一种煤岩试件力学特性测试系统及其测试方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种力学特性测试系统及其测试方法，具体是一种煤岩试件力学特性测试系统及其测试方法。
背景技术
[0002] 岩样试件力学特性测试是研究矿山岩体
稳定性问题最基本的方法。矿山岩体发生屈服破坏是受地
应力和采动应力共同作用下的动力过程，实验室条件下对采集岩样试件进行力学特性试验参数测定并得出受压状态下裂隙动态演化特征，这对于矿山岩体稳定性预测预报具有重要指导意义。
[0003] 传统的材料试件力学特性测试仅仅只是通过压力试验机对岩样试件进行基本力学参数的确定(如抗压强度、抗剪强度等)和借助智能岩体稳定性监测技术获得相关指标特征(如声发射、热红外等)。如谭志宏和唐春安等(2005)基于力学参数测试并结合红外热像技术对
缺陷花岗岩破坏过程中表面
温度变化进行了研究。蔡美峰(2003)利用声发射监测与力学试验相结合方法，对
混凝土材料进行了参量耦合分析。随着实验监测技术的不断发展，人们对岩体稳定性研究进入了损伤领域的热潮，岩体细观损伤对其宏观力学行为的影响已经成为矿山岩体损伤力学研究的热点，即从采集岩样试件内部微裂纹、空洞等细观尺度上研究各类损伤的形态分布和演化特征。国内外相关研究成果中，Nicoletta Fusi(2013)通过对底孔隙度的
碳质盐岩试件注入液态汞后使用CT扫描揭示了其内部裂隙三维空间分布特征；Suzanne Raynaud(2008)通过对Beaucaire泥灰岩试样进行单轴压缩实验并进行CT扫描分研究其
变形过程；中国科学院王宇和李晓(2014)等通过CT测试方法对岩土裂隙特征进行了分析；葛修润(2000)院士通过CT扫描方法对
岩石加载过程中细观损伤扩展规律进行了研究，获得了岩石破裂过程(微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→发展→断裂→破坏→卸载)中各阶段清晰的CT图像并基于CT数目建议了一个新的损伤变量(损伤影响因子)。这些研究成果中所提及的方法仅仅只是通过CT扫描技术对岩样内部裂隙动态演化规律的揭示和破裂机理的研究，而煤岩样内部裂隙的扩展表现为空间上的繁殖和时间的延伸，假设通过特殊造影技术和多元指标监测技术手段可获得煤岩样受载条件下其内部裂隙直观清晰图像的裂隙分布范围和多元指标参量，这可为岩体工程稳定性评价等类似方面问题提供最可靠、最科学的理论指导。
[0004] 现有的煤岩样力学特性测试仅仅为简单的“应力-应变”、“应力-温度”、“应力-损伤”和“应力-AE-应变”耦合关系与指标的获取，依据这些参量进行位移反分析,分形理论实现煤岩体稳定性预测，这些方法往往计算误差较大、数据量大且计算过程较为繁琐；依靠单一或多指标参量并不能实现对岩体工程稳定性问题的科学解算，准确的实验数据、直观的影像分析和科学的理论计算成为实现煤岩体稳定性预测预报的重要方法和途径；现有的煤岩体细观损伤特性研究中仅仅是借助CT扫描技术并配套独立的力学试件加载平台，进而实现对岩样试件内部微裂纹等细观尺度上的分析。由于CT扫描设备对微裂纹识别能力的限度，缺乏相应的造影增强功能，因此难以获得较为清晰的影像图像。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种煤岩试件力学特性测试系统及其测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种煤岩试件力学特性测试系统，包括传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测，所述传统力学特性测试包括力学指标测试系统和液压控制连续加载系统，所述医学影像包括X-光机扫描系统和增强影像系统，所述岩石破裂智能监测包括声发射监测系统和热红外监测系统，所述X-光机扫描系统包括DR/CR影像设备和X-射线剂量仪，所述增强影像系统包括
造影剂注射器和毛细
铜管，所述液压控制连续加载系统包括
液压千斤顶和小型
液压泵，所述力学指标测试系统包括
轮辐压力
传感器、应变计和数码显示仪表，所述声发射监测系统包括AE传感器和
数据采集主机，所述热红外监测系统包括热红外感应器，将煤岩试件放置在液压千斤顶上，液压千斤顶通过油压表连接到小型
液压泵，将泛影葡胺注入造影剂注射器通过毛细铜管注射到煤岩试件内，所述煤岩试件上端设置轮辐
压力传感器，所述轮辐压力传感器连接到数码显示仪表，所述数码显示仪表连接到应变计，所述煤岩试件周围设置AE传感器，AE传感器连接到数据采集主机，所述热红外感应器架设于煤岩试件周边0.5m
位置处，对煤岩试件表面温度进行监测，所述X-射线剂量仪连接DR/CR影像设备，所述X-射线剂量仪通过接收器接收信息。
[0008] 所述的煤岩试件力学特性测试方法，集成传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测三大技术为一体，具体包括以下步骤：
[0009] (1)开启力学试验平台和DR/CR影像设备，同时检查六大系统的正常运行；
[0010] (2)将已加工好的煤岩试件置于力学试验机载盘位置，并将AE传感器与煤岩试件固定；
[0011] (3)注射造影剂，保证毛细铜管和试件中心孔充满造影液，同时记录注射剂量；
[0012] (4)进行一次DR/CR影像扫描并对初始数据进行记录；
[0013] (5)对煤岩试件进行力学特性测试，控制加载速度为1mm/min，同时间隔20s即对其它各指标进行一次记录。
[0014] 作为本发明再进一步的方案：所述煤岩试件规格为:直径为50mm,高度为100mm,圆柱试件中心孔直径3mm,孔深80mm。
[0015] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统具有体积小且便于移动的特点，造价低；利用造影技术研发具有增强影像功能的造影系统，获得的影像图像清晰，而实现对岩样试件内部微裂纹等细观尺度上的分析，实验数据更加精确；本发明设计新颖，构造合理，操作灵活简易，具有很强的实用价值。采用传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测综合技术方法，针对煤岩试件力学特性测试问题，提出了多元指标参量内容，尤其以DR/CR影像指标提出为主要创新，这些指标参量可直接通过分形裂隙方程计算，进而实现对煤岩体工程稳定性评估。
附图说明
[0016] 图1为煤岩试件力学特性测试系统的技术路线图。
[0017] 图2为煤岩试件力学特性测试系统的系统测试原理图。
[0018] 图3为煤岩试件力学特性测试系统方法中
流程图。
具体实施方式
[0019] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 请参阅图1～3，本发明实施例中，一种煤岩试件力学特性测试系统，包括传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测，所述传统力学特性测试包括力学指标测试系统3和液压控制连续加载系统4，所述医学影像包括X-光机扫描系统1和增强影像系统2，所述岩石破裂智能监测包括声发射监测系统5和热红外监测系统6，所述X-光机扫描系统1包括DR/CR影像设备11和X-射线剂量仪12，所述增强影像系统2包括造影剂注射器21和毛细铜管22，所述液压控制连续加载系统4包括液压千斤顶41和小型液压泵42，所述力学指标测试系统3包括轮辐压力传感器31、应变计32和数码显示仪表33，所述声发射监测系统5包括AE传感器51和数据采集主机52，所述热红外监测系统6包括热红外感应器
61，将煤岩试件7放置在液压千斤顶41上，液压千斤顶41通过油压表43连接到小型液压泵42，将泛影葡胺注入造影剂注射器21通过毛细铜管22注射到煤岩试件7内，所述煤岩试件7上端设置轮辐压力传感器31，所述轮辐压力传感器31连接到数码显示仪表33，所述数码显示仪表33连接到应变计32，所述煤岩试件7周围设置AE传感器51，AE传感器51连接到数据采集主机52，所述热红外感应器61架设于煤岩试件7周边0.5m位置处，对煤岩试件7表面温度进行监测，所述X-射线剂量仪12连接DR/CR影像设备11，所述X-射线剂量仪12通过接收器34接收信息。
[0021] 所述煤岩试件力学特性测试方法集成传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测三大技术为一体，具体包括以下步骤：
[0022] (1)开启力学试验平台和DR/CR影像设备11，同时检查六大系统的正常运行；
[0023] (2)将已加工好的煤岩试件7置于力学试验机载盘位置并将AE传感器51与煤岩试件7固定，要求煤岩试件7规格为:直径为50mm,高度为100mm,圆柱试件中心孔直径3mm,孔深80mm；
[0024] (3)注射造影剂，保证毛细铜管22和煤岩试件7中心孔充满造影液，同时记录注射剂量；
[0025] (4)进行一次DR/CR影像扫描并对初始数据进行记录，如表1所示；
[0026] 表1 煤岩样试件初始数据记录
[0027]
[0028] (5)对煤岩样进行力学特性测试，控制加载速度为1mm/min，同时间隔20s即对其它各指标进行一次记录，如表2所示；
[0029] 表2 1#煤岩样试件数据记录
[0030]
[0031] 本发明主要针对煤岩试件力学特性测试问题，集成传统力学特性测试、医学影像和岩石破裂智能监测三大技术为一体，构建了六大系统实现对煤岩试件多指标参量的获取,传统的煤岩试件力学参数仅仅是对应力和应变参数的测试，本发明基于X-射线影像技3 3
术首次提出DR/CR影像指标，如格雷量(Gray)、裂隙体积(μm)、裂隙发育速率(μm/s)、造影剂量(ml)等指标内容。
[0032] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0033] 此外，应当理解，虽然本
说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
