CN103471942A - 冲击地压单轴模拟试验系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以使试件在高应力条件下承受冲击荷载，并在试件破坏过程中迅速补充能量的冲击地压单轴模拟试验系统其应用方法。该试验系统包括加载系统、岩样试件、冲击重块、门式框架和提升装置；所述的加载系统包括底座、加载油缸、油源、加载垫板、碗型垫、反力板、反力钢绞线。本发明通过加载油缸和反力钢绞线对试件施加压力，通过冲击重块对试件施加冲击荷载，试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，在这个过程中反力钢绞线由于弹性作用瞬间收缩，对试件迅速进行补充加载，较好的模拟了冲击地压的发生条件，且单轴加载条件尤其适用于模拟煤矿孤岛煤柱的重力型冲击地压。本发明有充分的力学理论依据，有助于试验和理论的结合，促进工程理论的发展。

Description

冲击地压单轴模拟试验系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及深部工程冲击地压发生规律的研究，特别是涉及一种冲击地压单轴模拟试验系统及其应用方法。

背景技术

冲击地压是指在煤矿井巷或回采工作面周围，处于高地应力条件下的煤岩体受到覆岩垮落或爆破扰动发生破坏，并在破坏过程中受到围岩的进一步快速挤压作用，瞬时释放巨大能量而产生破坏的矿井动力现象。常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象，造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。

冲击地压是采矿业面临的一个重要问题，严重影响着矿井的安全生产，尤其是在深部开采过程中，煤岩体处于高应力条件下，受到采场上覆岩层断裂扰动的孤岛煤柱中很容易发生冲击地压灾害。研究冲击地压发生规律，不仅要通过理论分析，更要通过室内模拟实验来探索其本质规律。

根据现场观测和理论分析认为，为了在室内模拟冲击地压现象，需满足如下三个必要条件：                                                

通过加载，使煤岩体处于高应力状态下；对高应力条件下的煤岩体施加冲击荷载，以模拟采空区覆岩垮落引起的应力波对巷道的冲击；

在煤岩体破坏的过程中迅速进行补充加载，即补充能量，以模拟外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。但是，目前还没有设备能够同时满足上述三个条件，实验室模拟成为冲击地压的研究的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可以使试件在高应力条件下承受冲击荷载，并在试件破坏过程中迅速补充能量的冲击地压单轴模拟试验系统其应用方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括加载系统、岩样试件、冲击重块、门式框架和提升装置；

所述的加载系统，包括底座、加载油缸、油源、加载垫板、碗型垫、反力板、反力钢绞线；加载油缸一端支撑在底座上，另一端对岩样试件施加轴向荷载；油源与加载油缸相连，为其供油；加载垫板下表面与岩样试件上表面接触；碗型垫用于防止岩样试件偏心受压；反力板左右两侧分别设有用于连接反力钢绞线的通孔；反力钢绞线一端固定在底座上，另一端通过卡具固定在反力板上，用于对反力板施加反力，并且在其上部受到冲击时不会产生支撑效应，在岩样试件破坏时瞬间收缩，对岩样试件快速的补充加载；

所述的岩样试件，呈长方体形，上下表面涂有润滑材料，以减小试件和加载机构之间的摩擦力，可以在其内部以及表面预设应变测量元件；

所述的冲击重块，用于对岩样试件施加冲击荷载，其重量和高度均可调节，其轴心与加载垫块中心在同一条竖直线上；

所述的提升装置，固定在门式框架上，用于提起和释放冲击重块。

本发明还可以包括荷载和位移测量单元，如应力传感器和LVDT变位计，用于测量试件在实验过程中所受荷载和上下边界发生的位移，并将测量结果传送到伺服控制单元。

本发明还可以包括伺服控制单元，根据用户指令和所述荷载和位移测控单元测量结果控制加载油缸荷载和位移。

本发明还可以包括导向测量装置，固定在门式框架上，其表面标有刻度，用于测量冲击重块的高度，并且防止冲击重块下落时发生偏斜。

本发明还可以包括防护装置，用于防止冲击重块倾倒或岩样试件崩解时可能造成的危险。

本发明的试验方法是：

1）制作岩样试件，并将其安装就位，通过反力钢绞线固定加载垫板；

2）通过加载油缸对岩样试件加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

3）调整冲击重块的高度和重量，然后释放冲击重块对岩样试件施加冲击荷载，记录冲击过程中试件受力、位移和破坏状态；

4）提起冲击重块，卸去加载油缸压力，卸下反力钢绞线，取出试件，对其破坏情况作进一步分析。

本发明的原理是：

本发明通过加载油缸和反力钢绞线对试件施加压力，使其处于高应力状态下，在这个过程中反力钢绞线有一定弹性伸长；通过冲击重块对试件施加冲击荷载，以模拟采空区覆岩垮落引起的应力波对巷道的冲击，由于反力钢绞线为柔性材料，不会像常规刚性立柱一样对冲击荷载造成影响（支撑效应），首次实现了让试件在特定的荷载条件下承受冲击荷载的目标；试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，其强度降低并发生一定位移，在这个过程中反力钢绞线由于弹性作用瞬间收缩，对试件迅速进行补充加载，即补充能量，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。

本发明较好的模拟了冲击地压的发生条件，且单轴加载条件尤其适用于模拟煤矿孤岛煤柱的重力型冲击地压。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图示为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图，一种冲击地压单轴模拟试验系统，包括加载系统、岩样试件7、冲击重块8、门式框架9、提升装置10、导向测量装置11、防护装置（图中未示出）、荷载和位移测量单元（图中未示出）、伺服控制单元（图中未示出）。

所述的加载系统，包括底座1、加载油缸2、油源（图中未示出）、加载垫板3、碗型垫4、反力板5、反力钢绞线6；加载油缸2一端支撑在底座1上，另一端对岩样试件7施加轴向荷载；油源与加载油缸2相连，为其供油；加载垫板3下表面与岩样试件7上表面接触；碗型垫4用于防止岩样试件7偏心受压；反力板5左右两侧分别设有用于连接反力钢绞线6的通孔；反力钢绞线6一端固定在底座1上，另一端通过卡具固定在反力板5上，用于对反力板5施加反力，并且在其上部受到冲击时不会产生支撑效应，在岩样试件7破坏时瞬间收缩，对岩样试件7快速的补充加载。

所述的岩样试件7，呈长方体形，上下表面涂有润滑材料，以减小试件和加载机构之间的摩擦力，可以在其内部以及表面预设应变测量元件。

所述的冲击重块8，用于对岩样试件7施加冲击荷载，其重量和高度均可调节，其轴心与加载垫板3中心在同一条竖直线上。

所述的提升装置10，固定在门式框架9上，用于提起和释放冲击重块。

所述的导向测量装置11，固定在门式框架9上，其表面标有刻度，用于测量冲击重块8的高度，并且防止冲击重块8下落时发生偏斜。

所述的防护装置，用于防止冲击重块8倾倒或岩样试件7崩解时可能造成的危险。

所述的荷载和位移测量单元，包括应力传感器和LVDT变位计，用于测量试件在实验过程中所受荷载和上下边界发生的位移，并将测量结果传送到伺服控制单元。

所述的伺服控制单元，根据用户指令和所述荷载和位移测控单元测量结果控制加载油缸荷载和位移。

本发明的一种优选应用方法是：

1）制作岩样试件7，并将其安装就位，通过反力钢绞线6固定加载垫板3等；

2）通过加载油缸2对岩样试件7加载，使其达到要求的应力状态，然后保持；

3）调整冲击重块8的高度和重量，然后释放冲击重块对岩样试件7施加冲击荷载，记录冲击过程中试件受力、位移和破坏状态；

4）提起冲击重块8，卸去加载油缸压力，卸下反力钢绞线，取出试件，对其破坏情况作进一步分析。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括加载系统、岩样试件、冲击重块、门式框架和提升装置；

所述的加载系统，包括底座、加载油缸、油源、加载垫板、碗型垫、反力板、反力钢绞线；加载油缸一端支撑在底座上，另一端对岩样试件施加轴向荷载；油源与加载油缸相连；加载垫板下表面与岩样试件上表面接触；反力板左右两侧分别设有用于连接反力钢绞线的通孔；反力钢绞线一端固定在底座上，另一端固定在反力板上；

所述的岩样试件，呈长方体形，上下表面涂有润滑材料；

所述的冲击重块，用于对岩样试件施加冲击荷载，其重量和高度均可调节；

所述的提升装置，固定在门式框架上，用于提起和释放冲击重块。

2.根据权利要求1所述的一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括荷载和位移测量单元。

3.根据权利要求1所述的一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括伺服控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括导向测量装置，固定在门式框架上，其表面标有刻度。

5.根据权利要求1所述的一种冲击地压单轴模拟试验系统，其特征在于，包括防护装置。

6.如权利要求1-5任一所述的冲击地压单轴模拟试验系统的应用方法，其特征在于：

第一步：制作岩样试件，并将其安装就位，通过反力钢绞线固定加载垫板；

第二步：通过加载油缸对岩样试件加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

第三步：调整冲击重块的高度和重量，然后释放冲击重块对岩样试件施加冲击荷载，记录冲击过程中试件受力、位移和破坏状态；

第四步：提起冲击重块，卸去加载油缸压力，卸下反力钢绞线，取出试件，对其破坏情况作进一步分析。