CN104390859B - 三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置。它解决了现有冲击地压试验装置模拟不逼真的问题。本发明包括压力盒，压力盒内具有压力腔，还包括刚性加载单元和冲击加载单元，压力腔的内周围设柔性围压加载外套，柔性围压加载外套具有X向、Y向和Z向的弹性可变形量，刚性加载单元包括在压力盒的X向、Y向和Z向上设置的加载油缸，加载油缸的伸缩轴穿过压力盒的外壁，伸缩轴的内端固连有加载垫板，加载垫板的内侧面贴靠在柔性围压加载外套的外面上，冲击加载单元包括位于Z向的提升装置，提升装置下方吊接冲击重块。本发明解决试件在三个方向上变形的互相影响，又避免支撑效应的影响，故较逼真的模拟了冲击地压。

Description

三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置

技术领域

本发明属于深部岩体工程技术领域，涉及一种实验用设备，特别是一种三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置。

背景技术

冲击地压，是一种煤(岩)体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致煤(岩)爆裂并弹射出来的现象，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。常伴有巨大声响和岩体震动，经常造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡，对安全生产威胁巨大。

随着我国煤矿开采深度不断增加，开采强度不断加大，冲击地压矿井分布越来越广，深部开采过程中，围岩处于高应力条件下，受到采场上覆岩层断裂扰动，回采巷道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、现场观测，更要通过模拟实验来探索其本质规律。

而根据现理论分析认为，为了在室内模拟冲击地压现象，需满足以下四个条件：①通过加载，使煤(岩)试件处于高应力状态下；②煤(岩)试件受到的三轴高应力大小可控，互不影响，以模拟真实冲击地压发生时多变的应力场；③对煤(岩)试件施加冲击荷载，以模拟采场覆岩突然断裂导致的应力波对巷道的冲击；④在煤(岩)试件受到冲击破坏的过程中围压能够继续保持，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四个条件，考虑在不同轴压状态下能够补充加载的冲击地压实验室模拟，一直以来都是岩体工程领域探索的前沿课题之一。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可以使煤(岩)等试件在可控轴压状态下承受冲击荷载，并能够及时得到补充加载的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，包括压力盒，所述压力盒内具有压力腔，还包括刚性加载单元和冲击加载单元，所述压力腔的内周围设柔性围压加载外套，所述柔性围压加载外套具有X向、Y向和Z向的弹性可变形量，所述刚性加载单元包括在压力盒的X向、Y向和Z向上设置的加载油缸，所述加载油缸的伸缩轴穿过压力盒的外壁，所述伸缩轴的内端固连有加载垫板，所述加载垫板的内侧面贴靠在上述柔性围压加载外套的外面上，所述冲击加载单元包括位于Z向的提升装置，所述提升装置下方吊接冲击重块。

本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，通过X向、Y向和Z向的加载油缸对煤、岩等试件进行前后、左右及上下的加压操作。压力通过试件外的柔性围压加载外套均匀的加载在试件上，该柔性围压加载外套具体为刚柔混合型外套，其区别于直接的刚性压力加载。因可在X、Y和Z三方向发生弹性变形，故在受到X、Y和Z三方向加压时，柔性围压加载外套随试件一同发生压缩或膨胀变化。由此避免了刚性压力与试件的直接接触，有效防止试件在一个方向压缩变形时，还受到另外两个方向上加载的压力干扰影响。通过冲击加载单元对试件施加竖直方向的重力冲击荷载，以模拟采空区覆岩断裂导致的应力波对巷道的冲击。由于柔性围压加载外套能随同进行弹性变形，进而不会像刚性接触一样对冲击荷载造成支撑效应的影响，实现了让试件在特定的三轴荷载条件下进一步承受冲击荷载的目的。由于柔性围压加载外套存在垂直于试件表面方向上的弹性变形量，故试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，在试件发生破坏并产生一定位移的同时，垂直于试件表面的弹性变形量对试件迅速进行补充加载，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。本装置既较好的解决了试件在三个方向上变形的互相影响，又避免了常规刚性加压对冲击荷载造成支撑效应的影响，故较逼真的模拟了采场巷道中发生的冲击地压。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述柔性围压加载外套包括若干层弹性压片，每层弹性压片上呈矩阵排列若干刚性块，刚性块之间通过强力弹簧连接，每相邻两层弹性压片的刚性块之间也通过强力弹簧连接。

通过柔性围压加载外套上的刚性块将加压荷载传递至试件上，从而减少了试件表面与加压板的接触面积。整体柔性围压加载外套上所有的强力弹簧分为三个方向设置，分别为X向、Y向和Z向。当柔性围压加载外套与试件受到X向加压荷载时，所有X向设置的强力弹簧均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套与试件受到Y向加压荷载时，所有Y向设置的强力弹簧均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套与试件受到Z向加压荷载时，所有Z向设置的强力弹簧均产生弹性压缩。由此在同时受到X、Y和Z三方向加压时，均有强力弹簧的压缩变形量，从而有效防止试件在一个方向压缩变形时，还受到另外两个方向上加载的压力干扰影响。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述弹性压片上刚性块之间的强力弹簧形成平向连接或竖向连接，每相邻两层弹性压片上的刚性块呈一一对峙布设，每组对峙的两个刚性块之间连接强力弹簧。刚性块与强力弹簧通过焊接工艺固连。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述加载油缸的外部连接伺服油源。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述冲击加载单元还包括标定尺和导向轴，所述导向轴沿Z向竖立设置，所述冲击重块套接在导向轴上，且两者的接触面形成滑动连接；所述标定尺沿Z向竖立于冲击重块的旁侧，所述标定尺上标刻有用于测量高度的刻度值。通过标定尺能够测量出冲击重块提升的高度值，以实现记录不同高度下冲击重块的下落冲击效果。在冲击重块下落的过程中，通过导向轴实现竖直轨迹的导向作用，以防止冲击重块下落时发生过大的偏移。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述压力盒的压力腔内放置试件，所述试件外部包覆上述柔性围压加载外套。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述试件与柔性围压加载外套之间涂设润滑剂。通过润滑剂的润滑效果，更加有效避免试件在一个方向压缩变形受到另外两个方向的加压体与试件表面存在摩擦力的干扰影响。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述试件中部具有梯形孔洞，所述梯形孔洞呈水平设置。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述压力盒具有底座和端盖，所述底座和端盖之间围设四块围板，通过底座、围板和端盖圈围形成矩形的压力腔。围板与上部的端盖和下部的底座用螺栓连接。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述柔性围压加载外套呈六面矩形，六面矩形与压力腔内壁形成面面贴合，六面矩形中五面形成一体固连的壳体，另一面与壳体活动连接。柔性围压加载外套的五面通过焊接固连成一体，另一面通过胶粘在五面焊接的壳体上。因五面焊接的壳体具有一面缺口，将试件通过缺口放入壳体内，而后粘接第六面形成完整的封闭套体，再将试件与套体一起放入压力盒的压力腔中进行加压荷载试验。

与现有技术相比，本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中增设柔性围压加载外套，并设计了X、Y和Z三方向的弹性变形量，进而既较好的解决了试件在三个方向上变形的互相影响，又避免了常规刚性加压对冲击荷载造成支撑效应的影响，故较逼真的模拟了采场巷道中发生的冲击地压。

附图说明

图1是本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置的立体结构图。

图2是本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置的剖视结构图。

图3是本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中柔性围压加载外套的立体结构图。

图4是本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中弹性压片的平面结构图。

图中，1、底座；2、围板；3、端盖；4、柔性围压加载外套；4a、刚性块；4b、强力弹簧；5、加载油缸；6、加载垫板；7、冲击重块；8、试件。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图4所示，本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置包括压力盒，压力盒内具有压力腔，还包括刚性加载单元和冲击加载单元。

压力盒具有底座1和端盖3，所述底座1和端盖3之间围设四块围板2，通过底座1、围板2和端盖3圈围形成矩形的压力腔。围板2与上部的端盖3和下部的底座1用螺栓连接。

压力腔的内周围设柔性围压加载外套4，柔性围压加载外套4呈六面矩形，六面矩形与压力腔内壁形成面面贴合。柔性围压加载外套4的五面通过焊接固连成一体，另一面通过胶粘在五面焊接的壳体上。

柔性围压加载外套4具有X向、Y向和Z向的弹性可变形量。柔性围压加载外套4包括两层弹性压片，每层弹性压片上呈矩阵排列若干刚性块4a，每层刚性块4a之间的强力弹簧4b形成平向连接或竖向连接，每相邻两层弹性压片上的刚性块4a呈一一对峙布设，每组对峙的两个刚性块4a之间连接强力弹簧4b。刚性块4a与强力弹簧4b通过焊接工艺固连。通过柔性围压加载外套4上的刚性块4a将加压荷载传递至试件8上，从而减少了试件8表面与加压板的接触面积。

刚性加载单元包括在压力盒的X向、Y向和Z向上设置的加载油缸5，加载油缸5的伸缩轴穿过压力盒的外壁，伸缩轴的内端固连有加载垫板6，该加载垫板6的内侧面贴靠在柔性围压加载外套4的外面上。加载油缸5的外部连接伺服油源。

冲击加载单元包括位于Z向的提升装置，提升装置下方吊接冲击重块7。冲击加载单元还包括标定尺和导向轴。导向轴沿Z向竖立设置，冲击重块7套接在导向轴上，且两者的接触面形成滑动连接。在冲击重块7下落的过程中，通过导向轴实现竖直轨迹的导向作用，以防止冲击重块7下落时发生过大的偏移。标定尺沿Z向竖立于冲击重块7的旁侧，标定尺上标刻有用于测量高度的刻度值。通过标定尺能够测量出冲击重块7提升的高度值，以实现记录不同高度下冲击重块7的下落冲击效果。

压力盒的压力腔内放置试件8，所述试件8外部包覆上述柔性围压加载外套4。试件8中部具有梯形孔洞，该梯形孔洞呈水平设置。试件8与柔性围压加载外套4之间涂设润滑剂。通过润滑剂的润滑效果，更加有效避免试件8在一个方向压缩变形受到另外两个方向的加压体与试件8表面存在摩擦力的干扰影响。

本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置的运用过程为，首先将试件8通过缺口放入柔性围压加载外套4的五面壳体内，而后粘接第六面形成完整的封闭套体，再将试件8与套体一起放入压力盒的压力腔中，装配压力盒端盖3。通过X向、Y向和Z向的加载油缸5对煤、岩等试件8进行前后、左右及上下的加压操作。压力通过试件8外的柔性围压加载外套4均匀的加载在试件8上。整体柔性围压加载外套4上所有的强力弹簧4b分为三个方向设置，分别为X向、Y向和Z向。当柔性围压加载外套4与试件8受到X向加压荷载时，所有X向设置的强力弹簧4b均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套4与试件8受到Y向加压荷载时，所有Y向设置的强力弹簧4b均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套4与试件8受到Z向加压荷载时，所有Z向设置的强力弹簧4b均产生弹性压缩。因而在受到X、Y和Z三方向的同时加压下，柔性围压加载外套4随试件8一同发生压缩或膨胀变化。由此避免了刚性压力与试件8的直接接触，有效防止试件8在一个方向压缩变形时，还受到另外两个方向上加载的压力干扰影响。通过冲击加载单元对试件8施加竖直方向的重力冲击荷载，以模拟采空区覆岩断裂导致的应力波对巷道的冲击。由于柔性围压加载外套4能随同进行弹性变形，进而不会像刚性接触一样对冲击荷载造成支撑效应的影响，实现了让试件8在特定的三轴荷载条件下进一步承受冲击荷载的目的。由于柔性围压加载外套4存在垂直于试件8表面方向上的弹性变形量，故试件8在高应力及冲击扰动条件下破坏，在试件8发生破并产生一定位移的同时，垂直于试件8表面的弹性变形量对试件8迅速进行补充加载，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。

本装置既较好的解决了试件8在三个方向上变形的互相影响，又避免了常规刚性加压对冲击荷载造成支撑效应的影响，故较逼真的模拟了采场巷道中发生的冲击地压。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了底座1；围板2；端盖3；柔性围压加载外套4；刚性块4a；强力弹簧4b；加载油缸5；加载垫板6；冲击重块7；试件8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，包括压力盒，所述压力盒内具有压力腔，还包括刚性加载单元和冲击加载单元，其特征在于，所述压力腔的内周围设柔性围压加载外套，所述柔性围压加载外套具有X向、Y向和Z向的弹性可变形量，所述刚性加载单元包括在压力盒的X向、Y向和Z向上设置的加载油缸，所述加载油缸的伸缩轴穿过压力盒的外壁，所述伸缩轴的内端固连有加载垫板，所述加载垫板的内侧面贴靠在上述柔性围压加载外套的外面上，所述冲击加载单元包括位于Z向的提升装置，所述提升装置下方吊接冲击重块；

所述柔性围压加载外套包括若干层弹性压片，每层弹性压片上呈矩阵排列若干刚性块，刚性块之间通过强力弹簧连接，每相邻两层弹性压片的刚性块之间也通过强力弹簧连接；

所述弹性压片上刚性块之间的强力弹簧形成平向连接或竖向连接，每相邻两层弹性压片上的刚性块呈一一对峙布设，每组对峙的两个刚性块之间连接强力弹簧。

2.根据权利要求1所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述加载油缸的外部连接伺服油源。

3.根据权利要求1所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述冲击加载单元还包括标定尺和导向轴，所述导向轴沿Z向竖立设置，所述冲击重块套接在导向轴上，且两者的接触面形成滑动连接；所述标定尺沿Z向竖立于冲击重块的旁侧，所述标定尺上标刻有用于测量高度的刻度值。

4.根据权利要求1所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述压力盒的压力腔内放置试件，所述试件外部包覆上述柔性围压加载外套。

5.根据权利要求4所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述试件与柔性围压加载外套之间涂设润滑剂。

6.根据权利要求4所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述试件中部具有梯形孔洞，所述梯形孔洞呈水平设置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述压力盒具有底座和端盖，所述底座和端盖之间围设四块围板，通过底座、围板和端盖圈围形成矩形的压力腔。

8.根据权利要求7所述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，其特征在于，所述柔性围压加载外套呈六面矩形，六面矩形与压力腔内壁形成面面贴合，六面矩形中五面形成一体固连的壳体，另一面与壳体活动连接。