[发明专利]一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种含瓦斯煤循环摩擦‑瓦斯运移耦合实验装置及试验方法，通过结合分析采矿及岩石力学相关的现场实际情况，其通过带有凹槽夹持垫块与嵌套轴向加载油缸的设计，着重解决了装置密封困难的问题，使得煤岩循环摩擦与渗流问题的耦合分析得以实现。该装置主要包括含瓦斯煤循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，可实现煤岩体的循环摩擦滑移行为与瓦斯渗流同时进行，并利用数据实时采集系统对煤岩体循环摩擦剪切滑移状态及瓦斯运移特征进行数据监测、采集，从而可以实现煤岩循环滑移‑瓦斯渗流耦合特征的真实模拟，该试验装置可以有效地模拟断层构造或贯通裂隙的含瓦斯煤岩循环摩擦滑移现象，对研究滑移失稳诱发煤与瓦斯突出机理及煤炭安全开采与灾害防治有着重要意义。

技术领域

本发明涉及采矿及岩石力学领域，具体涉及一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法。

背景技术

在矿山开采过程中，由于断层或贯通裂隙等结构面的存在，在开采扰动下煤岩体常常会沿着这些结构面发生摩擦滑移现象，特别是在复杂的开采扰动条件下，这些结构面通常处于一种循环加载状态，循环剪切荷载作用下的煤岩体发生更为复杂的循环摩擦滑移行为，显著改变煤岩的力学性质并影响着煤岩结构体的稳定性。

瓦斯渗流一直是在煤炭资源科学开采过程中的重要问题，煤内部的瓦斯渗流特征是研究瓦斯动力灾害及瓦斯抽采等相关领域的基础内容。尤其是对于煤断层或者贯通裂隙这些弱力学性质的结构面，其在循环剪切载荷作用下的摩擦滑移行为(如断层活化滑移诱发突出)成为诱发煤岩动力灾害的主要因素，而在循环摩擦滑移过程中伴随着的瓦斯渗流使这一问题更为复杂。因此煤岩体循环摩擦滑移-瓦斯渗流耦合作用机制的研究具有重要意义。

在岩石力学相关研究中，岩石结构面或裂隙的摩擦现象又被称为节理剪切；目前已有部分学者采用煤岩体结构面开展循环节理剪切试验，但由于密封的困难，其并没有考虑气(流)体的作用；已有的“渗流-节理剪切”试验装置又仅能进行单一路径的剪切滑移，无法描述循环剪切滑移下煤岩样接触面破坏对摩擦滑移特征及渗流特性的作用。

综上所述，煤岩体的“循环摩擦-瓦斯渗流”耦合机制下的煤体摩擦滑移特征及渗透率演化的研究十分必要，但目前尚缺乏可有效描述煤岩“循环摩擦-瓦斯渗流”耦合特征的试验装置。因此，有必要克服现有的技术缺陷，设计一种可以描述煤岩体循环摩擦-瓦斯渗流耦合作用规律的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及其试验方法。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤岩循环摩擦-瓦斯渗流耦合试验装置及试验方法，包括煤岩循环摩擦系统、注气及加压系统以及数据实时采集系统，所述煤岩循环摩擦系统包括装置外壳体、第一轴向加载油缸、第二轴向加载油缸、密封橡胶膜、围压腔室、试验腔室、夹持垫块；所述的第一轴向加载油缸和第二轴向加载油缸都各有两个独立控制的油缸且分别位于装置两侧，其中第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸的内部；所述的试验腔室位于装置的正中央，所述的夹持垫块位于轴向加载油缸内侧端和试验腔室之间；所述的密封橡胶膜包裹着部分夹持垫块与试验腔室，并且密封橡胶膜与外壳体之间的空间为围压腔室；所述的注气及加压系统包括1个注气管路、1个围压加载油路和4个轴向加载油路；其中注气管路内部连通试验腔室，外接气泵；围压加载油路内部连通围压腔室，外接围压泵；轴向加载油路则包括第一轴向加载油路和第二轴向加载油路各2路；所述数据实时采集系统包括应力传感器、位移传感器、流量计和PC等。

所述的第二轴向加载油缸嵌套在第一轴向加载油缸内部，而第一轴向加载油缸靠近外侧一端为细长中空圆柱，靠试验腔室一端为侧“凹”型结构，并且第一轴向加载油缸侧“凹”型结构内底端与内部的第二轴向加载油缸内端部之间留有滑槽空间；第一轴向加载油缸外部与外壳体之间也设有滑槽空间，前述2个滑槽最大空间距离都相等。