新型氣體膨脹爆破設(shè)備

         二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置及其測(cè)試方法摘要二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，包括CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)上設(shè)置有動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)和靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)；CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)由應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)、爆破沖擊機(jī)構(gòu)和氣體收集機(jī)構(gòu)組成，應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)包括試件應(yīng)力加載件和兩個(gè)法蘭盤(pán)，兩個(gè)法蘭盤(pán)前后并排設(shè)置，應(yīng)力加載件設(shè)置在兩個(gè)法蘭盤(pán)之間；本發(fā)明可以對(duì)煤體在爆破沖擊下的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行原位一體化測(cè)試，其取得的有益效果，一是試驗(yàn)采用圓柱試件可以直接取自現(xiàn)場(chǎng)，避免室內(nèi)加工對(duì)試件原生結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)；二是采用液態(tài)CO2相變爆破提供沖擊源，既有利于與試件進(jìn)行對(duì)接，又方便控制爆破性能參數(shù)；三是各種觀(guān)測(cè)片布置方便；四是避免了大試塊試驗(yàn)的笨重、造價(jià)、不方便的困難。

1.二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，其特征在于：包括CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)上設(shè)置有動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)和靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)；CO2爆破沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)由應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)、爆破沖擊機(jī)構(gòu)和氣體收集機(jī)構(gòu)組成，應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)包括試件應(yīng)力加載件和兩個(gè)法蘭盤(pán)，兩個(gè)法蘭盤(pán)前后并排設(shè)置，應(yīng)力加載件設(shè)置在兩個(gè)法蘭盤(pán)之間，兩個(gè)法蘭盤(pán)之間連接有若干根鋼制拉桿，每根鋼制拉桿的兩端部均設(shè)有外螺紋，鋼制拉桿的兩端部分別螺紋連接有緊固螺母，兩個(gè)緊固螺母分別與兩個(gè)法蘭盤(pán)頂壓配合；應(yīng)力加載件包括熱塑密封管，熱塑密封管的長(zhǎng)度方向沿前后水平方向設(shè)置，熱塑密封管的軸線(xiàn)穿過(guò)法蘭盤(pán)的圓心，試驗(yàn)煤樣設(shè)置在熱塑密封管內(nèi)，熱塑密封管外側(cè)套有圍壓鋼管，圍壓鋼管的外壁沿軸向方向開(kāi)設(shè)有缺口，缺口的長(zhǎng)度為，的長(zhǎng)度范圍為5-10cm，圍壓鋼管的外側(cè)套有管卡件，熱塑密封管、圍壓鋼管以及管卡件的長(zhǎng)度相等，管卡件由兩根半圓管組成，半圓管的兩個(gè)側(cè)壁上均連接有連接板，兩根半圓管上下對(duì)稱(chēng)設(shè)置，兩根半圓管的連接板之間通過(guò)若干緊固螺栓連接，緊固螺栓上設(shè)有與其配合的螺母；熱塑密封管的后端部?jī)?nèi)還設(shè)置有鋼制墊塊，鋼制墊塊位于試驗(yàn)煤樣后端與后側(cè)的法蘭盤(pán)之間；所述的爆破沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)置在前側(cè)的法蘭盤(pán)上，氣體收集機(jī)構(gòu)安裝在后側(cè)的法蘭盤(pán)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，其特征在于：爆破沖擊機(jī)構(gòu)包括CO2爆破管，CO2爆破管同軸線(xiàn)固定在法蘭盤(pán)的前側(cè)面上，CO2爆破管的前端安裝有充氣閥，CO2爆破管內(nèi)安裝有剪切片和電加熱絲，電加熱絲位于剪切片的前側(cè)，CO2爆破管上安裝有位于剪切片后側(cè)的**探針溫度計(jì)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，其特征在于：氣體收集機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)氣管，所述的鋼制墊塊的中心處開(kāi)設(shè)有安裝插孔，導(dǎo)氣管的前端部穿過(guò)法蘭盤(pán)后插設(shè)在鋼制墊塊的安裝插孔內(nèi)，導(dǎo)氣管上沿氣流方向依次設(shè)置有流量計(jì)和氣體收集箱，氣體收集箱上安裝有壓力表、**探針溫度計(jì)以及排氣閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，其特征在于：動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試機(jī)構(gòu)包括若干動(dòng)態(tài)應(yīng)變片和PVDF壓力傳感器，試驗(yàn)煤樣由若干標(biāo)準(zhǔn)試樣依次連接而成，動(dòng)態(tài)應(yīng)變片設(shè)置在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣上，其中兩個(gè)PVDF壓力傳感器分別設(shè)置在剪切片和鋼制墊塊上，其余的PVDF壓力傳感器分別安裝在相鄰的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣連接處。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，其特征在于：靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)包括若干圍壓測(cè)壓環(huán)和軸向應(yīng)變片，若干圍壓測(cè)壓環(huán)分別安裝在緊固螺栓上，在螺母作用下，圍壓測(cè)壓環(huán)壓在連接板上；若干軸向應(yīng)變片分別安裝在鋼制拉桿上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二氧化碳爆破沖擊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置的測(cè)試方法，其特征在于：包括以下步驟：（1）、煤樣制作與測(cè)點(diǎn)布置：從目標(biāo)煤層鉆取原煤進(jìn)行取樣，選取完整煤樣制作標(biāo)準(zhǔn)試樣若干，然后將若干標(biāo)準(zhǔn)試樣之間采用103膠水粘接，形成大約1m長(zhǎng)的組合試樣作為試驗(yàn)煤樣，在進(jìn)行粘接的同時(shí)在相鄰兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣的連接處布置PVDF壓力傳感器，并且在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣的表面沿軸向布置動(dòng)態(tài)應(yīng)變片，**后對(duì)該試驗(yàn)煤樣進(jìn)行熱塑保護(hù)使其表面形成熱塑密封管；

（2）、施加應(yīng)力：****施加圍壓，將經(jīng)過(guò)熱塑密封的試驗(yàn)煤樣裝入圍壓鋼管內(nèi)，然后在用兩個(gè)半圓管包圍，通過(guò)不斷旋擰緊固螺栓和螺母，使圍壓鋼管的缺口不斷減小，從而在試驗(yàn)煤樣周?chē)纬稍嚰鷫?，依?jù)彈性理論，使圍壓鋼管閉合后管內(nèi)沿環(huán)向產(chǎn)生的拉力為：式中分別為圍壓鋼管的內(nèi)徑和外徑，E為彈性模量，μ是泊松比；拉力P與試驗(yàn)煤樣的圍壓平衡，下一步根據(jù)彈性力學(xué)厚壁圓筒理論進(jìn)行試驗(yàn)煤樣表面圍壓計(jì)算，同時(shí)，試驗(yàn)煤樣圍壓也通過(guò)貼在試驗(yàn)煤樣表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變觀(guān)測(cè)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算得到；接下來(lái)施加軸向應(yīng)力，****在CO2爆破管的后端焊接在法蘭盤(pán)上，將應(yīng)力加載件置于兩個(gè)法蘭盤(pán)之間，再將兩個(gè)法蘭盤(pán)通過(guò)若干根鋼制拉桿連接，同時(shí)在試驗(yàn)煤巖與法蘭盤(pán)之間放置鋼制墊塊，通過(guò)調(diào)整鋼制拉桿上的緊固螺母，使鋼制拉桿受到拉力，從而在試驗(yàn)煤樣的軸向施加應(yīng)力，鋼制拉桿上的拉力通過(guò)貼在鋼制拉桿表面的軸向應(yīng)變片測(cè)得；

（3）、連接爆破沖擊機(jī)構(gòu)和氣體采集機(jī)構(gòu)：將已經(jīng)完成應(yīng)力加載的試驗(yàn)煤樣，通過(guò)前側(cè)的法蘭盤(pán)與CO2爆破管焊接，形成爆破沖擊機(jī)構(gòu)；接著將導(dǎo)氣管通過(guò)鋼制墊塊上預(yù)留的安裝插孔與試驗(yàn)煤樣相連通，并在導(dǎo)氣管的后側(cè)連通到氣體收集箱，在導(dǎo)氣管上安裝流量計(jì)，在氣體收集箱上依次安裝壓力表、**探針溫度計(jì)以及排氣閥；
（4）、充裝CO2：通過(guò)充氣閥向CO2爆破管注入液態(tài)CO2，通過(guò)**探針溫度計(jì)和剪切片上的PVDF壓力傳感器測(cè)得CO2爆破管內(nèi)CO2的溫度和壓力，以判斷它處于相變狀態(tài)；
（5）、通過(guò)電加熱絲加熱使CO2爆破管內(nèi)CO2迅速發(fā)生膨脹相變?yōu)槌R界態(tài)壓流體，壓流體沖破剪切片后沖擊試驗(yàn)煤樣；
（6）、應(yīng)力波傳播規(guī)律觀(guān)測(cè)：CO2壓沖擊的時(shí)程曲線(xiàn)通過(guò)剪切片上的PVDF壓力傳感器測(cè)得，產(chǎn)生的應(yīng)力波通過(guò)相鄰標(biāo)準(zhǔn)試樣接縫處的PVDF壓力傳感器記錄得到，試件動(dòng)態(tài)變形通過(guò)試驗(yàn)煤樣表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片記錄得到；
（7）、CO2流動(dòng)規(guī)律觀(guān)測(cè)：通過(guò)剪切片上的PVDF壓力傳感器記錄試件輸入端的CO2壓力變化、相鄰標(biāo)準(zhǔn)試樣接縫處的PVDF壓力傳感器記錄試驗(yàn)煤樣各截面的CO2壓力變化、氣體收集箱上的壓力表記錄試件輸出端的壓力變化、導(dǎo)氣管上的流量計(jì)記錄CO2流量，試驗(yàn)結(jié)束后，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)作圖分析，得到CO2流動(dòng)規(guī)律。