CN105181465A - 一种岩层加卸载破坏研究实验装置 - Google Patents

Abstract

一种岩层加卸载破坏研究实验装置，属于岩土工程及煤矿开采实验技术领域。本发明包括具有前面板的机架，在机架内的底部设置有能够左右滑动的竖直加载系统；在竖直加载系统的右侧机架内设置有水平加载系统，在竖直加载系统的左侧机架内设置有左侧水平位移约束板和自适应调高系统；在机架内的上部设置有顶部竖直位移约束板和部分卸压系统；在下层竖直加载板右侧上部设置有水平加载板导向台；水平加载板下端设置在水平加载板导向台上，水平加载板左侧面与上层竖直加载板右侧面相接触；左侧水平位移约束板下表面与上层竖直加载板上表面相接触；顶部竖直位移约束板右侧下表面与水平加载板上表面相接触，其左侧面与左侧水平位移约束板的右侧面相接触。

Description

一种岩层加卸载破坏研究实验装置

技术领域

本发明属于岩土工程及煤矿开采实验技术领域，特别是涉及一种岩层加卸载破坏研究实验装置。

背景技术

岩石单元体的物理力学特征，是岩土领域问题研究的基础。为解决岩土工程中遇到的问题，往往需要在实验室尺度下进行标准岩石试件的试验研究，其研究种类及研究设备较为成熟。但实际地层中，岩石在地层中赋存结构以层状结构居多。

采用标准岩石实际进行实验室实验能够反应地层岩石单元体受力变形特征，但对于板状结构，其变形破坏不仅受单元体自身物理性质的影响，而且其受载力学边界及加卸载方式对破坏影响作用较大。因此，迫切需要研制针对板状结构岩体的加卸载实验装置。该实验装置应该能满足对板状岩层施加不同应力边界条件，同时对于加卸载条件可控，可实现整体或分布加载、整体或分布卸载。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩层加卸载破坏研究实验装置。该实验装置可实现单一板状岩层或组合板状岩层的不同力学边界条件下的加卸载实验；能够在限制一维位移的条件下，实现另外的二维加载，尽可能接近于地下岩体受力情况，能够有效模拟煤层开采后，采空区底鼓破坏，能够通过对模型上部部分区域卸压，观察卸压区域下部破坏及离层。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种岩层加卸载破坏研究实验装置，包括具有前面板的机架，在机架内的底部设置有能够左右滑动的竖直加载系统；在竖直加载系统的右侧机架内设置有水平加载系统，在竖直加载系统的左侧机架内设置有左侧水平位移约束板和自适应调高系统；在机架内的上部设置有顶部竖直位移约束板和部分卸压系统；

所述竖直加载系统包括上层竖直加载板和下层竖直加载板，在上层竖直加载板与下层竖直加载板之间设置有竖直加载油缸；在下层竖直加载板右侧的上部设置有水平加载板导向台，在下层竖直加载板与机架之间设置有滑动系统；

所述水平加载系统包括水平加载板和水平加载油缸，水平加载油缸的一端固定在机架的右侧，另一端与水平加载板固定连接；所述水平加载板的下端设置在水平加载板导向台上，水平加载板的左侧面与上层竖直加载板的右侧面相接触；

所述左侧水平位移约束板通过自适应调高系统设置在机架内，其下表面与上层竖直加载板的上表面相接触，在左侧水平位移约束板与机架之间设置有滑动系统；

所述顶部竖直位移约束板的中部具有通槽，其右侧下表面与水平加载板的上表面相接触，其左侧面与左侧水平位移约束板的右侧面相接触；

所述部分卸压系统包括若干块卸压板，每块卸压板的顶部分别与一根竖直设置的螺杆的下端相连接，所述螺杆的上端均穿过机架的顶部，并通过设置在机架顶部内、外侧的第三螺母固定；所述卸压板设置在顶部竖直位移约束板中部的通槽内。

所述自适应调高系统包括调高螺杆，所述调高螺杆的下端与左侧水平位移约束板固定连接，其上端穿过机架的顶部后与第二螺母相连接；在调高螺杆的中部固定有卡块，在卡块与机架之间的调高螺杆外设置有弹簧。

在所述滑动系统与机架之间设置有垫板。

所述滑动系统由滚珠和滚珠架组成，所述滚珠活动设置在滚珠架上。

所述水平加载油缸的油缸底座通过第一螺栓和第一螺母固定于机架右侧。

所述前面板包括透明的钢化玻璃，所述钢化玻璃通过角钢固定在强化固定架上，所述强化固定架由加强条叠加而成；在强化固定架上设置有螺栓孔，前面板通过设置在螺栓孔内的螺栓与机架固定连接。

在所述上层竖直加载板的底部和下层竖直加载板的顶部分别设置有第一加强条，所述第一加强条呈“井”字形；所述竖直加载油缸设置为四个，四个竖直加载油缸分别设置在第一加强条的交叉位置处。

在所述水平加载板的右侧设置有第二加强条，所述第二加强条呈双“十”字形；所述水平加载油缸设置为两个，两个水平加载油缸分别通过固定油缸卡块设置在第二加强条的交叉位置处。

在所述顶部竖直位移约束板的顶部设置有第三加强条，所述第三加强条呈“井”字形；在所述卸压板的顶部设置有加强块。

在所述左侧水平位移约束板的左侧设置有第四加强条，所述第四加强条呈双“十”字形。

本发明的有益效果：

本发明的实验装置能够实现岩板在约束一维位移进行二维加载的条件下岩板上部部分卸压至破坏、离层。以往的加载方法不能对整个模型受力面进行加载，即加载板的有效作用面积与模型受力面积一致，而且如果实现模型整个受力面加载与实际模型表面大小一致，在加载板加载的时候，模型会压缩，加载板之间必然会相互影响。本发明有效解决了二维加载过程中加载板的相互作用关系，使实验条件更为接近现场实际；另外，卸压过程中导致岩板离层、破坏本发明可以对模型进行可视化。

附图说明

图1是本发明的岩层加卸载破坏研究实验装置摘除前面板后的结构示意图；

图2是本发明的前面板的结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是本发明的竖直加载系统的结构示意图；

图6是本发明的水平加载系统的结构示意图；

图7是本发明的顶部竖直位移约束板及部分卸压系统的结构示意图；

图8是本发明的左侧水平位移约束板及自适应调高系统的结构示意图；

图中：1-机架，2-垫板，3-竖直加载系统，4-滚珠，5-滚珠架，6-竖直加载板，7-第一加强条，8-竖直加载油缸，9-水平加载板导向台，10-水平加载系统，11-水平加载板，12-第二加强条，13-水平加载油缸，14-固定油缸卡块，15-油缸底座，16-第一螺栓，17-第一螺母，18-第一垫片，19-顶部竖直位移约束板，20-第三加强条，21-加强块，22-螺杆，23-卸压板，24-部分卸压系统，25-自适应调高系统，26-第二螺母，27-第二垫片，28-调高螺杆，29-弹簧，30-卡块，31-左侧水平位移约束板，32-第四加强条，33-前面板，34-钢化玻璃，35-角钢，36-强化固定架，37-螺栓孔，38-第三垫片，39-第三螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图8所示，一种岩层加卸载破坏研究实验装置，包括具有前面板33的机架1，机架1整体呈“凹”形四方槽，竖直放置；在机架1内的底部设置有能够左右滑动的竖直加载系统3；在竖直加载系统3的右侧机架1内设置有水平加载系统10，在竖直加载系统3的左侧机架1内设置有左侧水平位移约束板31和自适应调高系统25；在机架1内的上部设置有顶部竖直位移约束板19和部分卸压系统24。

所述竖直加载系统3包括上层竖直加载板和下层竖直加载板，在上层竖直加载板与下层竖直加载板之间设置有竖直加载油缸8，所述竖直加载板6采用2cm厚度钢板，长×宽为55cm×30cm，钢板朝外侧放置；在下层竖直加载板右侧的上部设置有水平加载板导向台9，水平加载板导向台9用于支撑右侧水平加载系统10的水平加载板11并起导向作用，保持水平加载板11施加力的方向一致性，防止水平加载板11靠重力向下跑偏，影响实验水平加载的准确性与稳定性。在下层竖直加载板与机架1之间设置有滑动系统；在所述上层竖直加载板的底部和下层竖直加载板的顶部分别设置有第一加强条7，所述第一加强条7呈“井”字形，“井”字形第一加强条7解决了竖直加载油缸8对竖直加载板6的应力集中问题；所述竖直加载油缸8设置为四个，四个竖直加载油缸8分别设置在第一加强条7的交叉位置处；竖直加载油缸8的伸缩可带动活塞一侧的上层竖直加载板完成升降动作，进而实现对模型竖直方向的加载。

所述水平加载系统10包括水平加载板11和水平放置的水平加载油缸13，水平加载油缸13的一端固定在机架1的右侧，另一端与水平加载板11固定连接，水平加载板11采用厚度为2cm的钢板，其长×宽为30cm×20cm；所述水平加载板11的下端设置在水平加载板导向台9上，所述的下层竖直加载板和水平加载板导向台9可控制水平加载系统10加载方向的稳定性，水平加载板11的左侧面与上层竖直加载板的右侧面相接触；在所述水平加载板11的右侧设置有第二加强条12，所述第二加强条12呈双“十”字形；所述水平加载油缸13设置为两个，两个水平加载油缸13分别通过固定油缸卡块14设置在第二加强条12的交叉位置处。

所述左侧水平位移约束板31通过自适应调高系统25设置在机架1内，其下表面与上层竖直加载板的上表面相接触，在左侧水平位移约束板31与机架1之间设置有滑动系统；在所述左侧水平位移约束板31的左侧设置有第四加强条32，所述第四加强条32呈双“十”字形。左侧水平位移约束板31的厚度为2cm，长×宽为30cm×20cm，厚度较之前的大，因为要为底部竖直加载板6在右侧水平加载板11的推动下向左滑动而留有一定的空间；第二螺母26用于调节左侧水平位移约束板31的高低，使之与竖直加载系统3的竖直加载板6搭接并处于其之上，而且需保证与岩板模型接触面为30cm×15cm，竖直加载板6、水平加载板11和左侧水平位移约束板31、顶部竖直位移约束板19之间相互搭接，形成图1中的位置关系，即可解决加载板加载面积与模型实际面积相同又不影响加载板相互作用的问题，可以实现模型表面的整体加载。左侧水平位移约束板31和水平加载板11对宽*高为30cm×15cm的模型面加压，因此，左侧水平位移约束板31和水平加载板11的宽*高均设置为30×20cm。

所述顶部竖直位移约束板19的厚度为2cm，长×宽为55cm×30cm，其右侧下表面与水平加载板11的上表面相接触，其左侧面与左侧水平位移约束板31的右侧面相接触；在所述顶部竖直位移约束板19的顶部设置有第三加强条20，所述第三加强条20呈“井”字形，“井”字形的中间部分开有通槽。

所述部分卸压系统24包括若干块卸压板23，本实施例采用六块卸压板23，每块卸压板23的长×宽为15cm×5cm，六块卸压板23可不同时刻分别卸载。每个卸压板23的顶部中心部位分别与一根竖直设置的螺杆22的下端相连接，所述螺杆22的上端均穿过机架1的顶部，并通过设置在机架1顶部内、外侧的第三螺母39固定；机架1内侧的第三螺母39可以约束六个单独卸压板23向上移动，实现对模型顶部竖直位移的约束，机架1外侧的第三螺母39可以调节六个单独卸压板23的位置，保证卸压前与顶部竖直位移约束板19呈一整体平面，形成一整体的平面板，固定调节好位置，具有一定的抗压能力，卸载时，调节内侧第三螺母和外侧第三螺母即可实现卸压；所述卸压板23设置在顶部竖直位移约束板19中部的通槽内；在所述卸压板23的顶部设置有加强块21用来提高强度。

所述自适应调高系统25由两组调高螺杆28、第二螺母26、弹簧29和卡块30组成，调高螺杆28，所述调高螺杆28的下端与左侧水平位移约束板31固定连接，其上端穿过机架1的顶部后与第二螺母26相连接；在调高螺杆28的中部固定有卡块30，在卡块30与机架1之间的调高螺杆28外设置有弹簧29。自适应调高系统25通过压缩弹簧29，根据底部竖直加载系统3的竖直加载板6的上升而使左侧水平位移约束板31向上调整。

在所述滑动系统与机架1之间设置有垫板2，用于支撑上方各系统，垫板2采用厚度为2cm的钢板，滑动系统可产生滚动滑动，自动调节竖直加载系统3和水平加载系统10的加载板的相互位置。所述滑动系统由滚珠4和滚珠架5组成，滚珠4采用钢珠，滚珠架5采用钢珠架，所述滚珠4活动设置在滚珠架5上；滚珠4和滚珠架5的宽度与其底部垫板2一致，长度比底部垫板2稍短，两端分别留有空隙，为后期滚动滑动留有距离。

两个水平加载油缸13并排固定于油缸底座15，油缸底座15通过第一螺栓16和第一螺母17固定于机架1右侧。

所述前面板33用于限制非加载方向的位移，其包括厚度为2cm的透明钢化玻璃34，作为本发明实验装置的观测面板，可以对岩板离层破坏现象进行实时观测，以实现可视化，钢化玻璃34的尺寸长度与机架1“凹”槽内部水平宽度一致，为25cm，可以嵌入；所述钢化玻璃34通过角钢35固定在强化固定架36上，所述强化固定架36由加强条叠加而成，其中水平并排分布三条，与机架1长度一致，外侧另外竖直并排分布四条，中间两条搭接机架1的上部与下部，两边两条与水平的三条相交并搭接机架1的左、右两边；强化固定架36与钢化玻璃34之间垫有与加强条宽度一致的软垫板，软垫板可采用胶垫，用于保护钢化玻璃34使其均匀受力。在强化固定架36上设置有螺栓孔37，前面板33通过设置在螺栓孔37内的螺栓与机架1固定连接。

在所述第二螺母26与机架1之间设置有第二垫片27，在所述第三螺母39与机架1之间设置有第三垫片38，在所述第一螺母17与机架1之间设置有第一垫片18。

本发明的实验装置主体由Q₂₃₅钢制成，可以对尺寸为500mm×300mm×150mm的单一或组合模拟岩板进行整体加卸载、整体加载局部卸荷实验研究。在实验过程中，岩板模型的后方由机架1约束，前方由前面板33约束其位移。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～图8所示，首先，将实验准备工作做好，在机架1内放入垫板2和滑动系统，将压制好的岩板模型放在竖直加载系统3的上层竖直加载板上表面；调整好六个单独卸压板23的位置，使其与顶部竖直位移约束板19保持在同一个平面内。

将水平加载板11的下端置于水平加载板导向台9之上，用第一螺栓16和第一螺母17固定好水平加载系统10。

竖直加载系统3施加压力，竖直加载油缸8的活塞杆伸出，上层竖直加载板上升，使岩板模型顶部与顶部竖直位移约束板19接触；左侧水平位移约束板31随着上层竖直加载板的上升而上升，达到预定加载应力时，固定第二螺母26。

水平加载系统10施加压力，水平加载油缸13的活塞杆伸出，水平加载板11向左伸出，推动岩板模型和竖直加载系统3向左滑动，使左侧水平位移约束板31与左侧滑动系统紧紧相贴。

将前面板33组装好安装于机架1前部，用螺栓拧紧固定。

竖直加载系统3和水平加载系统10继续施加指定压力，岩板模型被压缩。

最后，处于受压状态的岩板模型顶部的单独卸压板23可根据需要而卸载，卸压方法为：拧动机架1内侧的第三螺母39使第三螺母39向下移动，这时机架1内侧的第三垫片38与机架1顶部之间的距离加大，实现卸压；拧紧机架1外侧的第三螺母39使部分卸压系统24整体向上提升，从而卸载，观察岩板模型的破坏状态。

通过前面板33观察岩板模型卸压出现离层，在卸压区域观察破坏程度。

最后由破坏程度监测设备探测卸压过程中岩板模型破坏情况，将所有采集的数据进行处理，得出相应结论。

实验结束后，旋出第二螺母26，通过自适应调高系统25使左侧水平位移约束板31复位。

尽管以上所述对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示。

Claims (10)

1.一种岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于包括具有前面板的机架，在机架内的底部设置有能够左右滑动的竖直加载系统；在竖直加载系统的右侧机架内设置有水平加载系统，在竖直加载系统的左侧机架内设置有左侧水平位移约束板和自适应调高系统；在机架内的上部设置有顶部竖直位移约束板和部分卸压系统；

所述竖直加载系统包括上层竖直加载板和下层竖直加载板，在上层竖直加载板与下层竖直加载板之间设置有竖直加载油缸；在下层竖直加载板右侧的上部设置有水平加载板导向台，在下层竖直加载板与机架之间设置有滑动系统；

所述水平加载系统包括水平加载板和水平加载油缸，水平加载油缸的一端固定在机架的右侧，另一端与水平加载板固定连接；所述水平加载板的下端设置在水平加载板导向台上，水平加载板的左侧面与上层竖直加载板的右侧面相接触；

所述左侧水平位移约束板通过自适应调高系统设置在机架内，其下表面与上层竖直加载板的上表面相接触，在左侧水平位移约束板与机架之间设置有滑动系统；

所述顶部竖直位移约束板的中部具有通槽，其右侧下表面与水平加载板的上表面相接触，其左侧面与左侧水平位移约束板的右侧面相接触；

所述部分卸压系统包括若干块卸压板，每块卸压板的顶部分别与一根竖直设置的螺杆的下端相连接，所述螺杆的上端均穿过机架的顶部，并通过设置在机架顶部内、外侧的第三螺母固定；所述卸压板设置在顶部竖直位移约束板中部的通槽内。

2.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于所述自适应调高系统包括调高螺杆，所述调高螺杆的下端与左侧水平位移约束板固定连接，其上端穿过机架的顶部后与第二螺母相连接；在调高螺杆的中部固定有卡块，在卡块与机架之间的调高螺杆外设置有弹簧。

3.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于在所述滑动系统与机架之间设置有垫板。

4.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于所述滑动系统由滚珠和滚珠架组成，所述滚珠活动设置在滚珠架上。

5.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于所述水平加载油缸的油缸底座通过第一螺栓和第一螺母固定于机架右侧。

6.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于所述前面板包括透明的钢化玻璃，所述钢化玻璃通过角钢固定在强化固定架上，所述强化固定架由加强条叠加而成；在强化固定架上设置有螺栓孔，前面板通过设置在螺栓孔内的螺栓与机架固定连接。

7.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于在所述上层竖直加载板的底部和下层竖直加载板的顶部分别设置有第一加强条，所述第一加强条呈“井”字形；所述竖直加载油缸设置为四个，四个竖直加载油缸分别设置在第一加强条的交叉位置处。

8.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于在所述水平加载板的右侧设置有第二加强条，所述第二加强条呈双“十”字形；所述水平加载油缸设置为两个，两个水平加载油缸分别通过固定油缸卡块设置在第二加强条的交叉位置处。

9.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于在所述顶部竖直位移约束板的顶部设置有第三加强条，所述第三加强条呈“井”字形；在所述卸压板的顶部设置有加强块。

10.根据权利要求1所述的岩层加卸载破坏研究实验装置，其特征在于在所述左侧水平位移约束板的左侧设置有第四加强条，所述第四加强条呈双“十”字形。