CN103558006B

CN103558006B - 冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法及装置

Info

Publication number: CN103558006B
Application number: CN201310543093.8A
Authority: CN
Inventors: 王桂峰; 窦林名; 李振雷; 曹安业; 巩思园; 何江
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: CN103558006A

Abstract

一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法及装置，其特征是首先在物理模型中预埋套筒和滑杆，将滑杆冲击部件的滑杆尾部和套筒埋设在物理模型内部，对物理模型施加竖直方向载荷，开挖巷道并设置支护系统。启动冲击加载机，采取一次性冲击加载或反复冲击加载方式。由滑杆冲击部件的滑杆头部接受击打产生的冲击载荷传导到物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间。本发明通过冲击加载机的升降、倾斜调节，实现可控式模拟宏观破裂发生在巷道周边不同位置的破坏过程。

Description

冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种矿山支护技术，尤其是一种矿山支护模拟试验技术，具体地说是一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法及装置。

背景技术

随着我国矿井开采进入深部，冲击矿压发生的频次和烈度都在逐渐增大，频繁出现巷道因动力破坏而伤亡人员的事故发生，严重制约着煤炭资源的安全高效开。冲击矿压巷道的支护问题是冲击矿压研究的主要内容之一，是一项关系深部煤炭资源安全高效开采的重要课题。

冲击矿压发生时，首先是支护构件连同巷道周边围岩在冲击载荷下整体挤向巷道自由空间，为内部岩体提供连续变形破坏的空间。巷道围岩在瞬间由外到内连续向二向和单向应力转变，内部岩体平衡状态被打破，引发连续破坏失稳，岩体积聚的大量变形能将持续转变为动力破坏所需的能量。造成破坏烈度剧烈的冲击矿压灾害。

目前有关冲击矿压巷道支护的物理模拟方法是通过爆破施加冲击载荷，但这种方式施加的冲击载荷无法定量化，难以准确、重复模拟冲击矿压发生时对巷道周边围岩和支护系统的破坏过程，不能够有效试验巷道支护系统防冲设计的合理性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的矿山巷道模拟试验中利用爆破产生的冲击力模拟冲击载荷对巷道支护的破坏作用造成爆破力不可控，试验参数难以准确掌握，难以准确、重复模拟冲击矿压发生时对巷道周边围岩和支护系统的破坏过程，不能够有效试验巷道支护系统防冲设计的合理性的问题，发明一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法，同时提供一种相应的试验装置。

本发明的技术方案之一是：

一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在巷道物理模型42中预埋一套筒34，并使套筒的预埋角度与设定的试验载荷作用方向匹配；

其次，在所述的套筒34中安装一滑杆33，滑杆33的一端与巷道模型被冲击部位相对或相接触，另一端伸出套筒34外；

第三，将巷道物理模型42安装在试验架41上，在试验架41的一侧安装一冲击加载机，调整冲击加载机的施力方向，使之与滑杆33的轴线相一致；

第四，在试验架41的上部安装施力装置44，从上向下给巷道物理模型42施加向下的压力，同时通过冲击加载机向滑杆33伸出套筒34外的一端施加一设定的可控冲击力，该冲击力经滑杆位于套筒34中的滑杆尾部35作用于物理模型中，在物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间；

第五，通过传感设备测量并记录冲击加载机的冲击力对巷道支护的影响供分析计算；

重复第一至第五步的内容可测得不同冲击载荷及冲击角度对巷道物理模型的影响。

所述的冲击加载机为纯机械式、电磁式或气动式冲击设备。

所述的施力装置44为液压施力装置。

本发明的技术方案之二是：

一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验装置，它包括安装巷道物理模型42的试验架41，该试验架41的上部安装有向巷道物理模型42施加垂直向下载荷的施力装置44，其特征是所述的巷道物理模型42中预埋有套筒34，套筒34中安装有用于将冲击力传递到巷道物理模型42中的滑杆33，滑杆33的一端伸出套筒34外与冲击加载机的冲击力作用件相对；所述的冲击加载机安装在一倾角可调的底座11上以便调整冲击力作用件的施力角度使之与滑杆的轴线方向保持一致，底座11安装在一升降平台21上，以保证冲击力作用件的中心高度与滑杆的中心轴线高度相匹配。

所述的冲击加载机为机械式、电磁式或气动式冲击加载机。

所述的机械式冲击加载机为摆锤式冲击加载机。

所述的施力装置44为液压施力装置。

本发明的有益效果：

本发明通过冲击加载机施加冲击载荷在物理模型内部的滑杆尾部，使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间，这真实模拟了冲击矿压使岩体内部产生宏观破裂时，对巷道周边围岩和支护系统破坏过程，通过冲击加载机的升降、倾斜调节，可方便模拟宏观破裂发生在巷道周边不同位置的破坏过程，可有效试验巷道支护系统防冲设计的合理性。

本发明可广泛应用用于模拟冲击矿压使岩体内部产生宏观破裂时，对巷道周边围岩和支护系统破坏过程，通过冲击加载机的升降、倾斜调节，可方便模拟宏观破裂发生在巷道周边不同位置的破坏过程，可有效试验巷道支护系统防冲设计的合理性。

本发明克服了现有的爆破式冲击力大小及方向不可控的缺陷，可根据需要设定冲击力大小及方向，有利于全方位冲击数据的获取，对提高巷道支护能力建设大有帮助。

附图说明

图1是本发明的机械式冲击加载的试验装置示意图。

图2是图1中的机械式冲击加载机的侧视图。

图3是本发明的电磁式冲击加载试验装置的示意图。

图中：11为底座、12为支撑臂、13为主轴、14为制动器、15为离合器、16为电机、17为摆锤、18为配重块、19为摆杆、20为读盘；21为升降平台、22为托台底座、23为滑轮杆、24为液压缸、25为液压缸、26为滑轮杆、31为滑杆头部、32为滑轮、33为滑杆、34为套筒、35为滑杆尾部、41为试验架、42为巷道物理模型、43为模拟巷道支护、44为液压装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验装置，它包括安装巷道物理模型42的试验架41，该试验架41的上部安装有向巷道物理模型42施加垂直向下载荷的施力装置44，其特征是所述的巷道物理模型42中预埋有套筒34，套筒34中安装有用于将冲击力传递到巷道物理模型42中的滑杆33，滑杆33的一端伸出套筒34外与冲击加载机的冲击力作用件相对；所述的冲击加载机安装在一倾角可调的底座11上以便调整冲击力作用件的施力角度使之与滑杆的轴线方向保持一致，底座11安装在一升降平台21上，以保证冲击力作用件的中心高度与滑杆的中心轴线高度相匹配。本实施例的冲击加载机为纯机械摆锤式结构，如图1所示，它包括底座11，底座11上安装有支撑臂12，支撑臂12上安装主轴13、制动器14、离合器15和电机16，如图2。主轴上安装读盘20、摆杆19，摆杆19一端与摆锤17连接。由制动器14控制扬摆角度，摆锤17上可添加配重块18，实现对摆锤17冲击能量的调节。冲击加载机1安装在可升降、倾斜调节的升降平台21上。升降平台21和托台底座22由滑轮杆23相连，由液压缸24驱动滑轮杆23运动来调整升降平台21和底座11的高度。由液压缸25驱动滑轮杆26带动底座11，调制底座11的倾斜角度。滑杆冲击部件由滑杆头部31、滑轮32、滑杆33、套筒34、滑杆尾部35组成，套筒34和滑杆尾部35埋设在物理模型内部，由滑杆头部31接受摆锤17击打产生的冲击载荷。物理模拟试验架41（与现有的试验架相同）上铺设带有模拟巷道支护43的物理模型42，试验架41有可施加竖直方向载荷液压装置44给物理模型42施加向下的作用力。

本实施例的试验方法为：

第三，将巷道物理模型42安装在试验架41上，在试验架41的一侧安装一冲击加载机，调整摆锤式冲击加载机的施力方向，使之与滑杆33的轴线相一致；

第四，在试验架41的上部安装液压式施力装置44，从上向下给巷道物理模型42施加向下的压力，同时通过冲击加载机向滑杆33伸出套筒34外的一端施加一设定的可控冲击力，可通过调整摆锤的角度、平衡块的重量等调整冲击力的大小，该冲击力经滑杆位于套筒34中的滑杆尾部35作用于物理模型中，在物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间；

实施例二。

如图3所示。

一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验装置，它包括安装巷道物理模型42的试验架41，该试验架41的上部安装有向巷道物理模型42施加垂直向下载荷的施力装置44，其特征是所述的巷道物理模型42中预埋有套筒34，套筒34中安装有用于将冲击力传递到巷道物理模型42中的滑杆33，滑杆33的一端伸出套筒34外与冲击加载机的冲击力作用件相对；所述的冲击加载机安装在一倾角可调的底座11上以便调整冲击力作用件的施力角度使之与滑杆的轴线方向保持一致，底座11安装在一升降平台21上，以保证冲击力作用件的中心高度与滑杆的中心轴线高度相匹配。本实施例的冲击加载机为电磁式冲击加载机，它包括壳体51、弹性元件52、冲击杆53、电磁线圈54和锤头55，冲击杆53轴向穿过电磁线圈54的内腔，冲击杆51尾部连接有弹性元件52，头部连接有锤头55。当受到磁力时可使冲击杆53带动锤头55伸出，磁力消失后由弹性元件52带动冲击杆53复位。通过控制通电强度，改变磁场强度，调节冲击力度；通过控制通电脉频，调节冲击频率。实现定量、可控、反复冲击加载。

本实施例的试验方法为：

第三，将巷道物理模型42安装在试验架41上，在试验架41的一侧安装一电磁式冲击加载机，调整电磁式冲击加载机的底座倾角及安装底座的升降平台的高度，使冲击加载机的施力方向与滑杆33的轴线相一致；

第四，在试验架41的上部安装液压式施力装置44，从上向下给巷道物理模型42施加向下的压力，同时通过冲击加载机向滑杆33伸出套筒34外的一端施加一设定的可控冲击力，可通过通过控制通电强度，改变磁场强度，调节冲击力度；通过控制通电脉频，调节冲击频率，该冲击力经滑杆位于套筒34中的滑杆尾部35作用于物理模型中，在物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间；

本发明工作原理是：首先铺设物理模型，将滑杆冲击部件的滑杆尾部和套筒埋设在物理模型内部，对物理模型施加竖直方向载荷，开挖巷道并设置支护系统。启动冲击加载机，采取一次性冲击加载或反复冲击加载方式。由滑杆冲击部件的滑杆头部接受击打产生的冲击载荷传导到物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间。通过冲击加载机的升降、倾斜调节，实现可控式模拟宏观破裂发生在巷道周边不同位置的破坏过程。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在巷道物理模型（42）中预埋一套筒（34），并使套筒的预埋角度与设定的试验载荷作用方向匹配；

其次，在所述的套筒（34）中安装一滑杆（33），滑杆（33）的一端与巷道模型被冲击部位相对或相接触，另一端伸出套筒（34）外；

第三，将巷道物理模型（42）安装在试验架（41）上，在试验架（41）的一侧安装一冲击加载机，调整冲击加载机的施力方向，使之与滑杆（33）的轴线相一致；

第四，在试验架（41）的上部安装施力装置（44），从上向下给巷道物理模型（42）施加向下的压力，同时通过冲击加载机向滑杆（33）伸出套筒（34）外的一端施加一设定的可控冲击力，该冲击力经滑杆位于套筒（34）中的滑杆尾部（35）作用于物理模型中，在物理模型内部的滑杆尾部使模型产生宏观破裂，推动巷道周边围岩连同支护系统挤向巷道自由空间；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的冲击加载机为纯机械式、电磁式或气动式冲击设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的施力装置（44）为液压施力装置。

4.一种冲击力可控式冲击矿压巷道支护物理模拟冲击试验装置，它包括安装巷道物理模型（42）的试验架（41），该试验架（41）的上部安装有向巷道物理模型（42）施加垂直向下载荷的施力装置（44），其特征是所述的巷道物理模型（42）中预埋有套筒（34），套筒（34）中安装有用于将冲击力传递到巷道物理模型（42）中的滑杆（33），滑杆（33）的一端伸出套筒（34）外与冲击加载机的冲击力作用件相对；所述的冲击加载机安装在一倾角可调的底座（11）上以便调整冲击力作用件的施力角度使之与滑杆的轴线方向保持一致，底座（11）安装在一升降平台（21）上，以保证冲击力作用件的中心高度与滑杆的中心轴线高度相匹配；所述的底座上安装有支撑臂，支撑臂上安装主轴、制动器、离合器和电机；主轴上安装有读盘、摆杆，摆杆一端与摆锤连接；由制动器控制扬摆角度，摆锤上添加有配重块，实现对摆锤冲击能量的调节；冲击加载机安装在可升降、倾斜调节的升降平台上；升降平台和托台底座由滑轮杆相连，由液压缸驱动滑轮杆运动来调整升降平台和底座的高度；由液压缸驱动滑轮杆带动底座，调整底座的倾斜角度；滑杆冲击部件由滑杆头部、滑轮、滑杆、套筒和滑杆尾部组成，套筒和滑杆尾部埋设在物理模型内部，由滑杆头部接受摆锤击打产生的冲击载荷。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的冲击加载机为机械式、电磁式或气动式冲击加载机。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的机械式冲击加载机为摆锤式冲击加载机。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的施力装置（44）为液压施力装置。