CN104697868B - 一种冲击地压模拟实验用静‑动复合加载装置 - Google Patents

Abstract

一种冲击地压模拟实验用静‑动复合加载装置，包括套装于空心固定轴上的环形储能胶囊，环形储能胶囊的外壁与一组可随环形储能胶囊的膨胀径向向外运动的弧形传力板相贴靠，弧形传力板的外侧通过储能弹簧与和与弧形传力板相对应的一组弧形加载板相接，在空心固定轴上固定安装圆盘形侧向挡板，弧形传力板可沿侧向挡板径向开设的梯形导向槽滑动，并带动与拉杆式位移传感器相接的指针移动，弧形传力板由置于其弧形滑槽中的弧形滑片相互连接。将装置埋设在实验模型中的预定位置，通过环形储能胶囊和储能弹簧可模拟冲击地压发生的静载荷与动载荷条件，通过实时检测储能胶囊的液体压力可得到实验过程中煤岩体破坏的临界静载荷，通过检测储能弹簧压缩位移量可准确计算出储能弹簧在临界载荷状体下释放的弹性能。

Description

一种冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置

技术领域

本发明涉及煤矿安全实验研究，特别是一种用于冲击地压模拟实验的静-动复合加载装置。

背景技术

冲击地压是采矿工程中主要的动力灾害。随着矿产资源开采规模及开采深度的日益增加，冲击地压发生频次和破坏程度也愈加强烈，严重影响到煤矿的安全开采和现场人员的生命安全。探索冲击地压的产生机理是目前矿业工程及岩石力学学科的热点和难点，同时也是完善冲击地压灾害预测与防治技术的基础。由于目前冲击地压发生机制尚不完全明了，采用数学或力学的方法建立冲击地压预测系统非常困难，故采用模拟试验的方法研究冲击地压发生机理逐渐得到重视。但目前用于模拟试验的动力加载多数采用爆破加载，而爆破加载将产生大量的高温高压气体参与模型的动力破坏过程，与实际中的冲击地压发生过程有很大差异；此外，爆炸加载产生的震动频率与实际中煤岩体内弹性能释放引起的震动频率相差较大，造成模拟试验结果误差较大，难以准确揭示冲击地压的发生机理。冲击地压灾害的孕育及发生的过程，实质上是开采扰动引起采场围岩体内的能量逐渐积聚与突然释放的过程，从力学过程上看，是一个采场周围煤岩体在静载荷与动载荷组合作用下的复杂破坏过程，进行冲击地压的模型试验研究必需满足冲击地压发生的力学条件，为此，需要一种满足这一力学条件的试验装置。

发明内容

本发明的目的就是基于上述需要提供一种结构简单、成本低、适用广泛、可以实现静态和动态复合加载的冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置。

为实现上述目的，本发明提供的冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置，包括套装于空心固定轴上的环形储能胶囊，环形储能胶囊与进液管相接，环形储能胶囊的外壁与一组可随环形储能胶囊的膨胀径向向外运动的弧形传力板相贴靠，弧形传力板的外侧通过储能弹簧与和弧形传力板相对应的一组弧形加载板相接，环形储能胶囊、弧形传力板、储能弹簧和弧形加载板的两侧分别有固定安装在空心固定轴上的圆盘形侧向挡板。

在所述弧形传力板的两肋侧面上分别有沿其中心线设置的梯形滑台，其中一个梯形滑台的中心有顶针，在圆盘形侧向挡板的内面沿径向分别开设有与梯形滑台相对应的梯形导向槽，在其中一个圆盘形侧向挡板的梯形导向槽的槽底上沿纵向设有穿透圆盘形侧向挡板的窄缝，所述顶针从该窄缝中伸出，可沿窄缝移动。

所述弧形传力板的左右两侧分别设有弧形滑槽，相邻弧形传力板的弧形滑槽中置有弧形滑片，弧形滑片的两端部有与弧形滑槽相配合的凸块，弧形滑槽的外端有限制该凸块从弧形滑槽中滑出的内缩沿。

所述储能弹簧用能够使弹簧动态震动频率位于实际煤岩体震动主频频段的金属材料制作。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置，采用环形储能胶囊产生的液压和储能弹簧组合加载方式模拟冲击地压发生的静载荷与动载荷条件，克服了现有爆炸加载只能提供单一动载荷的缺陷；避免了爆炸加载的气体影响；通过选择储能弹簧的材质使弹簧动态震动频率逼近煤岩体震动的主频频段，更真实地模拟冲击地压发生的载荷条件。

2、利用本发明装置，通过实时检测环形储能胶囊内的液体压力，能够捕捉模型试验过程中煤岩体破坏的临界静载荷信息，通过采用位移传感器检测储能弹簧压缩位移量，能够准确计算出储能弹簧在临界载荷状体下所释放的弹性能，为研究煤岩体在冲击载荷作用下的动力破坏过程提供可靠数据。

附图说明

附图为本发明实施例的结构示意图，其中：

图1是沿其纵向剖视图；

图2是沿图1A-A剖视图；

图3是图1中弧形传力板的三维立体图；

图4是图2中右侧侧向挡板的左视图。

图中：1-弧形加载板；2-弧形滑片；3-弧形传力板；3-1-弧形滑槽；3-2-梯形滑台；3-3-顶针；3-4-插销孔；4-环形储能胶囊；5-进液管；6-圆盘形侧向挡板；6-1-梯形导向槽；6-2-(导向槽底部)窄缝；7-空心固定轴；8-储能弹簧。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置，其环形储能胶囊4套装于空心固定轴7上，环形储能胶囊的内环壁上设进液管5，进液管穿过空心固定轴轴壁上开设的小孔从空心固定轴中穿出，外接压力传感器和充液设备(未图示)。紧贴环形储能胶囊的外壁有八块结构相同的弧形传力板3，每块弧形传力板的左右两侧分别设有弧形滑槽3-1，相邻弧形传力板的滑槽中放置弧形滑片2，弧形滑片的两端有与弧形滑槽相配合的凸块，弧形滑槽的外端有限制该凸块从弧形滑槽中滑出的内缩沿，八块弧形传力板由弧形滑片连接成一个圆环形整体，使环形储能胶囊膨胀时八块弧形传力板能够保持同步向外运动，均匀传递能量，同时弧形滑片保护环形储能胶囊不会从弧形传力板向外运动产生的间隙中向外胀出，产生变形。每块弧形传力板如图3所示，在其两个肋侧面上分别有沿其中心线设置的梯形滑台3-2，在其中一个梯形滑台的中心有顶针3-3(用于连接拉杆式位移传感器)，弧形传力板3通过其外侧中心位置(对应梯形滑台位置)上的插销孔3-4和销钉与储能弹簧8的内端相接；储能弹簧的外端与八块分别与弧形传力板相对应的弧形加载板1通过插销孔和销钉相接，八块弧形加载板首尾相接成圆环形；储能弹簧用能够使其动态震动频率位于实际煤岩体震动主频频段的金属材料制作。在环形储能胶囊、弧形传力板、储能弹簧和弧形加载板的两侧分别通过螺纹连接在空心固定轴7上固定安装圆盘形侧向挡板6。如图4所示，在两圆盘形侧向挡板的内面，沿径向分别开设与弧形传力板的梯形滑台3-2相对应的梯形导向槽6-1，在其中一个圆盘形侧向挡板(图2中右侧圆盘形侧向挡板)的梯形导向槽的槽底上沿其纵向开设穿透圆盘形侧向挡板的窄缝6-2，使所述顶针3-3从该窄缝中伸出，并能随梯形滑台3-2在梯形导向槽6-1中滑动沿该窄缝移动。

使用上述加载装置时，将环形储能胶囊的进液管通过压力传感器和充液设备(未图示)相接，将拉杆式位移传感器(未图示)与加载装置伸出侧向挡板的顶针相接；利用与空心固定轴螺纹连接的中空螺杆(未图示)将加载装置埋设在实验模型中的预定位置；然后通过进液管向环形储能胶囊中注入压力液体，由压力传感器给出液体的压力信号，环形储能胶囊在液体压力作用下径向膨胀，推动弧形传力板沿圆盘形侧向挡板上的梯形导向槽向外运动，压缩储能弹簧，同时使弧形传力板梯形滑台上的顶针沿梯形导向槽底部的窄缝移动，与顶针相连接的拉杆式位移传感器给出顶针位移量信号(顶针位移量就是弹簧压缩位移量)，储能弹簧在被压缩过程中储存弹性能量的同时通过弧形加载板对模型施加静载荷。此后进行模型开挖，形成巷道或采场，随着开挖的进行，模型中的巷道或采场围岩在静载荷作用下坚固程度逐渐降低，最后被彻底破坏，在破坏的瞬间，储能弹簧释放的弹力行成动载荷。由此模拟冲击地压发生时的静-动组合载荷。通过压力传感器检测的液体压力和拉杆式位移传感器检测的弹簧压缩位移量即可计算出储能弹簧释放的弹性能量，为研究煤岩体在冲击载荷作用下的动力破坏过程提供数据。

本加载装置中的各个部件的尺寸，包括弧形传力板与弧形加载板的数量及宽度、弹簧的刚度和长度等参数可根据所模拟的不同煤岩体积聚的能量进行设计。

Claims (1)

1.一种冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置，其特征在于：包括套装于空心固定轴(7)上的环形储能胶囊(4)，环形储能胶囊与进液管(5)相接，环形储能胶囊的外壁与一组可随环形储能胶囊的膨胀径向向外运动的弧形传力板(3)相贴靠，弧形传力板的外侧通过储能弹簧(8)与和弧形传力板相对应的一组弧形加载板(1)相接，环形储能胶囊、弧形传力板、储能弹簧和弧形加载板的两侧分别有固定安装在空心固定轴上的圆盘形侧向挡板(6)；

在所述弧形传力板(3)的两肋侧面上分别有沿其中心线设置的梯形滑台(3-2)，其中一个梯形滑台的中心有顶针(3-3)，在圆盘形侧向挡板(6)的内面沿径向分别开设有与梯形滑台相对应的梯形导向槽(6-1)，在其中一个圆盘形侧向挡板的梯形导向槽的槽底上沿纵向设有穿透圆盘形侧向挡板的窄缝(6-2)，所述顶针(3-3)从该窄缝中伸出，可沿窄缝移动；

所述弧形传力板(3)的左右两侧分别设有弧形滑槽(3-1)，相邻弧形传力板的弧形滑槽中置有弧形滑片(2)，弧形滑片的两端部有与弧形滑槽相配合的凸块，弧形滑槽的外端有限制该凸块从弧形滑槽中滑出的内缩沿。