[发明专利]研究类CFRP约束热损伤煤样蠕变-冲击耦合试验系统及方法

说明书

本发明公开一种研究类CFRP约束热损伤煤样蠕变‑冲击耦合试验系统及方法，属于地下工程及采矿工程技术领域。本发明的方法包括：制作煤样试件，对煤样进行分组并对煤样加热处理，对煤样粘贴CFRP和应变片，单轴抗压试验；采用蠕变‑冲击耦合试验系统对煤样进行蠕变冲击试验，最后对试验数据分析，根据不同加固层数对试件强度提升的增量得到最优抵抗蠕变‑冲击扰动的CFRP包裹层数，并分析热损伤对煤样抵抗蠕变‑冲击扰动的力学性能的影响。本发明可为煤炭地下气化、煤炭地下液化及煤层气的原位注热开采、优化巷道围岩支护方案设计，探究冲击载荷作用下深部煤岩体时效破裂特征提供参考。

技术领域

本发明涉及地下工程及采矿工程技术领域，尤其涉及一种研究类CFRP约束热损伤煤样蠕变-冲击耦合试验系统及方法。

背景技术

随着我国煤矿开采深度越来越深，煤矿深部围岩因易受到“三高一扰动”环境的影响，出现了水压增大、地温升高、煤与瓦斯突出、冲击矿压等现象。

温度是影响煤块物理力学参数的重要因素之一。与常温相比，高温条件下煤岩的力学参数如断裂韧度、强度、弹性模量以及泊松比等都具有温度效应。与温度有关的采矿工程如煤炭地下气化、煤炭地下液化及煤层气的原位注热开采等，其共同特点是地下煤都处于三向应力和高温环境。像在煤炭地下气化中，气化燃烧区作为热源对周围煤岩体产生热作用，虽然岩体为热的不良导体，但经过高温长时间作用，煤层顶、底板在高温作用下岩性都会发生变化。而CFRP因为具有耐高温、高强度、高模量等特点，其在加固混凝土领域中被广泛使用，故采用CFRP加固煤柱能有效增强煤柱的力学性能。

在深度煤层的开采过程中，煤岩容易受到爆破掘进、机械振动等冲击影响，且煤岩在长期荷载作用下更容易出现蠕变变形。故在考虑到地下煤所处环境，地下煤柱会受到高温、上下岩层带来的地应力以及爆破掘进带来的冲击力，故需要一种能够模拟煤柱受高温、地应力和冲击荷载的试验方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种研究类CFRP约束热损伤煤样蠕变-冲击耦合试验系统及方法，可为煤炭地下气化、煤炭地下液化及煤层气的原位注热开采方案设计提供参考。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种蠕变-冲击耦合试验系统，包括：顶板、平衡锤、重锤、砝码、砝码盘、支撑钢柱、液压千斤顶、荷载传感器、荷载采集器、底板、卷扬机、应变片、应变采集仪和计算机。

所述支撑钢柱上带有滑槽，平衡锤的三个端部上带有滑块，平衡锤上的滑块与支撑钢柱上的滑槽滑动连接。

所述重锤和卷扬机通过固定在顶板上的中心滑轮和钢绳连接；所述砝码盘和平衡锤通过固定在顶板上的三个小滑轮和大滑轮用钢绳连接，通过在砝码盘上增减砝码的数量控制平衡锤对试件施加压力；

所述三个小滑轮成正三角形分布在中心滑轮四周，与平衡锤的三个端部相对应，大滑轮固定在顶板上与砝码盘对应的位置；大滑轮与卷扬机在中心滑轮的异侧，中心滑轮、三个小滑轮中的一个小滑轮和大滑轮按顺序排布在一条直线的位置上；为避免线间交叉，卷扬机与中心滑轮连线不经过小滑轮。

所述应变采集仪控制应变片实时采集应变数据，并将数据传输给计算机；所述计算机通过分析应变数据给卷扬机发送控制指令，由卷扬机带动重锤给平衡锤施加冲击扰动。

所述平衡锤中部为半球形凹槽，便于试件受到均匀的冲击。

所述荷载传感器设置在液压千斤顶上部，在荷载传感器上放置待检测试件；所述荷载采集器控制荷载传感器采集试件所受的荷载，并将荷载数据传输给计算机，用于模拟不同阶段的工况。

另一方面，本发明还提供一种采用蠕变-冲击耦合试验系统研究类CFRP约束热损伤煤样力学性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：采集并制作不同热损伤下的煤样，对不同热损伤下的煤样进行不同程度的加固处理，其过程如下：