CN107870120B - 用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模拟岩石裂隙受压发育技术领域,尤其是一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置,解决了传统实验室不能有效模拟开掘巷道围岩出现的集中载荷,甚至局部应力集中,极易造成突发性事故的问题,包括轴向加压装置、试验台和计算机数据采集系统,压缩轴底端连接有固定金属圈,固定金属圈连接有加载头,底座上设置有试验台,试验台内设置有试样,试样的顶面及任意一个侧面分别设置有应变片,应变片通过数据线连接有数据收集装置。本发明对试样的加载呈现不均匀的局部集中载荷,形象真实地模拟现实情况下矿井巷道围岩所受载荷情况,对今后科学的研究岩巷围岩在矿压不均匀集中状态下围岩的裂隙发育状况有着积极的作用。

Description

用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置
技术领域
本发明涉及模拟岩石裂隙受压发育技术领域,尤其是一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置。
背景技术
裂隙发育是巷道围岩在矿压作用下变形破坏过程最直观的表现形式,结合应力状态和岩性,研究裂隙的发育分布特征,可定量分析围岩的破坏程度和所受压力,对于巷道支护维护有重要意义。现有实验室中,试验设备主要为轴向压缩试验仪,通过压缩轴对试样加载一定的载荷,进而来模拟实际情况下矿井巷道围岩所受载荷情况,达到科学研究岩巷围岩在矿压不均匀集中状态下围岩的裂隙发育状况。
但目前对传统的围岩裂隙受力试验测试为均匀分布加载受力,无法真正模拟巷道围岩在矿山压力不均匀情况下局部集中受力的情况,使得围岩试样的裂隙发育状况也不能完全反映真实情况下矿井巷道围岩的裂隙发育变形情况。即在开掘巷道或进行回采工作时,煤巷或岩巷围岩原有应力平衡被破环,围岩内部出现集中载荷,甚至是局部应力集中,极易造成突发性事故,传统实验并不能有效的模拟这种突发性事故的应力集中状况,导致最终的试验结果对后期矿山巷道的采掘和科学研究具有一定的偏差。
发明内容
本发明为了解决传统实验室不能有效模拟在开掘巷道或进行回采工作时,煤巷或岩巷围岩原有应力平衡被破环,围岩内部出现集中载荷,甚至是局部应力集中现象,极易造成突发性事故的问题,提供了一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置。
本发明是通过如下技术方案实现的:一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置,包括轴向加压装置、试验台和计算机数据采集系统,轴向加压装置包括单轴压缩试验仪,单轴压缩试验仪包括底座,底座上设置有支架,支架上端连接有横梁,横梁中部连接有压缩轴,压缩轴底端连接有固定金属圈,固定金属圈连接有加载头,加载头为圆锥加载头,底座上设置有试验台,试验台为矩形无盖箱体结构,试验台内设置有试样,试样的顶面及任意一个侧面分别设置有应变片,应变片通过数据线连接有数据收集装置。
固定金属圈为一端光滑一端带有内螺纹的金属管,固定金属圈光滑一端的外表面开有用于固定的螺纹孔。
螺纹孔数量为4个且螺纹孔沿固定金属圈光滑段同一水平面间隔90°设置。固定金属圈用于将加载头固定在单轴压缩试验仪的压缩轴上,将固定金属圈的光滑段套在压缩轴上,通过拧紧螺钉,将螺钉与压缩轴顶紧固定。
圆锥加载头的一端设置有与固定金属圈内螺纹相适应的外螺纹。
加载头为一端呈正三角形排布的圆锥加载头。
加载头为一端呈正三角形排布的长方体加载头。
尖端加载装置的试验步骤包括:
S1.从现场采集需进行试验的岩样并将其放入不锈钢岩样采集罐中进行封装,在实验室中加工大小与试验台内部箱体相匹配的长方形实验试样;
S2. 在试样上连接试验所需的应变片,应变片设置在试样顶面和其中一个侧面上;
S3.将试样的底面和侧面均匀涂抹硅胶;
S4.将试样放入到试验台内部;
S5.将应变片通过数据线与计算机数据采集系统连接;
S6. 通电并开启单轴压缩试验仪,使契入试样的加载头长度从0开始以2mm/min的加载速度逐渐加压;
S7.将设置在试样上表面的应变片进行不断位置变换,得到不同位置压力集中状态下试样变形随压力变化的数值;
S8. 通过计算机数据采集系统收集的信息,采集试样各时刻,各部位受到的不同集中应力F及变形量X,整理实验数据并绘制出应力-应变曲线图。
试样的长度和宽度分别小于试验台内部腔体的长度和宽度1~2mm,试样的高度小于等于试验台内部腔体的高度。
传统的围岩裂隙试验方法,仅使用单轴压缩试验仪,加载装置采用圆柱体压缩轴。压缩轴加载面为平整面,试验时,启动单轴压缩仪,通过加载面平整的圆柱体压缩轴对试样缓慢加压,使试样受力分布均匀,受到均布载荷。只能得出围岩受到均布载荷的模拟情况,对于围岩应力平衡被破坏的研究以及突发性事故缺乏现实研究意义。
在实际情况中,开掘巷道或进行回采工作时,煤巷或岩巷围岩原有应力平衡被破环,围岩内部出现集中载荷,甚至是局部应力集中,极易造成突发性事故,可见传统实验并不能有效的模拟这种突发性事故的应力集中状况。
本发明对传统单轴压缩试验仪进一步改进,为传统单轴压缩试验仪的压缩轴底部加装圆锥加载头或呈正三角形设置的长方体及圆锥加载头,使其对试样的加载呈现不均匀的局部集中载荷,且实验台为长方体空腔箱式结构,试样置入试验台在实验过程中,试验台为其提供横向载荷,使得试样不会碎裂。试样的底面和四个侧面涂抹一定厚度的硅胶,可有效保证试样与实验台充分接触,使得试样所受横向载荷均匀。本发明通过单轴压缩试验仪不断施加荷载,利用计算机数据采集系统将试样的试验数据进行整理并绘制应力-应变曲线图,从而可形象真实地模拟现实情况下矿井巷道围岩所受载荷情况,对今后科学的研究岩巷围岩在矿压不均匀集中状态下围岩的裂隙发育状况有着积极的作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明的左视图;
图3是本发明中压缩轴通过固定金属圈与圆锥加载头的连接结构示意图;
图4是图3中固定金属圈的结构示意图;
图5是图3中的圆锥加载头的结构示意图;
图6是实施例1呈正三角形排布的圆锥加载头的结构示意图;
图7是实施例2呈正三角形排布的长方体加载头的结构示意图。
图中:1-压缩轴,2-固定金属圈,3-螺钉,3.1-螺纹孔,4-圆锥加载头,5-单轴压缩试验仪,5.1-底座,5.2-支架,5.3-横梁,6-试验台,7-试样,8-应变片,9-计算机数据采集系统,10-数据线。
具体实施方式
结合图1~图5对本发明做进一步说明,一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置,包括轴向加压装置、试验台6和计算机数据采集系统9,轴向加压装置包括单轴压缩试验仪5,单轴压缩试验仪5包括底座5.1,底座5.1上设置有支架5.2,支架5.2上端连接有横梁5.3,横梁5.3中部连接有压缩轴1,压缩轴1底端连接有固定金属圈2,固定金属圈2连接有加载头,加载头为圆锥加载头4,底座5.1上设置有试验台6,试验台6为矩形无盖箱体结构,试验台6内设置有试样7,试样7的顶面及任意一个侧面分别设置有应变片8,应变片8通过数据线10连接有计算机数据采集系统9。
固定金属圈2为一端光滑一端带有内螺纹的金属管,固定金属圈2光滑一端的外表面开有用于固定的螺纹孔3.1,螺纹孔3.1数量为4个且螺纹孔3.1沿固定金属圈2光滑段同一水平面间隔90°设置,圆锥加载头4的一端设置有与固定金属圈2内螺纹相适应的外螺纹;试样7的长度和宽度分别小于试验台6内部腔体的长度和宽度1~2mm,试样7的高度小于等于试验台内部腔体的高度。
本发明用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置,它由轴向加压装置、试验台6和计算机数据采集系统9构成。轴向加压装置为包括单轴压缩试验仪5,圆锥加载头4,固定金属圈2。单轴压缩试验仪5的压缩轴1,直径为100mm,圆锥加载头4的一端为圆柱体,一端为圆锥体结构,圆锥加载头4是一个钢制的整体结构,其直径为100mm,且圆锥加载头的圆柱段和圆锥段长度均为100mm。固定金属圈2内部为带有螺纹的管状金属圈,高为100mm,壁厚10mm,内径100mm,其一端内壁设置有与圆锥加载头圆柱段相匹配的螺纹。金属圈无螺纹的部分设有四个螺纹孔,螺纹孔直径为7mm,螺钉的直径与螺纹孔直径相匹配。将固定金属圈2无螺纹的一端套在单轴压缩试验仪5的压缩轴1上,分别拧入螺钉3,螺钉3末端压紧压缩轴1,将两者固定。再将底部带有螺纹的圆锥加载头4圆柱段拧入固定金属圈2带螺纹一端,使得压缩轴1与圆锥加载头4二者位置相对固定。应变片8和计算机数据采集系统9通过专用的数据线10相连,试验台6为长方体空腔结构,其长为70mm,宽为60mm,高为45mm,顶面为无盖式结构,其他五个面采用厚度为8mm的钢板通过焊接拼接而成。配合进行试验的试样7原料采用矿山井底巷道围岩或煤层,加工为长68mm,宽58mm,高45mm的长方体实验试样,且在其四个侧面及底面涂一定厚度的液体硅胶,在自然条件下风干,在其中一个侧面,(如正视面)涂硅胶时留一定的区域用来连接应变片8。
将试样7置于试验台6中,试样7的四个侧面和底部由于涂有一定厚度的硅胶,使得试样7与试验台6空腔内壁紧密贴合。将固定金属圈2无螺纹的一端套在单轴压缩试验仪5的压缩轴1上,分别拧入4个螺钉3,螺钉3末端与压缩轴1顶紧,实现两者间的固定。进一步将底部带有螺纹的圆锥加载头4圆柱端拧入固定金属圈2中带螺纹的端部。在试样7正视面未涂乳胶区域贴应变片8,上表面贴应变片8,通过数据线10将应变片8分别与计算机数据采集系统9连接。启动单轴压缩试验仪5,通过圆锥加载头4对试样7进行不断的挤压受力,可以得到压力集中状态下裂隙发育特征。保持单轴压缩试验仪的压力变化速率,通过改变应变片8在试样7上表面的不同位置以及在试样7正视面未涂乳胶区域的不同位置变化,可以得到不同位置压力集中状态下试样7变形随压力的关系和裂隙发育特征。
实施例一:
如图6所示,将本发明中的加载头由单一的圆锥加载头4进行更换,新的加载头为一端呈正三角形排布的圆锥加载头。替换后的加载头同样通过螺纹连接与固定金属圈2固定,呈正三角形排布的圆锥加载头使得在压缩轴1不断向试样7施加压力时更加稳固,同时可以更精确的模拟巷道岩层应力集中的情况下的受力变化。
实施例二:
如图7所示,将本发明中的加载头由单一的圆锥加载头4进行更换,新的加载头为一端呈正三角形排布的长方体加载头。呈正三角形排布的长方体加载头为实施例一的变形结构。由于本发明引入的创新点为相对于轴向压缩装置压缩轴1而言的尖端加载头,故变形后的长方体加载头与试样7的接触面积远小于原压缩轴1与试样7的接触面积,使得本实施例中的加载头在可以保证受力平稳的状态下实现了相对意义上的尖端加载。
应该理解的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不足以限制本发明的技术方案,对本领域技术人员来说,均在本发明的精神和原则之内。当需对加载头进行更换或选用时,只需要将原来的加载头拧下,更换新的加载头即可测试不同的应力状况下试样7变形随压力的变化情况。
本发明采用模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置试验方法,加载装置采用与试样7接触面积更小的加载头,加载头相对于现有技术中的压缩轴1为极小的截面结构。启动单轴压缩试验仪5,使得压缩轴1带动加载头对试样7进行加压,对试样7产生一个集中的应力,可用于模拟围岩内部矿压不均匀情况下局部应力集中现象以及突发性的矿压对围岩的影响。进一步的,通过应变片8收集试样7变形与施加应力大小的试验数据可以得出裂隙发育与集中载荷之间的关系,进而有效的模拟巷道围岩在矿压不均匀的情况下局部应力集中的受力情况,对矿山巷道的采掘支护以及科学研究分析有重大意义。具体的尖端加载装置的试验步骤包括:
S1.从现场采集需进行试验的岩样并将其放入不锈钢岩样采集罐中进行封装,在实验室中加工大小与试验台6内部腔体相匹配的长方形实验试样;试验台6的尺寸为长70mm,宽60mm,高50mm,试样7经加工后的尺寸为长68mm,宽58mm,高45mm;
S2. 在试样7上连接试验所需的应变片8,应变片8设置在试样7顶面和其中一个侧面上;
S3.将试样7的底面和侧面均匀涂抹硅胶;
S4.将试样7放入到试验台6内部;
S5.将应变片8通过数据线10与计算机数据采集系统9连接;
S6. 通电并开启单轴压缩试验仪5,使契入试样7的加载头长度从0开始以2mm/min的加载速度逐渐加压;
S7.将设置在试样7上表面的应变片8进行不断位置变换,得到不同位置压力集中状态下试样7变形随压力变化的数值;
S8. 通过计算机数据采集系统9收集的信息,采集试样各时刻、各部位受到的不同集中应力和变形量,整理试验数据并绘制出应力-应变曲线图。

Claims (1)

1.一种用于模拟巷道围岩在矿压集中状态下的尖端加载装置,包括轴向加压装置、试验台(6)和计算机数据采集系统(9),其特征在于:轴向加压装置包括单轴压缩试验仪(5),单轴压缩试验仪(5)包括底座(5.1),底座(5.1)上设置有支架(5.2),支架(5.2)上端连接有横梁(5.3),横梁(5.3)中部连接有压缩轴(1),压缩轴(1)底端连接有固定金属圈(2),固定金属圈(2)连接有加载头,加载头为圆锥加载头(4),底座(5.1)上设置有试验台(6),试验台(6)为矩形无盖箱体结构,试验台(6)内设置有试样(7),试样(7)的顶面及任意一个侧面分别设置有应变片(8),应变片(8)通过数据线(10)连接有计算机数据采集系统(9);固定金属圈(2)为一端光滑一端带有内螺纹的金属管,固定金属圈(2)光滑一端的外表面开有用于固定的螺纹孔(3.1);螺纹孔(3.1)数量为4个且螺纹孔(3.1)沿固定金属圈(2)光滑段同一水平面间隔90°设置;圆锥加载头(4)的一端设置有与固定金属圈(2)内螺纹相适应的外螺纹,加载头为一端呈正三角形排布的圆锥加载头(11);试样(7)的长度和宽度分别小于试验台(6)内部腔体的长度和宽度1~2mm,试样(7)的高度小于等于试验台(6)内部腔体的高度;尖端加载装置的试验步骤包括:
S1.从现场采集需进行试验的岩样并将其放入不锈钢岩样采集罐中进行封装,在实验室中加工大小与试验台(6)内部腔体相匹配的长方形实验试样;
S2. 在试样(7)上连接试验所需的应变片(8),应变片(8)设置在试样(7)顶面和其中一个侧面上;
S3.将试样(7)的底面和侧面均匀涂抹硅胶;
S4.将试样(7)放入到试验台(6)内部;
S5.将应变片(8)通过数据线(10)与计算机数据采集系统(9)连接;
S6. 通电并开启单轴压缩试验仪(5),使契入试样(7)的加载头长度从0开始以2mm/min的加载速度逐渐加压;
S7.将设置在试样(7)上表面的应变片(8)进行不断位置变换,得到不同位置压力集中状态下试样(7)变形随压力变化的数值;
S8. 通过计算机数据采集系统(9)收集的信息,采集试样各时刻、各部位受到的不同集中应力和变形量,整理试验数据并绘制出应力-应变曲线图。
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