一种节理煤岩直接拉伸试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明涉及的是一种节理煤岩直接拉伸试验装置及试验方法，其中的节理煤岩直接拉伸试验装置包括卡体锥套、球形接头、拉伸试验机，煤样的两端分别通过卡体锥套套紧，每个卡体锥套连接相应的球形接头，球形接头连接拉伸试验机；卡体锥套由锥套筒套在环状楔形套外构成，环状楔形套包括十二片卡体、弹簧接头、橡胶垫片，相邻的卡体间由弹簧接头依次首尾连接形成环状楔形套，卡体外表面为圆弧形，卡体的纵截面为梯形，卡体内表面有橡胶垫片；球形接头一端设置连接板，球形接头另一端为连接柱，连接柱的顶端具有轴向的中心凹槽，中心凹槽的两个侧壁有销孔，球形接头与拉伸试验机通过中心凹槽与固定销固定连接。本发明能有效避免由于夹具对煤样压力过大而造成煤样损坏，减少了应力集中对试验结果的影响。
【专利说明】一种节理煤岩直接拉伸试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩石力学工程、石油工程、采矿工程等领域中的岩石拉伸试验技术，具 体涉及一种节理煤岩直接拉伸试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002] 岩石的抗拉强度是一个重要的力学指标，以往在研究岩石拉伸特性，确定抗拉强 度时，通常采用的试验方法可分为两类：一类是直接测定方法，即单轴拉伸试验；另一类方 法是间接测定方法，包括巴西劈裂法、弯曲试验法和压入试验法。间接测定方法中最常用的 是巴西劈裂试验，但由于煤岩层理发育，受节理和裂隙的切割，采用巴西劈裂法试验时，常 常会使煤样沿弱面发生破坏，偏离加载轴线，不能满足试验要求，测量所得的抗拉强度和真 实值有较大差距，不能真实的反映煤岩的力学性质。为满足试验要求，得到更加可靠的抗拉 强度，对节理煤岩进行直接拉伸试验是十分必要的。
[0003] 目前岩石直接拉伸试验主要有三种：粘连式、夹持式和内置式。煤岩常采用粘连式 和夹持式进行拉伸试验，采用粘连式拉伸试验的关键是要确保切割出来的煤样，两端面绝 对的平行与完整，以保证拉伸方向和加载方向都通过柱形岩样的中心轴线，但由于煤岩强 度低、易破碎，切割时难以达到此要求，在试验中常出现煤样中心轴线偏离加载方向和粘连 不紧实的问题；采用夹持式拉伸试验，要对煤样侧面施加一定的压力产生摩擦力，来达到夹 持的目的，压力过大会造成夹碎煤样，压力过小又会导致试验进行时试件的滑脱，而且夹持 装置难以保证煤样的均匀受力，在煤样夹持部分产生应力集中，导致煤样在此处发生断裂， 影响试验结果。可见，粘连式和夹持式两种试验方法，都难以满足煤岩直接拉伸试验的要 求，研究一种适用于节理煤岩直接拉伸试验装置和方法有着重要的应用价值。
【发明内容】
[0004] 本发明的一个目的是提供一种节理煤岩直接拉伸试验装置，这种节理煤岩直接拉 伸试验装置用于解决在煤岩拉伸试验中，由于应力集中和偏心拉伸导致试验结果与真实值 偏差较大的问题，本发明的另外一个目的是提供这种节理煤岩直接拉伸试验装置的试验方 法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种节理煤岩直接拉伸试验装置包 括卡体锥套、球形接头、拉伸试验机，煤样的两端分别通过卡体锥套套紧，每个卡体锥套连 接相应的球形接头，球形接头连接拉伸试验机；卡体锥套由锥套筒套在环状楔形套外构成， 环状楔形套包括十二片卡体、弹簧接头、橡胶垫片，相邻的卡体间由弹簧接头依次首尾连接 形成环状楔形套，卡体外表面为圆弧形，卡体的纵截面为梯形，卡体内表面有橡胶垫片，橡 胶垫片上有均匀排列的细小凸起；锥套筒内表面为锥形，与卡体外表面完全契合；球形接 头一端设置连接板，连接板上有螺孔，球形接头另一端为连接柱，连接柱的顶端具有轴向的 中心凹槽，中心凹槽为矩形槽，中心凹槽的两个侧壁有销孔，球形接头与拉伸试验机通过中 心凹槽与固定销固定连接。
[0006] 上述方案中煤样的两端的卡体锥套分别为上卡体锥套和下卡体锥套，上卡体锥套 的锥套筒通过两个半体扣合后固定连接形成的筒状体，每个半体设置有连接耳，两个半体 对扣后，在连接耳处通过封闭螺栓固定连接，每个半体在内径大的一端设置有用于与球形 接头的连接板固定连接的固定螺栓；下卡体锥套的锥套筒为整体式的，锥套筒在内径大的 一端设置有用于与球形接头的连接板固定连接的固定螺栓，这样，可以安装方便，拆卸也容 易。
[0007] 上述方案中球形接头内部加有钢球，球形接头可转角度为7°。
[0008] 上述方案中卡体内表面的橡胶垫片厚度为5mm。
[0009] 上述节理煤岩直接拉伸试验装置的试验方法： 一、 煤样制备 a、 采用节理煤岩取芯装置钻取直径50mm，长度不少于200mm的圆柱煤样，两端略微切 割平整，将煤屑清洁干净，用隔离胶带将煤样中间100mm的一段缠裹密封，两端留出相同长 度； b、 在圆形容器内加60mm深度的矿用煤岩加固剂，搅拌均匀，将煤样垂直放入，使煤样 裸露部分完全浸在加固剂中2-5分钟后，取出煤样，除去残留加固剂，再将另一端浸入加固 剂中2-5分钟后，拿出煤样，擦拭干净，放到阴凉处静置； c、 待加固剂完全凝固后，将密封胶布拆除，用细砂纸将煤样两端多余固化的加固剂打 磨干净，擦去碎屑； 二、 拉伸试验 a、 将下卡体锥套的环状楔形套撑开，套在煤样加固的下端，适当调整每片卡体的位置， 使其内侧的橡胶垫片与煤样充分贴合； b、 将下卡体锥套的锥套筒套在煤样下端的环状楔形套外，将该锥套筒与相应球形接头 上的连接板连接，拧好固定螺母； c、 将上卡体锥套的环状楔形套撑开套在煤样的上端，调整卡体位置后，将上卡体锥套 的锥套筒打开，对扣在煤样上端的环状楔形套外，拧紧封闭螺栓，把对扣后的锥套筒与相应 的球形接头连接并固定； d、 调整拉伸试验机的位置，将两个球形接头分别利用固定销与该拉伸试验机相连，然 后施加预紧力，开始进行直接拉伸试验，直至煤样破坏。
[0010] 上述方案中的煤岩加固剂为矿用双液型煤岩加固剂，由树脂和催化剂以1:1比例 混合而成，抗压强度达到60MPa，粘度低，可快速渗透到煤岩缝隙中，增大煤样端部抗压强 度。
[0011] 本发明具有以下有益效果： 1、本发明中使用煤岩加固剂增加了煤样两端的强度，其抗压强度可达到60MPa，能有效 避免由于夹具对煤样压力过大而造成煤样损坏，试验中夹持的是煤样加固的两端，也一定 程度上减少了应力集中对试验结果的影响。
[0012] 2、本发明采用的环状楔形套与锥套筒组合的夹紧方式，由试验时的拉伸力对煤样 施加压力，以达到夹紧试件的目的，能有效避免常规夹具因夹持不稳定造成煤样损坏或煤 样滑脱的问题，又能有效避免对煤样造成应力集中，影响煤样的破坏位置。
[0013] 3、本发明采用的是夹紧煤样加固端的夹持方式，有效避免了常规拉伸试验中煤岩 切割易碎和粘接困难的问题； 4、本发明中的球形接头，可以有效避免拉伸过程中加载方向偏离煤样中心轴线的问 题。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明结构示意图； 图2为本发明中环状楔形套的俯视图； 图3为本发明中环状楔形套的立体剖视图； 图4为本发明中上卡体锥套的锥套筒闭合示意图； 图5是本发明中煤样制备示意图。
[0015] 图中：1.环状楔形套2.锥套筒3.球形接头4.煤样5.隔离胶带6.加 固剂7.卡体8.橡胶垫片9.弹簧接头10.封闭螺栓11.固定螺栓12.连接板 13.垫片14.固定销15.拉伸试验机16.连接耳。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0017] 如图1所示，这种节理煤岩直接拉伸试验装置包括卡体锥套、球形接头3、拉伸试 验机15,煤样4的两端分别通过卡体锥套套紧，每个卡体锥套连接相应的球形接头3,球形 接头3连接拉伸试验机15。煤样4的两端分别通过卡体锥套套紧后，通过球形接头3与拉 伸试验机15连接，拉伸试验机15对其中的煤样4进行拉伸试验，试验时将环状楔形套1套 在煤样4端部，再安装锥套筒2,卡体7外表面与锥套筒2内壁完全契合，拉伸时由拉力产生 对卡体7的压力，再由卡体7均匀施加到煤样4端部，以达到夹紧煤样4的目的。
[0018] 卡体锥套由锥套筒2套在环状楔形套1外构成，参阅图2、图3所示，环状楔形套1 包括十二片卡体7、弹簧接头9、橡胶垫片8,卡体7外表面为圆弧形，卡体7的纵截面为9° 倾角的直角梯形，相邻的卡体7间由弹簧接头依次首尾连接形成的环状楔形套1，卡体7内 表面有橡胶垫片8,橡胶垫片8上有均匀排列的细小凸起，以增大摩擦力，橡胶垫片8厚度为 5_。本实验装置未安装时，环状楔形套1内径略小于煤样外径，安装时可撑开夹紧煤岩端 部；试验时撑开环状楔形套1，套在煤样4的端部，整个环状楔形套1外表面可以与锥套筒2 内表面完全契合。
[0019] 锥套筒2由高刚度钢块加工而成，锥套筒2内表面为锥形，倾斜角为9°，与卡体7 外表面锥度相同，可与卡体7外表面完全契合，锥套筒2可以紧固地将环状楔形套1套住， 本发明中煤样4的两端的卡体锥套分别为上卡体锥套和下卡体锥套，参阅图4,上卡体锥套 的锥套筒2通过两个半体扣合后固定连接形成的筒状体，每个半体设置有连接耳16,两个 半体对扣后，在连接耳16处通过六个封闭螺栓10固定连接，每个半体在内径大的一端设置 有用于与球形接头3的连接板固定连接的二个固定螺栓11，试验安装时打开上卡体锥套的 锥套筒2,套在环状楔形套1上，再由六个封闭螺栓10封闭；下卡体锥套的锥套筒2为整体 式的，锥套筒2在内径大的一端设置有用于与球形接头3的连接板12固定连接的四个固定 螺栓11，试验时直接套在环状楔形套1上，栓安装时四个固定螺穿过球形接头3连接板12 上的四个螺孔，再由螺母固定，每个固定螺栓11上都有厚度一致的垫片13。
[0020] 球形接头3为普通球形接头的改进，球形接头3内部加有钢球，球形接头可转角度 为7°，以增加球形接头转动灵活度；在球形接头两端分别焊接了连接板12和设置有固定 销的连接柱，即球形接头3 -端设置连接板12,连接板12上有四个螺孔，球形接头3另一端 为连接柱，连接柱的顶端具有轴向的中心凹槽，中心凹槽为矩形槽，中心凹槽的两个侧壁有 销孔，球形接头与拉伸试验机通过中心凹槽与固定销14固定连接。安装时，连接板12与锥 套筒2 -端的四个固定螺栓11相连，球形接头3另一端为与拉伸试验机15相连，试验时， 将球形接头3连接柱上的销孔与拉伸试验机15的销孔对准，然后用固定销14连接。
[0021] 上述节理煤岩直接拉伸试验装置进行拉伸试验方法包括煤样制备和拉伸试验两 个部分，采用煤岩加固剂增加了煤样两端的抗压强度，避免了常规夹式拉伸试验夹碎煤样 的问题，采用卡体锥套式结构，使煤样在试验中受力均匀，避免了由于应力集中所造成得试 验偏差，装置两端安装球形接头，可避免试验时加载方向偏离煤样中心轴线的问题，以此形 成了一种适合节理煤岩的直接拉伸试验方法，以〇50mm的圆柱煤样为例，具体步骤如下： 1、煤样制备 a、采用取芯装置钻取直径50mm，长度不少于200mm的圆柱形煤样4,两端用岩石切片机 略微切割平整，将煤屑清洁干净，用刻度尺量出煤样4中间100mm的一段，用隔离胶布5将 这一段缠裹紧实，两端各留出不少于45mm的距离，参阅图5。
[0022] b、在容器内加6cm深度的矿用煤岩体加固剂6,搅拌均勻，煤岩加固剂为矿用双液 型煤岩加固剂，由树脂和催化剂以1:1比例混合而成，抗压强度达到60MPa，将缠有隔离胶 布5的煤样4垂直放入，使煤样4裸露部分完全浸在加固剂6中2-5分钟后，取出煤样，再 将另一端浸入加固剂6中2-5分钟后，拿出煤样4,擦拭干净，放到阴凉处静置。
[0023] c、待煤样4两端的加固剂6完全凝固后，用细砂纸将煤样4两端残留的固化物质 打磨干净，拆去隔离胶布5,擦去碎屑。
[0024] 2、拉伸试验 a、将环状楔形套1撑开，套在制备好的煤样4的一端，调整梯形卡体7位置，使其内侧 与煤样4充分的贴合。
[0025] b、将下部锥套筒2穿过煤样4,套在环状楔形套1上，将锥套筒2上的固定螺栓11 与球形接头3上的连接板12对接，拧好固定螺母。
[0026] c、将煤样4另一端套上环状楔形套1，再将上部锥套筒2打开，套在环状楔形套1 上，闭合上锥套筒2并拧紧封闭螺栓10,与另一球形接头3的连接板12对接并拧紧固定螺 栓11。
[0027] d、调整好拉伸试验机15的位置，用固定销14将煤样4及夹具连接在拉伸试验机 15上，然后施加预紧力，开始进行直接拉伸试验，直至煤样破坏。
【权利要求】
1. 一种节理煤岩直接拉伸试验装置，其特征在于：这种节理煤岩直接拉伸试验装置包 括卡体锥套、球形接头（3)、拉伸试验机（15)，煤样（4)的两端分别通过卡体锥套套紧，每个 卡体锥套连接相应的球形接头（3)，球形接头（3)连接拉伸试验机（15);卡体锥套由锥套筒 (2) 套在环状楔形套（1)外构成，环状楔形套（1)包括十二片卡体（7)、弹簧接头（9)、橡胶垫 片（8 )，相邻的卡体（7 )间由弹簧接头（9 )依次首尾连接形成环状楔形套（1)，卡体（7 )外表 面为圆弧形，卡体（7)的纵截面为梯形，卡体（7)内表面有橡胶垫片（8)，橡胶垫片（8)上有 均匀排列的细小凸起；锥套筒（2)内表面为锥形，与卡体（7)外表面完全契合；球形接头（3) 一端设置连接板（12)，连接板（12)上有螺孔，球形接头（3)另一端为连接柱，连接柱的顶端 具有轴向的中心凹槽，中心凹槽为矩形槽，中心凹槽的两个侧壁有销孔，球形接头（3)与拉 伸试验机（15)通过中心凹槽与固定销（14)固定连接。
2. 根据权利要求1所述的节理煤岩直接拉伸试验装置，其特征在于：所述的煤样的 两端的卡体锥套分别为上卡体锥套和下卡体锥套，上卡体锥套的锥套筒（2)通过两个半体 扣合后固定连接形成的筒状体，每个半体设置有连接耳（16)，两个半体对扣后，在连接耳 (16)处通过封闭螺栓（10)固定连接，每个半体在内径大的一端设置有用于与球形接头的连 接板（12)固定连接的固定螺栓（11);下卡体锥套的锥套筒（2)为整体式的，锥套筒（2)在 内径大的一端设置有用于与球形接头的连接板（12)固定连接的固定螺栓（11)。
3. 根据权利要求2所述的节理煤岩直接拉伸试验装置，其特征在于：所述的球形接头 (3) 内部加有钢球，球形接头（3)可转角度为7°。
4. 根据权利要求3所述的节理煤岩直接拉伸试验装置，其特征在于：所述的卡体（7)内 表面的橡胶垫片（8)厚度为5mm。
5. -种权利要求1或2或3或4所述的节理煤岩直接拉伸试验装置的试验方法案，其 特征在于： 一、 煤样制备： a、 采用节理煤岩取芯装置钻取直径50mm，长度不少于200mm的圆柱煤样（4)，两端略微 切割平整，将煤屑清洁干净，用隔离胶带（5)将煤样中间100mm的一段缠裹密封，两端留出 相同长度； b、 在圆形容器内加60mm深度的矿用煤岩加固剂（6)，搅拌均勻，将煤样（4)垂直放入， 使煤样裸露部分完全浸在加固剂中2-5分钟后，取出煤样（4)，除去残留加固剂，再将另一 端浸入加固剂中2-5分钟后，拿出煤样（4)，擦拭干净，放到阴凉处静置； c、 待加固剂完全凝固后，将密封胶布（5)拆除，用细砂纸将煤样两端多余固化的加固剂 打磨干净，擦去碎屑； 二、 拉伸试验： a、 将下卡体锥套的环状楔形套（1)撑开，套在煤样（4)加固的下端，适当调整每片卡体 (7)的位置，使其内侧的橡胶垫片（8)与煤样（4)充分贴合； b、 将下卡体锥套的锥套筒套在煤样下端的环状楔形套（1)外，将该锥套筒与相应球形 接头上的连接板（12)连接，拧好固定螺母； c、 将上卡体锥套的环状楔形套撑开套在煤样（4)的上端，调整卡体（7)位置后，将上卡 体锥套的锥套筒打开，对扣在煤样上端的环状楔形套外，拧紧封闭螺栓，把对扣后的锥套筒 (2)与相应的球形接头（3)连接并固定； d、调整拉伸试验机（15)的位置，将两个球形接头（3)分别利用固定销（14)与该拉伸试 验机（15)相连，然后施加预紧力，开始进行直接拉伸试验，直至煤样破坏。
6.根据权利要求5所述的节理煤岩直接拉伸试验装置的试验方法，其特征在于：所述 的煤岩加固剂为矿用双液型煤岩加固剂，由树脂和催化剂以1:1比例混合而成，抗压强度 达到60Mpa。
【文档编号】G01N1/28GK104111197SQ201410383306
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】李玉伟, 艾池, 张军, 史晓东, 李银朋, 陶飞宇 申请人:东北石油大学