[发明专利]用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，其特征在于，包括：箱体容器、顶板、空心钢管下落轨道、压板、多孔板、红外观测窗口、底座、气源钢瓶、减压阀、总阀门、三通管、吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器、阀门一、围压气体压力传感器、围压气体流量传感器、阀门二、电磁阀、数据采集与控制系统及落锤；

其中，所述箱体容器内部形成加载室，箱体容器顶部通过螺栓与顶板连接，且连接处设有O型密封圈，设置空心钢管下落轨道，穿过顶板中心进入箱体容器，且连接处设有O型密封圈内；所述空心钢管下落轨道顶部与伺服压力机压头连接，空心钢管下落轨道底部与压板上端通过螺纹连接，压板下方设置多孔板，多孔板与压板之间设有滤纸，压板内设有与多孔板相通的瓦斯进气口，压板下方对应设置用于固定试件的底座，箱体容器一侧设置红外观测窗口，另一侧设有出气口与抽真空孔，箱体容器底部设有与加载室相通的吸附解吸口与围压进气口，吸附解吸口与瓦斯进气口通过气管连通；

气源钢瓶与减压阀、总阀门、三通管依次连接；三通管第一端与阀门一、吸附解吸气体流量传感器、吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸口依次相连组成吸附解吸气路；三通管第二端与阀门二、围压气体流量传感器、围压气体压力传感器、围压进气口依次相连组成围压加载气路；出气口与电磁阀相连；

所述吸附解吸口一端连接吸附解吸气体压力传感器，另一端通过作为吸附解吸通道的气管与压板底部的瓦斯进气口连接；

所述的围压进气口一端连接围压气体压力传感器，另一端通过管路进入加载室；充围压时，通过对试件提供气体围压以模拟水平应力；卸围压时，数据采集与控制系统根据围压气体压力传感器的压力数据是否达到实验方案设定的目标值实现对电磁阀的智能控制，以实现不同卸载速度、卸载梯度下煤岩体变形破坏特征及红外辐射特性的研究；

所述空心钢管下落轨道开有长方形的观测口，观测口上刻有显示高度的刻度，空心钢管下落轨道内设置截止台，落锤由观测口放入空心钢管下落轨道内进行自由落体运动至截止台对伺服压力机压头施加轴向动态荷载，轴向静态载荷由伺服压力机提供。

2.如权利要求1所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，其特征在于，箱体容器整体均为低热导材料制成，内外涂有隔热漆。

3.如权利要求1所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，所述伺服压力机压头通过空心钢管下落轨道的顶部对试样施加载荷。

4.如权利要求1所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，其特征在于，红外观测窗口由内而外依次由红外玻璃、阶梯型密闭台组成；所述阶梯型密闭台内部涂有隔热漆，有利于锁住红外热量，减少气体流动对观测效果的影响。

5.如权利要求1所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置，其特征在于，所述吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器、围压气体压力传感器、围压气体流量传感器、电磁阀通过导线与数据采集与控制系统连接，实现对吸附解吸压力、加载室围压压力的实时采集与监控及电磁阀的通断控制。

6.一种用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验方法，其特征在于，通过如权利要求1-5任一所述的用于煤岩气固耦合动静加卸载红外观测的试验装置分别进行三类实验：

第一类为探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验；第二类为探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验；第三类为探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验；

其中，所述探究煤岩气固耦合静态加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括如下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2)将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门二，调节减压阀，经过围压加载气路向加载室内充围压气体直至加载室内围压气体压力传感器达到实验方案设置的目标值后，停止充围压；

5)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到设定的目标值；

6)利用数据采集与控制系统与电磁阀配合控制出气口的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；

7)红外热像仪全程记录三轴加卸载过程中试件表面温度变化及变形破坏特征；

8)按照设定的实验方案改变所提供的气体围压与轴向压力，重复多次步骤4)~7)，红外热像仪记录在不同气体围压、不同卸围压速度、不同轴向压力条件下试件表面的温度变化，并分析试件在不同三轴压力条件下的变形破坏特征，直至试验结束，取出试件；

所述探究探究含瓦斯煤岩动静组合加卸载吸附解吸过程中红外辐射观测试验包括如下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密封，保证气体从试件上方沿轴向方向经圆柱体试件向下吸附，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2)将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到实验方案设定的目标值；

5)待轴向压力稳定后，打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门一，调节减压阀，通过吸附解吸气路对煤样通入一定压力瓦斯气体，将落锤置于空心钢管下落轨道内，使落锤依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器数据不再发生变化时中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个吸附过程中试件表面温度变化；

6)关闭总阀门、阀门一、减压阀，打开出气口使试件解吸瓦斯，将落锤置于空心钢管下落轨道内，使落锤依照设定的实验方案沿竖直方向做自由落体运动，待吸附解吸气体压力传感器、吸附解吸气体流量传感器数据不再发生变化时，中止实验，通过红外热像仪观测该阶段整个解附过程中试件温度变化；

7)改变落锤质量、冲击高度、次数及轴向压力，重复多次步骤4)～6)，直到所有变轴向压力和变动态载荷实验结束为止；

所述探究煤岩气固耦合动静组合加卸载变形破坏红外辐射观测试验包括以下步骤：

1)将试件置于加载室的底座中，试件两端用橡胶圈进行固定密闭，将立方体可视化加载模块放到伺服压力机上，启动伺服压力机，使伺服压力机压头下降，当多孔板与试件上表面接触时停止下降；

2) 将红外热像仪面向加载室放置于红外观测窗口的阶梯型密闭台之上，打开红外热像仪并调节好焦距；

3)由抽真空孔对加载室内抽真空；

4)打开红外热像仪的数据采集功能，同时打开总阀门、阀门二，调节减压阀，经过围压加载气路向加载室内充围压气体直至加载室内围压气体压力传感器达到实验方案设置的目标值后，停止充围压；

5)再次启动伺服压力机，将试件轴向压力加载到实验方案设定的目标值；

6)将落锤置于空心钢管下落轨道内并依照实验方案使落锤从设定的高度处沿竖直方向做自由落体运动，完成对试件三轴加载条件下的冲击实验；

7)按照实验方案利用数据采集与控制系统与电磁阀配合控制出气口的围压卸载速度、卸载梯度，进行围压瞬时卸载；

9)依照试验方案改变落锤质量、冲击高度、次数及所提供气体围压与轴向压力，重复多次步骤4)~8)，记录试件在不同压力条件下表面温度变化，分析试件在动静联合加载及不同卸围压条件下变形破坏特征，直至试验结束，取出试件。