[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

说明书

本发明公开了一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法，包括承压腔体、气体传输系统、煤样放置台、真三轴加压系统、换能器组和声波仪，所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与试验煤样的四个侧面和顶面接触，所述气体传输系统包括真空泵、安全气瓶和高压瓦斯气瓶；本发明能够模拟煤体在深部地下的真实情况，从而得出不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下超声波波速各向异性的特征，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。

技术领域

本发明涉及一种煤样波速各向异性探测装置及方法，具体是一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法。

背景技术

在我国，煤炭产业安全一直以来都是关系国计民生和国家发展的重大战略问题。近些年，由于煤炭产业的功能升级和安全意识的提高，煤矿安全事故的发生率逐年下降，但由于煤矿安全事故导致的死亡人数依旧居高不下。因此，煤矿的安全生产依然是煤炭开采过程中的重中之重，特别是随着开采深度的持续增加，地应力、瓦斯压力和地温都在不断地升高，这就使得低强度的构造煤更容易发生突出，严重的威胁了矿井工作人员的生命安全。

地应力、瓦斯浓度和温度是研究煤和瓦斯突出的重要因素，采用主动地震探测技术为研究煤和瓦斯突出提供参数指标是深部煤矿开采的重要研究方向。目前对此的研究大多只考虑单个因素，如仅考虑不同物理力学性质的煤样在地应力、瓦斯浓度和温度三种因素中的某一种因素单独变化情况下对超声波波速的影响。在考虑地应力对超声波波速的影响时，大多数学者仅对煤样进行单轴加载或假三轴加载，事实上地下煤体均处于三维应力状态，三个方向上所受的应力各不相同，单轴、假三轴加载并不能真实反映煤体在深部地下所受应力的实际状态，实验结果存在局限性；同时，由于煤是由不同的矿物组成，其热膨胀系数也不同，在周围温度发生变化的情况下，煤体的孔隙结构会发生变化，对超声波在煤体内的传播速度产生了影响。煤在形成过程中因成煤作用、结构面和地应力等原因在煤的走向、倾向和垂向，三个方向上具有各向异性，因而超声波在煤体中的传播也具有各向异性，所以研究煤体某一方向的波速并不能完整地反映超声波在煤体中的传播特性。因此急需一套能考虑真三轴地应力、瓦斯浓度和温度耦合作用的煤样波速各向异性探测装置及方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法，能够模拟煤体在深部地下的真实情况，从而得出不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下超声波波速各向异性的特征，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置，包括承压腔体、气体传输系统、煤样放置台、真三轴加压系统、换能器组和声波仪，

所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，活塞顶盖密封固定在承压容器的敞口处，煤样放置台固定在承压容器内，试验煤样处于煤样放置台上，所述试验煤样为正方体；

所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与试验煤样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的六个面(即三个换能器组分别设置在试验煤样的走向、倾向和垂向)，换能器组由两个相对设置的发射换能器和接收换能器组成，发射换能器和接收换能器分别耦合在试验煤样的两个相对面，三个换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪连接；

所述气体传输系统包括真空泵、安全气瓶和高压瓦斯气瓶，所述真空泵的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵的另一端通过管路与安全气瓶连通，高压瓦斯气瓶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，两个压力表分别装在真空泵与承压容器之间的管路上和增/减压阀与承压容器之间的充气管路上；

所述加热系统包括加热电毯、温度传感器和控制主机，控制主机处于承压容器外侧，温度传感器处于承压容器内，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连接。