本發(fā)明涉及一種通過液壓加壓測定煤樣孔裂隙的裝置及方法，屬于煤炭開采技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前我國煤炭開采已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，隨著開采深度的增加，地質(zhì)環(huán)境愈加復(fù)雜，面臨著愈加嚴(yán)重的安全問題，特別是地應(yīng)力對煤炭的影響已經(jīng)嚴(yán)重威脅到開采生產(chǎn)中的安全。因此，研究應(yīng)力對煤孔裂隙的影響意義重大。

傳統(tǒng)的關(guān)于應(yīng)力對煤孔裂隙影響的研究均采用三軸加載實驗裝置。該裝置所實驗的煤樣需要進(jìn)行特制，因此所測得的數(shù)據(jù)與實際存在著較大的誤差，且加載過程中，對煤樣施加的應(yīng)力存在著分布不均，大小方向不易控制的特點。

目前，尚沒有一種切實可行的裝置能準(zhǔn)確的測出應(yīng)力對煤孔裂隙的影響。因此，急需一種裝置能夠解決三軸加載中存在的問題，使加載過程中的應(yīng)力大小、方向易于控制，且不存在不均勻的特點，所得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種通過液壓加壓測定煤樣孔裂隙的裝置及方法，該裝置及方法能夠簡單易行地測出煤樣的孔裂隙率，分析出應(yīng)力變化對孔裂隙的影響，改進(jìn)以往實驗中的不足。

本發(fā)明提供了一種通過液壓加壓測定煤樣孔裂隙的裝置，包括攝像裝置、液壓加壓裝置、試驗裝置；

試驗裝置包括鋼化玻璃罩、托架、實驗臺、頂蓋；玻璃罩為圓筒形，固定在實驗臺上方，玻璃罩底部與實驗臺密封連接，頂部通過頂蓋密封；玻璃罩內(nèi)部中心設(shè)有t型托架，煤樣放置在該托架上方，玻璃罩上設(shè)有刻度線，用于測量試驗過程中煤樣尺寸的變化，頂蓋為倒u型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)凹處固定有密封圈，通過螺釘固定在玻璃罩頂部；

液壓加壓裝置包括液壓加壓泵、進(jìn)油管和壓力表，液壓加壓泵和壓力表連接，進(jìn)油管另一端連接玻璃罩底部的進(jìn)油口，進(jìn)油口方向平行于托架的水平面，正對煤樣底部；進(jìn)油口處設(shè)有密封圈進(jìn)行密封；液壓裝置通過進(jìn)油口的管道給裝置內(nèi)加油加壓，液壓裝置上配備有相應(yīng)的壓力表，壓力表對容器內(nèi)的壓力進(jìn)行讀數(shù)；

攝像裝置為高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)位于試驗裝置的刻度正對面，定時對煤樣及裝置進(jìn)行拍照，對整個試驗過程中煤樣的變化進(jìn)行記錄。

所述玻璃罩底部為喇叭形開口，與實驗臺連接處通過螺釘、密封圈進(jìn)行密封。玻璃罩通過螺釘固定在實驗臺上，且底部由密封圈密封，以防加壓時容器內(nèi)油液漏出。

所述刻度線位于t型托架的上方，刻度線包括水平刻度線和豎直刻度線，二者垂直相交于t型托架的中心。

所述煤樣通過熱縮管密封。

本發(fā)明提供的裝置，在實驗時，由于整個煤樣通過熱縮管密封，處在油液之中，其所有表面都通過熱縮管與油液接觸。液壓泵對實驗裝置加壓時，煤樣受到油液從各個方向施加的壓力，且壓力處處相等。煤樣受壓導(dǎo)致孔裂隙發(fā)生變化，壓力大小可以從壓力表測得。

本發(fā)明提供了一種通過液壓加壓測定煤樣孔裂隙的方法，包括以下實驗步驟：

（1）制備煤樣：

①首先對采集來的原始煤塊進(jìn)行加工，切割成規(guī)則的尺寸為r=6cm、h=20cm的圓柱狀煤樣三塊；

②用熱縮管對煤樣進(jìn)行密封，然后用排水法測出煤樣的體積v1；

③將煤樣放在托架的正中間，在進(jìn)油口處連接液壓加壓裝置；

（2）連接試驗裝置：

①蓋上頂蓋，擰緊頂蓋與玻璃罩之間的螺釘；

②通過油液加壓泵，緩慢地向玻璃罩內(nèi)注滿油液；

（3）進(jìn)行加壓試驗：

①加壓過程：緩慢加壓，觀察壓力表的讀數(shù)，在10min中使壓力表從1mpa逐漸加到100mpa，在加壓過程中，高速攝像系統(tǒng)對該過程每間隔10s進(jìn)行照相記錄；

②取下試驗后的煤樣，同樣用排水法測得試驗后煤樣的體積v2；得出孔隙率；

③安裝好待試驗的剩下的兩組相同煤樣，重復(fù)上述步驟；

（4）數(shù)據(jù)分析：

根據(jù)高速攝像機(jī)讀取的數(shù)據(jù)，得出煤樣孔隙率與應(yīng)力變化的對應(yīng)關(guān)系。

所述方法中，孔隙率通過以下公式計算得出：

φ=(v1-v2)/v1；

式中，φ為孔隙率，v1為初始煤樣的體積，v2為試驗后煤樣的體積。

本發(fā)明具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、實驗方法操作方便、易行的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測定煤樣孔裂隙的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為煤樣一的半徑r隨時間t的變化曲線圖。

圖3為煤樣一的高度h隨時間t的變化曲線圖。

圖4為煤樣一的體積v隨時間t的變化曲線圖。

圖中1為玻璃罩，2為煤樣，3為實驗臺，4為頂蓋，5為托架，6為刻度線，7為加壓泵，8為進(jìn)油管，9為壓力表，10為密封圈，11為高速攝像機(jī)，12為螺釘。

具體實施方式

下面通過實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

圖1示出了測定煤樣孔裂隙的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括攝像裝置、液壓加壓裝置、試驗裝置；

試驗裝置包括鋼化玻璃罩1、托架5、實驗臺3、頂蓋4；玻璃罩1為圓筒形，固定在實驗臺3上方，玻璃罩1底部與實驗臺3密封連接，頂部通過頂蓋4密封；玻璃罩1內(nèi)部中心設(shè)有t型托架5，煤樣2放置在該托架5上方，玻璃罩1上設(shè)有刻度線6，用于測量試驗過程中煤樣尺寸的變化，頂蓋4為倒u型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)凹處固定有密封圈10，通過螺釘固定在玻璃罩頂部；

液壓加壓裝置包括液壓加壓泵7、進(jìn)油管8和壓力表9，液壓加壓泵7和壓力表9連接，進(jìn)油管8另一端連接玻璃罩1底部的進(jìn)油口，進(jìn)油口方向平行于托架5的水平面，正對煤樣底部；進(jìn)油口處設(shè)有密封圈進(jìn)行密封；液壓裝置通過進(jìn)油口的管道給裝置內(nèi)加油加壓，液壓裝置上配備有相應(yīng)的壓力表，壓力表對容器內(nèi)的壓力進(jìn)行讀數(shù)；

攝像裝置為高速攝像機(jī)11，高速攝像機(jī)11位于試驗裝置的刻度正對面，定時對煤樣及裝置進(jìn)行拍照，對整個試驗過程中煤樣的變化進(jìn)行記錄。

所述玻璃罩1底部為喇叭形開口，與實驗臺3連接處通過螺釘12、密封圈10進(jìn)行密封。玻璃罩1通過螺釘固定在實驗臺3上，且底部由密封圈密封，以防加壓時容器內(nèi)油液漏出。

所述刻度線6位于t型托架5的上方，刻度線包括水平刻度線和豎直刻度線，二者垂直相交于t型托架的中心。

所述煤樣通過熱縮管密封。

采用上述裝置，通過液壓加壓測定煤樣孔裂隙的方法，包括以下實驗步驟：

準(zhǔn)備

1，首先對采集來的原始煤塊進(jìn)行加工，切割成規(guī)則的尺寸為r=6cmh=20cm的圓柱狀煤樣三塊；

2，用熱縮管對煤樣進(jìn)行密封，然后用排水法測出煤樣的體積v1；

3，將煤樣放在托架的正中間，在進(jìn)油口處連接上液壓加壓裝置；

4，蓋上頂蓋，擰緊頂蓋與玻璃罩之間的螺絲釘；

3，通過油液加壓泵，緩慢的向容器內(nèi)注入油液，加滿玻璃容器。

實驗

1，加壓過程。緩慢加壓，觀察壓力表的讀數(shù)，在10min中使壓力表從1mpa逐漸加到100mpa，在加壓過程中，高速攝像系統(tǒng)對該過程每間隔10s進(jìn)行照相記錄；

2，取下已試驗后的煤樣，同樣用排水法測得試驗后煤樣的體積v2；

3，安裝上待試驗的剩下的兩組相同煤樣，重復(fù)上述步驟。

實驗結(jié)果分析

1，根據(jù)照片上的刻度對煤樣的半徑r、高度h、施加的壓力p進(jìn)行讀數(shù)，并記錄下相應(yīng)的時刻。每次實驗可得60組數(shù)據(jù)，共進(jìn)行了三次實驗；

2，根據(jù)公式φ=(v1-v2)/v1計算出孔隙率；

3，根據(jù)r、h計算出此刻煤樣的體積v；

4，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)算出三組數(shù)據(jù)同一時刻的r、h、v的平均值做出r/t、h/t、v/t的函數(shù)關(guān)系圖。煤樣一的關(guān)系圖如圖2~圖4所示。

結(jié)果分析；

在加載應(yīng)力初始階段，煤樣的尺寸隨應(yīng)力的增大變化明顯，說明此時煤樣的孔裂隙受到應(yīng)力發(fā)生了較明顯的收縮形變，隨著時間增加，應(yīng)力逐漸增大，煤樣孔裂隙逐漸變小。在加載應(yīng)力的后階段，煤樣尺寸變化非常細(xì)微，最終孔裂隙破壞達(dá)到一定程度而不再發(fā)生變化。