CN105043903A - 一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置 - Google Patents

Abstract

一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，属于岩土工程技术领域，本发明能对冲击地压/岩爆机理研究将有突破性进展，并考虑了冲击地压发生能量和时间因素特性，能记录弹性能积聚过程并记录弹性能释放所需时间。引伸计的四个长刚性杆件和四个短刚性杆件下端分别连接应变片，引伸计的四个长刚性杆件下端和四个短刚性杆件下端均固定在下刚性压板的引伸计放置槽内，引伸计的四个长刚性杆件上端与上刚性压板下端设有的45°卡盘相接触；引伸计的四个短刚性杆件侧壁的螺孔与螺杆螺纹连接；上、下储能-时间罐与上、下压力传感器连接，上、下压力传感器与上、下加载油缸的活塞杆连接。本发明用于冲击地压/岩爆模拟仿真试验。

Description

一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种适用于室内研究冲击地压/岩爆发生过程反演、能量定量描述及机理研究的实验装置。

背景技术

冲击地压/岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象。这种现象包含两个核心因素，一个是煤岩体积聚大量的弹性变形势能，一个是煤岩体弹性能突然猛烈的释放，最终导致煤岩体弱势区爆裂并弹射出来。往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。

随着开采深度增加，冲击地压/岩爆动力灾害频繁发生，对现场作业人员安全和现场设备正常工作造成严重影响，并易诱发瓦斯突出等严重二次灾害，故对冲击地压/岩爆发生过程反演及机理研究及其重要。对冲击地压机理研究可从理论分析、实验研究和数值模拟三方面，首先理论方面提出各种理论包括能量理论、强度理论等，这些理论各有优缺点，但均不能包含煤岩体节理、裂隙和内部构造缺陷等。现场机理研究由于地质条件的复杂性、事故突发不可预见性、发生不可重复性和发生过程危险性等，一般只能通过事故发生后反推整个过程主控因素，由于太多不确定性因素，现场发生机理研究存在一定局限性。针对上述研究缺陷，进行实验研究机理为一条合理可行思路。

依据冲击地压/岩爆发生特点，在室内真实反演冲击地压/岩爆发生过程所需考虑问题包括，加载装置提供能量，使煤岩样能积聚大量的弹性能，以模拟冲击地压/岩爆能量积聚过程；储能体对接触煤岩样提供能量后，能保持稳定性，外部围岩能继续向内部储能体提供能量，致使破坏进一步加剧，模拟冲击地压/岩爆发生过程能量传递特点；记录煤岩样破坏瞬时所需时间，以研究冲击地压/岩爆能量释放速度对破坏形式影响。但是，目前还没有设备综合考虑到上述三个因素，故本发明针对定量描述和反演冲击地压/岩爆发生过程实验仿真起到突破性进展。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，该装置能完成冲击地压/岩爆发生过程积聚弹性能的量化转化实验，对冲击地压/岩爆机理研究将有突破性进展，并考虑了冲击地压发生能量和时间因素特性，能记录弹性能积聚过程并记录弹性能释放所需时间。

所述冲击地压/岩爆中的“/”表示“或”的关系，所述储能-时间罐装置中的“-”表示“和”的关系。

实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，它包括下加载油缸、上压力传感器、下压力传感器、下储能-时间罐、下刚性弹簧、下弹簧变形记量光码器、下滚排、下内部位移回弹计时器、下柔性弹簧、煤岩试件、引伸计、下刚性压板、上储能-时间罐、长刚性杆件、短刚性杆件、45°卡盘、螺杆、上加载油缸、上位移记录器、上滚排、上刚性弹簧、上弹簧变形记量光码器、上内部位移回弹计时器、上柔性弹簧、上刚性压板、下位移记录器；

所述下储能-时间罐和上储能-时间罐的横截面均为矩形，下储能-时间罐的内周四壁均水平设有数个下滚排，所述上储能-时间罐的内周四壁均水平设有数个上滚排，下储能-时间罐内设有下刚性弹簧、下弹簧变形记量光码器、下内部位移回弹计时器及四个下柔性弹簧，所述下刚性弹簧设置在下储能-时间罐内的中部，所述四个下柔性弹簧对称设置在下刚性弹簧的外侧，下刚性弹簧以及四个下柔性弹簧的上端均与下刚性压板连接，下刚性弹簧以及四个下柔性弹簧的下端均与下储能-时间罐连接，所述下刚性压板与设置在下储能-时间罐内的下滚排接触，所述下弹簧变形记量光码器的上端与下刚性压板连接，下弹簧变形记量光码器的下端与下储能-时间罐连接，所述下内部位移回弹计时器与下弹簧变形记量光码器及下储能-时间罐连接；

上储能-时间罐内设置有上刚性弹簧、上弹簧变形记量光码器、下内部位移回弹计时器及四个上柔性弹簧，所述上刚性弹簧设置在上储能-时间罐内的中部，所述四个上柔性弹簧均布设置在上刚性弹簧的外侧，上刚性弹簧以及四个上柔性弹簧的下端均与上刚性压板连接，上刚性弹簧以及四个上柔性弹簧的上端均与上储能-时间罐连接，所述上刚性压板与设置在上储能-时间罐内的上滚排接触，所述上弹簧变形记量光码器的下端与上刚性压板连接，上弹簧变形记量光码器的上端与上储能-时间罐连接，所述上内部位移回弹计时器与上弹簧变形记量光码器及上储能-时间罐连接；

所述下刚性压板的上表面以及上刚性压板的下表面中部分别设有煤岩试件放置凹槽，所述下刚性压板的煤岩试件放置凹槽与上刚性压板的煤岩试件放置凹槽正对设置，下刚性压板的上表面设置有引伸计放置槽，所述引伸计的四个长刚性杆件和四个短刚性杆件的下端分别连接应变片，引伸计的四个长刚性杆件的下端和四个短刚性杆件的下端均固定在下刚性压板的引伸计放置槽内，引伸计的四个长刚性杆件的上端与上刚性压板下端设有的45°卡盘相接触；引伸计的四个短刚性杆件侧壁的顶端分别设有螺孔，所述螺杆与螺孔螺纹连接；

所述下储能-时间罐的下端与下压力传感器连接，所述下压力传感器与下加载油缸的活塞杆连接；所述上刚性压板的上端与上储能-时间罐的下端连接，所述上储能-时间罐的上端与上压力传感器连接，所述上压力传感器与上加载油缸的活塞杆连接；所述上位移记录器设置在上加载油缸外部，且上位移记录器与上加载油缸的缸体和活塞杆连接；所述下位移记录器设置在下加载油缸外部，且下位移记录器与下加载油缸的缸体和活塞杆连接。

本发明的效果是：

a、两个储能-时间罐均采用加载油缸推动储能，加载油缸配备位移计量系统。进行冲击地压仿真实验，通过压力机载荷-位移曲线获取总能量，两个储能-时间罐获取刚性压板储存能量，引伸计获取煤岩试件变形存储能量，煤岩样破坏瞬时，内部位移回弹计时器测定弹簧能量释放时间。

b、通过两个竖直方向设置的加载油缸对煤岩试件进行单轴加载试验操作。煤岩试件的上下端面均通过两个刚性压板（校准）为煤岩试件施加载荷，加载过程中，储能-时间罐内的弹簧不断被压缩储存弹性能。设置在储能-时间罐内部四周的滚排不仅能减少刚性压板硬摩擦，也可进行偏心校准。应用电液伺服系统对应力控制失稳瞬时的压力捕捉功能，以模拟冲击地压/岩爆发生瞬时破坏后围岩载荷的瞬时能量追加，使得破坏程度加剧。由于储能-时间罐内部设置了刚性弹簧，以模拟两个刚性压板积聚弹性能过程，并在破坏瞬间释放给煤岩试件。

c、引伸计可分别进行煤岩试件高精度轴向和径向变形测定，轴向变形测定通过引伸计的四个长刚性杆件下部连接应变片，上部连接45°卡盘，通过所述长刚性杆件变形计算得到煤岩试件轴向变形。径向变形测定通过引伸计的四个短刚性杆件下部连接应变片，所述四个短刚性杆件端部均设置螺孔，四个螺杆与四个螺孔螺纹连接，四个螺杆与煤岩试件接触，螺杆和短刚性杆件一体变形，通过计算机后台计算得到煤岩样件径向变形。

d、内部位移回弹计时器固定在弹簧变形记量光码器外侧，刚性弹簧压缩变形过程中不记录数据，煤岩样件突然破坏瞬间，弹簧变形记量光码器瞬时回弹，位移回弹计时器记录回弹过程时间。

e、通过扰动载荷、循环加卸载、蠕变载荷等加载方式，研究储能-时间罐能量变化规律、煤岩样件能量变化规律，通过两个弹簧变形记量光码器，最终计算扰动载荷、循环加卸载、蠕变载荷下的能量释放规律。

综上，本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明能真实的反演冲击地压发生储能过程、瞬时破坏过程及破坏后的形态，尤其定量分析各个部分能量分配及冲击发生瞬时能量释放速度，针对冲击地压/岩爆发生时积聚弹性能的量化实验，采用此装置对冲击地压机理研究将有突破性进展，为冲击地压防治打下坚实基础。由于冲击地压/岩爆发生复杂性、瞬时性和不可预见性，从而导致对其机理研究和预测预报进展缓慢，长期以来很难做到主动研究发生原由，主要通过灾后情况反推可能造成原因，很多不确定性因素导致关键因素可能失真或权重考虑不够。本发明基于冲击地压发生的特点，真实模拟各种煤岩样件发生冲击地压极限条件，实现冲击地压/岩爆的反演及定量研究。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图。

图中：基台1、下加载油缸2、上压力传感器3、下压力传感器4、下储能-时间罐5、下刚性弹簧6、下弹簧变形记量光码器7、下滚排8、下内部位移回弹计时器9、下柔性弹簧10、煤岩试件11、引伸计12、下刚性压板13、上储能-时间罐14、长刚性杆件15、短刚性杆件16、45°卡盘17、螺杆18、上加载油缸19、上位移记录器20、上滚排21、上刚性弹簧22、上弹簧变形记量光码器23、下内部位移回弹计时器24、上柔性弹簧25、上刚性压板26、下位移记录器27。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，它包括下加载油缸2、上压力传感器3、下压力传感器4、下储能-时间罐5、下刚性弹簧6、下弹簧变形记量光码器7、下滚排8、下内部位移回弹计时器9、下柔性弹簧10、煤岩试件11、引伸计12、下刚性压板13、上储能-时间罐14、长刚性杆件15、短刚性杆件16、45°卡盘17、螺杆18、上加载油缸19、上位移记录器20、上滚排21、上刚性弹簧22、上弹簧变形记量光码器23、上内部位移回弹计时器24、上柔性弹簧25、上刚性压板26、下位移记录器27；

所述下储能-时间罐5和上储能-时间罐14的横截面均为矩形，下储能-时间罐5的内周四壁均水平设有数个下滚排8，所述上储能-时间罐14的内周四壁均水平设有数个上滚排21，下储能-时间罐5内设有下刚性弹簧6、下弹簧变形记量光码器7、下内部位移回弹计时器9及四个下柔性弹簧10，所述下刚性弹簧6设置在下储能-时间罐5内的中部，所述四个下柔性弹簧10对称设置在下刚性弹簧6的外侧，下刚性弹簧6以及四个下柔性弹簧10的上端均与下刚性压板13连接，下刚性弹簧6以及四个下柔性弹簧10的下端均与下储能-时间罐5连接，所述下刚性压板13与设置在下储能-时间罐5内的下滚排8接触，所述下弹簧变形记量光码器7的上端与下刚性压板13连接，下弹簧变形记量光码器7的下端与下储能-时间罐5连接，所述下内部位移回弹计时器9与下弹簧变形记量光码器7及下储能-时间罐5连接；

上储能-时间罐14内设置有上刚性弹簧22、上弹簧变形记量光码器23、下内部位移回弹计时器24及四个上柔性弹簧25，所述上刚性弹簧22设置在上储能-时间罐14内的中部，所述四个上柔性弹簧25均布设置在上刚性弹簧22的外侧，上刚性弹簧22以及四个上柔性弹簧25的下端均与上刚性压板26连接，上刚性弹簧22以及四个上柔性弹簧25的上端均与上储能-时间罐14连接，所述上刚性压板26与设置在上储能-时间罐14内的上滚排21接触，所述上弹簧变形记量光码器23的下端与上刚性压板26连接，上弹簧变形记量光码器23的上端与上储能-时间罐14连接，所述上内部位移回弹计时器24与上弹簧变形记量光码器23及上储能-时间罐14连接；

所述下刚性压板13的上表面以及上刚性压板26的下表面中部分别设有煤岩试件放置凹槽，所述下刚性压板13的煤岩试件放置凹槽与上刚性压板26的煤岩试件放置凹槽正对设置，下刚性压板13的上表面设置有引伸计放置槽，所述引伸计12的四个长刚性杆件15和四个短刚性杆件16的下端分别连接应变片，引伸计12的四个长刚性杆件15的下端和四个短刚性杆件16的下端均固定在下刚性压板13的引伸计放置槽内，引伸计12的四个长刚性杆件15的上端与上刚性压板26下端设有的45°卡盘17相接触；引伸计12的四个短刚性杆件16侧壁的顶端分别设有螺孔，所述螺杆18与螺孔螺纹连接；

所述下储能-时间罐5的下端与下压力传感器4连接，所述下压力传感器4与下加载油缸2的活塞杆连接；所述上刚性压板26的上端与上储能-时间罐14的下端连接，所述上储能-时间罐14的上端与上压力传感器3连接，所述上压力传感器3与上加载油缸19的活塞杆连接；所述上位移记录器20设置在上加载油缸19外部，且上位移记录器20与上加载油缸19的缸体和活塞杆连接；所述下位移记录器27设置在下加载油缸2外部，且下位移记录器27与下加载油缸2的缸体和活塞杆连接。

本实施方式中，所述下加载油缸2、下弹簧变形记量光码器7、下内部位移回弹计时器9、下位移记录器27、引伸计12、上加载油缸19、上弹簧变形记量光码器23、上内部位移回弹计时器24及上位移记录器20均由计算机同步采集并实时绘制曲线。

本实施方式中，通过上、下位移记录器提供能量输出量计算，通过上、下加载油缸移动拉动上、下位移记录器记录上、下加载油缸行走位移，上、下压力传感器实时记录加载载荷并反馈给计算机，上、下刚性弹簧不断压缩储能。上、下加载油缸外部连接伺服油源。

本实施方式中，所述煤岩试件11放置在上、下刚性压板之间，且煤岩试件11的上端和下端置于上、下刚性压板的煤岩试件放置凹槽内，煤岩试件11设置在引伸计12内部，调节引伸计12的短刚性杆件16，使得径向设置的四个螺杆18均匀与煤岩试件11中部相接触。

本实施方式中，下加载油缸2、上压力传感器3、下压力传感器4、下弹簧变形记量光码器7、下内部位移回弹计时器9、引伸计12、上加载油缸19、上位移记录器20、上弹簧变形记量光码器23、下内部位移回弹计时器24、下位移记录器27均为现有技术，为外购产品。

具体实施方式二：如图1所示，所述煤岩试件放置凹槽为圆形或方形，圆形煤岩试件放置凹槽的直径为φ50mm，方形煤岩试件放置凹槽的长×宽=50×50mm。煤岩试件放置凹槽表面平整，与试样11形成紧密的贴合面，用于煤岩试件11放置定位，防止加载偏心。

工作过程是：首先开环卸载使得上、下加载油缸归零，将引伸计12下端放置在下刚性压板13的引伸计放置槽内，并用螺丝固结成一体，并在煤岩试件11上端和下端涂抹凡士林，减少摩擦，测定结果更精确，而后将煤岩试件11放入上、下刚性压板的煤岩试件放置凹槽内，调节引伸计12径向设置的四个螺杆18，使得四个螺杆18均匀接触到煤岩试样11中部。启动伺服系统，不断为上、下加载油缸供油，上刚性压板13与煤岩试样11接触密实后停止加载，调节引伸计12的四个长刚性杆件15与上刚性压板26的45度卡盘17接触良好。对下位移记录器27、下压力传感器4、下弹簧变形记量光码器7、上位移记录器20、上压力传感器3、上弹簧变形记量光码器23以及引伸计12进行清零处理。压力通过上、下刚性压板均匀传递给煤岩试样11。加载过程中，在煤岩试件11压缩过程中，上、下加载油缸不断推动上、下储能-时间罐不断储能能量，上、下刚性弹簧不断的被均匀弹性压缩。上、下储能-时间罐内分别设置四个对称的柔性弹簧，目的是防止煤岩试件11由于加载不均出现偏心的现象。同时上储能-时间罐14内部的上滚排21可以减少上刚性压板26与上储能-时间罐14之间的摩擦，下储能-时间罐5内部的下滚排8可以减少下刚性压板13与下储能-时间罐5之间的摩擦。在加载一定程度时煤岩试样11失稳破坏上、下刚性弹簧瞬间回弹释放能量，上、下位移记录器反向运动开始计时，到达拉伸终点停止计时。

使用时，将本发明的装置坐落在基台1上。

本装置既较好再现了冲击地压的储能过程及发生过程，能定量的分析能量的转化规律、冲击发生瞬时的能量释放信息。

本发明中所描述的上述具体实施方式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方式做各种各样的修改或补充或采取类似的方式替代，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。

Claims (2)

1.一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，其特征是：它包括下加载油缸（2）、上压力传感器（3）、下压力传感器（4）、下储能-时间罐（5）、下刚性弹簧（6）、下弹簧变形记量光码器（7）、下滚排（8）、下内部位移回弹计时器（9）、下柔性弹簧（10）、煤岩试件（11）、引伸计（12）、下刚性压板（13）、上储能-时间罐（14）、长刚性杆件（15）、短刚性杆件（16）、45°卡盘（17）、螺杆（18）、上加载油缸（19）、上位移记录器（20）、上滚排（21）、上刚性弹簧（22）、上弹簧变形记量光码器（23）、上内部位移回弹计时器（24）、上柔性弹簧（25）、上刚性压板（26）、下位移记录器（27）；

所述下储能-时间罐（5）和上储能-时间罐（14）的横截面均为矩形，下储能-时间罐（5）的内周四壁均水平设有数个下滚排（8），所述上储能-时间罐（14）的内周四壁均水平设有数个上滚排（21），下储能-时间罐（5）内设有下刚性弹簧（6）、下弹簧变形记量光码器（7）、下内部位移回弹计时器（9）及四个下柔性弹簧（10），所述下刚性弹簧（6）设置在下储能-时间罐（5）内的中部，所述四个下柔性弹簧（10）对称设置在下刚性弹簧（6）的外侧，下刚性弹簧（6）以及四个下柔性弹簧（10）的上端均与下刚性压板（13）连接，下刚性弹簧（6）以及四个下柔性弹簧（10）的下端均与下储能-时间罐（5）连接，所述下刚性压板（13）与设置在下储能-时间罐（5）内的下滚排（8）接触，所述下弹簧变形记量光码器（7）的上端与下刚性压板（13）连接，下弹簧变形记量光码器（7）的下端与下储能-时间罐（5）连接，所述下内部位移回弹计时器（9）与下弹簧变形记量光码器（7）及下储能-时间罐（5）连接；

上储能-时间罐（14）内设置有上刚性弹簧（22）、上弹簧变形记量光码器（23）、下内部位移回弹计时器（24）及四个上柔性弹簧（25），所述上刚性弹簧（22）设置在上储能-时间罐（14）内的中部，所述四个上柔性弹簧（25）均布设置在上刚性弹簧（22）的外侧，上刚性弹簧（22）以及四个上柔性弹簧（25）的下端均与上刚性压板（26）连接，上刚性弹簧（22）以及四个上柔性弹簧（25）的上端均与上储能-时间罐（14）连接，所述上刚性压板（26）与设置在上储能-时间罐（14）内的上滚排（21）接触，所述上弹簧变形记量光码器（23）的下端与上刚性压板（26）连接，上弹簧变形记量光码器（23）的上端与上储能-时间罐（14）连接，所述上内部位移回弹计时器（24）与上弹簧变形记量光码器（23）及上储能-时间罐（14）连接；

所述下刚性压板（13）的上表面以及上刚性压板（26）的下表面中部分别设有煤岩试件放置凹槽，所述下刚性压板（13）的煤岩试件放置凹槽与上刚性压板（26）的煤岩试件放置凹槽正对设置，下刚性压板（13）的上表面设置有引伸计放置槽，所述引伸计（12）的四个长刚性杆件（15）和四个短刚性杆件（16）的下端分别连接应变片，引伸计（12）的四个长刚性杆件（15）的下端和四个短刚性杆件（16）的下端均固定在下刚性压板（13）的引伸计放置槽内，引伸计（12）的四个长刚性杆件（15）的上端与上刚性压板（26）下端设有的45°卡盘（17）相接触；引伸计（12）的四个短刚性杆件（16）侧壁的顶端分别设有螺孔，所述螺杆（18）与螺孔螺纹连接；

所述下储能-时间罐（5）的下端与下压力传感器（4）连接，所述下压力传感器（4）与下加载油缸（2）的活塞杆连接；所述上刚性压板（26）的上端与上储能-时间罐（14）的下端连接，所述上储能-时间罐（14）的上端与上压力传感器（3）连接，所述上压力传感器（3）与上加载油缸（19）的活塞杆连接；所述上位移记录器（20）设置在上加载油缸（19）外部，且上位移记录器（20）与上加载油缸（19）的缸体和活塞杆连接；所述下位移记录器（27）设置在下加载油缸（2）外部，且下位移记录器（27）与下加载油缸（2）的缸体和活塞杆连接。

2.根据权利要求1所述一种冲击地压/岩爆模拟仿真储能-时间罐装置，其特征是：所述煤岩试件放置凹槽为圆形或方形，圆形煤岩试件放置凹槽的直径为φ50mm，方形煤岩试件放置凹槽的长×宽=50×50mm。