[发明专利]含瓦斯煤岩试样纵波测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种含瓦斯煤岩试样纵波测试装置。

背景技术

以CH4为主的瓦斯气体是煤层生成过程的伴生产物，我国所有煤层均含有瓦斯。煤体本身是多孔介质，对瓦斯等气体具有较强的吸附性，在一定条件下可以吸附超过自身几十倍体积的瓦斯气体，因此，煤体含有瓦斯后其物理力学性质会有所改变。对于含瓦斯后煤体的静态力学特征，已有较多的研究，而含瓦斯煤的动态力学特征研究较少，主要是测度动态含瓦斯煤力学特征设备和条件需要特殊设计和加工。

在岩体中传播的弹性波大致可分为两类，一类是在岩体内部传播的体波，另一类是仅仅沿着岩体表面传递的面波。而体波又可分为两类，一类是质点振动方向与波传播方向一致的波称为纵波（又称压力波或P波），它产生压缩或拉伸变形；另一类是质点振动方向与波传播方向垂直的波，称为横波（又称拉力波或S波），它产生剪切变形。弹性波在煤、岩介质中的传播特征可以反应煤岩介质的物理力学特征，并可以计算动态力学参数，在不含瓦斯条件下，煤岩介质的弹性波传播特征可以直接由声波测试仪测试。含瓦斯煤要置于一定的瓦斯气体压力环境下，因此，需要将煤样放置在一个密封的容器中，如要对含瓦斯煤样进行声波测试则需要重新设计一套测试设置。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能够对含瓦斯煤样进行弹性波测试、并且能够对加载过程中的含瓦斯煤样进行弹性波测试的含瓦斯煤岩试样纵波测试装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：含瓦斯煤岩试样纵波测试装置，包括煤-气耦合单元、气源单元、声波检测单元和排气单元；

煤-气耦合单元包括底盘，底盘上设有压力缸，压力缸内装有试样，压力缸下部设有进气连接头，压力缸上部设有数据线穿孔，压力缸顶部设有出气连接头；

气源单元包括高压气瓶、高压气瓶的出气口与压力缸上的进气连接头之间通过进气管连接，进气管上沿气流方向顺次设有气瓶阀门、减压阀和第一截止阀；

声波检测单元包括控制计算机、超声采集仪和声波传感器，声波传感器设有两个，两个声波传感器设在压力缸内并分别与试样的上端和下端接触，超声采集仪的信号输入端和信号输出端分别通过数据信号线与声波传感器和控制计算机连接；

排气单元包括真空泵，真空泵的抽气口与压力缸的出气连接头通过抽气管连接，抽气管上设有第二截止阀和负压表。

所述压力缸包括设在底盘上的底座、设在底座上的缸体和设在缸体上端的密封盖，缸体上端和密封盖的下端的外部均设有外螺纹，缸体与密封盖之间通过具有内螺纹的套管同轴向连接，进气连接头和数据线穿孔设在缸体上，出气连接头设在密封盖上，密封盖顶部中央设有可沿密封盖轴向方向移动的加载压头，加载压头上端设有密封盖把手，密封盖下端外周和缸体上端外周分别与套管内壁之间设有密封圈，缸体底部设有下压头，缸体上部设有上压头，试样设在上压头和下压头之间，上压头底部和下压头底部分别设有用于放置声波传感器的槽孔，上压头侧部和下压头侧部分别设有用于穿设与声波传感器连接的数据信号线的凹槽，上压头侧部连接有用于监测上压头向下移动的位移传感器，缸体外部设有缸体把手。

采用上述技术方案，煤-气耦合单元是本发明的核心部件，其主要功能是使煤样吸附高压瓦斯，在煤样上下两端安装声波传感器，同时能够对吸附瓦斯的试样进行加载。气源单元的主要功能是按实验要求稳定的给煤-气耦合单元供气。声波检测单元主要由超声波采集仪和控制计算机组成，主要用于对含瓦斯进行声波传播特征检测。排气单元主要功能是给原始煤样抽真空及实验完成后排除瓦斯气体。

测试含瓦斯煤样的难点在于，需要将煤样置于密闭的高压容器内，然后充入高压瓦斯气体，检测容器内煤样的声波信号，并且能够对煤样进行加载破坏，以得到含瓦斯煤样加载破坏过程中声波信号变化情况。本发明具体工作原理及试验步骤如下：

第一步，煤样安装：将加工好的标准试样两端涂上黄油，使其能够与声波传感器耦合。两个声波传感器分别放入上压头和下压头的槽孔中，数据线信号线通过凹槽引出。用胶带将试样两端分别与上压头、下压头粘在一起，分别在槽孔中塞入泡沫塑料等软材料以使声波传感器能够贴紧试样。将粘在一起的试样、上压头、下压头放入缸体内，手拎密封盖把手将密封盖放到缸体上，然后把套管旋转在缸体和密封盖上，声波传感器的数据信号线通过缸体上的数据线穿孔引出缸体，连接到超声采集仪上，并通过控制计算机来发出采集指令，存储声波数据。连接好以后测试原始试样的声波，检查设备运行情况，并将数据存储。