一种带CT实时扫描的水力耦合实验装置及方法

一种带ct实时扫描的水力耦合实验装置及方法
技术领域
1.本发明包括岩石力学实验技术领域，具体地说包括一种带ct实时扫描的水力耦合实验装置及方法。


背景技术：

2.目前，我国已进入深部开采阶段，地下水对深部矿井煤岩体稳定与变形有着强烈的影响，地下水引起的矿井灾害也屡见不鲜，煤矿井下水可以改变煤岩体的物理力学性质，对煤柱留设、承压水下安全开采均具有重要影响，因此研究水对煤岩体力学特性影响及有效防控迫在眉睫。
3.针对煤矿井下透水、煤柱浸水等水力耦合工程问题，研究浸水环境下煤岩体损伤演化规律，但是目前研究多数是在浸泡后脱离液体和水压环境后测定其力学性质，无法真实还原浸水煤岩体的力学特性，并且受实验条件限制，还无法实时观测煤岩体内部细观力学破坏特征，因此，现在需要研发一种带ct实时扫描系统的水力耦合试验装置。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种可还原浸水煤岩体的力学特性也可实时观测煤岩体内部细观力学破坏特征的一种带ct实时扫描系统的水力耦合实验装置及方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种带ct实时扫描的水力耦合实验装置，包括ct扫描室，还包括设置在所述ct扫描室内的支撑架、水力耦合机构以及千斤顶；
6.所述支撑架包括底座、顶板、将所述顶板与所述底座间隔设置的多个立柱以及设置在所述顶板与所述底座之间且可在多个所述立柱上滑动的活动板，所述水力耦合机构包括实验箱、设置在所述实验箱内的压力盒以及滑动穿设在所述实验箱的顶部的压柱，所述实验箱设置在所述活动板上，所述千斤顶设置在所述底座上。
7.进一步的，所述实验箱包括开设有操作口、进水口和出水口的壳体、用于密封所述壳体的钢化透明玻璃板以及用于控制所述进水口和所述出水口通断的两个阀门。
8.进一步的，所述水力耦合机构还包括应力应变数据采集仪，所述壳体上还开设有供所述压力盒的数据线穿过的线槽，所述线槽的槽壁上设置有防水垫圈，所述应力应变数据采集仪通过数据线与所述压力盒相连接。
9.进一步的，所述水力耦合机构还包括调节组件，所述调节组件包括操作块、第一螺纹杆以及两个第一限位件；
10.所述压柱位于所述实验箱内的一端开设有第一安装槽，所述第一螺纹杆的两侧的螺纹呈对称设置，且所述第一螺纹杆的两端分别转动设置在所述第一安装槽的两侧槽壁上，且所述第一螺纹杆的一端穿出所述第一安装槽以及所述压柱与所述操作块相连接，两个所述第一限位件分别与所述第一螺纹杆的两侧螺纹连接，且两个所述第一限位件分别与所述第一安装槽的槽壁滑动连接。
11.进一步的，所述调节组件还包括对称设置的第二螺纹杆、第三螺纹杆以及两个第二限位件；
12.所述压柱位于所述实验箱内的一端还开设有与所述第一安装槽相连通的第二安装槽，所述第二螺纹杆的一端与所述第二安装槽的一侧槽壁转动连接、另一端连接有第一齿轮，所述第三螺纹杆的一端与所述第二安装槽的另一侧槽壁转动连接、另一端连接有第二齿轮，两个所述第二限位件分别螺纹连接在所述第二螺纹杆和所述第三螺纹杆上，且两个所述第二限位件分别与所述第二安装槽的槽壁滑动连接；
13.所述第一螺纹杆的中部设置有第三齿轮，所述第一安装槽的槽壁上转动设置有第四齿轮，所述第四齿轮与所述第三齿轮相啮合，所述第一齿轮和所述第二齿轮分别啮合在所述第四齿轮的两侧。
14.进一步的，所述第一限位件和所述第二限位件结构相同，均包括滑块与所述滑块相连接的连接条以及与所述连接条垂直连接的挡板。
15.进一步的，每个所述立柱上还绕设有弹簧，且所述弹簧位于所述活动板和所述顶板之间，所述弹簧的两端分别与所述活动板和所述顶板相连接。
16.进一步的，所述支撑架还包括两个对称设置的固定组件，每个所述固定组件均包括固定板、第四螺纹杆以及固定块；
17.所述固定板设置在所述底座上，所述第四螺纹杆的螺纹连接在所述固定板上，所述固定块转动连接在所述第四螺纹杆的一端且所述固定块与所述底座滑动连接。
18.一种带ct实时扫描的水力耦合实验装置使用方法，包括带ct实时扫描的水力耦合实验装置，其步骤为：
19.s1、制备标准煤岩试样；
20.s2、打开所述钢化透明玻璃板，将煤岩试样放置在所述压力盒上，调节所述调节组件调整煤岩试样位于所述压力盒中心位置处，且使得煤岩试样的顶部一部分位于所述第一限位件和所述第二限位件之间；
21.s3、固定所述钢化透明玻璃板，将所述壳体密封，打开所述进水口以及所述出水口的所述阀门，经由所述进水口向密封的所述壳体内通入带有压力的纯水，直至纯水充满整个所述实验箱，关闭所述进水口以及所述出水口的所述阀门；
22.s4、将煤岩试样在纯水中静置一定时间，时间范围在24至48小时之间；
23.s5、静置后，开启所述千斤顶推动所述活动板，开启所述ct扫描室的ct 扫描接收设备、开启所述应力应变数据采集仪进行数据采集，实时记录水力耦合原位加载条件下，试样的强度、变形、表面形态以及细观力学破坏特征演化规律。
24.本发明的有益效果体现在：
25.本发明带ct实时扫描的水力耦合实验装置设置有支撑架、水力耦合机构以及千斤顶，水力耦合机构的实验箱以及支撑架的活动板采用能够被x射线穿透的碳纤维材料制成，进行实验时，将煤岩试样放置在压柱与压力盒之间，在实验箱内通入纯水浸没煤岩试样，此时模拟还原了浸水煤岩体的力学特性，通过千斤顶顶起活动板，活动板带动水力耦合机构向上移动，当压柱抵到顶板时，压柱开始对煤岩试样产生压力，压力盒可传输实时应力数据至外部，得到水力耦合煤岩体力学特征规律，而ct扫描室可进行ct扫描煤岩试样内部变形的演化规律，实时观测了煤岩体内部细观力学破坏特征。
附图说明
26.图1是本发明利带ct实时扫描的水力耦合实验装置结构正视局部剖视图；
27.图2是本发明调节组件局部结构侧视图；
28.图3是本发明调节组件局部结构侧视图；
29.图4是本发明压柱局部结构仰视图；
30.图5是本发明固定组件结构位置示意图；
31.图6是本发明底座结构剖视图。
32.附图中各部件的标记为：1、ct扫描室；2、支撑架；201、底座；2011、凹槽；202、顶板；203、立柱；204、活动板；205、弹簧；206、固定组件；2061、固定板；2062、第四螺纹杆；2063、固定块；207、滑轮；208、定位组件；2081、电动推杆；2082、定位板；2083、伸缩杆；3、水力耦合机构；301、实验箱； 3011、操作口；3012、出水口；3013、进水口；3014、壳体；3015、钢化透明玻璃板；3016、阀门；302、压力盒；303、压柱；3031、第一安装槽；3032、第二安装槽；304、应力应变数据采集仪；305、调节组件；3051、操作块；3052、第一螺纹杆；3053、第二螺纹杆；3054、第三螺纹杆；3055、第一齿轮；3056、第二齿轮；3057、第三齿轮；3058、第四齿轮；306、第一限位件；3061、滑块； 3062、连接条；3063、挡板；307、第二限位件；4、千斤顶。
具体实施方式
33.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的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
34.需要说明，若本发明实施例中有包括方向性指示诸如上、下、左、右、前、后
……
，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，若本发明实施例中有包括“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a 和b同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.参见图1至图6。
37.本发明带ct实时扫描的水力耦合实验装置，包括ct扫描室1，还包括设置在所述ct扫描室1内的支撑架2、水力耦合机构3以及千斤顶4；
38.所述支撑架2包括底座201、顶板202、将所述顶板202与所述底座201间隔设置的多个立柱203以及设置在所述顶板202与所述底座201之间且可在多个所述立柱203上滑动的活动板204，所述水力耦合机构3包括实验箱301、设置在所述实验箱301内的压力盒302以及
滑动穿设在所述实验箱301的顶部的压柱303，所述实验箱301设置在所述活动板204上，所述千斤顶4设置在所述底座201上。
39.本发明带ct实时扫描的水力耦合实验装置设置有支撑架2、水力耦合机构 3以及千斤顶4，水力耦合机构3的实验箱301以及支撑架2的活动板204采用能够被x射线穿透的碳纤维材料制成，进行实验时，将煤岩试样放置在压柱303 与压力盒302之间，在实验箱301内通入纯水浸没煤岩试样，此时模拟还原了浸水煤岩体的力学特性，通过千斤顶4顶起活动板204，活动板204带动水力耦合机构3向上移动，当压柱303抵到顶板202时，压柱303开始对煤岩试样产生压力，压力盒302可传输实时应力数据至外部，得到水力耦合煤岩体力学特征规律，而ct扫描室1可进行ct扫描煤岩试样内部变形的演化规律，实时观测了煤岩体内部细观力学破坏特征。
40.在本发明中，支撑架2的立柱203设置有四个，对称的设置在所述底座201 与顶板202之间，有助于加强支撑架2的稳定性，千斤顶4采用分离式电动千斤顶，操作端位于本发明装置外，固定输出端设置在底座201上用于推动活动板204，有助于实验人员操作千斤顶4。
41.在一实施例中，所述实验箱301包括开设有操作口3011、进水口3013和出水口3012的壳体3014、用于密封所述壳体3014的钢化透明玻璃板3015以及用于控制所述进水口3013和所述出水口3012通断的两个阀门3016。在本实施例中，钢化透明玻璃板3015通过旋紧销钉与壳体3014固定、将操作口3011密封，使得钢化透明玻璃板3015便于拆卸和安装，方便将煤岩试样通过操作口3011 放置在压力盒302上，同时钢化透明玻璃板3015硬度大，受到冲击不易破碎，也便于从外界观察煤岩试样表面形态演化规律，设置的进水口3013位于所述出水口3012的下方，且出水口3012沿着壳体3014的内顶壁开设，往密封的壳体 3014内注水时，打开出水口3012与进水口3013的阀门3016，进水口3013通入纯水，出水口3012使得密封的壳体3014内的空气排出，方便将密封的壳体 3014内充满实验纯水，设置的阀门3016，用于营造密闭环境且可方便控制水流进出。
42.在一实施例中，所述水力耦合机构3还包括应力应变数据采集仪304，所述壳体3014上还开设有供所述压力盒302的数据线穿过的线槽，所述线槽的槽壁上设置有防水垫圈，所述应力应变数据采集仪304通过数据线与所述压力盒302 相连接。这样设计，实验过程中，可通过应力应变数据采集仪304实时采集压力盒302得到的应力数据，防水垫圈用于保证实验箱301的密闭性。
43.在一实施例中，所述水力耦合机构3还包括调节组件305，所述调节组件 305包括操作块3051、第一螺纹杆3052以及两个第一限位件306；
44.所述压柱303位于所述实验箱301内的一端开设有第一安装槽3031，所述第一螺纹杆3052的两侧的螺纹呈对称设置，且所述第一螺纹杆3052的两端分别转动设置在所述第一安装槽3031的两侧槽壁上，且所述第一螺纹杆3052的一端穿出所述第一安装槽3031以及所述压柱303与所述操作块3051相连接，两个所述第一限位件306分别与所述第一螺纹杆3052的两侧螺纹连接，且两个所述第一限位件306分别与所述第一安装槽3031的槽壁滑动连接。在本发明中，设置的第一安装槽3031呈长条形，且第一安装槽3031开设在压柱303 的中间位置处，使得两个第一限位件306相对于在压柱303上是对称设置的，这样设计，使得煤岩试样在压力盒302上时，一部分位于两个第一限位件306 之间，两个第一限位件306可在两个
方向上对实验箱301内的煤岩试样进行限位，使其位于压柱303和压力盒302之间的中心位置处，其次也可防止煤岩试样在受到压力时滑动，而两个第一限位件306可随着操作块3051的转动调节限位距离，可适应不同大小的煤岩试样。
45.在一实施例中，所述调节组件305还包括对称设置的第二螺纹杆3053、第三螺纹杆3054以及两个第二限位件307；
46.所述压柱303位于所述实验箱301内的一端还开设有与所述第一安装槽 3031相连通的第二安装槽3032，所述第二螺纹杆3053的一端与所述第二安装槽3032的一侧槽壁转动连接、另一端连接有第一齿轮3055，所述第三螺纹杆 3054的一端与所述第二安装槽3032的另一侧槽壁转动连接、另一端连接有第二齿轮3056，两个所述第二限位件307分别螺纹连接在所述第二螺纹杆3053和所述第三螺纹杆3054上，且两个所述第二限位件307分别与所述第二安装槽3032 的槽壁滑动连接；
47.所述第一螺纹杆3052的中部设置有第三齿轮3057，所述第一安装槽3031 的槽壁上转动设置有第四齿轮3058，所述第四齿轮3058与所述第三齿轮3057 相啮合，所述第一齿轮3055和所述第二齿轮3056分别啮合在所述第四齿轮3058 的两侧。在本实施例中，设置的第二安装槽3032也为长条形，且第二安装槽3032 与第一安装槽3031呈“十”字形设置，且第二安装槽3032与第一安装槽3031 的连通位置处位于压柱303的中心位置处，这样设计，可在另外两个方向上再对煤岩试样进行限位，使得限位效果更好，也可随操作块3051调节第一限位件 306时调节第二限位件307，调节方便。
48.在一实施例中，所述第一限位件306和所述第二限位件307结构相同，均包括滑块3061与所述滑块3061相连接的连接条3062以及与所述连接条3062 垂直连接的挡板3063。在本实施例中，两个第一限位件306的两个滑块3061分别与第一螺纹杆3052的两侧螺纹连接、分别与第一安装槽3031的槽壁滑动连接，两个第二限位件307的两个滑块3061分别与第二螺纹杆3053螺纹连接、与第三螺纹杆3054螺纹连接，且分别与第二安装槽3032的槽壁滑动连接，且四个连接条3062和挡板3063在压柱303上对称设置，这样设计，可更好的实现限位效果。
49.在一实施例中，每个所述立柱203上还绕设有弹簧205，且所述弹簧205位于所述活动板204和所述顶板202之间，所述弹簧205的两端分别与所述活动板204和所述顶板202相连接。这样设计，通过弹簧205设计缓冲区，使得压柱303在千斤顶4启动时稳定上升后再抵住顶板202后受到压力。
50.在一实施例中，所述支撑架2还包括两个对称设置的固定组件206，每个所述固定组件206均包括固定板2061、第四螺纹杆2062以及固定块2063；
51.所述固定板2061设置在所述底座201上，所述第四螺纹杆2062的螺纹连接在所述固定板2061上，所述固定块2063转动连接在所述第四螺纹杆2062的一端且所述固定块2063与所述底座201滑动连接。在本实施例中，设置的固定板2061的横截面呈圆弧形，便于贴合千斤顶4的外表面，这样设计，通过第四螺纹杆2062的转动，可调节两个固定组件206固定夹持千斤顶4，使得千斤顶 4的拆卸固定更加方便。
52.一种带ct实时扫描的水力耦合实验装置使用方法，包括带ct实时扫描的水力耦合实验装置，其步骤为：
53.s1、制备标准煤岩试样；本步骤中，制备的煤岩试样呈长方体结构，尺寸为长50mm
×
宽50mm
×
高100mm；
54.s2、打开所述钢化透明玻璃板3015，将煤岩试样放置在所述压力盒302上，调节所述调节组件305调整煤岩试样位于所述压力盒302中心位置处，且使得煤岩试样的顶部一部分位于所述第一限位件306和所述第二限位件307之间；
55.s3、固定所述钢化透明玻璃板3015，将所述壳体3014密封，打开所述进水口3013以及所述出水口3012的所述阀门3016，经由所述进水口3013向密封的所述壳体3014内通入带有压力的纯水，直至纯水充满整个密封的所述实验箱 301，关闭所述进水口3013以及所述出水口3012的所述阀门3016；在本步骤中，带有压力的纯水是通过自吸泵以及增压泵从进水口3013通入密封壳体3014内的，而通入的纯水中含有5％的乳化液，用于防止在实验箱301的内部一些部件处于纯水中生锈，纯水中的压力值可在不同次的实验中通过增压泵进行调整，方便得到不同压力值下煤岩试样的实验数据。
56.s4、将煤岩试样在纯水中静置一定时间，时间范围在24至48小时之间；这样模拟了煤岩试样一直处于水压环境下；
57.s5、静置后，开启所述千斤顶4推动所述活动板204，开启所述ct扫描室 1的ct扫描接收设备、开启所述应力应变数据采集仪304进行数据采集，实时记录水力耦合原位加载条件下，试样的强度、变形、表面形态以及细观力学破坏特征演化规律。
58.在一实施例中，所述支撑架2还包括多个滑轮207以及定位组件208；
59.所述定位组件208包括电动推杆2081、与所述电动推杆2081的输出端相连接的定位板2082以及两个一端分别铰接在所述定位板2082的两侧的伸缩杆 2083，所述底座201上开设有凹槽2011，所述电动推杆2081的固定端设置在所述凹槽2011内，两个所述伸缩杆2083的另一端分别铰接在所述凹槽2011的两侧槽壁上，多个所述滑轮207间隔的设置在所述底座201的底部。在本实施例中，滑轮207设置有四个，两两一组设置在底座201的底部两侧，这样设计，可通过多个滑轮207实现装置的便于搬运，同时设置的定位组件208可通过电动推杆2081推动收回定位板2082，实现定位板2082与地面接触与否，即将整个装置固定时定位板2082与地面抵住，防止滑轮207自行滑动，移动装置时收回定位板2082即可。
60.应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。