技术领域
[0001] 本
发明涉及一种含瓦斯煤岩冲击破坏及
电磁辐射效应测试实验装置，适用于测试富含瓦斯环境下煤岩受冲击荷载作用的动
力学响应特征及煤岩破坏时产生瞬变电磁辐射
信号的变化规律，以便研究含瓦斯煤岩的动态破坏特性和瓦斯气体对煤岩破坏电磁辐射信号幅值、
能量以及
频率等时频特征的影响规律。
背景技术
[0002] 在深部煤炭资源开采过程中，
煤层大多处于富含瓦斯的状态，煤层瓦斯不仅是各类瓦斯灾害事故的根源，还是井下煤岩系统的重要组成属性。瓦斯和煤层及其围岩共同组成的含瓦斯煤岩系统，是一种有别于固体(煤岩)和
流体(瓦斯)的特殊介质，其性态变化和运动过程极其复杂，极易引发大型的灾害事故。煤岩体的宏观破坏是其内部裂隙、裂纹产生、扩展和聚集的结果。在矿井生产过程中，巷道爆破开挖、爆破采煤、巷道顶板垮落、
断层滑动、冲击地压等均具有典型的冲击性破坏特征，这些现象或者灾害往往是局部工程结构煤岩体在冲击
载荷的扰动下短时间内发生
变形、失稳等集中破坏的体现。特别地，当含瓦斯煤岩动力灾害发生时，煤岩的这种瞬态破坏过程常常会在极短时间内损坏井巷空间的
支架及重要生产设备、引起通
风系统故障，造成严重的财产损失甚至人员伤亡等后果。然而，当前由于相关装置和设备的缺失，对于含瓦斯煤岩冲击破坏的研究少之又少。因此，为减少含瓦斯煤岩灾害带来的损失，最大程度地保障人民生命财产安全，亟需对其破坏的动力学特性进行研究并藉此对这类事故开展常态的监测和预警工作。
[0003] 电磁辐射技术是一种非
接触式的地球物理方法，也是我国煤矿现行的常规动力灾害监测预警重要技术手段之一。与传统静态钻孔测试方法相比，电磁辐射技术具有非接触、连续、不影响生产等优点。国内外诸多从事矿井安全开采和地球物理探测等相关领域的学者们对煤岩破坏的电磁辐射效应特征规律开展了大量的现场观测、实验研究和理论分析工作，并取得了丰富的成果。但目前对于煤岩变形破坏电磁辐射信号的研究多是在准静载或缓慢加载条件下取得的结果，而对局部煤体在冲击或瞬态破坏时产生瞬变电磁信号规律的研究较少，尤其是针对含瓦斯煤岩，其动态破坏过程的电磁辐射效应研究尚未见诸相关文献，究其原因主要是相关实验装置的缺失。然而，开展含瓦斯煤岩的冲击破坏和电磁信号分析能更好地逼近和模拟井下煤岩体的实际力学性质和所处的
应力状态，进一步丰富和完善煤岩动态破坏电磁辐射理论，对电磁辐射技术在煤岩动力灾害监测和防治方面的推广应用具有重要的理论意义和工程意义。因此，设计和搭建一组配套的含瓦斯煤岩冲击破坏及瞬变电磁分析实验系统显得尤为重要。
[0004] 当前，通用的瞬态冲击动载实验方法主要包括落锤法、泰勒杆测试法及分离式霍普金森压杆测试(SHPB)方法；在以往的实验研究中，这三种方法及其配套实验装置均被用于普通煤岩的冲击测试，不适用于含瓦斯煤岩。另外，
专利号为CN201310287479.7的中国发明专利公开了一种煤矿冲击实验中的瓦斯密封装置，该种装置在SHPB的
基础上确保了煤样不离开瓦斯气体的密封环境，但是该装置无法针对煤体冲击载荷下电磁辐射信号的测试开展实验。
[0005] 综上所述，研制一套含瓦斯煤岩冲击破坏及其电磁辐射效应的测试实验装置有助于探究煤岩体在瞬态冲击作用下的破坏特征和电磁辐射信号规律，对进一步探究煤岩动力灾害的发生过程、实现煤岩动力灾害的预测预警、改善矿山安全生产条件具有重要的理论和现实意义。
发明内容
[0006] 鉴于已有设备存在的不足，本发明在传统落锤冲击方法的基础上，通过改进设计提供了一种含瓦斯煤岩冲击破坏过程中电磁辐射信号测试实验装置，以便研究含瓦斯煤岩的动态破坏特性和瓦斯气体对煤岩破坏电磁辐射信号幅值、能量以及频率等时频特征的影响规律。
[0007] 本发明所要解决的技术问题分为以下三点：一是提供简单、可靠、具有高度重复性的冲击加载方法；二是构造含瓦斯的密闭环境；三是提供电磁辐射信号的接收测量方法。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种含瓦斯煤岩冲击破坏及电磁辐射效应测试实验装置，包括电磁
铁(1)、重锤(2)、锤筒(3)、玻璃
纤维加热带(4)、冲击发生密封舱(5)、尼龙棒(PA-66)(6)、有机玻璃(7)、煤岩样品(8)、冲击力
传感器(9)、金属屏蔽网(10)、
真空泵(11)、计算机(12)、
数据采集系统(13)、
温度探头(14)、温度传感器(15)、应变片(16)、电磁辐射接收天线(17)、瓦斯气罐(18)、固定
螺栓、通丝螺栓、进气
阀门，出气阀门、进气孔、出气孔、
导线穿出孔、
法兰、法兰盲板。其特征在于重锤(2)材质为
钢，柱形平头，与电
磁铁(1)通过
磁性吸引连接。锤筒(3) 材质为钢，长柱空心筒，高度可调，两端内侧攻丝，其上端面与电磁铁(1)通过
螺纹连接，设有O型
橡胶圈密封；下端面与冲击发生密封舱(5)连接。煤样(8)放置在冲击发生密封舱(5)内，形体为圆柱体，煤样(8)上端面放置一个尼龙棒(PA-66)(6)柱体，煤样(8) 下侧放置冲击力传感器(9)，煤样(8)侧面贴有应变片(16)。电磁辐射接收天线(17) 放置在与有机玻璃(7)同等高度，适当距离处，用于接收电磁辐射信号。锤筒(3)及冲击发生密封舱(5)外侧缠绕玻璃纤维加热带(4)，玻璃纤维加热带(4)通过
温度探头(14) 与温度传感器(15)连接，确保实验在恒温条件下进行。此外，在电磁辐射接收天线(17) 与冲击发生密封舱(5)外应设有金属屏蔽网(10)，进气孔通过进气阀门与瓦斯气罐连接，出气孔通过出气阀门与
真空泵(11)连接。
[0009] 进一步地，所述冲击发生密封舱为管状腔体，上下两端面切削并
焊接法兰，连接法兰盲板并用固定螺栓紧固，法兰与法兰盲板间设有O型
密封圈。上端面法兰盲板中心开圆形贯穿空孔，孔径与锤筒相同，与锤筒焊接连接。前后两侧面切削成平面，中心开圆形贯穿孔，四
角开孔并攻丝，与方形平面有机玻璃
螺纹连接，圆孔外周与有机玻璃间设有O型密封圈。左侧面开进气孔、出气孔。两孔加工工艺相同，均为先开贯穿孔，再从外侧开同轴半径较大孔并攻丝，连接通丝螺栓，孔内设有O型密封圈。两通丝螺栓分别与进气管道、出气管道连接，右侧面开
电缆穿出孔，加工工艺同进气孔，外侧与固定螺栓螺纹连接，螺栓中心开贯穿孔用于穿出导线，贯穿孔内使用环
氧树脂和喇叭口胶圈联合密封。
[0010] 进一步地，所述尼龙棒(PA-66)柱体，煤样，
位置需保证其轴线与锤筒
中轴线在一条竖直线上，以确保冲击载荷平均作用在煤样上端面。
[0011] 进一步地，所述尼龙棒(PA-66)柱体作为重锤冲击载荷的传力装置，用以去除冲击加载装置和测试系统对煤冲击破坏产生瞬变电磁信号的影响，所述金属屏蔽网的作用在于去除外界环境对测试实验系统产生的干扰。
[0012] 另外，本发明提供了一种利用含瓦斯煤岩冲击破坏及电磁辐射效应测试装置进行测试的办法，其特征在于，其包括以下步骤：
[0013] (1)首先，打开顶法兰，在煤样侧面贴上应变片，将煤样放入冲击发生密封舱；
[0014] (2)将尼龙棒(PA-66)柱体放置在煤样上方，安装顶法兰，用固定螺栓紧固；
[0015] (3)调整聚四氟乙柱体与煤样的相对位置，保证煤样在冲击力传感器中心位置，煤样与尼龙棒(PA-66)柱体中轴线一致；
[0016] (4)将锤筒与顶法兰螺纹连接，设有O型密封圈；
[0017] (5)将重锤通过磁性吸引连接电磁铁，使用绝缘手套将电磁铁与锤筒螺纹连接，设有O 型密封圈；
[0018] (6)将加热带缠绕到锤筒和冲击发生密封舱外，保证温度探头被包裹在锤筒与加热带之间，打开温度
控制器，调整温度为
指定温度并控制恒温；
[0019] (7)将出气孔通过出气调节阀与真空泵连接，将进气孔通过进气调节与瓦斯气罐连接；
[0020] (8)打开出气调节阀与真空泵，抽出冲击发生密封舱内气体，使煤样处于真空状态，关闭真空泵与出气调节阀；
[0021] (9)打开进气调节阀与瓦斯气罐，使瓦斯气体充入冲击发生密封舱，通过调节进气调节阀使冲击发生密封舱内压力维持在指定压力，煤样达到
吸附解吸平衡，处于富含瓦斯状态，关闭气瓶与进气调节阀；
[0022] (10)打开计算机、数据采集系统、冲击力传感器、电磁辐射接收天线，调整各仪器仪表，保证其正常工作；
[0023] (11)关闭电磁铁，重锤下落撞击尼龙棒(PA-66)柱体，尼龙棒(PA-66)传力至煤样，煤样发生变形
破碎；
[0024] (12)数据采集系统通过应变片采集到煤样破碎的应力波信号，通过冲击力传感器采集到作用到煤样的冲击载荷信号，通过电磁辐射接收天线采集到电磁辐射信号；
[0025] (13)计算机得到各信号数据及变化曲线；
[0026] (14)将冲击发生密封舱内气体排出，
整理仪器，实验结束。
[0027] 本发明提供一种含瓦斯煤岩冲击破坏及电磁辐射效应测试实验装置，其有益效果在于：
[0028] (1)采用本发明测试实验装置，可以研究含瓦斯环境不同冲击载荷作用下煤岩变形破坏电磁辐射信号的幅值，能量，以及频率的变化规律及其前兆规律；
[0029] (2)采用本发明测试实验装置，可以研究含瓦斯状态下不同煤体材料冲击破坏电磁辐射信号的差异性；
[0030] (3)采用本发明测试实验装置，尼龙棒(PA-66)柱体，金属屏蔽网可以有效去除冲击加载装置和测试系统以及外界环境对煤冲击破坏产生瞬变电磁信号的影响，提高采集电磁辐射信号的可靠性。
附图说明
[0031] 图1是装置组合效果示意图；
[0032] 图2是冲击发生密封舱剖面图；
[0033] 图中：1-电磁铁；2-重锤；3-锤筒；4-玻璃纤维加热带；5-冲击发生密封舱；6-尼龙棒(PA-66)； 7-有机玻璃；8-煤岩样品；9-冲击力传感器；10-金属屏蔽网；11-真空泵；12-计算机；13-数据采集系统；14-温度探头；15-温度传感器；16-应变片；17-电磁辐射接收天线；18-瓦斯气罐。
具体实施方式
[0034] 以下将结合附图对本发明的实例作详细的描述。然而应当注意，图1示意图的提供是为更好的理解本发明的整体概况，它不应当理解为对本发明的限制。
[0035] 图1为根据本发明的一个实例所绘制的用于含瓦斯煤岩电磁辐射效应测试的实验装置的结构示意图，如图1所示，本发明包括电磁铁(1)、重锤(2)、锤筒(3)、玻璃纤维加热带(4)、冲击发生密封舱(5)、尼龙棒(PA-66)(6)、有机玻璃(7)、煤岩样品(8)、冲击力传感器(9)、金属屏蔽网(10)、真空泵(11)、计算机(12)、数据采集系统(13)、温度探头(14)、温度传感器(15)、应变片(16)、电磁辐射接收天线(17)、瓦斯气罐 (18)、固定螺栓、通丝螺栓、进气阀门，出气阀门、进气孔、出气孔、导线穿出孔、法兰、法兰盲板。重锤(2)材质为钢，柱形平头，与电磁铁(1)通过磁性吸引连接。锤筒(3)材质为钢，长柱空心筒，高度可调，两端内侧攻丝，其上端面与电磁铁(1)通过螺纹连接，设有O型橡胶圈密封；下端面与冲击发生密封舱(5)连接。煤样(8)放置在冲击发生密封舱 (5)内，形体为圆柱体，煤样(8)上端面放置一个尼龙棒(PA-66)(6)柱体，煤样(8) 下侧放置冲击力传感器(9)，煤样(8)侧面贴有应变片(16)。电磁辐射接收天线(17) 放置在与有机玻璃(7)同等高度，适当距离处，用于接收电磁辐射信号。锤筒(3)及冲击发生密封舱(5)外侧缠绕玻璃纤维加热带(4)，玻璃纤维加热带(4)通过温度探头(14) 与温度传感器(15)连接，确保实验在恒温条件下进行。此外，在电磁辐射接收天线(17) 与冲击发生密封舱(5)外应设有金属屏蔽网(10)，进气孔通过进气阀门与瓦斯气罐连接，出气孔通过出气阀门与真空泵(11)连接。
[0036] 图2为冲击发生密封舱剖面示意图，如图2所示，所述冲击发生密封舱为管状腔体，上下两端面切削并焊接法兰，连接法兰盲板并用固定螺栓紧固，法兰与法兰盲板间设有O型密封圈。上端面法兰盲板中心开圆形贯穿空孔，孔径与锤筒相同，与锤筒焊接连接。前后两侧面切削成平面，中心开圆形贯穿孔，四角开孔并攻丝，与方形平面有机玻璃螺纹连接，圆孔外周与有机玻璃间设有O型密封圈。左侧面开进气孔、出气孔。两孔加工工艺相同，均为先开贯穿孔，再从外侧开同轴半径较大孔并攻丝，连接通丝螺栓，孔内设有O型密封圈。两通丝螺栓分别与进气管道、出气管道连接，右侧面开电缆穿出孔，加工工艺同进气孔，外侧与固定螺栓螺纹连接，螺栓中心开贯穿孔用于穿出导线，贯穿孔内使用
环氧树脂，喇叭口胶圈联合密封。
[0037] 本发明用于含瓦斯煤岩冲击破坏及电磁辐射效应测试装置进行测试的办法步骤如下：
[0038] (1)首先，打开顶法兰，在煤样侧面贴上应变片，将煤样放入冲击发生密封舱；
[0039] (2)将尼龙棒(PA-66)柱体放置在煤样上方，安装顶法兰，用固定螺栓紧固；
[0040] (3)调整聚四氟乙柱体与煤样的相对位置，保证煤样在冲击力传感器中心位置，煤样与尼龙棒(PA-66)柱体中轴线一致；
[0041] (4)将锤筒与顶法兰螺纹连接，设有O型密封圈；
[0042] (5)将重锤通过磁性吸引连接电磁铁，使用绝缘手套将电磁铁与锤筒螺纹连接，设有O 型密封圈；
[0043] (6)将加热带缠绕到锤筒和冲击发生密封舱外，保证温度探头被包裹在锤筒与加热带之间，打开
温度控制器，调整温度为指定温度并控制恒温；
[0044] (7)将出气孔通过出气调节阀与真空泵连接，将进气孔通过进气调节与瓦斯气罐连接；
[0045] (8)打开出气调节阀与真空泵，抽出冲击发生密封舱内气体，使煤样处于真空状态，关闭真空泵与出气调节阀；
[0046] (9)打开进气调节阀与瓦斯气罐，使瓦斯气体充入冲击发生密封舱，通过调节进气调节阀使冲击发生密封舱内压力维持在指定压力，煤样达到吸附解吸平衡，处于富含瓦斯状态，关闭气瓶与进气调节阀；
[0047] (10)打开计算机、数据采集系统、冲击力传感器、电磁辐射接收天线，调整各仪器仪表，保证其正常工作；
[0048] (11)关闭电磁铁，重锤下落撞击尼龙棒(PA-66)柱体，尼龙棒(PA-66)传力至煤样，煤样发生变形破碎；
[0049] (12)数据采集系统通过应变片采集到煤样破碎的应力波信号，通过冲击力传感器采集到作用到煤样的冲击载荷信号，通过电磁辐射接收天线采集到电磁辐射信号；
[0050] (13)计算机得到各信号数据及变化曲线；
[0051] (14)将冲击发生密封舱内气体排出，整理仪器，实验结束。
[0052] 以上实施步骤仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域的普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的
权利要求书确定的保护范围内。
