本發(fā)明涉及安全科學(xué)與工程領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，我國(guó)淺部煤炭資源已基本開(kāi)采完畢，現(xiàn)以中部和少數(shù)深部煤炭資源開(kāi)采為主，且整體正以10-20m/a的速度向下開(kāi)采。隨著我國(guó)煤炭年需求量的增大，深部煤炭資源必將成為開(kāi)采主體。隨著煤層開(kāi)采深度的增加，煤層賦存環(huán)境也逐漸變的復(fù)雜，主要表現(xiàn)為地應(yīng)力增大、瓦斯壓力增大、瓦斯含量增多、煤層滲透率降低、地溫升高等特點(diǎn)，更容易促發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故，導(dǎo)致煤礦事故嚴(yán)重性增大，開(kāi)采過(guò)程將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2、煤礦發(fā)生事故是多因素耦合作用，其事故發(fā)生機(jī)制與機(jī)理復(fù)雜多樣，例如煤與瓦斯突出。因此，為了探索煤與瓦斯突出事故發(fā)生機(jī)制與機(jī)理，需要模擬研究原煤巖體試樣在真實(shí)地質(zhì)環(huán)境下的力學(xué)特性、損傷破壞、裂隙發(fā)育、瓦斯吸附解吸等相關(guān)內(nèi)容，可以有效預(yù)防事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)、減少事故發(fā)生的次數(shù)、降低事故發(fā)生的強(qiáng)度，對(duì)解決深部煤炭安全開(kāi)采與地下工程安全開(kāi)挖提供有利指導(dǎo)。通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)大多數(shù)包含真三軸試驗(yàn)設(shè)備并開(kāi)展相關(guān)研究，真三軸試驗(yàn)設(shè)備被設(shè)計(jì)為每一個(gè)真三軸加載壓板為一個(gè)加載區(qū)域，且該加載區(qū)域的壓力視為處處相等，可實(shí)現(xiàn)不同方向的真三軸面應(yīng)力加載。由于現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)存在部分功能缺陷，不能實(shí)現(xiàn)壓板應(yīng)力分區(qū)加載，沒(méi)有考慮地?zé)嵋蛩?，且缺少外部?dòng)載擾動(dòng)功能，不能高度還原煤巖層賦存的真實(shí)地質(zhì)環(huán)境，不能全方面揭示煤與瓦斯突出事故發(fā)生機(jī)制與機(jī)理。

3、針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)功能不足等問(wèn)題，需要研究一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)在現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了外部動(dòng)載擾動(dòng)裝置和地層加熱裝置，同時(shí)又改進(jìn)了真三軸圍壓加載裝置，不僅滿(mǎn)足了外部沖擊動(dòng)載擾動(dòng)功能，還增加了地層地?zé)峒胺謪^(qū)加熱功能，又實(shí)現(xiàn)了真三軸圍壓分區(qū)加載功能。該試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度外部動(dòng)載擾動(dòng)對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化、真三軸圍壓分區(qū)加載對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化、地層分區(qū)加熱對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化等相關(guān)研究。研究一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，不僅有利于防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生，還有利于指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以用來(lái)研究不同強(qiáng)度動(dòng)載擾動(dòng)對(duì)試樣力學(xué)特性變化、不同圍壓分區(qū)加載對(duì)試樣力學(xué)特性變化、不同氣壓環(huán)境對(duì)試樣力學(xué)特性變化、不同地?zé)岘h(huán)境對(duì)試樣力學(xué)特性變化等，還可以進(jìn)一步研究試樣力學(xué)特性變化對(duì)其損傷破壞、裂隙發(fā)育、瓦斯吸附解吸的影響，給煤礦安全生產(chǎn)提供了有利指導(dǎo)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面設(shè)有試驗(yàn)腔體，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部設(shè)有真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)與地層分區(qū)加熱系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體右側(cè)壁底角處貫穿設(shè)有第一氣體管道，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部通過(guò)所述第一氣體管道連接有吸附氣體加壓系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體左側(cè)內(nèi)壁貫穿設(shè)有碰撞壓板，所述碰撞壓板左側(cè)設(shè)有外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)。

3、優(yōu)選的，所述試驗(yàn)腔體一側(cè)通過(guò)固定螺栓與防撞支架相連，所述防撞支架與所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面固定設(shè)置。

4、優(yōu)選的，所述真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)包括若干液壓油泵、壓板、氣壓傳感器，若干所述液壓油泵貫穿設(shè)于所述試驗(yàn)腔體外表面，所述壓板設(shè)于所述試驗(yàn)腔體內(nèi)壁表面與若干所述液壓油泵輸出端相連，所述氣壓傳感器設(shè)于所述試驗(yàn)腔體頂角處。

5、優(yōu)選的，所述壓板由若干小塊壓板拼接而成，每個(gè)所述小塊壓板均與所述液壓油泵的輸出端相連，所述地層分區(qū)加熱系統(tǒng)包括所述小塊壓板、電熱絲、熱電偶、溫控箱，所述小塊壓板遠(yuǎn)離所述液壓油泵的一側(cè)表面設(shè)有凹槽，所述電熱絲與所述熱電偶設(shè)于所述小塊壓板表面凹槽內(nèi)部，所述電熱絲與所述熱電偶分別用導(dǎo)線(xiàn)與所述溫控箱相連接。

6、優(yōu)選的，所述吸附氣體加壓系統(tǒng)包括吸附氣瓶、第一調(diào)壓閥、第一壓力表、第一開(kāi)關(guān)，所述吸附氣瓶依次通過(guò)所述第一調(diào)壓閥、所述第一壓力表、所述第一開(kāi)關(guān)與所述第一氣體管道相連，通過(guò)控制所述第一調(diào)壓閥和所述第一開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部氣壓大小。

7、優(yōu)選的，所述外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)包括氮?dú)馄俊⒌诙怏w管道、儲(chǔ)氣瓶、滑塊、光速傳感器、加速管道、數(shù)據(jù)采集儀、支架，所述氮?dú)馄客ㄟ^(guò)所述第二氣體管道與所述儲(chǔ)氣瓶相連，所述第二氣體管道連接有第二調(diào)壓閥、第二壓力表、第二開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制所述第二調(diào)壓閥和所述第二開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)所述儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)部氣壓，所述第二壓力表示數(shù)即為所述儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)部氣壓值。

8、優(yōu)選的，所述儲(chǔ)氣瓶通過(guò)第三氣體管道與所述加速管道一端相連，所述第三氣體管道與所述儲(chǔ)氣瓶連接處設(shè)有電磁閥，所述加速管道另一端與所述碰撞壓板外端表面相對(duì)應(yīng)，所述滑塊設(shè)于所述加速管道內(nèi)部，所述儲(chǔ)氣瓶與所述加速管道均通過(guò)所述支架固定設(shè)于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面，所述光速傳感器設(shè)于靠近所述碰撞壓板一端的所述加速管道內(nèi)壁。

9、因此，本發(fā)明采用上述一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，具有以下技術(shù)效果：

10、(1)本發(fā)明包含外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度動(dòng)載擾動(dòng)，模擬研究不同強(qiáng)度動(dòng)載擾動(dòng)對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化，對(duì)煤巖體試樣損傷破壞研究提供有力依據(jù)，對(duì)煤巖層破壞形態(tài)研究具有重要意義；

11、(2)本發(fā)明包含真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)煤巖體試樣圍壓分區(qū)加載，模擬研究不同圍壓分區(qū)加載對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化，對(duì)煤巖體試樣裂隙發(fā)育研究提供參數(shù)支持，對(duì)提高煤層滲透率研究具有重要意義；

12、(3)本發(fā)明包含吸附氣體加壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)煤巖體試樣所處氣壓環(huán)境，模擬研究不同氣壓環(huán)境對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化，對(duì)煤與瓦斯突出等事故防治具有指導(dǎo)作用，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義；

13、(4)本發(fā)明包含地層分區(qū)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)煤巖體試樣分區(qū)加熱，模擬研究不同地?zé)岘h(huán)境對(duì)煤巖體試樣力學(xué)特性變化，對(duì)煤巖體試樣損傷破壞和裂隙發(fā)育研究提供有力依據(jù)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和事故防治具有重要意義。

14、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面設(shè)有試驗(yàn)腔體，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部設(shè)有真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)與地層分區(qū)加熱系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體右側(cè)壁底角處貫穿設(shè)有第一氣體管道，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部通過(guò)所述第一氣體管道連接有吸附氣體加壓系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體左側(cè)內(nèi)壁貫穿設(shè)有碰撞壓板，所述碰撞壓板左側(cè)設(shè)有外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述試驗(yàn)腔體一側(cè)通過(guò)固定螺栓與防撞支架相連，所述防撞支架與所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面固定設(shè)置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)包括若干液壓油泵、壓板、氣壓傳感器，若干所述液壓油泵貫穿設(shè)于所述試驗(yàn)腔體外表面，所述壓板設(shè)于所述試驗(yàn)腔體內(nèi)壁表面與若干所述液壓油泵輸出端相連，所述氣壓傳感器設(shè)于所述試驗(yàn)腔體頂角處。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述壓板由若干小塊壓板拼接而成，每個(gè)所述小塊壓板均與所述液壓油泵的輸出端相連，所述地層分區(qū)加熱系統(tǒng)包括所述小塊壓板、電熱絲、熱電偶、溫控箱，所述小塊壓板遠(yuǎn)離所述液壓油泵的一側(cè)表面設(shè)有凹槽，所述電熱絲與所述熱電偶設(shè)于所述小塊壓板表面凹槽內(nèi)部，所述電熱絲與所述熱電偶分別用導(dǎo)線(xiàn)與所述溫控箱相連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述吸附氣體加壓系統(tǒng)包括吸附氣瓶、第一調(diào)壓閥、第一壓力表、第一開(kāi)關(guān)，所述吸附氣瓶依次通過(guò)所述第一調(diào)壓閥、所述第一壓力表、所述第一開(kāi)關(guān)與所述第一氣體管道相連，通過(guò)控制所述第一調(diào)壓閥和所述第一開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部氣壓大小。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)包括氮?dú)馄?、第二氣體管道、儲(chǔ)氣瓶、滑塊、光速傳感器、加速管道、支架，所述氮?dú)馄客ㄟ^(guò)所述第二氣體管道與所述儲(chǔ)氣瓶相連，所述第二氣體管道連接有第二調(diào)壓閥、第二壓力表、第二開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制所述第二調(diào)壓閥和所述第二開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)所述儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)部氣壓，所述第二壓力表示數(shù)即為所述儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)部氣壓值。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種應(yīng)力-瓦斯-溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述儲(chǔ)氣瓶通過(guò)第三氣體管道與所述加速管道一端相連，所述第三氣體管道與所述儲(chǔ)氣瓶連接處設(shè)有電磁閥，所述加速管道另一端與所述碰撞壓板外端表面相對(duì)應(yīng)，所述滑塊設(shè)于所述加速管道內(nèi)部，所述儲(chǔ)氣瓶與所述加速管道均通過(guò)所述支架固定設(shè)于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面，所述光速傳感器設(shè)于靠近所述碰撞壓板一端的所述加速管道內(nèi)壁。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)力?瓦斯?溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于安全科學(xué)與工程領(lǐng)域，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上表面設(shè)有試驗(yàn)腔體，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部設(shè)有真三軸圍壓分區(qū)加載系統(tǒng)與地層分區(qū)加熱系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體右側(cè)壁底角處貫穿設(shè)有第一氣體管道，所述試驗(yàn)腔體內(nèi)部通過(guò)所述第一氣體管道連接有吸附氣體加壓系統(tǒng)，所述試驗(yàn)腔體左側(cè)內(nèi)壁貫穿設(shè)有碰撞壓板，所述碰撞壓板左側(cè)設(shè)有外部動(dòng)載擾動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明采用上述一種應(yīng)力?瓦斯?溫度多場(chǎng)耦合的動(dòng)載擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，用于研究動(dòng)載、圍壓、氣壓、地?zé)釋?duì)試樣力學(xué)特性的影響，及其損傷破壞、裂隙發(fā)育、瓦斯吸附解吸的影響，為煤礦安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

技術(shù)研發(fā)人員：李峰,許博,王琛琛,孫萱,段寶燕,張?zhí)煲?br/>受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8