一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置及方法，所述高壓瓦斯氣瓶設置在箱體外側且通過增/減壓閥與箱體內部貫通連接；所述煤樣放置臺固定在箱體內底部，與煤樣放置臺相對應的箱體頂部開設有通孔，所述通孔上設有與其相適應的密封活塞；所述橫波激發探頭和橫波接收探頭對稱設置在箱體內部，橫波激發探頭和橫波接收探頭分別通過彈簧支撐桿與箱體內側壁連接；所述橫波探測儀通過連接線分別與橫波激發探頭和橫波接收探頭電連接。能夠模擬深部地下煤體的實際情況，從而得出地應力、瓦斯壓力及煤物理力學性質三因素耦合影響下波速響應特性；同時采用橫波進行探測，其具有弱衰減的優勢，橫波信號信噪比更高，提高測量準確度。
【專利說明】
一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種煤樣波速探測裝置及方法，具體是一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置及方法。【背景技術】
[0002]近幾年，煤礦瓦斯事故逐年大幅度下降，但瓦斯重大事故起數和死亡總人數，依舊占總事故起數和死亡人數之最，瓦斯防治是煤礦安全生產工作的重中之重;特別是我國煤礦開采深度逐年加大，目前國內采深超過千米的煤礦有47座，且主要分布在華東等重點煤炭基地區域。煤礦開采深度的加大導致地應力增加，煤層原始瓦斯壓力增大，低強度的構造煤體突出危險性也在逐步增大，導致煤與瓦斯突出等煤巖動力災害頻發，嚴重制約煤礦安全高效生產。
[0003]利用主動地震探測技術為煤與瓦斯突出預防提供指標參數是深部煤層安全開采基礎研究的發展方向。煤體內的波速測量是主動地震探測的一個關鍵屬性參數，地應力、瓦斯壓力及煤物理力學性質是煤與瓦斯突出決定性的三因素，故利用主動地震探測技術為煤與瓦斯突出預防提供指標參數必須系統研究地應力、瓦斯壓力及煤物理力學性質三因素耦合影響下波速響應特性。目前，相關學者考慮單因素較多，如不同應力條件下煤樣波速響應特征、不同物理力學性質煤樣波速響應特征，缺乏三因素條件下的波速響應特征，研究結果存在局限性，不能很好的模擬深部地下煤體的實際情況;而且目前的研究主要為縱波波速； 縱波易衰減，且縱波信號的信噪比較低，對測量準確度有影響。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置及方法，能夠模擬深部地下煤體的實際情況，從而得出地應力、瓦斯壓力及煤物理力學性質三因素耦合影響下波速響應特性；同時采用橫波進行探測，其具有低頻弱衰減的優勢，橫波信號信噪比更高，提高測量準確度。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:該基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置，包括箱體、高壓瓦斯氣瓶、煤樣放置臺、橫波激發探頭、橫波接收探頭和橫波探測儀，
[0006]所述高壓瓦斯氣瓶設置在箱體外側且通過增/減壓閥與箱體內部貫通連接；
[0007]所述煤樣放置臺固定在箱體內底部，與煤樣放置臺相對應的箱體頂部開設有通孔，所述通孔上設有與其相適應的密封活塞；
[0008]所述橫波激發探頭和橫波接收探頭對稱設置在箱體內部，橫波激發探頭和橫波接收探頭分別通過彈簧支撐桿與箱體內側壁連接；
[0009]所述橫波探測儀通過連接線分別與橫波激發探頭和橫波接收探頭電連接。
[0010]進一步，所述彈簧支撐桿為強衰減彈簧支撐桿;采用強衰減彈簧支撐桿可避免發射的橫波通過彈簧支撐桿向外圍傳播，保證獲取的信號傳播路徑是橫波激發探頭通過煤樣透射到直達橫波接收探頭，從而提高橫波測量的準確度。
[0011]—種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測方法，具體步驟為:
[0012]A、選擇多個相互之間具有不同物理力學性質的煤樣(如硬度不同的煤體)，作為待測煤樣；
[0013]B、將步驟A中的一個待測煤樣通過箱體頂部的通孔放置在箱體內部的煤樣放置臺上，橫波激發探頭和橫波接收探頭通過彈簧支撐桿對稱貼合在待測煤樣的兩側；
[0014]C、將密封活塞通過通孔壓入箱體內，使其底端與待測煤樣的上端相接觸；
[0015]D、對密封活塞的頂部進行應力加載，使密封活塞對待測煤樣施加應力，同時通過增/減壓閥向箱體內部充入瓦斯氣體，橫波探測儀使橫波激發探頭發出橫波，橫波經過待測煤樣后被橫波接收探頭檢測并回傳橫波探測儀進行記錄；
[0016]E、通過調節加載的應力大小及箱體內部充入瓦斯氣體的壓力大小，橫波探測儀可記錄在各種參數下，該待測煤樣的橫波波速變化情況；
[0017]F、完成后，先將瓦斯氣體卸載，進而打開密封活塞，取出已測量的煤樣，然后重復步驟B?E;
[0018]G、將各種參數下，各個煤樣的橫波波速變化情況采用單變量逐一篩選法進行分析，最終得出物理力學性質、應力加載及瓦斯壓力對橫波波速在煤樣內傳播的影響情況。
[0019]與現有技術相比，本發明通過調節加載的應力大小與瓦斯壓力大小以及更換不同物理力學性質的煤體的試驗條件，可整體地考慮煤與瓦斯突出決定性的三因素影響下橫波波速特性，為煤與瓦斯突出預防提供基礎性技術指導；另外由于采用橫波進行探測，其具有低頻弱衰減的優勢，橫波信號信噪比更高，提高測量準確度。【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的結構示意圖。
[0021]圖中:1、密封活塞，2、箱體，3、增/減壓閥，4、高壓瓦斯氣瓶，5、橫波接收探頭，6、煤樣放置臺，7、橫波激發探頭，8、彈簧支撐桿，9、橫波探測儀。【具體實施方式】[〇〇22]下面將對本發明作進一步說明。
[0023]如圖1所示，本發明的裝置包括箱體2、高壓瓦斯氣瓶4、煤樣放置臺6、橫波激發探頭7、橫波接收探頭5和橫波探測儀9，
[0024]所述高壓瓦斯氣瓶4設置在箱體2外側且通過增/減壓閥3與箱體2內部貫通連接； [〇〇25]所述煤樣放置臺6固定在箱體2內底部，與煤樣放置臺6相對應的箱體2頂部開設有通孔，所述通孔上設有與其相適應的密封活塞1;
[0026]所述橫波激發探頭7和橫波接收探頭5對稱設置在箱體2內部，橫波激發探頭7和橫波接收探頭5分別通過彈簧支撐桿8與箱體2內側壁連接；
[0027]所述橫波探測儀9通過連接線分別與橫波激發探頭7和橫波接收探頭5電連接。
[0028]作為本發明的一種改進，所述彈簧支撐桿8為強衰減彈簧支撐桿;采用強衰減彈簧支撐桿可避免發射的橫波通過彈簧支撐桿8向外圍傳播，保證獲取的信號傳播路徑是橫波激發探頭7通過煤樣透射到直達橫波接收探頭5,從而提高橫波測量的準確度。
[0029]本發明的方法具體步驟為:
[0030]A、選擇多個相互之間具有不同物理力學性質的煤樣(如硬度不同的煤體)，作為待測煤樣；
[0031]B、將步驟A中的一個待測煤樣通過箱體2頂部的通孔放置在箱體2內部的煤樣放置臺6上，橫波激發探頭7和橫波接收探頭5通過彈簧支撐桿8對稱貼合在待測煤樣的兩側；
[0032]C、將密封活塞1通過通孔壓入箱體2內，使其底端與待測煤樣的上端相接觸；[〇〇33] D、對密封活塞1的頂部進行應力加載，使密封活塞1對待測煤樣施加應力，同時通過增/減壓閥3向箱體2內部充入瓦斯氣體，橫波探測儀9使橫波激發探頭7發出橫波，橫波經過待測煤樣后被橫波接收探頭5檢測并回傳橫波探測儀9進行記錄；[〇〇34] E、通過調節加載的應力大小及箱體2內部充入瓦斯氣體的壓力大小，橫波探測儀9 可記錄在各種參數下，該待測煤樣的橫波波速變化情況；[〇〇35] F、完成后，先將瓦斯氣體卸載，進而打開密封活塞1，取出已測量的煤樣，然后重復步驟B?E;
[0036] G、將各種參數下，各個煤樣的橫波波速變化情況采用單變量逐一篩選法進行分析，最終得出物理力學性質、應力加載及瓦斯壓力對橫波波速在煤樣內傳播的影響情況。
【主權項】
1.一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置，其特征在于，包括箱體(2)、高壓瓦斯 氣瓶(4)、煤樣放置臺(6)、橫波激發探頭(7)、橫波接收探頭(5)和橫波探測儀(9)，所述高壓瓦斯氣瓶(4)設置在箱體(2)外側且通過增/減壓閥(3)與箱體(2)內部貫通連 接；所述煤樣放置臺(6)固定在箱體(2)內底部，與煤樣放置臺(6)相對應的箱體(2)頂部開 設有通孔，所述通孔上設有與其相適應的密封活塞(1);所述橫波激發探頭(7)和橫波接收探頭(5)對稱設置在箱體(2)內部，橫波激發探頭(7) 和橫波接收探頭(5)分別通過彈簧支撐桿(8)與箱體(2)內側壁連接；所述橫波探測儀(9)通過連接線分別與橫波激發探頭(7)和橫波接收探頭(5)電連接。2.根據權利要求1所述的一種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測裝置，其特征在于，所 述彈簧支撐桿(8)為強衰減彈簧支撐桿。3.—種基于多場耦合的煤樣橫波波速探測方法，其特征在于，具體步驟為:A、選擇多個相互之間具有不同物理力學性質的煤樣，作為待測煤樣；B、將步驟A中的一個待測煤樣通過箱體(2)頂部的通孔放置在箱體(2)內部的煤樣放置 臺(6)上，橫波激發探頭(7)和橫波接收探頭(5)通過彈簧支撐桿(8)對稱貼合在待測煤樣的 兩側；C、將密封活塞(1)通過通孔壓入箱體(2)內，使其底端與待測煤樣的上端相接觸；D、對密封活塞(1)的頂部進行應力加載，同時通過增/減壓閥(3)向箱體(2)內部充入瓦 斯氣體，橫波探測儀(9)使橫波激發探頭(7)發出橫波，橫波經過待測煤樣后被橫波接收探 頭(5)檢測并回傳橫波探測儀(9)進行記錄；E、通過調節加載的應力大小及箱體(2)內部充入瓦斯氣體的壓力大小，橫波探測儀(9) 可記錄在各種參數下，該待測煤樣的橫波波速變化情況；F、完成后，先將瓦斯氣體卸載，進而打開密封活塞(1)，取出已測量的煤樣，然后重復步 驟B?E;G、將各種參數下，各個煤樣的橫波波速變化情況采用單變量逐一篩選法進行分析，最 終得出物理力學性質、應力加載及瓦斯壓力對橫波波速在煤樣內傳播的影響情況。
【文檔編號】G01N29/07GK106018558SQ201610324336
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】王勃, 劉盛東, 周福寶, 黃蘭英, 姜永虎, 郝家林, 張夏陽
【申請人】中國礦業大學