用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置和试验方法与流程

本发明属于矿山岩体力学研究领域，具体涉及一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置和试验方法。

背景技术：

破碎煤岩体作为一种广泛存在于垮落带，且已经破碎没有固结力的特殊多孔介质，其动静加载变形与多孔结构演化对采空区煤层气高效抽采具有重要意义。目前国内外对采空区煤岩体变形破坏与孔隙演化的研究主要集中在质地密实的标准岩心试件。当前对垮落带广泛存在的破碎煤岩体受动态及静态载荷时内部非均匀变形、破坏及多孔结构演化的研究并不充分。究其原因是缺少专门针对其动静载荷作用下内部非均匀变形及多孔结构演化进行探究的科研仪器及测试方法相对空白。

对于处于采空区中不同荷载、不同温度以及不同气体压差条件下破碎煤岩体的变形与孔隙演化的红外辐射观测研究。经检索发明专利cn201810199495.3公布了一种多场红外辐射观测装置及方法。但其红外测试装置针对试验对象是普通岩心，该发明只能使用普通岩芯，并不能进行破碎岩体红外研究，同时不能进行动态冲击试验，研究破碎煤岩体动静态载荷下的红外装置空白。

技术实现要素：

本发明提供了一种红外观测精确、孔隙变化可视的破碎煤岩体内部变形与孔隙演化的试验装置，同时该装置用于研究揭示动态或静态载荷条件下不同气体、气压条件下不同岩性、不同破碎程度破碎煤岩体的内部非均匀变形与孔隙变化规律。

本发明提供了一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置，包括长方体加载模块、压头、出气口、压盖、压板、红外相机观测口、进气口、底座、透气板、动态加载系统；长方体加载模块为立方体型，上方设置倒阶梯形结构的压盖，设置压头穿过压盖中心进入到长方体加载模块内，压头下方通过设置螺纹，与对应设置螺孔的压板通过螺纹配合连接，压盖用于封闭长方体加载模块顶部；压板和底座相对设置，且相对的表面上设置透气板；压头和压板内设有与长方体加载模块内部相通的出气口，底座内部设置与长方体加载模块内部相通的进气口；前后两面设有气压测量系统，两侧分别设有高速相机观测窗口和红外观测腔室，高速相机观测窗口用于高速摄像机进行数据采集，红外观测腔室用于红外相机进行数据采集；

通过在长方体加载模块前后两面上均匀设置六个压力传感器，同时在进气口和出气口设置两个压力传感器，组成气压测量系统，气压测量系统将气体引入到长方体加载模块内对破碎岩体进行充压，实现气体压力分段测试；

动态加载系统包括：空心圆柱体下落轨道、四角型支架、落锤；空心圆柱体下落轨道前面开有长方形的观测口，观测口上可有显示高度的刻度，四角型支架焊接在空心圆柱体下落轨道底部并通过螺栓与下方压盖链接，落锤在空心圆柱体下落轨道内进行自由落体给压头施加动态荷载。

其中，长方体加载模块与压盖之间通过螺栓连接，且连接处设有双层方型密封圈，所述压头与压盖之间设有双层圆型密封圈；所述透气板与压板、透气板与长方体加载模块底座之间分别设有滤纸。

其中，长方体加载模块前后侧面、底座、压头、压盖、压板均为低热导材料制成，长方体加载模块内外涂有隔热漆。

其中，长方体加载模块左右两个侧面分别通过透明高硼硅玻璃和红外玻璃制备，二者边缘均粘贴石棉垫圈，嵌在长方体加载模块内。

其中，红外观测腔室依次由红外玻璃、梯形密闭台、红外相机观测口组成；红外玻璃、梯形密闭台、红外相机观测口与红外摄像镜头一起组成红外观测腔室的密闭空间，红外观测腔室内部做了漫反射处理。

其中，长方形加载模块前后两侧面自上而下各均匀安装三个压力表，作为压力传感器，实现试验过程中试样气体压力参数的实时监测。

其中，动态加载系统是可拆卸的，通过控制落锤的下落次数、落锤的质量、落锤初始高度调整动态冲击程度，落锤用绳子吊在空心圆柱体下落轨道内部，剪断绳子，进行动态加载。

此外，本发明提供了一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验方法，包括以下步骤：

（1）、用不同粒径砂石筛将破碎煤岩体按颗粒大小分类；

（2）、打开压盖，将筛分好的破碎煤岩体倒入长方体加载模块中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖，拧紧螺丝实现长方体加载模块密封；

（3）、选择微机控制电液伺服压力机进行静态加载，或加装动态加载系统进行动态加载，调节高速相机的位置、焦距，对准长方体加载模块左侧高硼硅玻璃窗口，将红外相机头从右侧伸入红外观测腔室，并设置好红外相机焦距；

（4）、当选择静态加载时，将试验装置放置于微机控制电液伺服压力机上，同时启动微机控制电液伺服压力机、高速相机和红外相机，高速相机负责采集破碎煤岩体动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，压力机实时记录轴向位移、轴向载荷，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样；

（5）、当选择动态加载时，加装动态加载系统，将落锤放入空心圆柱体下落轨道内部，调整落锤高度，启动高速相机和红外相机的高频采集模式，高速相机负责采集破碎煤岩体动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，剪断绳子记录落锤的质量、下落高度，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样。

其中，在选择静态加载时，启动微机控制电液伺服压力机、高速相机和红外相机的步骤之后，包括步骤：

关闭进气口，打开出气口由出气孔对缸筒内煤岩体抽真空；

同时打开进气口、红外相机及高速相机，由进气口向长方体加载模块内持续注入确定压力下气体；由红外相机、高速相机实时记录一定压力气体持续流动过程中破碎煤岩体颗粒骨架、孔隙及温度实时变化规律；

打开微机控制电液伺服压力机对破碎煤岩体进行加载，高速相机负责采集持续通入一定气体压力条件下破碎煤岩体在动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，压力机实时记录轴向位移、轴向载荷，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样；

在选择动态加载时，加装动态加载系统、高速相机和红外相机的步骤之后，包括步骤：

关闭进气口，打开出气口由出气孔对缸筒内煤岩体抽真空；

同时打开进气口、红外相机及高速相机，由进气口向长方体加载模块内持续注入确定压力下气体；由红外相机、高速相机实时记录一定压力气体持续流动过程中破碎煤岩体颗粒骨架、孔隙及温度实时变化规律；落锤对破碎煤岩体进行动态加载，高速相机负责采集持续通入一定气体压力条件下破碎煤岩体在动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，记录落锤的质量、高度，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样。

其中，破碎体试样为不同岩性、不同颗粒粒径的破碎煤体或岩体的中的任一种或是不同岩性的组合体，通入气体为二氧化碳、甲烷、氮气等不同气体，通入气体设置不同气压压强下。

区别于现有技术，本发明的用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置包括长方体加载模块、压头、出气口、圆型密封圈、压盖、压板、红外相机观测口、进气口、底座、透气板、动态加载系统；通过本发明，克服了传统试验装置不能用于破碎煤岩体的研究，实现了对不同岩性、不同破碎程度破碎煤岩体动静加载过程中红外信息的观测测量，可用于揭示破碎煤岩体动静加载过程中内部非均匀变形和破坏，填补了该领域研究的空白；可研究破碎煤岩体在不同应力状态以及不同气体压力条件下承压破碎煤岩体动静加载过程中内部非均匀变形与破坏特性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置的试验观测部分的结构示意图。

图2是本发明提供的一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置的动态加载系统的结构示意图。

图3是本发明提供的一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置的整体结构示意图。

图中：1、压头，2、方型密封圈，3、出气口，4、圆型密封圈，5、螺纹，6、螺栓，7、压盖，8压板，9、梯形密闭台，10、红外玻璃，11、红外相机观测口，12、进气口，13、底座，14、透气板，15、气压表口，16、透明高硼硅玻璃、20、观测口，21空心圆柱体下落轨道，22、螺母，23、垫片，24、四角型支架，25、落锤。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图3所示，图1本发明提供的一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置，包括长方体加载模块100、压头1、出气口3、压盖7、压板8、红外相机观测口11、进气口12、底座13、透气板14、动态加载系统101；长方体加载模块100为立方体型，上方设置倒阶梯形结构的压盖7，设置压头1穿过压盖7中心进入到长方体加载模块内，压头1下方通过设置螺纹5，与对应设置螺孔的压板8通过螺纹配合连接，压盖7用于封闭长方体加载模块顶部；压板8和底座13相对设置，且相对的表面上设置透气板14；压头1和压板8内设有与长方体加载模块内部相通的出气口3，底座13内部设置与长方体加载模块内部相通的进气口12；前后两面设有气压测量系统，两侧分别设有高速相机观测窗口和红外观测腔室，高速相机观测窗口用于高速摄像机进行数据采集，红外观测腔室用于红外相机进行数据采集；

通过在长方体加载模块前后两面上均匀设置六个压力传感器，同时在进气口和出气口设置两个压力传感器，组成气压测量系统，气压测量系统将气体引入到长方体加载模块内对破碎岩体进行充压，实现气体压力分段测试。

动态加载系统101的结构如图2所示，包括空心圆柱体下落轨道21、四角型支架24、落锤25；空心圆柱体下落轨道21前面开有长方形的观测口20，观测口20上可有显示高度的刻度，四角型支架24焊接在空心圆柱体下落轨道底部通过螺栓6与压盖链接，落锤25在空心圆柱体下落轨道21内进行自由落体给压头施加动态荷载。图1和图2组合后的结构如图3所示。

其中，长方体加载模块与压盖7之间通过螺栓6连接，且连接处设有双层方型密封圈2，所述压头1与压盖7之间设有双层圆型密封圈4；所述透气板14与压板8、透气板14与长方体加载模块底座13之间分别设有滤纸。螺栓6通过螺母22进行固定。

其中，长方体加载模块前后侧面、底座13、压头1、压盖7、压板8均为低热导材料制成，长方体加载模块内外涂有隔热漆。

其中，长方体加载模块左右两个侧面分别通过透明高硼硅玻璃16和红外玻璃10制备，二者边缘均粘贴石棉垫圈，嵌在长方体加载模块内。

其中，红外观测腔室依次由红外玻璃10、梯形密闭台9、红外相机观测口11组成；红外玻璃10、梯形密闭台9、红外相机观测口11与红外摄像镜头一起组成红外观测腔室的密闭空间，红外观测腔室内部做了漫反射处理。

其中，长方形加载模块前后两侧面自上而下各均匀安装三个压力表，作为压力传感器，实现试验过程中试样气体压力参数的实时监测。压力表通过压力表口15连接至长方形加载模块内部，进行实时监测。

其中，动态加载系统是可拆卸的，可以通过控制落锤25的质量调整施加的动态荷载，落锤用绳子吊在空心圆柱体下落轨道21内部，剪断绳子，进行动态加载。

此外，本发明提供了一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验方法，包括以下步骤：

（1）、用不同粒径砂石筛将破碎煤岩体按颗粒大小分类；

（2）、打开压盖，将筛分好的破碎煤岩体倒入长方体加载模块中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖，拧紧螺丝实现长方体加载模块密封；

（3）、可以选择微机控制电液伺服压力机进行静态加载或加装动态加载系统实行动态加载，调节高速相机的位置，焦距，对准长方体加载模块左侧高硼硅玻璃窗口，将红外相机头从右侧伸入红外观测腔室，并设置好红外相机焦距；

（4）、当选择静态加载时，将试验装置放置于微机控制电液伺服压力机上，同时启动微机控制电液伺服压力机、高速相机和红外相机，高速相机负责采集破碎煤岩体压实过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，压力机实时记录轴向位移、轴向载荷，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样；

（5）、当选择动态加载时，加装动态加载系统，将落锤放入空心圆柱体下落轨道内部，调整落锤高度，启动高速相机和红外相机的高频采集模式，高速相机负责采集破碎煤岩体动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，剪断绳子记录落锤的质量、下落高度，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样。

其中，在启动微机控制电液伺服压力机或加装动态加载系统、高速相机和红外相机的步骤之后，包括步骤：

关闭进气口，打开出气口由出气孔对缸筒内煤岩体抽真空；

同时打开进气口、红外相机及高速相机，由进气口向长方体加载模块内持续注入确定压力下气体；由红外相机、高速相机实时记录一定压力气体持续流动过程中破碎煤岩体颗粒骨架、孔隙及温度实时变化规律；

选择微机控制电液伺服压力机对破碎煤岩体进行静态加载，高速相机负责采集持续通入一定气体压力条件下破碎煤岩体在动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，压力机实时记录轴向位移、轴向载荷，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样。

选择加装动态加载系统对破碎煤岩体进行动态加载，高速相机负责采集持续通入一定气体压力条件下破碎煤岩体在动静加载过程中颗粒骨架、孔隙率实时变化情况，记录落锤的质量、高度、下落次数，红外相机实时记录破碎煤岩体温度演化规律，直至试验结束，取出试验试样。

其中，破碎体试样为不同岩性、不同颗粒粒径的破碎煤体或岩体的中的任一种或是不同岩性的组合体，通入气体为二氧化碳、甲烷、氮气等不同气体，通入气体设置不同气压压强下。

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1:

研究真空条件下破碎煤岩体静态加载红外观测的试验方法。

（1）、把破碎煤体用不同粒径砂石筛筛分成8~10.5mm粒径的破碎煤体；

（2）、打开压盖(7)，将8~10.5mm粒径的破碎煤体倒入长方体加载模块中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖(7)，拧紧螺栓（6）上的螺母（22）实现长方体加载模块密封；

（3）、将长方体加载模块（100）放在微机控制电液伺服压力机上，由出气口（3）对长方体加载模块内破碎煤体抽真空；

（4）、开启高速相机和红外相机进行全程实时记录；

（5）、记录时间、压力机轴向应力和位移；

（6）、由微机控制电液伺服压力机控制对破碎煤岩体动静加载红外观测试验装置加压，当破碎煤体轴向压力达到60kn时，试验结束，取出试验试样。

上述试验通过高速相机和红外相机观察破碎煤岩体由于轴向压缩引起孔隙率的变化，一定的轴向压力对应一定孔隙率，相关研究克服了传统装置只能测量标准岩芯的局限性，可测试不同荷载、不同破碎程度破碎煤岩体的内部非均匀变形与孔隙变化规律及其红外辐射。

实施例2:

研究甲烷气体条件下破碎煤岩体静态加载红外观测的试验方法。

（1）、把破碎煤体用不同粒径砂石筛筛分成5~7.5mm粒径的破碎煤体；

（2）、打开压盖(7)，将5~7.5mm粒径的破碎煤体倒入长方体加载模块中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖(7)，拧紧螺栓（6）上的螺母（22）实现长方体加载模块密封；

（3）、将长方体加载模块（100）放在微机控制电液伺服压力机上，由出气口（3）对长方体加载模块内破碎煤体抽真空；

（4）由进气口向缸筒内持续注入甲烷，使长方体加载模块内部达到50kpa气压，将装置静止一段时间，使内外温度恒定；

（5）、开启高速相机和红外相机进行全程实时记录；

（6）、记录时间、压力表上的气压、流量以及压力机轴向应力和位移；

（7）、由微机控制电液伺服压力机控制对破碎煤岩体动静加载红外观测试验装置加压，当破碎煤体轴向压力达到60kn时，试验结束，取出试验试样。

实施例3:

研究甲烷气体条件下破碎煤岩体动态加载红外观测的试验方法。

（1）、把破碎煤体用不同粒径砂石筛筛分成2.5~5mm粒径的破碎煤体；

（2）、打开压盖(7)，将2.5~5mm粒径的破碎煤体倒入长方体加载模块中，使其均匀自然堆积，然后关闭压盖(7)，拧紧螺栓（6）上的螺母（22）实现长方体加载模块密封；

（3）、将螺母（22）上放上垫片（23）将动态加载系统通过螺栓（6）加装在压盖(7)上，再安上螺母（22），拧紧，实现动态加载系统的加装，由出气口（3）对长方体加载模块内破碎煤体抽真空；

（4）由进气口向缸筒内持续注入甲烷，使长方体加载模块内部达到20kpa气压，将装置静止一段时间，使内外温度恒定；

（5）、开启高速相机和红外相机进行全程实时记录；

（6）、记录时间、压力表上的气压、流量以及落锤的质量和高度；

（7）、由落锤对破碎煤岩体动静加载红外观测试验装置施加动态冲击，将同一落锤在相同高度重复落下10次，试验结束，取出试验试样。

上述试验通过高速相机和红外相机观察破碎煤岩体由于轴向压缩引起孔隙率的变化，一定的轴向压力对应一定孔隙率，同时通过改变气体的种类、压强，可测试不同气体、压强、不同荷载、不同破碎程度破碎煤岩体的内部非均匀变形与孔隙变化规律及其红外辐射。

本发明用于研究揭示不同荷载、不同气体压力条件下不同岩性不同破碎程度破碎煤岩体动静加载过程中内部颗粒非均匀变形、破碎及不同层位孔隙率空间演化规律。同时本发明提出了破碎煤岩体动静加载-红外观测和不同程度动静加载过程中破碎煤岩体空间孔隙率变化的试验方法，对探究破碎煤岩体内部非均匀变形及分层破碎与孔隙性演化机理的研究具有重要意义。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。