CN108195682B - 用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法 - Google Patents

用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法，包括夹持装置、伺服加载机构以及声发射测试装置，伺服加载机构包括上压头以及下压头，夹持装置的内部设有巷道岩体模型，巷道岩体模型的内部设有巷道模型，夹持装置与巷道岩体模型相适应，声发射测试装置包括设于夹持装置上的声发射探头，声发射探头紧贴在巷道岩体模型上，声发射探头通过声发射信号接收线以及声发射信号放大器与声发射信号处理器连接，其试验方法步骤为，试验前准备工作、试验作用力加载、收集测试数据、分析结果。本发明适用于测试不同尺寸、水平应力条件下的煤岩巷道的细观力学特性、微裂隙发育，解决了目前无法模拟不同尺度煤岩细观力学试验的问题。

Description

用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及实验装置，特别涉及一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法。
背景技术
矿井煤岩巷的安全掘进和有效支护，已成为煤矿安全生产、盈利与否的重要标志，其初期建设费用和后期维护费用占据煤矿生产成本很大比重，其重要性就不言而喻。据不完全统计，我国采深超过千米的煤矿已有47处，可以预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000m到1500m的开采深度。因此，走向深地开采是我国煤炭行业未来发展不可避免的趋势。而为了保证我国深部煤炭资源能够安全、高效采出，煤炭行业更加迫切的需要进行深部地下工程力学与软弱巷道支护等相关领域方面的研究工作。
目前，针对巷道模型大尺度宏观力学试验的相似模拟试验台，其测试过程难度大、测试结果精度低，只能进行定性描述巷道宏观破坏形态，很难清楚地解释深部巷道失稳机制，主要是由于大比例模型试验测试手段落后，且由于测试尺寸大无法控制的外界干扰因素较多，进而无法掌握巷道细观力学特征、裂隙发育情况。而用于监测尺寸较小岩石细观力学特征、裂隙发育的声发射测试设备，很难运用到大尺度巷道模型试验中，主要是由于加载过程中声发射探头无法黏贴在围岩周边，且无法避免声发射测试探头受加载压头的扰动影响。因此，需要对上述煤岩巷相似模拟实验台进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置及其试验方法，适用于测试不同尺寸、水平应力条件下的煤岩巷道的细观力学特性、微裂隙发育。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置，包括夹持装置、伺服加载机构以及声发射测试装置，所述伺服加载机构包括上压头以及下压头，所述夹持装置设于上压头以及下压头之间，所述夹持装置的内部设有巷道岩体模型，巷道岩体模型的内部设有巷道模型，所述巷道模型为直墙半圆拱巷道模型，巷道模型设于巷道岩体模型的中心位置，所述夹持装置与巷道岩体模型相适应，所述声发射测试装置包括设于夹持装置上的声发射探头，声发射探头紧贴在巷道岩体模型上，所述声发射探头通过声发射信号接收线以及声发射信号放大器与声发射信号处理器连接。
优选的，夹持装置包括上夹板、下夹板、左夹板以及右夹板，所述上夹板、下夹板被左夹板、右夹板夹持，左夹板、右夹板之间通过对拉螺栓连接紧固。
优选的，声发射探头通过声发射探头固定件固定在夹持装置上，所述声发射探头固定件呈叉状，声发射探头固定在声发射探头固定件的叉头处。
优选的，声发射探头设有16个，上夹板、下夹板、左夹板以及右夹板上分别设有4个声发射探头。
优选的，上夹板包括第一钢板以及第二钢板，其中第一钢板的顶部与上压头接触，第二钢板为穿孔钢板，第二钢板与第一钢板之间通过高强弹簧连接，位于上夹板上的声发射探头通过第二钢板的孔洞贴在巷道岩体模型的顶面上；所述下夹板包括第三钢板以及第四钢板，其中，第三钢板通过下压头支撑，第四钢板为穿孔钢板，第三钢板与第四钢板之间也通过高强弹簧连接在一起，位于下夹板上的声发射探头通过第四钢板的孔洞贴在巷道岩体模型的底面上。
优选的，左夹板以及右夹板均为穿孔钢板。
优选的，巷道岩体模型的截面呈正方形，所述巷道模型的半圆拱的直径与巷道岩体模型的边界尺寸比为1：5。
优选的，道岩体模型设有5个，巷道岩体模型的边界尺寸分别是，长(mm)×宽(mm)×高(mm)，300×200×200、300×300×300、300×400×400、300×500×500、300×600×600，每个所述巷道岩体模型分别通过相应规格的夹持装置夹持。
本发明还提供了用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)、模型预制：预制5个巷道岩体模型以及5组夹持装置，然后分别在5个巷道岩体模型的中心位置开设巷道模型，该巷道模型的上半圆拱的直径是巷道岩体模型边界尺寸的1/5，然后分别在5组夹持装置的上夹板、下夹板、左夹板、右夹板上焊接上4个声发射探头固定件，然后再分别将5个巷道岩体模型放入相应的夹持装置内夹紧；
2)、选择其中一套组装好的巷道岩体模型和夹持装置，并将夹持装置夹持在伺服加载机构的上压头以及下压头之间；
3)、通过控制系统控制上压头动作，对夹持装置施加不同的水平作用力，模拟出岩层强度的峰前或峰后分级卸荷梯度，所述峰前的分级卸荷梯度为模拟岩层强度峰值或屈服应力的30％、50％、70％、100％，所述峰后的分级卸荷梯度为模拟岩层残余应力的110％、120％、130％、140％；
4)、利用声发射测试装置及时捕捉声波发射时间中主破裂点时空排列及其所形成的主破裂面演化特征，建立岩块细观蠕变破裂特征与其发生宏观剪切流变失稳之间联系；利用应变仪、压力盒和断裂丝，实时监测开挖卸荷多尺度软弱裸巷的宏观“抗剪承载区”的承载范围、承载边界线位移和承载体劣化程度的流变特征；
5)、通过声发射测试装置实时捕捉巷道开挖卸荷过程中不同尺度巷道激增声发射主事件数的时空分布特征；重新勾勒尺度效应下表征巷道破裂的声发射事件中主破裂点和主破裂面的形成和演化规律；分析在尺度效应影响下巷道细观裂隙发育特性；应变片分析多尺度软弱巷道应力场、位移场和宏观破裂的特征；
6)、重复步骤2)到步骤5)，完成余下的4组巷道岩体模型的试验。
采用上述技术方案，本发明适用于测试不同尺寸、岩性条件下煤岩巷道开挖后围岩细观力学特性、微裂隙发育情况以及“围岩-支护”稳定性。本发明的巷道岩体模型设于夹持装置内部，通过控制伺服加载机构的上压头的加载力来模拟出巷道岩体模型内部的不同承载力，通过声发射测试装置的探头实时捕捉开挖后围岩体的细观裂隙发育，解决了目前无法模拟不同尺度煤岩细观力学试验的问题。同时，本发明拆卸组装方便，便于进行不同尺寸的巷道岩体模型的试验。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明的上夹板的结构示意图；
图3是本发明的下夹板的结构示意图；
图4是本发明的左夹板、右夹板的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明：
如图1～4所示，本发明一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置，包括夹持装置1、伺服加载机构2以及声发射测试装置3，伺服加载机构2包括上压头21以及下压头22，夹持装置1设于上压头21以及下压头22之间，夹持装置1的内部设有巷道岩体模型4，巷道岩体模型4的内部设有巷道模型5，巷道模型5为直墙半圆拱巷道模型，巷道模型5设于巷道岩体模型4的中心位置，为了避免边界效应影响，使得巷道岩体模型4的截面呈正方形，并且巷道模型5的半圆拱的直径与巷道岩体模型4的边界尺寸比为1：5。夹持装置1与巷道岩体模型4相适应。声发射测试装置3包括设于夹持装置1上的声发射探头31，声发射探头31紧贴在巷道岩体模型4上，声发射探头31通过声发射探头固定件32固定在夹持装置1上，声发射探头固定件32呈叉状，声发射探头31固定在声发射探头固定件32的叉头处，声发射探头31通过声发射信号接收线6以及声发射信号放大器7与声发射信号处理器8连接。
本发明的夹持装置1包括上夹板11、下夹板12、左夹板13以及右夹板14，上夹板11、下夹板12被左夹板13、右夹板14夹持，左夹板13、右夹板14之间通过对拉螺栓9连接紧固，声发射探头31设有16个，上夹板11、下夹板12、左夹板13以及右夹板14上分别设有4个声发射探头31。本发明的上夹板11包括第一钢板111以及第二钢板112，其中第一钢板111的顶部与上压头21接触，第二钢板112为穿孔钢板，第二钢板112与第一钢板111之间通过高强弹簧10连接，位于上夹板11上的声发射探头31通过第二钢板112的孔洞贴在巷道岩体模型4的顶面上；下夹板12包括第三钢板121以及第四钢板122，其中，第三钢板121通过下压头22支撑，第四钢板122为穿孔钢板，第三钢板121与第四钢板122之间也通过高强弹簧10连接在一起，位于下夹板12上的声发射探头31通过第四钢板122的孔洞贴在巷道岩体模型4的底面上；左夹板13以及右夹板14均为穿孔钢板。
本发明的巷道岩体模型4设有5个，以便于进行不同尺度的巷道岩体模型4的试验，巷道岩体模型4的边界尺寸分别是，长(mm)×宽(mm)×高(mm)：300×200×200、300×300×300、300×400×400、300×500×500、300×600×600，每个巷道岩体模型4分别通过相应规格的夹持装置1来夹持。
本发明适用于测试不同尺寸、岩性条件下煤岩巷道开挖后围岩细观力学特性、微裂隙发育情况以及“围岩-支护”稳定性。本发明的巷道岩体模型设于夹持装置内部，通过控制伺服加载机构的上压头的加载力来模拟出巷道岩体模型内部的不同承载力，通过声发射测试装置的探头实时捕捉开挖后围岩体的细观裂隙发育，解决了目前无法模拟不同尺度煤岩细观力学试验的问题。本发明具有较大的活动范围，采用了不同巷道岩体模型的试验内容及其边界条件，满足在平面应力条件下进行开挖、支护巷道的细观力学试验。
本发明的用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)、模型预制：预制5个巷道岩体模型4以及5组夹持装置1，然后分别在5个巷道岩体模型4的中心位置开设巷道模型5，该巷道模型5的上半圆拱的直径是巷道岩体模型4边界尺寸的1/5，然后分别在5组夹持装置1的上夹板11、下夹板12、左夹板13、右夹板14上焊接上4个声发射探头固定件32，然后再分别将5个巷道岩体模型4放入相应的夹持装置1内夹紧；
2)、选择其中一套组装好的巷道岩体模型4和夹持装置1，并将夹持装置1夹持在伺服加载机构2的上压头21以及下压头22之间；
3)、通过控制系统控制上压头21动作，对夹持装置1施加不同的水平作用力，模拟出岩层强度的峰前或峰后分级卸荷梯度，所述峰前的分级卸荷梯度为模拟岩层强度峰值或屈服应力的30％、50％、70％、100％，所述峰后的分级卸荷梯度为模拟岩层残余应力的110％、120％、130％、140％；
4)、利用声发射测试装置3及时捕捉声波发射时间中主破裂点时空排列及其所形成的主破裂面演化特征，建立岩块细观蠕变破裂特征与其发生宏观剪切流变失稳之间联系；利用应变仪、压力盒和断裂丝，实时监测开挖卸荷多尺度软弱裸巷的宏观“抗剪承载区”的承载范围、承载边界线位移和承载体劣化程度的流变特征；
5)、通过声发射测试装置3实时捕捉巷道开挖卸荷过程中不同尺度巷道激增声发射主事件数的时空分布特征；重新勾勒尺度效应下表征巷道破裂的声发射事件中主破裂点和主破裂面的形成和演化规律；分析在尺度效应影响下巷道细观裂隙发育特性；应变片分析多尺度软弱巷道应力场、位移场和宏观破裂的特征；
6)、重复步骤2)到步骤5)，完成余下的4组巷道岩体模型4的试验。
本发明的用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置的试验方法，拆卸组装方便，便于进行不同尺寸的巷道岩体模型的试验。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置的试验方法，其特征在于，
所述用于煤岩巷道细观力学研究的试验装置，包括夹持装置(1)、伺服加载机构(2)以及声发射测试装置(3)，其特征在于：所述伺服加载机构(2)包括上压头(21)以及下压头(22)，所述夹持装置(1)设于上压头(21)以及下压头(22)之间，所述夹持装置(1)的内部设有巷道岩体模型(4)，巷道岩体模型(4)的内部设有巷道模型(5)，所述巷道模型(5)为直墙半圆拱巷道模型，巷道模型(5)设于巷道岩体模型(4)的中心位置，所述夹持装置(1)与巷道岩体模型(4)相适应，所述声发射测试装置(3)包括设于夹持装置(1)上的声发射探头(31)，声发射探头(31)紧贴在巷道岩体模型(4)上，所述声发射探头(31)通过声发射信号接收线(6)以及声发射信号放大器(7)与声发射信号处理器(8)连接；
所述夹持装置(1)包括上夹板(11)、下夹板(12)、左夹板(13)以及右夹板(14)，所述上夹板(11)、下夹板(12)被左夹板(13)、右夹板(14)夹持，左夹板(13)、右夹板(14)之间通过对拉螺栓(9)连接紧固；
所述上夹板(11)包括第一钢板(111)以及第二钢板(112)，其中第一钢板(111)的顶部与上压头(21)接触，第二钢板(112)为穿孔钢板，第二钢板(112)与第一钢板(111)之间通过高强弹簧(10)连接，位于上夹板(11)上的声发射探头(31)通过第二钢板(112)的孔洞贴在巷道岩体模型(4)的顶面上；所述下夹板(12)包括第三钢板(121)以及第四钢板(122)，其中，第三钢板(121)通过下压头(22)支撑，第四钢板(122)为穿孔钢板，第三钢板(121)与第四钢板(122)之间也通过高强弹簧(10)连接在一起，位于下夹板(12)上的声发射探头(31)通过第四钢板(122)的孔洞贴在巷道岩体模型(4)的底面上；
所述试验方法包括以下步骤：
1)、模型预制：预制5个巷道岩体模型(4)以及5组夹持装置(1)，然后分别在5个巷道岩体模型(4)的中心位置开设巷道模型(5)，该巷道模型(5)的上半圆拱的直径是巷道岩体模型(4)边界尺寸的1/5，然后分别在5组夹持装置(1)的上夹板(11)、下夹板(12)、左夹板(13)、右夹板(14)上焊接上4个声发射探头固定件(32)，然后再分别将5个巷道岩体模型(4)放入相应的夹持装置(1)内夹紧；
2)、选择其中一套组装好的巷道岩体模型(4)和夹持装置(1)，并将夹持装置(1)夹持在伺服加载机构(2)的上压头(21)以及下压头(22)之间；
3)、通过控制系统控制上压头(21)动作，对夹持装置(1)施加不同的水平作用力，模拟出岩层强度的峰前或峰后分级卸荷梯度，所述峰前的分级卸荷梯度为模拟岩层强度峰值或屈服应力的30％、50％、70％、100％，所述峰后的分级卸荷梯度为模拟岩层残余应力的110％、120％、130％、140％；
4)、利用声发射测试装置(3)及时捕捉声波发射时间中主破裂点时空排列及其所形成的主破裂面演化特征，建立岩块细观蠕变破裂特征与其发生宏观剪切流变失稳之间联系；利用应变仪、压力盒和断裂丝，实时监测开挖卸荷多尺度软弱裸巷的宏观“抗剪承载区”的承载范围、承载边界线位移和承载体劣化程度的流变特征；
5)、通过声发射测试装置(3)实时捕捉巷道开挖卸荷过程中不同尺度巷道激增声发射主事件数的时空分布特征；重新勾勒尺度效应下表征巷道破裂的声发射事件中主破裂点和主破裂面的形成和演化规律；分析在尺度效应影响下巷道细观裂隙发育特性；应变片分析多尺度软弱巷道应力场、位移场和宏观破裂的特征；
6)、重复步骤2)到步骤5)，完成余下的4组巷道岩体模型(4)的试验。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述声发射探头(31)通过声发射探头固定件(32)固定在夹持装置(1)上，所述声发射探头固定件(32)呈叉状，声发射探头(31)固定在声发射探头固定件(32)的叉头处。
3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述声发射探头(31)设有16个，上夹板(11)、下夹板(12)、左夹板(13)以及右夹板(14)上分别设有4个声发射探头(31)。
4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于：所述左夹板(13)以及右夹板(14)均为穿孔钢板。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于：所述巷道岩体模型(4)的截面呈正方形，所述巷道模型(5)的半圆拱的直径与巷道岩体模型(4)的边界尺寸比为1：5。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述巷道岩体模型(4)设有5个，巷道岩体模型(4)的边界尺寸分别是，长(mm)×宽(mm)×高(mm)，300×200×200、300×300×300、300×400×400、300×500×500、300×600×600，每个所述巷道岩体模型(4)分别通过相应规格的夹持装置(1)夹持。
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