CN107917847B - 一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法 - Google Patents

一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于矿山开采技术领域，具体涉及一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法。包括冲击能供给部分和智能监测部分；冲击能供给部分包括枪把、电磁扳机、枪膛、弹簧、旋转刻度盘、枪筒、枪杆、枪栓和冲击头；智能监测部分包括加速度传感器、显示器、键盘、单片机、储存器、电源和WiFi模块。本发明具有体积小、携带方便、操作简单、测量快速的优点；相比传统岩体冲击倾向性测试，省时省工且降低了成本，而且可以避免由于岩体脆弱而难以取出岩样的问题，也避免了因岩样较周围岩体坚硬，而不具备代表性的问题。

Description

一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法
所属技术领域
本发明属于矿山开采技术领域，具体涉及一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法。
技术背景
随着煤矿开采深度的增大，冲击地压的问题日益严重，造成巷道围岩冲击破坏，支架破坏，巷道坍塌，严重威胁到人员的安全和减慢生产进度。冲击倾向性是煤岩具有发生冲击地压的固有性质，衡量煤岩冲击强弱的一个指标，可以通过室内实验测量，目前使用的室内压力试验机测量从井下取出经过切割研磨加工的标准煤岩样，由于煤岩体脆弱，取出煤岩样很困难，即便取出煤岩样也是比较坚硬的，不具备井下煤岩层的代表性，并且试验过程需取样、加工、试验等步骤，费时费工且成本较高。因此，井下煤壁煤体冲击倾向性的直接测试尤为重要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种岩体冲击倾向性测试枪，其特征在于，包括：冲击能供给部分和智能监测部分；冲击能供给部分包括枪把、电磁扳机、枪膛、弹簧、旋转刻度盘、枪筒、枪杆、枪栓和冲击头；智能监测部分包括加速度传感器、显示器、键盘、单片机、储存器、电源和WiFi模块；
所述枪把的一端固定于枪膛上；
所述显示器和键盘分别安装在枪把上；
所述枪筒固定于枪膛的前端；
所述旋转刻度盘与枪膛的尾部螺纹连接；
所述枪栓与枪膛滑动连接；
所述电磁扳机固定于枪膛上，与枪栓卡扣连接；
所述弹簧设置在枪膛内，一端与枪栓接触，另一端与旋转刻度盘接触；弹簧处于压缩状态并储存能量；
所述枪杆固定在枪栓上，枪杆的杆体穿过旋转刻度盘、弹簧、枪膛和枪筒；
所述冲击头安装在枪杆的前端；
所述单片机分别连接电磁扳机、加速度传感器、显示器、键盘、储存器、电源和WiFi模块；
所述加速度传感器安装在枪杆上，用于测量枪杆的加速度数值。
所述冲击头为钢制半圆球形。
所述枪筒的内径为7mm。
所述旋转刻度盘的最小刻度为1牛顿。
所述弹簧的劲度系数大于5000N/m，自然长度大于50mm。
采用上述的岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，通过WiFi模块将单片机与计算机建立WiFi连接，计算机通过WiFi模块将控制信息存放到储存器；
步骤2，通过旋转刻度盘调节弹簧的压缩状态，拉动枪栓压缩弹簧，直至枪栓卡在电磁扳机上，手持枪把将枪筒的枪口垂直接触被测岩体；
步骤3，接通电源，通过加速度传感器开始测量枪杆的加速度A，测得的加速度A为A1、A2、A3……An，对应的时间T为T1、T2、T3……Tn；
步骤4，手动触发电磁扳机，将触发信号传至单片机，单片机控制电磁扳机释放与其卡扣连接的枪栓，弹簧推动枪栓和枪杆，冲击头冲击被测岩体；
步骤5，通过单片机根据加速度传感器测得的加速度A计算被测岩体的冲击强度值σc，储存至储存器并在显示器上显示；
步骤6，通过单片机根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算被测岩体的冲击倾向性Kc，储存至储存器并在显示器上显示；
步骤6.1，根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2；
所述计算岩体冲击的耗散能E1的计算公式如下所示：
所述计算岩体冲击的弹性能E2的计算公式如下所示：
其中，Xi为时刻Ti对应的冲击头的位移，Xi+1为时刻Ti+1对应的冲击头的位移；
步骤6.2，根据岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2的比值确定被测岩体的冲击倾向性Kc；
步骤7，根据标准差理论确定测量次数N，重复步骤2至步骤6，进行同一区域冲击倾向性的N次测量，计算N次测量的平均值，得到这一区域的冲击倾向性K；
步骤8，通过键盘控制单片机将储存器中记录的各项数据在显示器上显示；将各项数据通过WiFi模块连接传输至计算机备份。
所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1，根据冲击头、枪杆和枪栓的质量之和M与加速度传感器测得的加速度A确定当前时刻Ti对应的冲击头的位移Xi；
步骤5.2，根据当前时刻Ti对应的冲击头的位移Xi确定当前时刻Ti对应的压痕深度Hi，绘制压痕深度/压痕压力测试曲线示意图，从而确定压痕压力F的最大值为Fm和最大压痕深度Hm；
所述当前时刻Ti对应的压痕深度Hi的计算公式如下所示：
Hi＝Xi-Xk；
其中，Xk为计时开始后第一个非零压痕压力Fk对应时刻的位移；
步骤5.3，根据压痕压力F的最大值Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体的冲击强度值σc；
所述根据压痕压力F的最大值为Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体的冲击强度值σc的计算公式如下所示：
所述步骤4执行后，若当待测岩体的硬度过高，使弹簧的储存能量最大值不足以完成试验时，利用锤子敲击枪杆后端冲击待测岩体，或利用压力机上压枪杆的后端冲击待测岩体，然后进行步骤5。
本发明的有益效果：
本发明提出一种岩体冲击倾向性测试枪及测试方法，具有体积小、携带方便、操作简单、测量快速的优点；相比传统岩体冲击倾向性测试，本发明试验过程可在现场对岩体、煤体、砼体等强度进行快速测定，不需对待测岩体进行取样和加工操作，省时省工且降低了成本；而且可以避免由于岩体脆弱而难以取出岩样的问题，特别适用于建筑砼体不允许取芯和软弱岩体取不出芯的场合；也避免了因岩样较周围岩体坚硬，而不具备代表性的问题。
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施例中岩体冲击倾向性测试枪的结构示意图。
图2为本发明具体实施例中所述智能监测部分的连接关系图。
图3为本发明具体实施例中岩体冲击倾向性测试枪的测试方法的流程图。
图4为本发明的岩体冲击倾向测试方法的压痕深度/压痕压力测试曲线示意图。
图中：1、冲击能供给部分；2、智能监测部分；3、被测岩体；4、枪把；5、电磁扳机；6、枪膛；7、弹簧；8、旋转刻度盘；9、枪筒；10、枪杆；11、枪栓；12、冲击头；13加速度传感器；14、显示器；15、键盘；16、单片机、17、储存器；18、电源；19、WiFi模块。
具体实施方式
本发明提出一种岩体冲击倾向性测试枪，如图1所示，包括冲击能供给部分1和智能监测部分2；冲击能供给部分1包括枪把4、电磁扳机5、枪膛6、弹簧7、旋转刻度盘8、枪筒9、枪杆10、枪栓11和冲击头12；智能监测部分2包括加速度传感器13、显示器14、键盘15、单片机16、储存器17、电源18和WiFi模块19；
所述枪把4的一端固定在枪膛6上；
所述显示器14和键盘15分别安装在枪把4上；
所述枪筒9的内径为7mm，固定于枪膛6的前端；
所述旋转刻度盘8与枪膛6的尾部螺纹连接，旋转刻度盘8的最小刻度为1牛顿；
所述枪栓11与枪膛6滑动连接；
所述弹簧7设置在枪膛6内，一端与枪栓11接触，另一端与旋转刻度盘8接触；弹簧7处于压缩状态并储存能量，弹簧7的劲度系数大于5000N/m，自然长度大于50mm；
所述枪杆10固定在枪栓11上，枪杆10的杆体穿过旋转刻度盘8、弹簧7、枪膛6和枪筒9；
所述冲击头12为钢制半圆球形，安装在枪杆10的前端；
如图2所示，所述单片机16分别连接电磁扳机5、加速度传感器13、显示器14、键盘15、储存器17、电源18和WiFi模块19；
所述加速度传感器13安装在枪杆10上，用于测量枪杆的加速度数值。
如图3所示，所述采用上述测试枪的控制方法为：
步骤1，通过WiFi模块19与计算机建立WiFi连接，计算机通过WiFi连接将控制信息存放到储存器17，用于单片机16分析各项数据时调用；
步骤2，通过旋转刻度盘8调节弹簧7的压缩状态，以设置弹簧7储存能量的大小；拉动枪栓11压缩弹簧7，直至枪栓11卡在电磁扳机5上，手持枪把4将枪筒9的枪口垂直接触被测岩体3；
步骤3，接通电源18，加速度传感器13开始测量枪杆10的加速度A，测得的加速度A为A1、A2、A3……An，对应的时间T为T1、T2、T3……Tn；
步骤4，手动触发电磁扳机5，将触发信号传至单片机16，单片机16控制电磁扳机5释放与其卡扣连接的枪栓11，弹簧7推动枪栓11和枪杆10，冲击头12冲击被测岩体3；
步骤5，通过单片机16根据加速度传感器13测得的加速度A计算被测岩体3的冲击强度值σc，储存至储存器17并在显示器14上显示；
步骤5.1，根据冲击头12、枪杆10和枪栓11的质量之和M与加速度传感器13测得的加速度A确定当前时刻Ti对应的冲击头12的位移Xi；具体实施过程为：
通过单片机16计算冲击头12、枪杆10和枪栓11的质量之和M乘以加速度传感器13测得的加速度A得出冲击头12所受的压痕压力F，根据加速度A对时间T的二次积分得出冲击头12的位移X；其中对应于时间T1、T2、T3……Tn的压痕压力为F1、F2、F3……Fn，位移为X1、X2、X3……Xn；
步骤5.2，根据当前时刻Ti对应的冲击头12的位移Xi确定当前时刻Ti对应的压痕深度Hi，绘制压痕深度/压痕压力测试曲线示意图，如图4所示，从而确定压痕压力F的最大值Fm和最大压痕深度Hm，即图4中C点所示；
所述当前时刻Ti对应的压痕深度Hi的计算公式如式(1)所示：
Hi＝Xi-Xk (1)
其中，Xk为计时开始后第一个非零压痕压力Fk对应时刻的位移；
步骤5.3，根据压痕压力F的最大值Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体3的冲击强度值σc；
所述根据压痕压力F的最大值为Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体3的冲击强度值σc的计算公式如式(2)所示：
步骤6，通过单片机16根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算被测岩体3的冲击倾向性Kc，储存至储存器17并在显示器14上显示；
步骤6.1，根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2；
所述计算岩体冲击的耗散能E1，即图4中OACO所围成的面积，其计算公式如式(3)所示：
所述计算岩体冲击的弹性能E2，即图4中ABCA所围成的面积，其计算公式如式(4)所示：
其中，Xi为时刻Ti对应的冲击头12的位移，Xi+1为时刻Ti+1对应的冲击头12的位移；
根据公式计算耗散能，即图4中OACO所围成的面积；根据公式/>计算弹性能，即图4中ABCA所围成的面积；其中Fi为Ti时对应的压痕压力；
步骤6.2，根据岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2的比值确定被测岩体3的冲击倾向性Kc；
步骤7，根据标准差理论确定测量次数N，重复步骤2至步骤6，进行同一区域冲击倾向性的N次测量，计算N次测量的平均值，得到这一区域的冲击倾向性K；
步骤8，通过键盘15控制单片机16将储存器17中记录的各项数据在显示器14上显示；将各项数据通过WiFi模块19连接传输至计算机备份。
所述步骤4执行后，若当待测岩体3的硬度过高，使弹簧7的储存能量最大值不足以完成试验时，利用锤子敲击枪杆10后端冲击待测岩体3，或利用压力机上压枪杆10的后端冲击待测岩体3，然后进行步骤5。
本发明具有体积小、携带方便、操作简单、测量快速的优点；相比传统岩体冲击倾向性测试，本发明的试验过程可在现场对岩体、煤体、砼体等强度进行快速测定，不需对待测岩体进行取样和加工操作，省时省工且降低了成本；而且可以避免由于岩体脆弱而难以取出岩样的问题，特别适用于建筑砼体不允许取芯和软弱岩体取不出芯的场合；也避免了因岩样较周围岩体坚硬，而不具备代表性的问题。

Claims (7)

1.一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于，所述测试枪包括：冲击能供给部分和智能监测部分；冲击能供给部分包括枪把、电磁扳机、枪膛、弹簧、旋转刻度盘、枪筒、枪杆、枪栓和冲击头；智能监测部分包括加速度传感器、显示器、键盘、单片机、储存器、电源和WiFi模块；
所述枪把的一端固定于枪膛上；
所述显示器和键盘分别安装在枪把上；
所述枪筒固定于枪膛的前端；
所述旋转刻度盘与枪膛的尾部螺纹连接；
所述枪栓与枪膛滑动连接；
所述电磁扳机固定于枪膛上，与枪栓卡扣连接；
所述弹簧设置在枪膛内，一端与枪栓接触，另一端与旋转刻度盘接触；弹簧处于压缩状态并储存能量；
所述枪杆固定在枪栓上，枪杆的杆体穿过旋转刻度盘、弹簧、枪膛和枪筒；
所述冲击头安装在枪杆的前端；
所述单片机分别连接电磁扳机、加速度传感器、显示器、键盘、储存器、电源和WiFi模块；
所述加速度传感器安装在枪杆上，用于测量枪杆的加速度数值；
一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，通过WiFi模块将单片机与计算机建立WiFi连接，计算机通过WiFi模块将控制信息存放到储存器；
步骤2，通过旋转刻度盘调节弹簧的压缩状态，拉动枪栓压缩弹簧，直至枪栓卡在电磁扳机上，手持枪把将枪筒的枪口垂直接触被测岩体；
步骤3，接通电源，通过加速度传感器开始测量枪杆的加速度A，测得的加速度A为A1、A2、A3……An，对应的时间T为T1、T2、T3……Tn；
步骤4，手动触发电磁扳机，将触发信号传至单片机，单片机控制电磁扳机释放与其卡扣连接的枪栓，弹簧推动枪栓和枪杆，冲击头冲击被测岩体；
步骤5，通过单片机根据加速度传感器测得的加速度A计算被测岩体的冲击强度值σc，储存至储存器并在显示器上显示；
步骤6，通过单片机根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算被测岩体的冲击倾向性Kc，储存至储存器并在显示器上显示；
步骤6.1，根据时刻Ti对应的压痕压力Fi计算岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2；
所述计算岩体冲击的耗散能E1的计算公式如下所示：
所述计算岩体冲击的弹性能E2的计算公式如下所示：
其中，Xi为时刻Ti对应的冲击头的位移，Xi+1为时刻Ti+1对应的冲击头的位移；
步骤6.2，根据岩体冲击的耗散能E1与岩体冲击的弹性能E2的比值确定被测岩体的冲击倾向性Kc；
步骤7，根据标准差理论确定测量次数N，重复步骤2至步骤6，进行同一区域冲击倾向性的N次测量，计算N次测量的平均值，得到这一区域的冲击倾向性K；
步骤8，通过键盘控制单片机将储存器中记录的各项数据在显示器上显示；将各项数据通过WiFi模块连接传输至计算机备份。
2.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于：所述测试枪的冲击头为钢制半圆球形。
3.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于：所述测试枪的枪筒的内径为7mm。
4.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于：所述测试枪的旋转刻度盘的最小刻度为1牛顿。
5.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于：所述测试枪的弹簧的劲度系数大于5000N/m，自然长度大于50mm。
6.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1，根据冲击头、枪杆和枪栓的质量之和M与加速度传感器测得的加速度A确定当前时刻Ti对应的冲击头的位移Xi；
步骤5.2，根据当前时刻Ti对应的冲击头的位移Xi确定当前时刻Ti对应的压痕深度Hi，绘制压痕深度/压痕压力测试曲线示意图，从而确定压痕压力F的最大值为Fm和最大压痕深度Hm；
所述当前时刻Ti对应的压痕深度Hi的计算公式如下所示：
Hi＝Xi-Xk；
其中，Xk为计时开始后第一个非零压痕压力Fk对应时刻的位移；
步骤5.3，根据压痕压力F的最大值Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体的冲击强度值σc；
所述根据压痕压力F的最大值为Fm和最大压痕深度Hm计算被测岩体的冲击强度值σc的计算公式如下所示：
7.如权利要求1所述的一种岩体冲击倾向性测试枪的测试方法，其特征在于：所述步骤4执行后，若当待测岩体的硬度过高，使弹簧的储存能量最大值不足以完成试验时，利用锤子敲击枪杆后端冲击待测岩体，或利用压力机上压枪杆的后端冲击待测岩体，然后进行步骤5。
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