[发明专利]一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法

权利要求书

1.一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，其特征在于，采用的煤样波速各向异性探测装置，包括承压腔体(1)、气体传输系统、煤样放置台(3)、真三轴加压系统(8)、换能器组、声波仪(14)和加热系统(15)，

所述承压腔体(1)由上部敞口的承压容器和活塞顶盖(2)组成，活塞顶盖(2)密封固定在承压容器的敞口处，煤样放置台(3)固定在承压容器内，试验煤样(4)处于煤样放置台(3)上，所述试验煤样(4)为正方体；

所述真三轴加压系统(8)的多个轴压杆(9)分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖(2)与试验煤样(4)的四个侧面和顶面接触，换能器组为三个，三个换能器组均匀分布在试验煤样(4)的六个面，换能器组由两个相对设置的发射换能器(10)和接收换能器(11)组成，发射换能器(10)和接收换能器(11)分别耦合在试验煤样(4)的两个相对面，三个换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪(14)连接；

所述气体传输系统包括真空泵(12)、安全气瓶(13)和高压瓦斯气瓶(6)，所述真空泵(12)的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵(12)的另一端通过管路与安全气瓶(13)连通，高压瓦斯气瓶(6)通过充气管路与承压容器内部密封连通，在充气管路上装有增/减压阀(5)，两个压力表(7)分别装在真空泵(12)与承压容器之间的管路上和增/减压阀(5)与承压容器之间的充气管路上；

所述加热系统(15)包括加热电毯、温度传感器(16)和控制主机，控制主机处于承压容器外侧，温度传感器(16)处于承压容器内，加热电毯包裹在承压容器外表面；控制主机分别与加热电毯和温度传感器(16)连接，具体步骤为：

A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤样或者预制不同物理力学性质的合成煤制成的正方体型煤，作为试验煤样(4)；

B、打开承压腔体(1)的活塞顶盖(2)，选取步骤A制成的其中一个试验煤样(4)放置在承压容器内的煤样放置台(3)上，调节真三轴加压系统(8)，使各个轴压杆(9)的压头分别与试验煤样(4)的各个面接触，同时使各个发射换能器(10)和接收换能器(11)与试验煤样(4)的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖(2)与承压容器密封固定；

C、在煤样测试前，打开增/减压阀(5)的阀门，高压瓦斯气瓶(6)通过充气管路向承压腔体(1)内充入瓦斯气体，观察压力表(7)当承压腔体(1)内的瓦斯气体达到一定压力后，关闭增/减压阀(5)，然后持续观察压力表(7)在一段时间内数值变化情况，从而对承压腔体(1)内部气密性进行检查，当气密性检查完毕并确认气密性良好之后，将承压腔体(1)内的瓦斯气体排入安全气瓶内(13)；

D、开启真空泵(12)对承压腔体(1)内进行抽真空，通过压力表(7)观察，当承压腔体(1)内达到一定真空值之后停止真空泵(12)，开启声波仪(14)使各个发射换能器(10)发射声波信号，声波信号经过试验煤样(4)至与其对应的各个接收换能器(11)，各个接收换能器(11)将接收的声波信号反馈给声波仪，声波仪(14)实时记录，并根据发射换能器(10)发出声波的时刻和接收换能器(11)接收声波的时刻，从而得出试验煤样(4)处于真空、无荷载情况下三个换能器组各自测得的超声波波速情况，作为对照数据；

E、完成步骤D的采集后，开启真三轴加压系统，使各个轴压杆在试验煤样(4)的垂向、走向和倾向上分别独立施加σ₁、σ₂、σ₃的主向和两个侧向荷载，且σ₁＞σ₂＞σ₃，同时通过高压瓦斯气瓶(6)向承压腔体(1)内部充入瓦斯，通过压力表(7)观察达到目标压力值后关闭增/减压阀(5)；启动加热系统(15)，使加热电毯对承压腔体(1)进行加热，温度传感器(16)实时测量承压腔体(1)内的温度值，当测得的温度值达到设定值时停止加热，并通过控制主机控制承压腔体(1)内的温度保持恒定后，开启声波仪(14)记录在该瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值下的三个换能器组测得的波速情况，然后调整瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值后，开启声波仪(14)再次记录在该情况下的三个换能器组测得的波速情况，从而得出该试验煤样(4)处于不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下，该试验煤样(4)在不同层理方向上测得的超声波波速变化情况；

F、完成后，先卸载试验煤样的三轴加载应力，接着关闭加热系统(15)，然后再将瓦斯气体通过管路排出到安全气瓶(13)内，对承压容器内的瓦斯压力进行卸载，最后打开活塞顶盖(2)，取出已测量的试验煤样(4)；在步骤A中制得的试验煤样(4)中再选取一个，重复步骤B～F，直至所有制备的试验煤样(4)均完成测试过程；

G、对得出的不同试验煤样(4)、不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下的超声波波速变化情况并结合步骤D得出的对照数据进行综合分析，得出不同试验煤样(4)在不同层理方向上的波速差异，最终分析试验煤样(4)在各种条件下的波速各向异性。