一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置及試驗方法，其中的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置包括卡體錐套、球形接頭、拉伸試驗機，煤樣的兩端分別通過卡體錐套套緊，每個卡體錐套連接相應(yīng)的球形接頭，球形接頭連接拉伸試驗機；卡體錐套由錐套筒套在環(huán)狀楔形套外構(gòu)成，環(huán)狀楔形套包括十二片卡體、彈簧接頭、橡膠墊片，相鄰的卡體間由彈簧接頭依次首尾連接形成環(huán)狀楔形套，卡體外表面為圓弧形，卡體的縱截面為梯形，卡體內(nèi)表面有橡膠墊片；球形接頭一端設(shè)置連接板，球形接頭另一端為連接柱，連接柱的頂端具有軸向的中心凹槽，中心凹槽的兩個側(cè)壁有銷孔，球形接頭與拉伸試驗機通過中心凹槽與固定銷固定連接。本發(fā)明能有效避免由于夾具對煤樣壓力過大而造成煤樣損壞，減少了應(yīng)力集中對試驗結(jié)果的影響。
【專利說明】一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置及試驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石力學(xué)工程、石油工程、采礦工程等領(lǐng)域中的巖石拉伸試驗技術(shù)，具 體涉及一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置及試驗方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 巖石的抗拉強度是一個重要的力學(xué)指標(biāo)，以往在研究巖石拉伸特性，確定抗拉強 度時，通常采用的試驗方法可分為兩類：一類是直接測定方法，即單軸拉伸試驗；另一類方 法是間接測定方法，包括巴西劈裂法、彎曲試驗法和壓入試驗法。間接測定方法中最常用的 是巴西劈裂試驗，但由于煤巖層理發(fā)育，受節(jié)理和裂隙的切割，采用巴西劈裂法試驗時，常 常會使煤樣沿弱面發(fā)生破壞，偏離加載軸線，不能滿足試驗要求，測量所得的抗拉強度和真 實值有較大差距，不能真實的反映煤巖的力學(xué)性質(zhì)。為滿足試驗要求，得到更加可靠的抗拉 強度，對節(jié)理煤巖進行直接拉伸試驗是十分必要的。
[0003] 目前巖石直接拉伸試驗主要有三種：粘連式、夾持式和內(nèi)置式。煤巖常采用粘連式 和夾持式進行拉伸試驗，采用粘連式拉伸試驗的關(guān)鍵是要確保切割出來的煤樣，兩端面絕 對的平行與完整，以保證拉伸方向和加載方向都通過柱形巖樣的中心軸線，但由于煤巖強 度低、易破碎，切割時難以達到此要求，在試驗中常出現(xiàn)煤樣中心軸線偏離加載方向和粘連 不緊實的問題；采用夾持式拉伸試驗，要對煤樣側(cè)面施加一定的壓力產(chǎn)生摩擦力，來達到夾 持的目的，壓力過大會造成夾碎煤樣，壓力過小又會導(dǎo)致試驗進行時試件的滑脫，而且夾持 裝置難以保證煤樣的均勻受力，在煤樣夾持部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致煤樣在此處發(fā)生斷裂， 影響試驗結(jié)果。可見，粘連式和夾持式兩種試驗方法，都難以滿足煤巖直接拉伸試驗的要 求，研究一種適用于節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置和方法有著重要的應(yīng)用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個目的是提供一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置，這種節(jié)理煤巖直接拉 伸試驗裝置用于解決在煤巖拉伸試驗中，由于應(yīng)力集中和偏心拉伸導(dǎo)致試驗結(jié)果與真實值 偏差較大的問題，本發(fā)明的另外一個目的是提供這種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置的試驗方 法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：這種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置包 括卡體錐套、球形接頭、拉伸試驗機，煤樣的兩端分別通過卡體錐套套緊，每個卡體錐套連 接相應(yīng)的球形接頭，球形接頭連接拉伸試驗機；卡體錐套由錐套筒套在環(huán)狀楔形套外構(gòu)成， 環(huán)狀楔形套包括十二片卡體、彈簧接頭、橡膠墊片，相鄰的卡體間由彈簧接頭依次首尾連接 形成環(huán)狀楔形套，卡體外表面為圓弧形，卡體的縱截面為梯形，卡體內(nèi)表面有橡膠墊片，橡 膠墊片上有均勻排列的細(xì)小凸起；錐套筒內(nèi)表面為錐形，與卡體外表面完全契合；球形接 頭一端設(shè)置連接板，連接板上有螺孔，球形接頭另一端為連接柱，連接柱的頂端具有軸向的 中心凹槽，中心凹槽為矩形槽，中心凹槽的兩個側(cè)壁有銷孔，球形接頭與拉伸試驗機通過中 心凹槽與固定銷固定連接。
[0006] 上述方案中煤樣的兩端的卡體錐套分別為上卡體錐套和下卡體錐套，上卡體錐套 的錐套筒通過兩個半體扣合后固定連接形成的筒狀體，每個半體設(shè)置有連接耳，兩個半體 對扣后，在連接耳處通過封閉螺栓固定連接，每個半體在內(nèi)徑大的一端設(shè)置有用于與球形 接頭的連接板固定連接的固定螺栓；下卡體錐套的錐套筒為整體式的，錐套筒在內(nèi)徑大的 一端設(shè)置有用于與球形接頭的連接板固定連接的固定螺栓，這樣，可以安裝方便，拆卸也容 易。
[0007] 上述方案中球形接頭內(nèi)部加有鋼球，球形接頭可轉(zhuǎn)角度為7°。
[0008] 上述方案中卡體內(nèi)表面的橡膠墊片厚度為5mm。
[0009] 上述節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置的試驗方法： 一、 煤樣制備 a、 采用節(jié)理煤巖取芯裝置鉆取直徑50mm，長度不少于200mm的圓柱煤樣，兩端略微切 割平整，將煤屑清潔干凈，用隔離膠帶將煤樣中間100mm的一段纏裹密封，兩端留出相同長 度； b、 在圓形容器內(nèi)加60mm深度的礦用煤巖加固劑，攪拌均勻，將煤樣垂直放入，使煤樣 裸露部分完全浸在加固劑中2-5分鐘后，取出煤樣，除去殘留加固劑，再將另一端浸入加固 劑中2-5分鐘后，拿出煤樣，擦拭干凈，放到陰涼處靜置； c、 待加固劑完全凝固后，將密封膠布拆除，用細(xì)砂紙將煤樣兩端多余固化的加固劑打 磨干凈，擦去碎屑； 二、 拉伸試驗 a、 將下卡體錐套的環(huán)狀楔形套撐開，套在煤樣加固的下端，適當(dāng)調(diào)整每片卡體的位置， 使其內(nèi)側(cè)的橡膠墊片與煤樣充分貼合； b、 將下卡體錐套的錐套筒套在煤樣下端的環(huán)狀楔形套外，將該錐套筒與相應(yīng)球形接頭 上的連接板連接，擰好固定螺母； c、 將上卡體錐套的環(huán)狀楔形套撐開套在煤樣的上端，調(diào)整卡體位置后，將上卡體錐套 的錐套筒打開，對扣在煤樣上端的環(huán)狀楔形套外，擰緊封閉螺栓，把對扣后的錐套筒與相應(yīng) 的球形接頭連接并固定； d、 調(diào)整拉伸試驗機的位置，將兩個球形接頭分別利用固定銷與該拉伸試驗機相連，然 后施加預(yù)緊力，開始進行直接拉伸試驗，直至煤樣破壞。
[0010] 上述方案中的煤巖加固劑為礦用雙液型煤巖加固劑，由樹脂和催化劑以1:1比例 混合而成，抗壓強度達到60MPa，粘度低，可快速滲透到煤巖縫隙中，增大煤樣端部抗壓強 度。
[0011] 本發(fā)明具有以下有益效果： 1、本發(fā)明中使用煤巖加固劑增加了煤樣兩端的強度，其抗壓強度可達到60MPa，能有效 避免由于夾具對煤樣壓力過大而造成煤樣損壞，試驗中夾持的是煤樣加固的兩端，也一定 程度上減少了應(yīng)力集中對試驗結(jié)果的影響。
[0012] 2、本發(fā)明采用的環(huán)狀楔形套與錐套筒組合的夾緊方式，由試驗時的拉伸力對煤樣 施加壓力，以達到夾緊試件的目的，能有效避免常規(guī)夾具因夾持不穩(wěn)定造成煤樣損壞或煤 樣滑脫的問題，又能有效避免對煤樣造成應(yīng)力集中，影響煤樣的破壞位置。
[0013] 3、本發(fā)明采用的是夾緊煤樣加固端的夾持方式，有效避免了常規(guī)拉伸試驗中煤巖 切割易碎和粘接困難的問題； 4、本發(fā)明中的球形接頭，可以有效避免拉伸過程中加載方向偏離煤樣中心軸線的問 題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中環(huán)狀楔形套的俯視圖； 圖3為本發(fā)明中環(huán)狀楔形套的立體剖視圖； 圖4為本發(fā)明中上卡體錐套的錐套筒閉合示意圖； 圖5是本發(fā)明中煤樣制備示意圖。
[0015] 圖中：1.環(huán)狀楔形套2.錐套筒3.球形接頭4.煤樣5.隔離膠帶6.加 固劑7.卡體8.橡膠墊片9.彈簧接頭10.封閉螺栓11.固定螺栓12.連接板 13.墊片14.固定銷15.拉伸試驗機16.連接耳。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0017] 如圖1所示，這種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置包括卡體錐套、球形接頭3、拉伸試 驗機15,煤樣4的兩端分別通過卡體錐套套緊，每個卡體錐套連接相應(yīng)的球形接頭3,球形 接頭3連接拉伸試驗機15。煤樣4的兩端分別通過卡體錐套套緊后，通過球形接頭3與拉 伸試驗機15連接，拉伸試驗機15對其中的煤樣4進行拉伸試驗，試驗時將環(huán)狀楔形套1套 在煤樣4端部，再安裝錐套筒2,卡體7外表面與錐套筒2內(nèi)壁完全契合，拉伸時由拉力產(chǎn)生 對卡體7的壓力，再由卡體7均勻施加到煤樣4端部，以達到夾緊煤樣4的目的。
[0018] 卡體錐套由錐套筒2套在環(huán)狀楔形套1外構(gòu)成，參閱圖2、圖3所示，環(huán)狀楔形套1 包括十二片卡體7、彈簧接頭9、橡膠墊片8,卡體7外表面為圓弧形，卡體7的縱截面為9° 傾角的直角梯形，相鄰的卡體7間由彈簧接頭依次首尾連接形成的環(huán)狀楔形套1，卡體7內(nèi) 表面有橡膠墊片8,橡膠墊片8上有均勻排列的細(xì)小凸起，以增大摩擦力，橡膠墊片8厚度為 5_。本實驗裝置未安裝時，環(huán)狀楔形套1內(nèi)徑略小于煤樣外徑，安裝時可撐開夾緊煤巖端 部；試驗時撐開環(huán)狀楔形套1，套在煤樣4的端部，整個環(huán)狀楔形套1外表面可以與錐套筒2 內(nèi)表面完全契合。
[0019] 錐套筒2由高剛度鋼塊加工而成，錐套筒2內(nèi)表面為錐形，傾斜角為9°，與卡體7 外表面錐度相同，可與卡體7外表面完全契合，錐套筒2可以緊固地將環(huán)狀楔形套1套住， 本發(fā)明中煤樣4的兩端的卡體錐套分別為上卡體錐套和下卡體錐套，參閱圖4,上卡體錐套 的錐套筒2通過兩個半體扣合后固定連接形成的筒狀體，每個半體設(shè)置有連接耳16,兩個 半體對扣后，在連接耳16處通過六個封閉螺栓10固定連接，每個半體在內(nèi)徑大的一端設(shè)置 有用于與球形接頭3的連接板固定連接的二個固定螺栓11，試驗安裝時打開上卡體錐套的 錐套筒2,套在環(huán)狀楔形套1上，再由六個封閉螺栓10封閉；下卡體錐套的錐套筒2為整體 式的，錐套筒2在內(nèi)徑大的一端設(shè)置有用于與球形接頭3的連接板12固定連接的四個固定 螺栓11，試驗時直接套在環(huán)狀楔形套1上，栓安裝時四個固定螺穿過球形接頭3連接板12 上的四個螺孔，再由螺母固定，每個固定螺栓11上都有厚度一致的墊片13。
[0020] 球形接頭3為普通球形接頭的改進，球形接頭3內(nèi)部加有鋼球，球形接頭可轉(zhuǎn)角度 為7°，以增加球形接頭轉(zhuǎn)動靈活度；在球形接頭兩端分別焊接了連接板12和設(shè)置有固定 銷的連接柱，即球形接頭3 -端設(shè)置連接板12,連接板12上有四個螺孔，球形接頭3另一端 為連接柱，連接柱的頂端具有軸向的中心凹槽，中心凹槽為矩形槽，中心凹槽的兩個側(cè)壁有 銷孔，球形接頭與拉伸試驗機通過中心凹槽與固定銷14固定連接。安裝時，連接板12與錐 套筒2 -端的四個固定螺栓11相連，球形接頭3另一端為與拉伸試驗機15相連，試驗時， 將球形接頭3連接柱上的銷孔與拉伸試驗機15的銷孔對準(zhǔn)，然后用固定銷14連接。
[0021] 上述節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置進行拉伸試驗方法包括煤樣制備和拉伸試驗兩 個部分，采用煤巖加固劑增加了煤樣兩端的抗壓強度，避免了常規(guī)夾式拉伸試驗夾碎煤樣 的問題，采用卡體錐套式結(jié)構(gòu)，使煤樣在試驗中受力均勻，避免了由于應(yīng)力集中所造成得試 驗偏差，裝置兩端安裝球形接頭，可避免試驗時加載方向偏離煤樣中心軸線的問題，以此形 成了一種適合節(jié)理煤巖的直接拉伸試驗方法，以〇50mm的圓柱煤樣為例，具體步驟如下： 1、煤樣制備 a、采用取芯裝置鉆取直徑50mm，長度不少于200mm的圓柱形煤樣4,兩端用巖石切片機 略微切割平整，將煤屑清潔干凈，用刻度尺量出煤樣4中間100mm的一段，用隔離膠布5將 這一段纏裹緊實，兩端各留出不少于45mm的距離，參閱圖5。
[0022] b、在容器內(nèi)加6cm深度的礦用煤巖體加固劑6,攪拌均勻，煤巖加固劑為礦用雙液 型煤巖加固劑，由樹脂和催化劑以1:1比例混合而成，抗壓強度達到60MPa，將纏有隔離膠 布5的煤樣4垂直放入，使煤樣4裸露部分完全浸在加固劑6中2-5分鐘后，取出煤樣，再 將另一端浸入加固劑6中2-5分鐘后，拿出煤樣4,擦拭干凈，放到陰涼處靜置。
[0023] c、待煤樣4兩端的加固劑6完全凝固后，用細(xì)砂紙將煤樣4兩端殘留的固化物質(zhì) 打磨干凈，拆去隔離膠布5,擦去碎屑。
[0024] 2、拉伸試驗 a、將環(huán)狀楔形套1撐開，套在制備好的煤樣4的一端，調(diào)整梯形卡體7位置，使其內(nèi)側(cè) 與煤樣4充分的貼合。
[0025] b、將下部錐套筒2穿過煤樣4,套在環(huán)狀楔形套1上，將錐套筒2上的固定螺栓11 與球形接頭3上的連接板12對接，擰好固定螺母。
[0026] c、將煤樣4另一端套上環(huán)狀楔形套1，再將上部錐套筒2打開，套在環(huán)狀楔形套1 上，閉合上錐套筒2并擰緊封閉螺栓10,與另一球形接頭3的連接板12對接并擰緊固定螺 栓11。
[0027] d、調(diào)整好拉伸試驗機15的位置，用固定銷14將煤樣4及夾具連接在拉伸試驗機 15上，然后施加預(yù)緊力，開始進行直接拉伸試驗，直至煤樣破壞。
【權(quán)利要求】
1. 一種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置，其特征在于：這種節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置包 括卡體錐套、球形接頭（3)、拉伸試驗機（15)，煤樣（4)的兩端分別通過卡體錐套套緊，每個 卡體錐套連接相應(yīng)的球形接頭（3)，球形接頭（3)連接拉伸試驗機（15);卡體錐套由錐套筒 (2) 套在環(huán)狀楔形套（1)外構(gòu)成，環(huán)狀楔形套（1)包括十二片卡體（7)、彈簧接頭（9)、橡膠墊 片（8 )，相鄰的卡體（7 )間由彈簧接頭（9 )依次首尾連接形成環(huán)狀楔形套（1)，卡體（7 )外表 面為圓弧形，卡體（7)的縱截面為梯形，卡體（7)內(nèi)表面有橡膠墊片（8)，橡膠墊片（8)上有 均勻排列的細(xì)小凸起；錐套筒（2)內(nèi)表面為錐形，與卡體（7)外表面完全契合；球形接頭（3) 一端設(shè)置連接板（12)，連接板（12)上有螺孔，球形接頭（3)另一端為連接柱，連接柱的頂端 具有軸向的中心凹槽，中心凹槽為矩形槽，中心凹槽的兩個側(cè)壁有銷孔，球形接頭（3)與拉 伸試驗機（15)通過中心凹槽與固定銷（14)固定連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置，其特征在于：所述的煤樣的 兩端的卡體錐套分別為上卡體錐套和下卡體錐套，上卡體錐套的錐套筒（2)通過兩個半體 扣合后固定連接形成的筒狀體，每個半體設(shè)置有連接耳（16)，兩個半體對扣后，在連接耳 (16)處通過封閉螺栓（10)固定連接，每個半體在內(nèi)徑大的一端設(shè)置有用于與球形接頭的連 接板（12)固定連接的固定螺栓（11);下卡體錐套的錐套筒（2)為整體式的，錐套筒（2)在 內(nèi)徑大的一端設(shè)置有用于與球形接頭的連接板（12)固定連接的固定螺栓（11)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置，其特征在于：所述的球形接頭 (3) 內(nèi)部加有鋼球，球形接頭（3)可轉(zhuǎn)角度為7°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置，其特征在于：所述的卡體（7)內(nèi) 表面的橡膠墊片（8)厚度為5mm。
5. -種權(quán)利要求1或2或3或4所述的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置的試驗方法案，其 特征在于： 一、 煤樣制備： a、 采用節(jié)理煤巖取芯裝置鉆取直徑50mm，長度不少于200mm的圓柱煤樣（4)，兩端略微 切割平整，將煤屑清潔干凈，用隔離膠帶（5)將煤樣中間100mm的一段纏裹密封，兩端留出 相同長度； b、 在圓形容器內(nèi)加60mm深度的礦用煤巖加固劑（6)，攪拌均勻，將煤樣（4)垂直放入， 使煤樣裸露部分完全浸在加固劑中2-5分鐘后，取出煤樣（4)，除去殘留加固劑，再將另一 端浸入加固劑中2-5分鐘后，拿出煤樣（4)，擦拭干凈，放到陰涼處靜置； c、 待加固劑完全凝固后，將密封膠布（5)拆除，用細(xì)砂紙將煤樣兩端多余固化的加固劑 打磨干凈，擦去碎屑； 二、 拉伸試驗： a、 將下卡體錐套的環(huán)狀楔形套（1)撐開，套在煤樣（4)加固的下端，適當(dāng)調(diào)整每片卡體 (7)的位置，使其內(nèi)側(cè)的橡膠墊片（8)與煤樣（4)充分貼合； b、 將下卡體錐套的錐套筒套在煤樣下端的環(huán)狀楔形套（1)外，將該錐套筒與相應(yīng)球形 接頭上的連接板（12)連接，擰好固定螺母； c、 將上卡體錐套的環(huán)狀楔形套撐開套在煤樣（4)的上端，調(diào)整卡體（7)位置后，將上卡 體錐套的錐套筒打開，對扣在煤樣上端的環(huán)狀楔形套外，擰緊封閉螺栓，把對扣后的錐套筒 (2)與相應(yīng)的球形接頭（3)連接并固定； d、調(diào)整拉伸試驗機（15)的位置，將兩個球形接頭（3)分別利用固定銷（14)與該拉伸試 驗機（15)相連，然后施加預(yù)緊力，開始進行直接拉伸試驗，直至煤樣破壞。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的節(jié)理煤巖直接拉伸試驗裝置的試驗方法，其特征在于：所述 的煤巖加固劑為礦用雙液型煤巖加固劑，由樹脂和催化劑以1:1比例混合而成，抗壓強度 達到60Mpa。
【文檔編號】G01N1/28GK104111197SQ201410383306
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】李玉偉, 艾池, 張軍, 史曉東, 李銀朋, 陶飛宇 申請人:東北石油大學(xué)