一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统及实验方法

1.本发明涉及煤与瓦斯动力灾害机理领域，特别涉及一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统及实验方法。


背景技术：

2.近年来，人们对于煤与瓦斯动力灾害机理的关注程度不断提高。国内外研究者也相继研发了各种煤与瓦斯突出模拟及卸压实验装置，并通过装置进行实验，对煤与瓦斯突出机理进行研究并取得了大量成果，对突出发生的原因、条件和过程的认识逐步加深。目前，全面考虑地应力、瓦斯压力和煤物理力学性质等因素的“综合作用假说”被广泛认可。然而，由于突出过程的复杂性及涉及因素的多样性，各因素在突出过程的作用机制以及各因素之间相互作用对于煤与瓦斯突出的影响仍需要进一步研究。
3.通过研究含瓦斯煤体突然卸压过程中的变形及破坏特征，深入了解煤体中裂隙的产生、扩展动态过程以及煤体主要的破坏规律和破坏形式，探究其发生的力学机制，对科学的揭示煤与瓦斯动力灾害机理具有重要作用，同时对于矿井瓦斯动力灾害防治技术具有重要的理论价值和工程指导意义。
4.因此，提供一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统及实验方法具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统及实验方法，以解决现有技术中存在的问题。
6.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，包括恒温系统、卸压系统、抽真空系统、进气系统、动态测量系统和动态观测系统。
7.所述恒温系统包括水浴恒温箱、温控仪和承重板。所述水浴恒温箱为带盖箱体。所述水浴恒温箱的四侧壁面依次标记为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板设置有卸压口ⅰ。所述第二侧板的底部设置有排水口。所述第三侧板设置有观察口。所述承重板下表面布置有若干支撑柱。所述承重板布置在水浴恒温箱的内腔中。所述支撑柱将承重板支承在箱底上方。所述温控仪具有加热管、温度传感器、出水管、进水管和循环扇叶。所述加热管、温度传感器、出水管、进水管和循环扇叶伸入水浴恒温箱的内腔中。
8.所述卸压系统包括卸压实验箱。所述卸压实验箱包括实验箱本体、限位加载机构ⅰ、限位加载机构ⅱ、快速卸压机构、活动压头ⅰ、活动压头ⅱ和固定压头。所述实验箱本体整体为矩形箱体。所述实验箱本体包括箱顶、箱底和4个侧壁。所述4个侧壁依次标记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述箱底的上表面具有凸台。所述实验箱本体的内腔中布置有煤样。所述煤样搁置在凸台上表面。所述箱顶设置有限位加载机构ⅱ和温度传感器。所述第一侧壁设置有快速卸压机构。所述第二侧壁设置有进气口。所述第二侧壁的内壁上设置有供活动压头ⅱ嵌入的安装槽。所述第三侧壁设置有透明视窗。所述第四侧壁设置有限位加载机构ⅰ和声发射数据线接口。所述实验箱本体布置在水浴恒温箱的内腔中。所述
卸压实验箱搁置在承重板上。所述第三侧壁紧贴第三侧板。所述透明视窗与第三侧板的观察口的位置相对应。
9.所述限位加载机构ⅰ包括限位加载连接件ⅰ、限位杆ⅰ、压杆ⅰ和固定压头。所述限位加载连接件ⅰ为圆筒体结构。所述限位加载连接件ⅰ的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件ⅰ穿过第四侧板后与第四侧壁固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近第四侧壁，小径段设置有内螺纹。所述限位杆ⅰ包括螺纹段和光滑段。所述限位杆ⅰ容置在限位加载连接件ⅰ的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆ⅰ的一端与限位杆ⅰ的光滑段接触，另一端穿过第四侧壁后与固定压头连接。
10.所述限位加载机构ⅱ包括限位加载连接件ⅱ、限位杆ⅱ、压杆ⅱ和活动压头ⅰ。所述限位加载连接件ⅱ为圆筒体结构。所述限位加载连接件ⅱ的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件ⅱ穿过水浴恒温箱的盖板后与卸压实验箱的箱顶固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近箱顶，小径段设置有内螺纹。所述限位杆ⅱ包括螺纹段和光滑段。所述限位杆ⅱ容置在限位加载连接件ⅱ的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆ⅱ的一端与限位杆ⅱ的光滑段接触，另一端穿过箱顶后与活动压头ⅰ连接。
11.所述活动压头ⅱ安装在第二侧壁上。所述凸台、固定压头、活动压头ⅰ和活动压头ⅱ构成相互错位的方形框架，用于向煤样施加限位。
12.所述快速卸压机构包括卸压连接件、气动高压球阀和气动执行器。所述卸压连接件为圆筒体结构。所述卸压连接件的一端穿过卸压口ⅰ后与第一侧壁固定连接，另一端与气动高压球阀固定连接。通过气动执行器控制气动高压球阀内的球体旋转实现卸压连接件的瞬间开合，实现瞬态卸压功能。通过设置气动执行器的开关角度调节阀门开度，控制卸压速度。
13.所述抽真空系统包括真空阀、数显真空计、空气过滤器和真空泵。
14.所述进气系统包括高压氦气瓶、高压瓦斯气瓶、减压阀、四通接头、卸压实验箱进气阀和三通接头。所述三通接头的3个直通接头分别与进气口、气体压力传感器及四通接头连通。所述四通接头的4个直通接头分别与三通接头、真空泵、高压氦气瓶及高压瓦斯气瓶连通。所述高压氦气瓶与四通接头之间的管路上设置有减压阀。所述高压瓦斯气瓶与四通接头之间的管路上设置有减压阀。所述真空泵与四通接头之间的管路上设置有真空阀、数显真空计及空气过滤器。所述三通接头与四通接头之间的管路上设置有卸压实验箱进气阀。所述进气系统通过进气口充入瓦斯进行加压和吸附。
15.所述动态测量系统包括声发射传感器、声发射信号放大器、声发射信号采集分析仪、温度传感器、气体压力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机。所述温度传感器穿过卸压实验箱的箱顶，用于检测实验过程中的温度变化。所述位移传感器布置在压杆ⅰ和压杆ⅱ上。所述声发射传感器粘贴于固定压头表面或煤样表面。所述声发射传感器依次与声发射数据线接口、声发射信号放大器以及声发射信号采集分析仪连接。所述声发射传感器用于收集煤样损伤破裂产生的声发射信号，检测煤样的损伤破裂过程。所述温度传感器、气体压力传感器以及位移传感器均与数据采集卡连接。所述位移传感器依次与位移传感器数据线接口及数据采集卡连接。所述数据采集卡同时采集温度和气体压力数据，并监测煤样限位的有效性。所述数据采集卡和声发射信号采集分析仪均与计算机连接。
16.所述动态观测系统布置在第三侧板外侧。所述动态观测系统包括金相显微镜基
座、金相显微镜、工业相机和高速摄像机。所述金相显微镜安装在金相显微镜基座上。所述工业相机和高速摄像机安装在金相显微镜上。所述工业相机用于观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并进行拍照。所述高速摄像机用于观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像。
17.进一步，所述第三侧板和第四侧板为可拆卸侧板。所述第三侧板和第四侧板通过螺栓与水浴恒温箱的主体连接，连接处设有密封垫圈。
18.进一步，所述限位加载机构ⅰ和限位加载机构ⅱ通过螺栓与卸压实验箱固定连接，连接处设有密封垫片。
19.进一步，所述透明视窗采用无机玻璃制得。
20.进一步，所述第三侧壁上设置有安装通孔。所述透明视窗嵌入安装通孔中。所述第三侧板的观察口处设置有挡板。所述挡板为回字形板。所述挡板通过螺栓与第三侧壁紧密连接。所述挡板将透明视窗压握在第三侧壁处。所述透明视窗、挡板和第三侧壁的连接处均设有密封垫圈。
21.本发明还公开一种上述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，包括以下步骤：
22.1)加工煤样。
23.2)安装煤样和传感器。调整固定压头、活动压头ⅰ和煤样，使凸台、固定压头、活动压头ⅰ和活动压头ⅱ对煤样进行有效限位。
24.3)开启温控仪，设定实验温度，采用内循环和外循环结合的方式进行恒温水浴。
25.4)关闭减压阀，打开卸压实验箱进气阀和真空阀，通过真空泵对整个实验系统进行抽真空，排除系统中的空气，当数显真空计显示真空度达到30pa以下时，依次关闭卸压实验箱进气阀、真空阀和真空泵，停止抽真空。
26.5)进行煤层瓦斯压力瞬态卸载实验，使用动态测量系统和动态观测系统监测加压吸附过程和瞬态卸压过程。向卸压实验箱内持续充入设定实验压力的瓦斯。采用金相显微镜观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并用工业相机进行拍照。当卸压实验箱的气体压力达到平衡后，通过气动执行器控制气动高压球阀实现瞬态卸压。采用高速摄像机观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像。实验全过程中，温度传感器采集加压吸附过程和瞬态卸压过程中的温度数据，监测温度变化。气体压力传感器确定加压吸附过程中的气体压力以及瞬态卸压过程中的卸压速度。声发射传感器采集加压吸附过程和瞬态卸压过程煤样损伤破裂产生的声发射信号。
27.进一步，步骤1)中，将工作面挑选的大块煤样通过切割、打磨及抛光处理，加工成立方体原煤试件。将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样。
28.进一步，步骤1)中，采用模具将煤粉加水混合后压制成立方体型煤试件。将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样。
29.进一步，实验时，通过固定压头或活动压头ⅰ中的任意一个压头对煤样施加限位。将声发射传感器连接在煤样表面。研究单轴限位条件煤样吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然卸压导致的煤体变形和破坏过程。
30.进一步，实验时，不对煤样施加限位。将声发射传感器直接连接在煤样表面。进行单纯的瓦斯卸压实验，研究无约束条件下煤样吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然
卸压导致的煤体变形和破坏过程。
31.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
32.a.采用循环水浴恒温，能够进行不同温度和瓦斯压力耦合作用下的瓦斯瞬态卸压实验研究；
33.b.采用立方体煤样，通过对活动压头的设计，避免了煤样边角处的应力集中；
34.c.限位方式多样，能够实现煤样无约束、单轴限位以及双轴限位条件下的瞬态卸压实验；
35.d.卸压实验箱体设有声发射数据线接口，连接声发射传感器，用于收集煤体损伤破裂产生的声发射信号，检测煤体损伤破裂过程。设有动态观测系统，通过透明视窗观测吸附过程煤体的细观结构变化以及瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏；
36.e.快速卸压机构采用气动高压球阀进行瞬态卸压，避免人为打开卸压口影响煤与瓦斯卸压过程，通过设置气动执行器的开关角度调节阀门开度，定性控制卸压速度，实现不同卸压速度对于煤体破坏的影响研究；
37.f.结构简单，操作方便，功能多样，密封性能好，承压能力强，能满足较高气体压力要求，更加真实的模拟突然卸压导致的煤体破坏，为深入研究煤与瓦斯突出机理提供实验室研究设备和条件；
38.g.设计合理，能够实现不同温度和瓦斯压力耦合作用下，限位方式多样，卸压速度可控的煤层瓦斯卸压实验研究，避免了人为打开卸压口影响煤与瓦斯卸压过程，更加真实的模拟煤样从施加限位，吸附变形到突然卸压导致煤体破坏的全过程，实时动态反映吸附瓦斯过程中的煤体变形和煤体内部结构损伤，以及瓦斯瞬态卸压导致的煤体破坏。
附图说明
39.图1为煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统结构示意图；
40.图2为煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统侧视图；
41.图3为卸压实验箱结构示意图；
42.图4为a处局部放大图；
43.图5为活动压头结构示意图；
44.图6为活动压头b-b剖视图。
具体实施方式
45.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
46.实施例1：
47.本技术方案之前煤层瓦斯压力瞬态卸载实验多侧重于实验现象，通常从地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质等因素着手，侧重于分析各因素对突出的影响，以及在突出中的作用大小。分析瓦斯加卸压过程中煤的损伤、变形破坏的研究较少。而瓦斯卸压过程作为煤与瓦斯突出的必要环节也是关键致灾因素。参见图1、图2、图3和图6，本实施例为了增加煤层瓦斯压力瞬态卸载的实用性和拓展性，提供一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，包
括恒温系统、卸压系统、抽真空系统、进气系统、动态测量系统和动态观测系统。
48.所述恒温系统包括水浴恒温箱17、温控仪9和承重板15。所述水浴恒温箱17为带盖箱体。所述水浴恒温箱17的四侧壁面依次标记为第一侧板35、第二侧板12、第三侧板42和第四侧板28。所述第一侧板35设置有卸压口ⅰ。所述第二侧板12的底部设置有排水口16。所述第三侧板42设置有观察口。所述承重板15下表面布置有支撑柱20；所述承重板15布置在水浴恒温箱17的内腔中；所述支撑柱20将承重板15支承在箱底上方。所述温控仪9具有加热管14、温度传感器10、出水管18、进水管11和循环扇叶13。所述加热管14、温度传感器10、出水管18、进水管11和循环扇叶13伸入水浴恒温箱17的内腔中。
49.所述卸压系统包括卸压实验箱19。所述卸压实验箱19整体为矩形箱体。所述卸压实验箱19包括箱顶、箱底和4个侧壁。所述4个侧壁依次标记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述箱底的上表面具有凸台48。所述卸压实验箱19的内腔中布置有煤样39。所述煤样39搁置在凸台48上表面。所述箱顶设置有限位加载机构ⅱ和温度传感器50。所述第一侧壁设置有快速卸压机构。所述第二侧壁设置有进气口49。所述第二侧壁的内壁上设置有供活动压头ⅱ380嵌入的安装槽。所述第三侧壁设置有透明视窗40。所述第四侧壁设置有限位加载机构ⅰ和声发射数据线接口44。所述卸压实验箱19布置在水浴恒温箱17的内腔中。所述卸压实验箱19搁置在承重板15上。所述第三侧壁紧贴第三侧板42。所述透明视窗40与第三侧板42的观察口的位置相对应。
50.所述限位加载机构ⅰ包括限位加载连接件ⅰ29、限位杆ⅰ36、压杆ⅰ37和固定压头47。所述限位加载连接件ⅰ29为圆筒体结构。所述限位加载连接件ⅰ29的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件ⅰ29穿过第四侧板28后与第四侧壁固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近第四侧壁，小径段设置有内螺纹。所述限位杆ⅰ36包括螺纹段和光滑段。所述限位杆ⅰ36容置在限位加载连接件ⅰ29的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆ⅰ37的一端与限位杆ⅰ36的光滑段接触，另一端穿过第四侧壁后与固定压头47连接。
51.所述限位加载机构ⅱ包括限位加载连接件ⅱ290、限位杆ⅱ360、压杆ⅱ370和活动压头ⅰ38。所述限位加载连接件ⅱ290为圆筒体结构。所述限位加载连接件ⅱ290的内腔为阶梯型内腔。所述限位加载连接件ⅱ290穿过水浴恒温箱17的盖板27后与卸压实验箱19的箱顶固定连接。所述阶梯型内腔的大径段靠近箱顶，小径段设置有内螺纹。所述限位杆ⅱ360包括螺纹段和光滑段。所述限位杆ⅱ360容置在限位加载连接件ⅱ290的内腔中。所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段。所述压杆ⅱ370的一端与限位杆ⅱ360的光滑段接触，另一端穿过箱顶后与活动压头ⅰ38连接。
52.所述活动压头ⅱ380安装在第二侧壁上。所述凸台48、固定压头47、活动压头ⅰ38和活动压头ⅱ380构成相互错位的方形框架，用于向煤样39施加限位。
53.所述快速卸压机构包括卸压连接件31、气动高压球阀32和气动执行器33。所述卸压连接件31为圆筒体结构。所述卸压连接件31的一端穿过卸压口ⅰ后与第一侧壁固定连接，另一端与气动高压球阀32固定连接。通过气动执行器33控制气动高压球阀32内的球体34旋转实现卸压连接件31的瞬间开合，实现瞬态卸压功能。通过设置气动执行器33的开关角度调节阀门开度，控制卸压速度。
54.所述抽真空系统包括真空阀5、数显真空计6、空气过滤器7和真空泵8。
55.所述进气系统包括高压氦气瓶1、高压瓦斯气瓶2、减压阀3、四通接头4、卸压实验
箱进气阀21和三通接头22。所述三通接头22的3个直通接头分别与进气口49、气体压力传感器23及四通接头4连通。所述四通接头4的4个直通接头分别与三通接头22、真空泵8、高压氦气瓶1及高压瓦斯气瓶2连通。所述高压氦气瓶1与四通接头4之间的管路上设置有减压阀3。所述高压瓦斯气瓶2与四通接头4之间的管路上设置有减压阀3。所述真空泵8与四通接头4之间的管路上设置有真空阀5、数显真空计6及空气过滤器7。所述三通接头22与四通接头4之间的管路上设置有卸压实验箱进气阀21。所述进气系统通过进气口49充入瓦斯进行加压和吸附。
56.所述动态测量系统包括声发射传感器43、声发射信号放大器25、声发射信号采集分析仪26、温度传感器50、气体压力传感器23、位移传感器45、数据采集卡24和计算机30。所述温度传感器50穿过卸压实验箱19的箱顶，用于检测实验过程中的温度变化。所述位移传感器45布置在压杆ⅰ37和压杆ⅱ370上。所述声发射传感器43粘贴于固定压头47表面或煤样39表面。所述声发射传感器43依次与声发射数据线接口44、声发射信号放大器25以及声发射信号采集分析仪26连接。所述声发射传感器43用于收集煤样39损伤破裂产生的声发射信号，检测煤样39的损伤破裂过程。所述温度传感器50、气体压力传感器23以及位移传感器45均与数据采集卡24连接。所述位移传感器45依次与位移传感器数据线接口46及数据采集卡24连接。所述数据采集卡24同时采集温度和气体压力数据，并监测煤样39限位的有效性。所述数据采集卡24和声发射信号采集分析仪26均与计算机30连接。
57.所述动态观测系统布置在第三侧板42外侧。所述动态观测系统包括金相显微镜基座54、金相显微镜55、工业相机56和高速摄像机57。所述金相显微镜55安装在金相显微镜基座54上。所述工业相机56和高速摄像机57安装在金相显微镜55上。所述工业相机56用于观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并进行拍照。所述高速摄像机57用于观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像。
58.本实施例能够实现不同温度和瓦斯压力耦合作用下，卸压速度可控，限位方式多样的煤层瓦斯卸压实验研究，动态反映不同限位条件下施加瓦斯压力过程中的煤体细观变形和煤体内部结构破坏情况，以及突然卸压导致的煤体破坏过程，探究煤体在瓦斯加卸压作用下的变形破坏特征。
59.实施例2：
60.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第三侧板42和第四侧板28为可拆卸侧板。所述第三侧板42和第四侧板28通过螺栓与水浴恒温箱17的主体连接，连接处设有密封垫圈。
61.实施例3：
62.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述限位加载机构ⅰ和限位加载机构ⅱ通过螺栓与卸压实验箱19固定连接，连接处设有密封垫片。
63.实施例4：
64.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述透明视窗40采用无机玻璃制得。
65.实施例5：
66.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第三侧壁上设置有安装通孔。所述透明视窗40嵌入安装通孔中。所述第三侧板42的观察口处设置有挡板41。所述挡板41为回字形板。所述挡板41通过螺栓与第三侧壁42紧密连接。所述挡板41将透明视窗40压握在第三侧
壁42处。所述透明视窗40、挡板41和第三侧壁42的连接处均设有密封垫圈。
67.实施例6：
68.本实施例主要结构同实施例1，其中，为保证卸压实验箱19的高压密封性，卸压连接件31与卸压实验箱19连接处，压杆37与限位加载机构连接处、限位加载机构与卸压实验箱19连接处，卸压连接件31与气动高压球阀32连接处，透明视窗40与卸压实验箱19连接处均设有密封件，所述密封件均为聚四氟乙烯密封垫圈。
69.实施例7：
70.参见图5，本实施例主要结构同实施例1，其中，所述活动压头38包括加载块38a和滑块38b。所述加载块38a与压杆37通过螺纹固定连接，向滑块38b传递压力，加载块38a左右两侧设有限位挡板38d，所述限位挡板38d通过螺钉与加载块38a固定连接，加载块38a向内开凹槽，用于嵌套滑块38b。所述滑块38b通过右侧限位挡板38d上的螺钉与加载块38a连接，连接螺钉上设有复位弹簧38e，滑块38b下端面与煤样39直接接触。所述加载块38a和滑块38b之间设有滚动圆弧沟槽，所述沟槽内充填钢珠38c。
71.实施例8：
72.本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图4，所述压杆37与限位加载机构27连接处设有密封组合件。所述密封组合件包括“t”形压环51、多个密封垫圈53和不锈钢垫片52，由下往上依次设置为“t”形压环51、不锈钢垫片52、密封垫圈53和不锈钢垫片52，所述“t”形压环51通过螺栓与限位加载机构27连接，“t”形压环51的杆部通过压紧密封组合件，从而达到密封作用。
73.实施例9：
74.本实施例提供一种根据实施例1所述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，包括以下步骤：
75.1)煤样39加工。
76.2)拆下回字形挡板41和透明视窗40，安装煤样39和传感器。调整固定压头47、活动压头ⅰ38和煤样39，使凸台48、固定压头47、活动压头ⅰ38和活动压头ⅱ380对煤样39进行有效限位，然后将透明视窗40和回字形挡板41安装密封好。
77.3)开启温控仪9，设定实验温度，采用内循环和外循环结合的方式进行恒温水浴。
78.4)关闭减压阀3，打开卸压实验箱进气阀21和真空阀5，通过真空泵8对整个实验系统进行抽真空，排除系统中的空气，当数显真空计6显示真空度达到30pa以下时，依次关闭卸压实验箱进气阀21、真空阀5和真空泵8，停止抽真空。
79.5)进行煤层瓦斯压力瞬态卸载实验，使用动态测量系统和动态观测系统监测加压吸附过程和瞬态卸压过程。向卸压实验箱19内持续充入设定实验压力的瓦斯。采用金相显微镜55观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并用工业相机56进行拍照。当卸压实验箱19的气体压力达到平衡后，通过气动执行器33控制气动高压球阀32实现瞬态卸压。值得说明的是，这里的平衡是指一定时间内气体压力不再发生改变时的相对稳定状态。采用高速摄像机57观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像。实验全过程采用温度传感器采集加压吸附过程和瞬态卸压过程中的温度数据，监测温度变化；采用气体压力传感器确定加压吸附过程中的气体压力以及瞬态卸压过程中的卸压速度(通过瞬态卸压过程压力与时间的关系曲线的斜率推算卸压速度)，采用声发射传感器采集加压吸附过程和瞬
态卸压过程煤样损伤破裂产生的声发射信号，监测加压吸附过程的煤样内部结构损伤和瞬态卸压过程中的煤样破裂过程。
80.值得说明的是，本实施例可实现施加瓦斯压力过程煤体的细观结构变化以及瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和结构破坏。本实施例采用限位加载方式，采用高压气动球阀进行卸压，通过控制阀门开度进而控制卸压速度。可实现不同温度和瓦斯压力耦合作用下，限位方式多样，卸压速度可控的煤层瓦斯卸压实验功能。
81.实施例10：
82.本实施例主要步骤同实施例9，其中，将工作面挑选的大块煤样39通过切割、打磨、抛光等处理，加工成尺寸为50
×
50
×
50mm的立方体原煤试件，将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样39。
83.实施例11：
84.本实施例主要步骤同实施例9，其中，采用特殊模具将煤粉加水混合后压制成50
×
50
×
50mm的立方体型煤试件，将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样39。
85.实施例12：
86.本实施例主要步骤同实施例9，其中，实验时，仅通过固定压头47或活动压头ⅰ38中的任意一个压头对煤样39施加限位，此时，将声发射传感器43直接连接在煤样39表面。研究单轴限位条件煤样39吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然卸压导致的煤体变形和破坏过程。
87.实施例13：
88.本实施例主要步骤同实施例9，其中，实验时，不对煤样39施加限位，此时，将声发射传感器43直接连接在煤样39表面。进行单纯的瓦斯卸压实验，研究无约束条件下煤样39吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然卸压导致的煤体变形和破坏过程。

技术特征：
1.一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，其特征在于：包括恒温系统、卸压系统、抽真空系统、进气系统、动态测量系统和动态观测系统；所述恒温系统包括水浴恒温箱(17)、温控仪(9)和承重板(15)；所述水浴恒温箱(17)为带盖箱体；所述水浴恒温箱(17)的四侧壁面依次标记为第一侧板(35)、第二侧板(12)、第三侧板(42)和第四侧板(28)；所述第一侧板(35)设置有卸压口ⅰ；所述第二侧板(12)的底部设置有排水口(16)；所述第三侧板(42)设置有观察口；所述承重板(15)下表面布置有若干支撑柱(20)；所述承重板(15)布置在水浴恒温箱(17)的内腔中；所述支撑柱(20)将承重板(15)支承在箱底上方；所述温控仪(9)具有加热管(14)、温度传感器(10)、出水管(18)、进水管(11)和循环扇叶(13)；所述加热管(14)、温度传感器(10)、出水管(18)、进水管(11)和循环扇叶(13)伸入水浴恒温箱(17)的内腔中；所述卸压系统包括卸压实验箱(19)；所述卸压实验箱(19)包括实验箱本体、限位加载机构ⅰ、限位加载机构ⅱ、快速卸压机构、活动压头ⅰ(35)、活动压头ⅱ(350)和固定压头(44)；所述实验箱本体整体为矩形箱体；所述实验箱本体包括箱顶、箱底和4个侧壁；所述4个侧壁依次标记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述箱底的上表面具有凸台(48)；所述实验箱本体的内腔中布置有煤样(39)；所述煤样(39)搁置在凸台(48)上表面；所述箱顶设置有限位加载机构ⅱ和温度传感器(50)；所述第一侧壁设置有快速卸压机构；所述第二侧壁设置有进气口(49)；所述第二侧壁的内壁上设置有供活动压头ⅱ(380)嵌入的安装槽；所述第三侧壁设置有透明视窗(40)；所述第四侧壁设置有限位加载机构ⅰ和声发射数据线接口(44)；所述实验箱本体布置在水浴恒温箱(17)的内腔中；所述卸压实验箱(19)搁置在承重板(15)上；所述第三侧壁紧贴第三侧板(42)；所述透明视窗(40)与第三侧板(42)的观察口的位置相对应；所述限位加载机构ⅰ包括限位加载连接件ⅰ(29)、限位杆ⅰ(36)、压杆ⅰ(37)和固定压头(47)；所述限位加载连接件ⅰ(29)为圆筒体结构；所述限位加载连接件ⅰ(29)的内腔为阶梯型内腔；所述限位加载连接件ⅰ(29)穿过第四侧板(28)后与第四侧壁固定连接；所述阶梯型内腔的大径段靠近第四侧壁，小径段设置有内螺纹；所述限位杆ⅰ(36)包括螺纹段和光滑段；所述限位杆ⅰ(36)容置在限位加载连接件ⅰ(29)的内腔中；所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段；所述压杆ⅰ(37)的一端与限位杆ⅰ(36)的光滑段接触，另一端穿过第四侧壁后与固定压头(47)连接；所述限位加载机构ⅱ包括限位加载连接件ⅱ(290)、限位杆ⅱ(360)、压杆ⅱ(370)和活动压头ⅰ(38)；所述限位加载连接件ⅱ(290)为圆筒体结构；所述限位加载连接件ⅱ(290)的内腔为阶梯型内腔；所述限位加载连接件ⅱ(290)穿过水浴恒温箱(17)的盖板(27)后与卸压实验箱(19)的箱顶固定连接；所述阶梯型内腔的大径段靠近箱顶，小径段设置有内螺纹；所述限位杆ⅱ(360)包括螺纹段和光滑段；所述限位杆ⅱ(360)容置在限位加载连接件ⅱ(290)的内腔中；所述螺纹段旋入小径段，光滑段伸入大径段；所述压杆ⅱ(370)的一端与限位杆ⅱ(360)的光滑段接触，另一端穿过箱顶后与活动压头ⅰ(38)连接；所述活动压头ⅱ(380)安装在第二侧壁上；所述凸台(48)、固定压头(47)、活动压头ⅰ(38)和活动压头ⅱ(380)构成相互错位的方形框架，用于向煤样(39)施加限位；所述快速卸压机构包括卸压连接件(31)、气动高压球阀(32)和气动执行器(33)；所述卸压连接件(31)为圆筒体结构；所述卸压连接件(31)的一端穿过卸压口ⅰ后与第一侧壁固
定连接，另一端与气动高压球阀(32)固定连接；通过气动执行器(33)控制气动高压球阀(32)内的球体(34)旋转实现卸压连接件(31)的瞬间开合，实现瞬态卸压功能；通过设置气动执行器(33)的开关角度调节阀门开度，控制卸压速度；所述抽真空系统包括真空阀(5)、数显真空计(6)、空气过滤器(7)和真空泵(8)；所述进气系统包括高压氦气瓶(1)、高压瓦斯气瓶(2)、减压阀(3)、四通接头(4)、卸压实验箱进气阀(21)和三通接头(22)；所述三通接头(22)的3个直通接头分别与进气口(49)、气体压力传感器(23)及四通接头(4)连通；所述四通接头(4)的4个直通接头分别与三通接头(22)、真空泵(8)、高压氦气瓶(1)及高压瓦斯气瓶(2)连通；所述高压氦气瓶(1)与四通接头(4)之间的管路上设置有减压阀(3)；所述高压瓦斯气瓶(2)与四通接头(4)之间的管路上设置有减压阀(3)；所述真空泵(8)与四通接头(4)之间的管路上设置有真空阀(5)、数显真空计(6)及空气过滤器(7)；所述三通接头(22)与四通接头(4)之间的管路上设置有卸压实验箱进气阀(21)；所述进气系统通过进气口(49)充入瓦斯进行加压和吸附；所述动态测量系统包括声发射传感器(43)、声发射信号放大器(25)、声发射信号采集分析仪(26)、温度传感器(50)、气体压力传感器(23)、位移传感器(45)、数据采集卡(24)和计算机(30)；所述温度传感器(50)穿过卸压实验箱(19)的箱顶，用于检测实验过程中的温度变化；所述位移传感器(45)布置在压杆ⅰ(37)和压杆ⅱ(370)上；所述声发射传感器(43)粘贴于固定压头(47)表面或煤样(39)表面；所述声发射传感器(43)依次与声发射数据线接口(44)、声发射信号放大器(25)以及声发射信号采集分析仪(26)连接；所述声发射传感器(43)用于收集煤样(39)损伤破裂产生的声发射信号，检测煤样(39)的损伤破裂过程；所述温度传感器(50)、气体压力传感器(23)以及位移传感器(45)均与数据采集卡(24)连接；所述位移传感器(45)依次与位移传感器数据线接口(46)及数据采集卡(24)连接；所述数据采集卡(24)同时采集温度和气体压力数据，并监测煤样(39)限位的有效性；所述数据采集卡(24)和声发射信号采集分析仪(26)均与计算机(30)连接；所述动态观测系统布置在第三侧板(42)外侧；所述动态观测系统包括金相显微镜基座(54)、金相显微镜(55)、工业相机(56)和高速摄像机(57)；所述金相显微镜(55)安装在金相显微镜基座(54)上；所述工业相机(56)和高速摄像机(57)安装在金相显微镜(55)上；所述工业相机(56)用于观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并进行拍照；所述高速摄像机(57)用于观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像。2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，其特征在于：所述第三侧板(42)和第四侧板(28)为可拆卸侧板；所述第三侧板(42)和第四侧板(28)通过螺栓与水浴恒温箱(17)的主体连接，连接处设有密封垫圈。3.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，其特征在于：所述限位加载机构ⅰ和限位加载机构ⅱ通过螺栓与卸压实验箱(19)固定连接，连接处设有密封垫片。4.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，其特征在于：所述透明视窗(40)采用无机玻璃制得。5.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统，其特征在于：所述第三侧壁上设置有安装通孔；所述透明视窗(40)嵌入安装通孔中；所述第三侧板(42)的观察口处设置有挡板(41)；所述挡板(41)为回字形板；所述挡板(41)通过螺栓与第三侧壁紧密连接；所述挡板(41)将透明视窗(40)压握在第三侧壁处；所述透明视窗(40)、挡板(41)和第三
侧壁的连接处均设有密封垫圈。6.根据权利要求1所述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)加工煤样(39)；2)安装煤样(39)和传感器；调整固定压头(47)、活动压头ⅰ(38)和煤样(39)，使凸台(48)、固定压头(47)、活动压头ⅰ(38)和活动压头ⅱ(380)对煤样(39)进行有效限位；3)开启温控仪(9)，设定实验温度，采用内循环和外循环结合的方式进行恒温水浴；4)关闭减压阀(3)，打开卸压实验箱进气阀(21)和真空阀(5)，通过真空泵(8)对整个实验系统进行抽真空，排除系统中的空气，当数显真空计(6)显示真空度达到30pa以下时，依次关闭卸压实验箱进气阀(21)、真空阀(5)和真空泵(8)，停止抽真空；5)进行煤层瓦斯压力瞬态卸载实验，使用动态测量系统和动态观测系统监测加压吸附过程和瞬态卸压过程；向卸压实验箱(19)内持续充入设定实验压力的瓦斯；采用金相显微镜(55)观察煤体施加瓦斯压力过程煤体的细观变形并用工业相机(56)进行拍照；当卸压实验箱(19)的气体压力达到平衡后，通过气动执行器(33) 控制气动高压球阀(32)实现瞬态卸压；采用高速摄像机(57)观察瓦斯瞬态卸压过程中的煤体变形和破坏并进行摄像；实验全过程中，温度传感器采集加压吸附过程和瞬态卸压过程中的温度数据，监测温度变化；气体压力传感器确定加压吸附过程中的气体压力以及瞬态卸压过程中的卸压速度；声发射传感器采集加压吸附过程和瞬态卸压过程煤样损伤破裂产生的声发射信号。7.根据权利要求6所述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，其特征在于：步骤1)中，将工作面挑选的大块煤样通过切割、打磨及抛光处理，加工成立方体原煤试件；将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样(39)。8.根据权利要求6所述的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，其特征在于：步骤1)中，采用模具将煤粉加水混合后压制成立方体型煤试件；将加工好的原煤试件根据实验需要制备成干燥或不同含水率煤样(39)。9.根据权利要求1所述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，其特征在于，本权利要求与权利要求6的不同之处在于：实验时，通过固定压头(47)或活动压头ⅰ(38)中的任意一个压头对煤样(39)施加限位；将声发射传感器(43)连接在煤样(39)表面；研究单轴限位条件煤样(39)吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然卸压导致的煤体变形和破坏过程。10.根据权利要求1所述实验系统的煤层瓦斯压力瞬态卸载实验方法，其特征在于，本权利要求与权利要求6的不同之处在于：实验时，不对煤样(39)施加限位；将声发射传感器(43)直接连接在煤样(39)表面；进行单纯的瓦斯卸压实验，研究无约束条件下煤样(39)吸附瓦斯过程中的细观变形特征，以及突然卸压导致的煤体变形和破坏过程。

技术总结
发明提供一种煤层瓦斯压力瞬态卸载实验系统及实验方法。该系统包括恒温系统、进气系统、抽真空系统、卸压系统、动态测量系统和动态观测系统。所述恒温系统包括水浴恒温箱、温控仪和承重板，所述进气系统包括高压氦气瓶、高压瓦斯气瓶、减压阀、三通接头、四通接头和卸压实验箱进气阀，所述抽真空系统包括真空阀、数显真空计、空气过滤器和真空泵。该装置能够实现不同温度和瓦斯压力耦合作用下，卸压速度可控，限位方式多样的煤层瓦斯卸压实验研究，动态反映不同限位条件下施加瓦斯压力过程中的煤体细观变形和煤体内部结构破坏情况，以及突然卸压导致的煤体破坏过程，探究煤体在瓦斯加卸压作用下的变形破坏特征。卸压作用下的变形破坏特征。卸压作用下的变形破坏特征。


技术研发人员：张遵国 陈毅 唐朝 马凯欣 李延辉 杨非凡 陈永强 钱清侠 张宏虎 袁新立 李丹丹
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25