[发明专利]一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置及方法

说明书

本发明提供了一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置及方法，涉及岩石力学实验技术领域，解决了煤体受载条件下自燃升温参数测量的问题。其包括测试腔、加载机构、温度控制机构、温度监测机构、声发射监测机构和声波测试机构，腔体外层依次设置钢板、粘合层、填充层、耐火砖和隔热保温层；加载机构包括压头、液压柱和应变监测单元，温度控制结构通过电热丝对测试腔内的煤样进行加热，温度监测机构对温度的变化进行监测，声发射监测机构利用声发射探头对煤体的应力情况进行监测，声波测试机构对煤样内的声波信号进行监测。利用该装置可以对不同载荷条件下的煤炭自燃情况进行模拟，确定温度、声波和应力变化规律，为深部煤层自燃问题研究提供方便。

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其是一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置及方法。

背景技术

煤炭资源在能源利用结构中占有较大的比例，近几年来，随着煤炭需求量和开采量的不断增加，浅部煤炭资源接近枯竭，许多煤矿开采深度已经达到800—1500m，并且采深仍不断向下延伸，煤炭开采进入深部开采阶段。煤矿煤层埋深的增加导致上覆岩层对煤层压力同步增大，同时由于人类的采掘活动，使得煤层处于复杂的受力环境中；另外由于煤层致密性强、透气性差，部分矿井煤层预先采取致裂增透措施来提高煤层渗透率，在提高渗透率的同时会增大卸压瓦斯抽采区域内煤体的破碎度及漏风量，导致部分破碎煤体区域具备了较高浓度的O₂和适宜的蓄热环境，煤体进入低温氧化甚至自然发火阶段。

目前大部分的煤矿存在自然发火的隐患，半数以上的煤层属于高瓦斯煤层，且随着采深的增加，煤层自燃发火的危险性也在增加。然而绝大多数的矿井火灾是由于煤炭自燃引起的，煤炭的自燃已经成为矿井的一大主要灾害。因此，需要对复杂应力条件下的自燃特性进行研究，从而为矿井火灾的防治具提供有效的指导。

发明内容

为了解决煤体受载条件下自燃升温参数测量的问题，方便复杂应力条件下自燃特性的研究，指导矿井进行火灾防治，本发明提供了一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置及方法，具体的技术方案如下。

一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置，包括测试腔、加载机构、温度控制机构、温度监测机构、声发射监测机构和声波测试机构，所述测试腔的外层一次包围设置钢板、粘合层、填充层、耐火砖和隔热保温层，煤岩试样放置在测试腔内，测试腔的侧面上分别上开设有液压柱孔、测量孔和玻璃腔体；所述加载机构包括压头、液压柱、应变片、应变数据仪和应变数据处理器，上部的压头和液压柱相连，液压柱上设置有应变片，应变片与应变数据仪和应变数据处理器相连；所述温度控制结构包括电热丝、温控仪和电源，电热丝固定在隔热保温层中，温控仪控制电热丝加热；温度监测机构监测煤岩试样中的温度；所述声发射监测机构包括声发射探头、前置放大器、声波数据仪和声波处理器，声发射探头和前置放大器相连，声波数据仪采集声发射探头的信号，声波处理器对声发射信号进行处理；所述声波测试机构包括次声波传感器、次声波数据仪和次声波处理器，次声波传感器配置在测试腔的侧面。

优选的是，测试腔的顶部设置有端盖，测试腔的空间为长方体，所述煤岩试样的形状和尺寸与测试腔相互配合。

优选的是，测试腔上设置有多个液压柱孔，液压柱孔和多个液压柱相互配合，所述液压柱向煤岩试样施加载荷。

还优选的是，测试腔的各个侧面分别设置有多个液压柱孔，测量孔和液压柱孔相邻布置。

还优选的是，电热丝均匀排布在测试腔各个侧面的隔热保温层中，电热丝加热煤岩试样的最高温度为600℃；所述温度监测机构监测并确定热电偶传感器在煤岩试样中的位置。

还优选的是，声发射探头或热电偶传感器从测量孔伸入测试腔内；所述声发射监测机构监测煤岩试件损伤破裂的动态过程。

一种煤岩损伤条件下的声波测试方法，利用上述的一种煤岩损伤条件下的声波测试实验装置，步骤包括：

S1.制作煤岩试样，确定煤岩试样的抗压强度，并封装煤岩试样；