[实用新型]含瓦斯煤岩细观力学试验系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种含瓦斯煤岩的细观力学试验系统，具体涉及不同瓦斯 压力作用下，不同受力状态下突出煤岩破裂全过程的细观力学试验系统，以便 采用动态显微观测、声发射实时监测等试验测试方法，对考虑瓦斯作用下及不 同受力条件下的煤岩变形破坏全过程进行细观力学试验。

背景技术

煤炭工业是我国十分重要的基础产业，其能否健康、稳定、持续地发展是 关系国家能源安全的重大问题。然而，各地煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故 频发，煤矿瓦斯灾害已严重影响了煤炭工业的健康发展。随着浅部或地质条件 简单、煤层赋存条件好的煤炭资源开采储量日益枯竭，我国煤矿企业生产已逐 渐向深部或地质条件复杂的区域转移，研究煤与瓦斯共同作用机理，煤与瓦斯 在资源开采中的动态作用过程，对我国及世界煤炭工业的发展，防治矿井煤与 瓦斯突出灾害，具有重要的技术支撑作用。当前，在煤与瓦斯突出机理的研究 中，煤与瓦斯突出机理的综合作用假说最具代表性，它强调煤与瓦斯突出是地 应力、瓦斯压力及煤体物理力学性质三者综合作用的结果。其中，地应力和瓦 斯压力是突出发生与发展的动力，煤体物理力学性质则体现出阻碍突出的发生 和发展。目前，前两方面的研究已经比较深入，并在实际应用中取得了一定的 效果。研究瓦斯作用下，煤体物理力学特性是揭示煤与瓦斯突出过程中煤与瓦 斯相互作用机理的重要途径，已有的宏观试验研究还有许多不能解释的现象。 从细观力学研究的角度出发，结合煤岩宏观的变形破坏特征，掌握含瓦斯煤岩 细观变形破坏的规律，可以为煤与瓦斯突出的有关问题给予更科学的解释，对 揭示煤与瓦斯突出机理及提出更加科学合理的防治技术具有重要的理论价值和 工程应用价值。

目前，针对岩土类材料的细观力学试验系统主要通过以下三种方式来实现： 一是利用计算机层析技术(CT)和岩石力学实验设备相结合的试验系统，如中 科院寒区旱区环境与工程研究所研制的岩土力学专用加载设备与X射线CT机配 套，可完成单轴、假三轴、周期载荷、高温、负温下的CT检测试验，但该系统 仪器设备昂贵，试验费用较高，同时对固-气耦合状态下的试验测试报道很少； 二是利用扫描电镜(SEM)和微加载装置相结合的试验系统，如中国矿业大学的 SEM高温疲劳实验系统，可进行金属、非金属材料在静、动态加载时微细观结构 变化和缺陷演化的实时观测，但受到SEM实验设备原理的限制，即加载只能在 真空状态下进行，所以无法进行固-气耦合状态下的试验；三是利用光学显微镜 和加载装置相结合的试验系统，如中科院武汉岩土力学研究所研制了岩石细观 力学加载仪，该仪器配装在光学体视显微镜下，可以观察岩样在单轴加载过程 中，四个平面变形破坏的全过程，同时，还研制了应力—水流—化学耦合的岩 石单轴、三轴压缩细观力学试验装置，但该装置对密封及压力要求不高，不能 进行固-气耦合状态的试验。

另外，针对含瓦斯煤岩的细观装置非常少见。仅有中国矿业大学何学秋教 授研制的含瓦斯煤变形及破裂动态显微观测系统，其加载装置为设置有观测窗 口的圆柱形压力缸，用5mm浮法玻璃做窗口材料，将圆柱形煤岩试件的一侧磨 成平面宽度约为10mm～15mm的平面，作为观测平面。观测系统采用长距离高倍 显微镜，可进行左右摆动。由于光学显微镜对观测面的要求较高，该装置采用 圆柱形试件，观测面范围较小，且显微镜只能进行左右摆动观测，致使观测范 围小，不能追踪特定裂纹的破坏过程和进行一定范围内的定量观测；其次，该 装置的气体压力较低，与矿山实际差异较大；而且，从现有的研究成果看，其 观测的可靠性还有待进一步提高。

此外，利用SEM和光学显微镜的观测系统，虽然能较好地反映试件表面的 细观结构变化，却不能反映试件内部的变化情况。然而，在岩土类材料的受力 破坏过程中，其内部将产生微破裂，同时原始的裂纹、裂隙不断扩展、断裂、 汇合贯通。对试验过程中试件的声发射信号进行监测，根据声发射信号的特征 可以推断出受力岩石内部的性态变化，反演出岩石的破坏机理及破坏程度。声 发射的特征参数(如振幅、频率等)可以反映微开裂的数量和裂纹的尺寸，同 时，还可以利用系统所带的软件对声发射进行定位，从而推断试件的动态损伤 情况。现有的试验系统大都是单一的采用动态显微观测或声发射监测，试验测 试手段单一。尤其是在含瓦斯煤岩细观力学试验中，动态显微观测和声发射实 时监测还不能结合在一起构成一套完整的含瓦斯煤岩细观力学系统。

实用新型内容