專利名稱：一種含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含瓦斯煤巖的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，具體涉及不同瓦斯壓力 作用下，不同受力狀態(tài)下突出煤巖破裂全過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，以便采用 動(dòng)態(tài)顯微觀測、聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測等試驗(yàn)測試方法，對(duì)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(jìn)行細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)。
背景技術(shù)：
煤炭工業(yè)是我國十分重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其能否健康、穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展是 關(guān)系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(fā)，煤礦瓦斯災(zāi)害已嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè)的健康發(fā)展。隨著淺部或地質(zhì)條件 簡單、煤層賦存條件好的煤炭資源開采儲(chǔ)量日益枯竭，我國煤礦企業(yè)生產(chǎn)已逐 漸向深部或地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域轉(zhuǎn)移，研究煤與瓦斯共同作用機(jī)理，煤與瓦斯 在資源開采中的動(dòng)態(tài)作用過程，對(duì)我國及世界煤炭工業(yè)的發(fā)展，防治礦井煤與 瓦斯突出災(zāi)害，具有重要的技術(shù)支撐作用。當(dāng)前，在煤與瓦斯突出機(jī)理的研究 中，煤與瓦斯突出機(jī)理的綜合作用假說最具代表性，它強(qiáng)調(diào)煤與瓦斯突出是地 應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。其中，地應(yīng)力和瓦 斯壓力是突出發(fā)生與發(fā)展的動(dòng)力，煤體物理力學(xué)性質(zhì)則體現(xiàn)出阻礙突出的發(fā)生 和發(fā)展。目前，前兩方面的研究已經(jīng)比較深入，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的 效果。研究瓦斯作用下，煤體物理力學(xué)特性是揭示煤與瓦斯突出過程中煤與瓦
斯相互作用機(jī)理的重要途徑，已有的宏觀試驗(yàn)研究還有許多不能解釋的現(xiàn)象。 從細(xì)觀力學(xué)研究的角度出發(fā)，結(jié)合煤巖宏觀的變形破壞特征，掌握含瓦斯煤巖 細(xì)觀變形破壞的規(guī)律，可以為煤與瓦斯突出的有關(guān)問題給予更科學(xué)的解釋，對(duì) 揭示煤與瓦斯突出機(jī)理及提出更加科學(xué)合理的防治技術(shù)具有重要的理論價(jià)值和 工程應(yīng)用價(jià)值。
目前，針對(duì)巖土類材料的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)主要通過以下三種方式來實(shí)現(xiàn) 一是利用計(jì)算機(jī)層析技術(shù)(CT)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合的試驗(yàn)系統(tǒng)，如中
科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研制的巖土力學(xué)專用加載設(shè)備與X射線CT機(jī)配 套，可完成單軸、假三軸、周期載荷、高溫、負(fù)溫下的CT檢測試驗(yàn)，但該系統(tǒng) 儀器設(shè)備昂貴，試驗(yàn)費(fèi)用較高，同時(shí)對(duì)固-氣耦合狀態(tài)下的試驗(yàn)測試報(bào)道很少； 二是利用掃描電鏡(SEM)和微加載裝置相結(jié)合的試驗(yàn)系統(tǒng)，如中國礦業(yè)大學(xué)的 SEM高溫疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行金屬、非金屬材料在靜、動(dòng)態(tài)加載時(shí)微細(xì)觀結(jié)構(gòu) 變化和缺陷演化的實(shí)時(shí)觀測，但受到SEM實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理的限制，即加載只能在 真空狀態(tài)下進(jìn)行，所以無法進(jìn)行固-氣耦合狀態(tài)下的試驗(yàn)；三是利用光學(xué)顯微鏡 和加載裝置相結(jié)合的試驗(yàn)系統(tǒng)，如中科院武漢巖土力學(xué)研究所研制了巖石細(xì)觀 力學(xué)加載儀，該儀器配裝在光學(xué)體視顯微鏡下，可以觀察巖樣在單軸加載過程 中，四個(gè)平面變形破壞的全過程，同時(shí)，還研制了應(yīng)力一水流一化學(xué)耦合的巖 石單軸、三軸壓縮細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)裝置，但該裝置對(duì)密封及壓力要求不高，不能 進(jìn)行固-氣耦合狀態(tài)的試驗(yàn)。
另外，針對(duì)含瓦斯煤巖的細(xì)觀裝置非常少見。僅有中國礦業(yè)大學(xué)何學(xué)秋教 授研制的含瓦斯煤變形及破裂動(dòng)態(tài)顯微觀測系統(tǒng)，其加載裝置為設(shè)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(cè)磨 成平面寬度約為10mm 15mm的平面，作為觀測平面。觀測系統(tǒng)采用長距離高倍 顯微鏡，可進(jìn)行左右擺動(dòng)。由于光學(xué)顯微鏡對(duì)觀測面的要求較高，該裝置采用 圓柱形試件，觀測面范圍較小，且顯微鏡只能進(jìn)行左右擺動(dòng)觀測，致使觀測范 圍小，不能追蹤特定裂紋的破壞過程和進(jìn)行一定范圍內(nèi)的定量觀測；其次，該 裝置的氣體壓力較低，與礦山實(shí)際差異較大；而且，從現(xiàn)有的研究成果看，其 觀測的可靠性還有待進(jìn)一步提高。
此外，利用SEM和光學(xué)顯微鏡的觀測系統(tǒng)，雖然能較好地反映試件表面的 細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，卻不能反映試件內(nèi)部的變化情況。然而，在巖土類材料的受力 破壞過程中，其內(nèi)部將產(chǎn)生微破裂，同時(shí)原始的裂紋、裂隙不斷擴(kuò)展、斷裂、 匯合貫通。對(duì)試驗(yàn)過程中試件的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特征 可以推斷出受力巖石內(nèi)部的性態(tài)變化，反演出巖石的破壞機(jī)理及破壞程度。聲 發(fā)射的特征參數(shù)(如振幅、頻率等)可以反映微開裂的數(shù)量和裂紋的尺寸，同 時(shí)，還可以利用系統(tǒng)所帶的軟件對(duì)聲發(fā)射進(jìn)行定位，從而推斷試件的動(dòng)態(tài)損傷 情況?，F(xiàn)有的試驗(yàn)系統(tǒng)大都是單一的采用動(dòng)態(tài)顯微觀測或聲發(fā)射監(jiān)測，試驗(yàn)測 試手段單一。尤其是在含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)顯微觀測和聲發(fā)射實(shí) 時(shí)監(jiān)測還不能結(jié)合在一起構(gòu)成一套完整的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)， 以便進(jìn)行不同瓦斯壓力作用、不同受力狀態(tài)下的煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)，并采用動(dòng) 態(tài)顯微觀測和聲發(fā)射監(jiān)測兩種手段獲得試件表面裂紋的實(shí)時(shí)變化圖像和反映試 件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演化過程的聲發(fā)射特征。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)體上 開設(shè)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(shè)置三維移動(dòng)顯微觀測架，該三維移動(dòng)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(huán)形燈，遠(yuǎn)離透 明視鏡的一端安裝CCD攝像機(jī)；在所述測量孔內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線，該測量導(dǎo)線的 內(nèi)端位于測試腔中，并連接有聲發(fā)射傳感器，測量導(dǎo)線的外端從實(shí)驗(yàn)體的側(cè)面 引出，并與聲發(fā)射放大器的輸入端連接，聲發(fā)射放大器的輸出端與聲發(fā)射卡相
接；所述多用氣孔的內(nèi)端口位于測試腔的內(nèi)壁，多用氣孔的外端口在實(shí)驗(yàn)體的
側(cè)面，從該外端口處引出的氣管分為兩路， 一路依次串聯(lián)瓦斯控制閥、減壓閥
后，與高壓氣瓶相接，另一路串聯(lián)真空控制閥后，與真空泵相接；在所述測試 腔內(nèi)設(shè)置有墊塊、限位壓頭和加載頭，其中墊塊的上部開設(shè)有"L"形缺口，該 "L"形缺口的縱向面正對(duì)限位壓頭，限位壓頭固定于限位桿的內(nèi)端，限位桿的 外端伸出實(shí)驗(yàn)體外，并由鎖緊機(jī)構(gòu)限位，所述"L"形缺口的橫向面正對(duì)加載頭， 該加載頭固定于加載桿的下端，所述加載桿的上端向上伸出實(shí)驗(yàn)體外。
本發(fā)明中，測試腔是試驗(yàn)進(jìn)行的場所，用于放置試件；測試腔內(nèi)有墊塊和 限位壓頭，可限制試件側(cè)向位移。加載桿由巖石剛性試驗(yàn)機(jī)施加壓力，巖石剛 性試驗(yàn)機(jī)可提供多種加載方式，包括位移加載和應(yīng)力加載，同時(shí)自動(dòng)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(shè)備 連接，另一路與外界高壓供氣設(shè)備連接，以便在試驗(yàn)前對(duì)測試腔進(jìn)行抽真空和 充瓦斯操作，抽真空后需達(dá)到一定的真空度，充瓦斯后能保持一定的瓦斯壓力。 聲發(fā)射傳感器通過測量導(dǎo)線將生發(fā)射信號(hào)傳遞到聲發(fā)射放大器，并通過聲發(fā)射 放大器將信號(hào)放大后，傳遞給聲發(fā)射卡，最后由計(jì)算機(jī)內(nèi)的采集分析軟件從聲 發(fā)射卡處得到聲發(fā)射信號(hào)。透明視鏡為整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)顯微觀測，并實(shí)現(xiàn)光學(xué) 放大；體視顯微鏡在三維移動(dòng)顯微觀測架的作用下，可相對(duì)于透明視鏡做上下、
左右和前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多角度全方位觀察。CCD攝像機(jī)安裝在體視顯微鏡的目 鏡處，可實(shí)現(xiàn)圖像采集、拍照、攝像和電子放大功能并與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 處理和圖像處理。
上述三維移動(dòng)顯微觀測架具有一個(gè)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桿副連接，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(cè)安裝垂直燕尾槽拖板，兩者之間
通過垂直絲桿副連接，在所述垂直燕尾槽拖板的外側(cè)面固定支座，該支座上安
裝支撐軸，所述支撐軸呈前后方向水平布置，且支撐軸上套裝一級(jí)顯微鏡支架，
該一級(jí)顯微鏡支架由徑向上穿設(shè)的粗調(diào)旋鈕頂緊，在一級(jí)顯微鏡支架上安裝二
級(jí)顯微鏡支架，二級(jí)顯微鏡支架能相對(duì)一級(jí)顯微鏡支架前后移動(dòng)，在所述二級(jí)
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(zhuǎn)動(dòng)水平絲桿驅(qū)動(dòng)水平燕尾槽拖板在水平方向左右移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)體
視顯微鏡在水平面內(nèi)的橫向左右移動(dòng)；通過轉(zhuǎn)動(dòng)垂直絲桿驅(qū)動(dòng)垂直燕尾槽拖板
在垂直方向上下移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡在垂直面內(nèi)的豎向上下移動(dòng)；通過
粗調(diào)旋鈕調(diào)整一級(jí)顯微鏡支架在支撐軸上的位置，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡在水平
面內(nèi)的縱向前后大尺度移動(dòng)； 一級(jí)顯微鏡支架能繞支撐軸360度旋轉(zhuǎn)，可以改
變體視顯微鏡在軸向上的位置，擴(kuò)大觀察范圍，實(shí)現(xiàn)了多角度觀察；二級(jí)顯微
鏡支架能相對(duì)一級(jí)顯微鏡支架做前后微小移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡在水平面
內(nèi)的縱向前后小尺度移動(dòng)。體視顯微鏡和CCD攝像機(jī)在三維移動(dòng)顯微觀測架的
作用下，可以對(duì)一個(gè)平面場進(jìn)行定量實(shí)時(shí)觀測并拍攝圖像，能完整記錄試件裂
紋在不同階段的擴(kuò)展情況和最后的破壞狀態(tài)；拍攝功能可以回放整個(gè)試驗(yàn)過程，
更有利于深入研究試件裂紋形成、發(fā)展過程；具有測量裂紋長度及試件的微觀 結(jié)構(gòu)的功能。
為了防止二級(jí)顯微鏡支架相對(duì)于一級(jí)顯微鏡支架發(fā)生左右晃動(dòng)，并保證二 級(jí)顯微鏡支架前后微小移動(dòng)的可靠性，上述二級(jí)顯微鏡支架的底部具有燕尾形 導(dǎo)條，該導(dǎo)條嵌入一級(jí)顯微鏡支架頂部對(duì)應(yīng)的燕尾槽中，在一級(jí)顯微鏡支架內(nèi) 安裝齒輪，該齒輪與導(dǎo)條底面設(shè)置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出 一級(jí)顯微鏡支架的兩側(cè)面，并分別安裝微調(diào)旋鈕。
在上述水平燕尾槽底座正面的上部固定有水平標(biāo)尺，水平燕尾槽拖板上設(shè) 有與該水平標(biāo)尺相對(duì)應(yīng)的指針；在所述垂直燕尾槽底座正面的中部固定有垂直 標(biāo)尺，垂直燕尾槽拖板上設(shè)有與該垂直標(biāo)尺相對(duì)應(yīng)的指針。指針與水平標(biāo)尺配 合，可以確定水平燕尾槽拖板的水平移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)水平方向定量移動(dòng)；指針 與垂直標(biāo)尺配合，可以確定垂直燕尾槽拖板的垂直移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)垂直方向的 定量移動(dòng)。
在上述水平燕尾槽底座底部的四個(gè)角處均裝有腳螺旋，在支座上部的平臺(tái) 上安裝氣泡水平儀。通過調(diào)節(jié)腳螺旋和觀察氣泡水平儀，可以調(diào)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(jī)構(gòu)由剛性鎖緊立柱、鎖緊梁和鎖緊螺母構(gòu)成，兩根剛性鎖緊立 柱垂直固定于實(shí)驗(yàn)體的側(cè)面，并分居在限位桿的上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立 柱上活套鎖緊梁，該鎖緊梁內(nèi)表面的中部對(duì)限位桿外端固套的預(yù)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(jī)構(gòu)和限位桿及限位壓頭是為模擬平面應(yīng)變受力狀況而設(shè)計(jì)的，調(diào)節(jié)兩個(gè)鎖
緊螺母，使鎖緊梁朝著實(shí)驗(yàn)體的方向運(yùn)動(dòng)，鎖緊梁將限位桿及限位壓頭向內(nèi)頂， 從而使試件側(cè)面受到一定限位作用力。以上機(jī)構(gòu)不僅簡單實(shí)用，而且可靠性好。
為了便于加工及裝配，上述測試腔為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺(tái)階狀，所述 墊塊、限位壓頭和加載頭位于測試腔的小直徑段內(nèi)，而透明視鏡和壓蓋位于測 試腔的大直徑段內(nèi)。
為了使墊塊放置到測試腔內(nèi)定位方便、穩(wěn)定，上述墊塊與測試腔的腔壁采 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，并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(huán)形，壓蓋設(shè)置在透明視鏡的外邊緣上，并通過圓周上均勻分布的螺釘與實(shí) 驗(yàn)體固定。
上述透明視鏡與實(shí)驗(yàn)體之間通過O型密封圈密封；加載桿與實(shí)驗(yàn)體之間采 用O型密封圈和兩個(gè)Yx型密封圈構(gòu)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(shí)驗(yàn)體上；所述限位桿和實(shí)驗(yàn)體之間的密封方 式與加載桿相同。以上設(shè)計(jì)能確保測試腔在抽真空(負(fù)壓)和充瓦斯氣體(正 壓)情況下均具有良好的氣密性。
本發(fā)明的有益效果是
1、 可進(jìn)行單軸、平面應(yīng)變狀態(tài)下的加載試驗(yàn)，試件的安裝、調(diào)試均很方便。
2、 高壓密封的獨(dú)立氣路使氣體壓力可達(dá)到2.5Mpa，能夠提供固-氣耦合要 求的試驗(yàn)條件。
3、 可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測試件受力過程中聲發(fā)射變化特征，同時(shí)還可以進(jìn)行聲發(fā)射 定位，有效地彌補(bǔ)了光學(xué)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(jī)能夠完整記錄試件裂紋在不同階段的擴(kuò)展
情況和最后的破壞狀態(tài)；拍攝功能可以回放整個(gè)試驗(yàn)過程，有利于深入研究試
件的破裂形成機(jī)理；具有測量裂紋長度及試件的微觀結(jié)構(gòu)的功能。
5、 體視顯微鏡和CCD攝像機(jī)能夠全方位移動(dòng)，不僅觀測范圍廣，而且能夠
追蹤特定裂紋的破壞過程和進(jìn)行一定范圍內(nèi)的定量觀測。
6、 動(dòng)態(tài)顯微觀測和聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合，為全面揭示瓦斯作用下煤巖細(xì) 觀結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，深入研究含瓦斯煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，科學(xué)揭示煤巖動(dòng)力現(xiàn)象 的發(fā)生機(jī)理和開發(fā)相應(yīng)的災(zāi)害防治技術(shù)提供了更全面、可靠的試驗(yàn)手段。
7、 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可靠性好，能夠?qū)﹂L方體、圓柱體等多種 形狀的試件進(jìn)行試驗(yàn)，適用面廣。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)體及其內(nèi)部件、周邊件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為本發(fā)明中三維移動(dòng)顯微觀測架的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為圖4中體視顯微鏡的右視圖。
圖6為本發(fā)明中三維移動(dòng)顯微觀測架的主視圖。圖中1-實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線，8-氣管，9-墊塊，10-限位壓頭，11-加載頭，12-加載桿，13-剛性鎖緊立柱，14-鎖緊梁， 15-鎖緊螺母，16-預(yù)緊螺母，17-0型密封圈，18-Yx型密封圈，19-小蓋，20-試件，21-限位桿，22-體視顯微鏡，23-環(huán)形燈，24 -CCD攝像機(jī)，25-聲發(fā)射 傳感器，26-聲發(fā)射放大器，27-聲發(fā)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(jí)顯微 鏡支架，40-粗調(diào)旋鈕，41-二級(jí)顯微鏡支架，42-微調(diào)旋鈕，43-水平標(biāo)尺，44-垂直標(biāo)尺，45-腳螺旋，46氣泡水平儀，47-巖石剛性試驗(yàn)機(jī)，48-采集分析軟件， 49-高精度壓力表，50-真空壓力表，51-水平絲桿，52-垂直絲桿。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
如圖1、圖2和圖3所示，實(shí)驗(yàn)體1為長方體結(jié)構(gòu)，放置在巖石剛性試驗(yàn)機(jī) 47上，在實(shí)驗(yàn)體1上開設(shè)有測試腔2，該測試腔2的開口位于實(shí)驗(yàn)體l的正面， 測試腔2為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺(tái)階狀。透明視鏡6和壓蓋5位于測試腔2 的敞口處即大直徑段內(nèi)，其中透明視鏡6為圓盤形，透明視鏡6的內(nèi)表面由測 試腔2內(nèi)的臺(tái)階面限位，透明視鏡6與實(shí)驗(yàn)體1之間通過0型密封圈密封，壓 蓋5為圓環(huán)形，壓蓋5蓋在透明視鏡6的外邊緣上，并通過圓周上均勻布置的 螺釘與實(shí)驗(yàn)體1固定。所述透明視鏡6為整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cè)開設(shè)有測量孔3和多用氣孔4， 測量孔3位于多用氣孔4的上方，測量孔3的內(nèi)端口位于測試腔2的內(nèi)壁，測 量孔3的外端口在實(shí)驗(yàn)體1的右側(cè)面。在所述測量孔3內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線7，該測 量導(dǎo)線7的內(nèi)端位于測試腔2中，并連接有聲發(fā)射傳感器25，測量導(dǎo)線7的外 端穿過測量孔3內(nèi)設(shè)置的密封件，并從實(shí)驗(yàn)體1的右側(cè)面引出，然后與聲發(fā)射 放大器26的輸入端連接，聲發(fā)射放大器26的輸出端與聲發(fā)射卡27相接，發(fā)射 卡27向計(jì)算機(jī)內(nèi)的采集分析軟件48傳遞聲發(fā)射信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試件破壞的全 面測量。所述多用氣孔4的內(nèi)端口位于測試腔2的內(nèi)壁，多用氣孔4的外端口
在實(shí)驗(yàn)體1的右側(cè)面，且外端口處連接有氣管8，該氣管8引出的氣管分成兩路，
一路依次串聯(lián)瓦斯控制閥28、減壓閥29后，與高壓氣瓶30相接，另一路串聯(lián) 真空控制閥31后，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(jìn)一步可知，在所述測試腔2的小直徑段內(nèi)設(shè)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(shè)有"L"形缺口，該"L"形缺口的橫向面正對(duì)加載頭11，該加載頭11固定于 豎直布置的加載桿12的下端，加載桿12的上端向上伸出實(shí)驗(yàn)體1的上表面外， 加載桿12的加載方式由巖石剛性試驗(yàn)機(jī)控制，巖石剛性試驗(yàn)機(jī)為公知公用技術(shù)， 其結(jié)構(gòu)及原理在此不做贅述。所述實(shí)驗(yàn)體1上供加載桿12穿設(shè)的孔的上端為臺(tái) 階狀，且臺(tái)階段內(nèi)設(shè)置有O型密封圈17和兩個(gè)Yx型密封圈18構(gòu)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(duì)加載桿12和實(shí)驗(yàn)體1之間進(jìn)行 密封，小蓋19通過螺釘固定在實(shí)驗(yàn)體1上，對(duì)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(duì)限位壓頭 10，限位壓頭10固定于水平布置的限位桿21的內(nèi)端，限位桿21的外端伸出實(shí) 驗(yàn)體1的左側(cè)面外，且外端的端部套裝預(yù)緊螺母16。兩根剛性鎖緊立柱13垂直 固定于實(shí)驗(yàn)體l的左側(cè)面，并分居在限位桿21的上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立 柱13上活套鎖緊梁14，該鎖緊梁14內(nèi)表面的中部對(duì)限位桿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(shí)驗(yàn)體1上供限位桿21穿設(shè)的孔的外端為臺(tái)階狀，且臺(tái)階段內(nèi)安裝有O型密封圈和兩個(gè)YX型密封圈構(gòu)成的組合密封件，組合密封件的外面有小蓋，組合
密封件套于限位桿21上，對(duì)限位桿21和試驗(yàn)體1之間進(jìn)行密封，小蓋通過螺
釘固定在試驗(yàn)體l上，對(duì)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(shè)置三維移動(dòng)顯微觀測架， 該三維移動(dòng)顯微觀測架具有一個(gè)水平燕尾槽底座33，在水平燕尾槽底座33底部 的四個(gè)角處均裝有腳螺旋45，以便調(diào)整水平燕尾槽底座33的水平度。在水平燕 尾槽底座33內(nèi)的上部安裝水平絲桿51，該水平絲桿51呈左右方向水平布置， 在水平絲桿51的外端裝有帶手柄的轉(zhuǎn)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 桿51上，兩者螺紋配合，轉(zhuǎn)動(dòng)水平絲桿51可以驅(qū)動(dòng)水平燕尾槽拖板34在水平 方向左右移動(dòng)。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(biāo)尺43， 水平燕尾槽拖板34上設(shè)有與該水平標(biāo)尺43相對(duì)應(yīng)的指針，指針與水平標(biāo)尺43 配合，可以確定水平燕尾槽拖板34的水平移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)水平方向定量移動(dòng)。 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(nèi)的中部安裝垂直絲桿52，該垂直絲桿52呈 上下方向豎直布置，在垂直絲桿52的上端裝有帶手柄的轉(zhuǎn)盤。垂直燕尾槽拖板 36位于垂直燕尾槽底座35的右側(cè)，該垂直燕尾槽拖板36上的螺母套裝在垂直 絲桿52上，兩者螺紋配合，轉(zhuǎn)動(dòng)垂直絲桿52可以驅(qū)動(dòng)垂直燕尾槽拖板36在垂 直方向上下移動(dòng)。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(biāo) 尺44，垂直燕尾槽拖板36上設(shè)有與該垂直標(biāo)尺44相對(duì)應(yīng)的指針，指針與垂直 標(biāo)尺44配合，可以確定垂直燕尾槽拖板36的垂直移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)垂直方向的 定量移動(dòng)。
如圖l、圖4和圖5所示，在垂直燕尾槽拖板36的右側(cè)通過螺釘固定支座 37，該支座37上部的平臺(tái)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呈前后方向水平布置，且支撐軸38上套裝一級(jí)顯微鏡支架39，該一級(jí)顯 微鏡支架39由徑向上穿設(shè)的粗調(diào)旋鈕40頂緊。在一級(jí)顯微鏡支架39上安裝二 級(jí)顯微鏡支架41， 二級(jí)顯微鏡支架41的底部具有燕尾形導(dǎo)條，該導(dǎo)條嵌入一級(jí) 顯微鏡支架39頂部對(duì)應(yīng)的燕尾槽中，在一級(jí)顯微鏡支架39內(nèi)安裝齒輪，該齒 輪與導(dǎo)條底面設(shè)置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出一級(jí)顯微鏡支架 39的兩側(cè)面，并分別安裝微調(diào)旋鈕42。在所述二級(jí)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(shí)現(xiàn)光學(xué)放 大。在體視顯微鏡22的前部裝有環(huán)形燈23，體視顯微鏡22后端的目鏡處安裝 CCD攝像機(jī)24， CCD攝像機(jī)24由二級(jí)顯微鏡支架41支撐，實(shí)現(xiàn)圖像采集、拍
照、攝像和電子放大功能，并與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和圖像處理。
本發(fā)明中體視顯微鏡22在空間上具有多個(gè)自由度，g卩通過轉(zhuǎn)動(dòng)水平絲桿 51驅(qū)動(dòng)水平燕尾槽拖板34在水平方向左右移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡22在水 平面內(nèi)的橫向左右移動(dòng)；通過轉(zhuǎn)動(dòng)垂直絲桿52驅(qū)動(dòng)垂直燕尾槽拖板36在垂直 方向上下移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡22在垂直面內(nèi)的豎向上下移動(dòng)；通過粗調(diào) 旋鈕40調(diào)整-一級(jí)顯微鏡支架39在支撐軸38上的位置，可以實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡22 在水平面內(nèi)的縱向前后大尺度移動(dòng)； 一級(jí)顯微鏡支架39能繞支撐軸38進(jìn)行360 度旋轉(zhuǎn)，可以改變體視顯微鏡22在周向上的位置，實(shí)現(xiàn)多角度觀察；通過微調(diào) 旋鈕42驅(qū)動(dòng)二級(jí)顯微鏡支架41相對(duì)一級(jí)顯微鏡支架39做前后微小移動(dòng)，可以 實(shí)現(xiàn)體視顯微鏡22在水平面內(nèi)的縱向前后小尺度移動(dòng)。
本發(fā)明是這樣工作的
1、 先將壓蓋5和透明視鏡6拆下，將聲發(fā)射傳感器25固定在試件20的非 觀測面，然后把煤巖試件20放置于墊塊9"L"形缺口的橫向面上，調(diào)節(jié)兩個(gè)鎖 緊螺母15，使鎖緊梁14朝著實(shí)驗(yàn)體1的方向運(yùn)動(dòng)，鎖緊梁14將限位桿21及限 位壓頭10向內(nèi)頂，從而使試件20側(cè)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(shí)瓦斯控制閥28和減壓閥29處于 關(guān)閉狀態(tài))，在真空泵32的作用下，通過氣管8及多用氣孔4對(duì)測試腔2進(jìn)行 抽真空，真空壓力表50顯示氣壓狀態(tài)，達(dá)到一定真空度后，關(guān)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(shí)真空控制閥31處于關(guān)閉狀態(tài))， 高壓氣瓶30內(nèi)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(nèi)，高精度壓力表49顯示瓦斯壓力狀態(tài)，達(dá)到一定壓力 后，穩(wěn)定測試腔內(nèi)瓦斯壓力，使試件充分吸附瓦斯。
4、 開啟試驗(yàn)機(jī)和測量儀器，試驗(yàn)機(jī)通過加載桿12和加載頭11將壓力傳遞 到試件20上，進(jìn)行瓦斯壓力作用下的煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)。聲發(fā)射傳感器25通
過測量導(dǎo)線7傳遞聲發(fā)射信號(hào)至聲發(fā)射放大器，并通過聲發(fā)射放大器26將信號(hào) 放大后，傳遞給聲發(fā)射卡27，最后由計(jì)算機(jī)內(nèi)的采集分析軟件48從聲發(fā)射卡
27處得到聲發(fā)射信號(hào)；通過三維移動(dòng)顯微觀測架調(diào)整體視顯微鏡22，使物鏡對(duì) 準(zhǔn)所需要觀測的試驗(yàn)中試件表面，以達(dá)到最佳的觀測效果，試驗(yàn)開始前期，使 用小倍數(shù)的大范圍觀測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，移動(dòng)水平和垂直燕尾槽拖板，使裂紋尖端位于物鏡視場中間，再通過粗調(diào)和微調(diào)旋鈕調(diào)整物距，增加放大倍數(shù)，進(jìn) 入細(xì)觀觀測階段，同時(shí)拍攝裂紋的發(fā)展和捕捉圖片。
權(quán)利要求
1、一種含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于在實(shí)驗(yàn)體(1)上開設(shè)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(shè)置三維移動(dòng)顯微觀測架，該三維移動(dòng)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(huán)形燈(23)，遠(yuǎn)離透明視鏡(6)的一端安裝CCD攝像機(jī)(24)；在所述測量孔(3)內(nèi)穿設(shè)測量導(dǎo)線(7)，該測量導(dǎo)線(7)的內(nèi)端位于測試腔(2)中，并連接有聲發(fā)射傳感器(25)，測量導(dǎo)線(7)的外端從實(shí)驗(yàn)體(1)的側(cè)面引出，并與聲發(fā)射放大器(26)的輸入端連接，聲發(fā)射放大器(26)的輸出端與聲發(fā)射卡(27)相接；所述多用氣孔(4)的內(nèi)端口位于測試腔(2)的內(nèi)壁，多用氣孔(4)的外端口在實(shí)驗(yàn)體(1)的側(cè)面，從該外端口處引出的氣管(8)分為兩路，一路依次串聯(lián)瓦斯控制閥(28)、減壓閥(29)后，與高壓氣瓶(30)相接，另一路串聯(lián)真空控制閥(31)后，與真空泵(32)相接；在所述測試腔(2)內(nèi)設(shè)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(shè)有“L”形缺口，該“L”形缺口的縱向面正對(duì)限位壓頭(10)，限位壓頭(10)固定于限位桿(21)的內(nèi)端，限位桿(21)的外端伸出實(shí)驗(yàn)體(1)外，并由鎖緊機(jī)構(gòu)限位，所述“L”形缺口的橫向面正對(duì)加載頭(11)，該加載頭(11)固定于加載桿(12)的下端，所述加載桿(12)的上端向上伸出實(shí)驗(yàn)體(1)外。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所 述三維移動(dòng)顯微觀測架具有一個(gè)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桿副連接，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(cè)安裝垂 直燕尾槽拖板(36)，兩者之間通過垂直絲桿副連接，在所述垂直燕尾槽拖板(36) 的外側(cè)面固定支座(37)，該支座(37)上安裝支撐軸(38)，所述支撐軸(38) 呈前后方向水平布置，且支撐軸(38)上套裝一級(jí)顯微鏡支架(39)，該一級(jí)顯 微鏡支架(39)由徑向上穿設(shè)的粗調(diào)旋鈕(40)頂緊，在一級(jí)顯微鏡支架(39) 上安裝二級(jí)顯微鏡支架(41)， 二級(jí)顯微鏡支架(41)能相對(duì)一級(jí)顯微鏡支架(39) 前后移動(dòng)，在所述二級(jí)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(jù)權(quán)利要求2所述的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所 述二級(jí)顯微鏡支架(41)的底部具有燕尾形導(dǎo)條，該導(dǎo)條嵌入一級(jí)顯微鏡支架(39)頂部對(duì)應(yīng)的燕尾槽中，在一級(jí)顯微鏡支架(39)內(nèi)安裝齒輪，該齒輪與 導(dǎo)條底面設(shè)置的齒條相嚙合，所述齒輪安裝軸的兩端伸出一級(jí)顯微鏡支架(39) 的兩側(cè)面，并分別安裝微調(diào)旋鈕(42)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于: 在所述水平燕尾槽底座(33)正面的上部固定有水平標(biāo)尺(43)，水平燕尾槽拖 板(34)上設(shè)有與該水平標(biāo)尺(43)相對(duì)應(yīng)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(biāo)尺(44)，垂直燕尾槽拖板(36)上設(shè)有與該垂直標(biāo)尺(44)相對(duì)應(yīng)的指針。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于在 所述水平燕尾槽底座(33)底部的四個(gè)角處均裝有腳螺旋(45)，在支座(37) 上部的平臺(tái)上安裝有氣泡水平儀(46)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所 述鎖緊機(jī)構(gòu)由剛性鎖緊立柱(13)、鎖緊梁(14)和鎖緊螺母(15)構(gòu)成，兩根剛性鎖緊立柱(13)垂直固定于實(shí)驗(yàn)體(1)的側(cè)面，并分居在限位桿(21)的 上、下兩側(cè)，在兩剛性鎖緊立柱(13)上活套鎖緊梁(14)，該鎖緊梁(14)內(nèi) 表面的中部對(duì)限位桿(21)外端固套的預(yù)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(jù)權(quán)利要求1或6所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在 于所述測試腔(2)為圓形，并呈內(nèi)小外大的臺(tái)階狀，所述墊塊(9)、限位壓 頭(10)和加載頭(11)位于測試腔(2)的小直徑段內(nèi)，而透明視鏡(6)和 壓蓋(5)位于測試腔(2)的大直徑段內(nèi)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于 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(jù)權(quán)利要求7所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于 所述透明視鏡(6)為圓盤形，壓蓋(5)為圓環(huán)形，壓蓋(5)設(shè)置在透明視鏡(6)的外邊緣上，并通過圓周上均勻分布的螺釘與實(shí)驗(yàn)體(1)固定。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的煤巖固氣耦合細(xì)觀力學(xué)加載裝置，其特征在于 所述透明視鏡(6)與實(shí)驗(yàn)體(1)之間通過O型密封圈密封，加載桿(12)與 實(shí)驗(yàn)體(1)之間采用O型密封圈(17)和兩個(gè)Yx型密封圈(18)構(gòu)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(shí)驗(yàn)體(1)上；所述限位桿(21)和實(shí)驗(yàn)體(1)之間的密封方式與加載桿(12)相同。
全文摘要
一種含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，在測試腔的敞口處固定透明視鏡，透明視鏡外設(shè)置三維移動(dòng)顯微觀測架，該三維移動(dòng)顯微觀測架上安裝體視顯微鏡及CCD攝像機(jī)；測量導(dǎo)線的內(nèi)端連接聲發(fā)射傳感器，外端與聲發(fā)射放大器和聲發(fā)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(nèi)設(shè)置有墊塊、限位壓頭和加載頭，墊塊“L”形缺口的縱向面正對(duì)限位壓頭，墊塊“L”形缺口的橫向面正對(duì)加載頭。本發(fā)明為揭示瓦斯作用下煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，進(jìn)一步深入了解含瓦斯煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，科學(xué)揭示煤巖動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和開發(fā)相應(yīng)的災(zāi)害防治技術(shù)提供了更全面、可靠的試驗(yàn)手段。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101354355SQ20081007016
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者劉延保, 張立強(qiáng), 曹樹剛, 勇 李, 軍 王, 王維忠 申請人:重慶大學(xué)