕(40)頂緊，在一級顯微鏡支架(39) 上安裝二級顯微鏡支架(41)， 二級顯微鏡支架(41)能相對一級顯微鏡支架(39) 前後移動，在所述二級顯微鏡支架(41)上安裝體視顯微鏡(22)，該體視顯微 鏡(22)與支撐軸(38)同向布置。
3、 根據權利要求2所述的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於所 述二級顯微鏡支架(41)的底部具有燕尾形導條，該導條嵌入一級顯微鏡支架(39)頂部對應的燕尾槽中，在一級顯微鏡支架(39)內安裝齒輪，該齒輪與 導條底面設置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出一級顯微鏡支架(39) 的兩側面，並分別安裝微調旋鈕(42)。
4、 根據權利要求2或3所述的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於: 在所述水平燕尾槽底座(33)正面的上部固定有水平標尺(43)，水平燕尾槽拖 板(34)上設有與該水平標尺(43)相對應的指針在所述垂直燕尾槽底座(35) 正面的中部固定有垂直標尺(44)，垂直燕尾槽拖板(36)上設有與該垂直標尺(44)相對應的指針。
5、 根據權利要求2所述的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於在 所述水平燕尾槽底座(33)底部的四個角處均裝有腳螺旋(45)，在支座(37) 上部的平臺上安裝有氣泡水平儀(46)。
6、 根據權利要求1所述的含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，其特徵在於所 述鎖緊機構由剛性鎖緊立柱(13)、鎖緊梁(14)和鎖緊螺母(15)構成，兩根剛性鎖緊立柱(13)垂直固定於實驗體(1)的側面，並分居在限位杆(21)的 上、下兩側，在兩剛性鎖緊立柱(13)上活套鎖緊梁(14)，該鎖緊梁(14)內 表面的中部對限位杆(21)外端固套的預緊螺母(16)限位，鎖緊梁(14)外 表面的上、下部分別由兩根剛性鎖緊立柱(13)上套裝的鎖緊螺母(15)限位。
7、 根據權利要求1或6所述的煤巖固氣耦合細觀力學加載裝置，其特徵在 於所述測試腔(2)為圓形，並呈內小外大的臺階狀，所述墊塊(9)、限位壓 頭(10)和加載頭(11)位於測試腔(2)的小直徑段內，而透明視鏡(6)和 壓蓋(5)位於測試腔(2)的大直徑段內。
8、 根據權利要求7所述的煤巖固氣耦合細觀力學加載裝置，其特徵在於 所述墊塊(9)與測試腔(2)腔壁相接觸的面為弧面，該弧面的半徑與所述測 試腔(2)小直徑段的半徑相等。
9、 根據權利要求7所述的煤巖固氣耦合細觀力學加載裝置，其特徵在於 所述透明視鏡(6)為圓盤形，壓蓋(5)為圓環形，壓蓋(5)設置在透明視鏡(6)的外邊緣上，並通過圓周上均勻分布的螺釘與實驗體(1)固定。
10、 根據權利要求9所述的煤巖固氣耦合細觀力學加載裝置，其特徵在於 所述透明視鏡(6)與實驗體(1)之間通過O型密封圈密封，加載杆(12)與 實驗體(1)之間採用O型密封圈(17)和兩個Yx型密封圈(18)構成的組合 密封件密封，組合密封件的外面由小蓋(19)限位，小蓋(19)通過螺釘固定 在實驗體(1)上；所述限位杆(21)和實驗體(1)之間的密封方式與加載杆(12)相同。
全文摘要
一種含瓦斯煤巖細觀力學試驗系統，在測試腔的敞口處固定透明視鏡，透明視鏡外設置三維移動顯微觀測架，該三維移動顯微觀測架上安裝體視顯微鏡及CCD攝像機；測量導線的內端連接聲發射傳感器，外端與聲發射放大器和聲發射卡相接；測試腔通過多用氣孔與氣管相通，氣管分為兩路，一路與高壓氣瓶相接，另一路與真空泵相接；在測試腔內設置有墊塊、限位壓頭和加載頭，墊塊「L」形缺口的縱向面正對限位壓頭，墊塊「L」形缺口的橫向面正對加載頭。本發明為揭示瓦斯作用下煤巖細觀結構損傷規律，進一步深入了解含瓦斯煤巖物理力學性質，科學揭示煤巖動力現象的發生機理和開發相應的災害防治技術提供了更全面、可靠的試驗手段。
文檔編號G01N3/00GK101354355SQ20081007016
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月22日 優先權日2008年8月22日
發明者劉延保, 張立強, 曹樹剛, 勇 李, 軍 王, 王維忠 申請人:重慶大學