專利名稱：破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置，尤其適用于做破碎巖體的壓縮蠕變、固—液耦合及固—氣耦合滲透試驗。
背景技術：
采礦引起的巖層塌陷嚴重地改變了覆巖的工程地質(zhì)性質(zhì)，形成了采礦塌陷破裂巖體條件；即使在開采結束后經(jīng)過長時間自然壓實，地表沉陷過程基本停止后，采礦引起的地下殘留空洞、離層、裂縫和采空區(qū)破碎巖體的欠壓密、空隙中飽水等現(xiàn)象(問題)依然存在，在各種內(nèi)外因素，如地應力、地下水、地面建筑荷載等作用下，其相對平衡狀態(tài)將再次被打破，并引發(fā)安全事故。在許多老礦區(qū)曾發(fā)生過老采空區(qū)塌陷造成的財產(chǎn)損失和人身傷亡事故，2003年徐州張雙樓礦發(fā)生因采空區(qū)的水滲透后造成淹沒工作面的事故以及2004年河南大平煤礦發(fā)生瓦斯爆炸等重特大事故都與采空區(qū)破碎巖體的蠕變性質(zhì)有直接的關系。因此，研究破碎巖體的蠕變特性具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。材料在恒載荷作用下，除了有瞬時應變外，還有持續(xù)的緩慢變形，同時這種緩慢變形與材料溫度有關系，這種現(xiàn)象稱為蠕變。在蠕變過程中，試驗機能否保證很高的加載精度，并綜合考慮環(huán)境溫度，是蠕變試驗成敗的關鍵所在。蠕變試驗一般情況下要求時間較長，對破碎巖體而言，短則十幾天，長則達半年甚至幾十年，因此在試驗過程中，保證加載穩(wěn)定可靠、盡量降低試驗成本非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置，其方法簡單，操作方便，加載穩(wěn)定，精度高，便于維修，而且試驗運行成本低，經(jīng)濟效益好，能進行破碎巖體的壓縮蠕變、固—液耦合及固—氣耦合滲透的試驗。
本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法，采用多級杠桿傳力裝置、加載裝置和壓縮蠕變裝置組合的試驗系統(tǒng)，通過信號采集器和設在多級杠桿傳力裝置上的砝碼懸掛裝置，對破碎巖體進行蠕變試驗，其試驗方法步驟如下(1)將所需重量的砝碼掛在砝碼懸掛裝置上，多級杠桿傳力裝置開始動作使加載裝置向下移動，對設在壓縮蠕變裝置中的破碎巖體進行加載，此時，通過力傳感器信號輸出的值，調(diào)節(jié)砝碼位置以達到所需的載荷；(2)記錄位移傳感器的初始值和應變花的初始值；(3)調(diào)節(jié)加載裝置，使加載裝置中的垂直位移調(diào)節(jié)螺桿與多級杠桿傳力裝置中的加載桿始終保持在水平位置；(4)設定溫度環(huán)境箱的溫度模擬現(xiàn)場實際破碎巖體的情況，并從滲透儀缸體底部的進氣口通氣或通水，采集不同條件下的信號；(5)根據(jù)破碎巖體的變形特點，設定采集器定時或定期采集信號。
本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法的裝置，它由多級杠桿傳力裝置、與桿杠傳力裝置相連的加載裝置和設在加載裝置下方的壓縮蠕變裝置構成，多級杠桿傳力裝置設在支架上，支架設在底座上，與多級杠桿傳力裝置相連的加載裝置垂直向下，設在支架內(nèi)的中部，壓縮蠕變裝置設在支架內(nèi)的底座上。所述的多級杠桿傳力裝置由機架，間隔平行設置在機架上的加力杠桿、多排傳力杠桿、末排加載杠桿和將各排杠桿連為一體的二力桿構成，加力杠桿上設有由螺旋套、掛鉤和砝碼組成的懸掛裝置，每排杠桿與機架之間均設有一個能使杠桿擺動的固定鉸支座，各排杠桿與二力桿的連接處設有鉸接銷釘；所述的加載裝置由垂直位移調(diào)節(jié)螺桿、與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿螺紋連接為一體的垂直位移調(diào)節(jié)桿和設在垂直位移調(diào)節(jié)桿頂部的球鉸壓頭構成，垂直位移調(diào)節(jié)桿上設有力傳感器和調(diào)節(jié)螺母；所述的垂直位移調(diào)節(jié)螺桿與螺紋連接的垂直位移調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)范圍在0～20cm；所述的末排加載杠桿與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿固定在一起；所述的壓縮蠕變裝置包括溫度環(huán)境箱、設在溫度環(huán)境箱內(nèi)的滲透儀缸體，滲透儀缸體內(nèi)設有滲透儀活塞，滲透儀活塞上設有球鉸底座，滲透儀缸體的下部外周圈上設有多個應變花，滲透儀缸體內(nèi)底部設有下多孔板，并設有與下多孔板相通的進氣或進液口，下多孔板間隔破碎巖體的上方設有與其相對應的上多孔板，滲透儀活塞外圓面上設有密封圈，其中部設有與氣體或液體出口相通的導管；所述的滲透儀缸體上設有位移傳感器和溫控傳感器；所述的球鉸壓頭與球鉸底座相吻合；所述的支架上設有與底座保持水平位置的調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置，是一種適于材料蠕變性能測試的多功能試驗儀器，最適用于破碎巖體的壓縮蠕變、固—液耦合及固—氣耦合滲透試驗。根據(jù)破碎巖體蠕變試驗的特點，考慮破碎巖體主要處于壓縮狀態(tài)，進行壓縮狀態(tài)下的蠕變試驗。通過多級杠桿傳力裝置、與桿杠傳力裝置相連的加載裝置和設在加載裝置下方的壓縮蠕變裝置，對處于高低溫環(huán)境試驗箱內(nèi)的裝有試樣的測試活塞加載，進行蠕變試驗。在多級杠桿傳力裝置的機架上設有杠桿，杠桿連接于機架的鉸點，杠桿的加載橫梁可繞機架的鉸鏈上下擺動，通過調(diào)節(jié)設在加力桿上的法碼，可在小范圍內(nèi)改變杠桿傳遞比。為了克服杠桿行程較小的不足，在壓頭上方安裝了調(diào)節(jié)范圍較大的調(diào)節(jié)螺桿，可以滿足相關試驗的行程和精度要求。通過調(diào)節(jié)螺桿、力傳感器、球鉸壓頭、滲透儀將杠桿系統(tǒng)傳遞的載荷施加到試樣上。該破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置加載穩(wěn)定，試驗范圍廣，功能和用途較多，對進一步探索煤礦突水和瓦斯突出規(guī)律將起到積極的推動作用。其結構簡單，一機多用，體積小、價格低；精度高，維修方便，試驗運行成本低，經(jīng)濟效益好，具有廣泛的實用性。


圖1是本發(fā)明結構主視圖。
圖2是本發(fā)明結構側視圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的描述本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法，采用多級杠桿傳力裝置、加載裝置和壓縮蠕變裝置組合的試驗系統(tǒng)，采用重慶大學生產(chǎn)的采集器配合虛擬信號秘理系統(tǒng)進行信號分析，通過信號采集器和調(diào)節(jié)砝碼的位置，對破碎巖體進行加載蠕變試驗，載荷傳遞的比值與設定的杠桿級數(shù)或排數(shù)有關，級數(shù)越多傳遞比越大，加載后，通過力傳感器20信號輸出值，調(diào)節(jié)砝碼以達到需要載荷；記錄位移傳感器10的初始值和應變花29的初始值；當杠桿偏斜后，通過垂直位移調(diào)節(jié)桿將杠桿調(diào)整至水平位置；模擬現(xiàn)場破碎巖體27的實際情況，通過調(diào)節(jié)溫度、通氣或通水，采集不同條件下的信號；根據(jù)破碎巖體的變形特點，在采集器中設置定時采集，由采集器自動采集有關信號。
用于本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法的裝置，它主要由多級杠桿傳力裝置、加載裝置和壓縮蠕變裝置三大部構成。多級杠桿傳力裝置由機架3，間隔平行設置在機架3上的加力杠桿1、四排傳力杠桿7、末排加載杠桿8和將各排杠桿連為一體的二力桿6構成，機架3采用螺栓連接與鋼板焊接相結合的方式，每排杠桿與機架3之間均設有一個能使杠桿作上下擺動的固定鉸支座4，每排杠桿與二力桿6的連接處均設有鉸接銷釘5，通過銷釘5和二力桿6將各級杠桿聯(lián)結。加力杠桿1一端設有微量調(diào)節(jié)載荷的砝碼2，通過調(diào)節(jié)砝碼2位置，在小范圍內(nèi)改變杠桿傳遞的載荷，可根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)杠桿級數(shù)，改變拉、壓載荷。多級杠桿傳力裝置的機架3由連接螺栓23固定在支架上，支架固定在底座14上，支架上設有用于調(diào)節(jié)水平位置的調(diào)節(jié)器9。加載裝置由垂直位移調(diào)節(jié)螺桿22、與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿22螺紋連接在一起的垂直位移調(diào)節(jié)桿21、設在調(diào)節(jié)桿21的頂部的球鉸壓頭19構成，設在支架內(nèi)的中部。垂直位移調(diào)節(jié)桿21上設有力傳感器20和設在傳感器20兩端的調(diào)節(jié)螺母，垂直位移調(diào)節(jié)螺桿22的頂端水平徑向開有一凹槽，多級杠桿傳力裝置中的加載杠桿8插裝在該凹槽內(nèi)，通過螺釘固定在一起。壓縮蠕變裝置設在支架內(nèi)的底座14上。壓縮蠕變裝置主要由溫度環(huán)境箱11、滲透儀缸體12、上多孔板13、下多孔板15和滲透儀活塞17構成，滲透儀缸體12設在溫度環(huán)境箱11內(nèi)，滲透儀活塞17設在滲透儀缸體12內(nèi)，滲透儀活塞17外圓面上設有密封圈16和導管。滲透儀活塞17上裝有球鉸底座18，球鉸壓頭19與球鉸底座18相吻合。下多孔板15設在滲透儀缸體12的底部，下多孔板15下設有進氣口28，上多孔板13設在與下多孔板15間隔物料27的上方，緊貼在滲透儀活塞17下端面，滲透儀缸體12上設有位移傳感器10。此外，考慮滲透儀缸體12的變形有可能對試驗結果產(chǎn)生一定的影響，在滲透儀缸體12的中下位置沿環(huán)向布置8個應變花。利用數(shù)據(jù)處理軟件自動采集試驗數(shù)據(jù)、巡回保存、并將所需曲線及其它相關信息輸出到電腦屏幕。
工作原理該蠕變試驗的加載通過砝碼2加載到加力杠桿1，再由加力杠桿1通過固定鉸支座4、銷釘5、二力桿6、傳遞杠桿7、加載杠桿8、加載點24傳給垂直位移調(diào)節(jié)桿21、調(diào)節(jié)螺桿22，再經(jīng)力傳感器20、球鉸壓頭19、球鉸底座18、滲透儀活塞17向蠕變試樣加載。在底座14上放置高低溫可調(diào)、設有溫度傳感器的溫度環(huán)境箱11，溫度控制精度為±0.5℃。為了克服杠桿行程較小的不足，設置了調(diào)節(jié)范圍在0～20mm的垂直位移調(diào)節(jié)螺桿21與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿22，可以滿足相關試驗的行程和精度要求。考慮蠕變試樣所處位置不一定居中，在機架3與底座14間安設水平位置調(diào)節(jié)器9，并在底座的四角設有調(diào)節(jié)螺栓，使其構成自平衡機架，減少對安裝平臺的要求，使得安裝調(diào)試操作簡單，且易于滿足相關要求。在球鉸底座18、球鉸壓頭19與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿21與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿22之間安裝力了傳感器20，位移傳感器20可根據(jù)試樣位置具體確定安裝位置。另外，多級可調(diào)杠桿傳遞系統(tǒng)，載荷傳遞比范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)不同載荷下材料的蠕變試驗。
權利要求
1.破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法，其特征在于采用多級杠桿傳力裝置、加載裝置和壓縮蠕變裝置組合的試驗系統(tǒng)，通過信號采集器和設在多級杠桿傳力裝置上的砝碼懸掛裝置(2)，對破碎巖體進行蠕變試驗，其試驗方法步驟如下(1)將所需重量的砝碼掛在砝碼懸掛裝置(2)上，多級杠桿傳力裝置開始動作使加載裝置向下移動，對設在壓縮蠕變裝置中的破碎巖體(27)進行加載，此時，通過力傳感器(20)信號輸出的值，調(diào)節(jié)砝碼位置以達到所需的載荷；(2)記錄位移傳感器(10)的初始值和應變花(29)的初始值；(3)調(diào)節(jié)加載裝置，使加載裝置中的垂直位移調(diào)節(jié)螺桿(22)與多級杠桿傳力裝置中的加載桿(8)始終保持在水平位置；(4)設定溫度環(huán)境箱(11)的溫度模擬現(xiàn)場實際破碎巖體(27)的情況，并從滲透儀缸體(12)底部的進氣口(28)通氣或通水，采集不同條件下的信號；(5)根據(jù)破碎巖體的變形特點，設定采集器定時或定期采集信號。
2.破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于它由多級杠桿傳力裝置、與桿杠傳力裝置相連的加載裝置和設在加載裝置下方的壓縮蠕變裝置構成，多級杠桿傳力裝置設在支架上，支架設在底座(14)上，與多級杠桿傳力裝置相連的加載裝置垂直向下，設在支架內(nèi)的中部，壓縮蠕變裝置設在支架內(nèi)的底座(14)上。
3.根據(jù)權利2所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的多級杠桿傳力裝置由機架(3)，間隔平行設置在機架(3)上的加力杠桿(1)、多排傳力杠桿(7)、末排加載杠桿(8)和將各排杠桿連為一體的二力桿(6)構成，加力杠桿(1)上設有由螺旋套、掛鉤和砝碼組成的懸掛裝置(2)，每排杠桿與機架(3)之間均設有一個能使杠桿擺動的固定鉸支座(4)，各排杠桿與二力桿(6)的連接處設有鉸接銷釘(5)。
4.根據(jù)權利2所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的加載裝置由垂直位移調(diào)節(jié)螺桿(22)、與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿(22)螺紋連接為一體的垂直位移調(diào)節(jié)桿(21)和設在垂直位移調(diào)節(jié)桿(21)頂部的球鉸壓頭(19)構成，垂直位移調(diào)節(jié)桿(21)上設有力傳感器(20)和調(diào)節(jié)螺母。
5.根據(jù)權利4所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的垂直位移調(diào)節(jié)螺桿(22)與螺紋連接的垂直位移調(diào)節(jié)桿(21)調(diào)節(jié)范圍在0～20cm。
6.根據(jù)權利2或4所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的末排加載杠桿(8)與垂直位移調(diào)節(jié)螺桿(22)固定在一起。
7.根據(jù)權利2所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的壓縮蠕變裝置包括溫度環(huán)境箱(11)、設在溫度環(huán)境箱(11)內(nèi)的滲透儀缸體(12)，滲透儀缸體(12)內(nèi)設有滲透儀活塞(17)，滲透儀活塞(17)上設有球鉸底座(18)，滲透儀缸體(12)的下部外周圈上設有多個應變花(29)，滲透儀缸體(12)內(nèi)底部設有下多孔板(15)，并設有與下多孔板(15)相通的進氣或進液口(28)，下多孔板(15)間隔破碎巖體(27)的上方設有與其相對應的上多孔板(13)，滲透儀活塞(17)外圓面上設有密封圈(16)，其中部設有與氣體或液體出口(25)相通的導管(26)。
8.根據(jù)權利7所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的滲透儀缸體(12)上設有位移傳感器(10)和溫控傳感器。
9.根據(jù)權利4或7所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的球鉸壓頭(19)與球鉸底座(18)相吻合。
10.根據(jù)權利2所述的破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，其特征在于所述的支架上設有與底座(14)保持水平位置的調(diào)節(jié)器(9)。
全文摘要
本發(fā)明破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置，最適用于破碎巖體的壓縮蠕變、固—液耦合及固—氣耦合滲透試驗。采用多級杠桿傳力裝置、與桿杠傳力裝置相連的加載裝置和設在加載裝置下方的壓縮蠕變裝置，通過杠桿加載使橫梁繞機架的鉸鏈上下擺動，再通過調(diào)節(jié)螺桿、力傳感器、球鉸壓頭、滲透儀將杠桿系統(tǒng)傳遞的載荷施加到試樣上，對處于高低溫環(huán)境試驗箱內(nèi)的試樣加載進行蠕變試驗。該破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置加載穩(wěn)定，可以滿足相關試驗的行程和精度要求，一機多用，其結構簡單、體積小、價格低；精度高，維修方便，試驗運行成本低，經(jīng)濟效益好，具有廣泛的實用性。
文檔編號G01N3/28GK1687739SQ200510039249
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月11日 優(yōu)先權日2005年5月11日
發(fā)明者馬占國, 張帆, 繆協(xié)興, 郭廣禮 申請人:中國礦業(yè)大學