CN109357936A - 空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法。多个平行的驱动轴依次间隔反向布置在箱体两侧，驱动轴上有沿轴向间隔布置的多个斜面。载荷输出轴的上端接触驱动轴上的斜面、下端连接加载块形成载荷加载点。空间阵列布置的载荷输出轴和加载块在煤岩试样上形成空间阵列加载。精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置、以及对各个阶梯轴的多个斜面设计不同的倾斜角度，在各个加载块接触的煤岩试样上的局部位置施加不同应力，形成一系列不同的空间梯度应力加载。本发明能够在实验室煤岩试样上再造空间梯度应力加载，且可以精准控制及监测每个载荷输出轴的输出载荷，研究不同梯度应力场下的煤岩的力学特性和变形破坏特征。

Description

空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法
技术领域
本发明涉及一种空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法，属于岩石力学实验领域。
背景技术
目前，许多地下工程逐渐走向深部，高强度煤岩动力灾害频繁发生。实验室研究煤岩动力灾害机理是研究相应监测和防治方法的前提工作。而实验室对应力的模拟往往是对煤岩样进行均匀压缩加载。而在地下空间工程中，煤岩体中的应力分布往往是空间非均匀、有梯度的，空间应力分布形态与煤岩动力载荷能否发生、发生模式有着密切的关系。复杂、不利的应力分布形态往往更容易诱发煤岩失稳产生冲击地压，其能量释放更易呈现灾变式的破坏。
目前，煤岩试样多为圆柱形或立方形试样，通过单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机进行煤岩的力学实验，但是该种方法只能对煤岩试样的某个方向上进行均匀加载实验，而在实验室对煤岩试样实现阵列式梯度应力加载面临很多难题。对于小尺寸的煤岩试样，尤其对于小尺寸煤岩样，如：100mm×100mm×100mm左右的煤岩试样，要在空间上实现一系列不同形态的梯度应力加载场进行加载实验，至少在每一排和每一列方向上均布置5个独立的加载单元，但是如此细小的伺服作动器制作困难，且在微小的面积上实现数十至上百兆帕的加载应力难以实现。而对于大尺寸相似模拟试样，配备数十个独立伺服作动器的整套加载系统成本高、研制困难，且实验工程量大，很难开展一系列不同梯度应力的静动组合加载。
发明内容
本发明的目的是针对现有的煤岩力学特性实验装置结构复杂，无法地小面积试验上加载梯度应力的问题，设计一种空间梯度应力再造装置，同时提供相应的再造方法及煤岩力学特性实验方法，通过本装置及方法，能够在实验室针对小尺寸煤岩试样，尤其是针对尺寸为100mm×100mm×100mm左右的煤岩试样，再造空间上非均匀、有梯度的应力加载，且可以精准控制及监测每个载荷输出轴的输出载荷，研究不同梯度应力场下的煤岩力学特性和变形破坏特征。
本发明的技术方案之一是：
一种空间梯度应力再造装置，其特征在于：它包括箱体1、载荷调节装置、载荷输出轴3和导向板4；所述载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴2，驱动轴2位于箱体1内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面22，每根驱动轴2上的斜面22的倾斜角度相同或呈凸弧曲线布置，相邻驱动轴2上的倾斜角度相同或也呈凸弧曲线布置，斜面22与载荷输出轴3活动接触，载荷输出轴3底部穿过箱体底部及与箱体底部相连的导向板4后与加载块31相连，载荷输出轴3侧面设有用于安装薄片传感器33的凹槽32，薄片传感器33与信号采集装置电气相连。
多个驱动轴2依次间隔反向布置在箱体1两侧；所述驱动轴2截面包括矩形和圆形，驱动轴2顶部与箱盖6下表面接触。
所述导向板4底部安装有可拆卸的凸台5，凸台5安装在阵列加载块31区域四条边缘部位中的一部分或全部并用于形成梯度载荷的基值。
所述驱动轴2通过液压、电力、手动机械三种方式中的任意一种方式驱动。
所述的驱动轴2连接独立的驱动连接装置7，驱动连接装置7为加长推杆或齿轮或齿条结构。
本发明的技术方案之二是：
一种空间梯度应力再造方法，其特征在于：空间梯度应力再造装置的单个驱动轴2在动力源的带动下沿轴向向箱体1内部运动，通过底部沿轴向间隔布置的多个斜面22同时驱动一排载荷输出轴3向下运动，通过一排加载块31在该驱动轴2的位置上对煤岩试样9施加载荷；多个驱动轴2同时运动，驱动空间阵列布置的载荷输出轴3和加载块31在煤岩试样9上形成空间阵列加载；精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置、以及对各个阶梯轴2的多个斜面22设计不同的倾斜角度，在各个加载块31接触的煤岩试样9上的局部位置施加不同应力，形成一系列不同的空间梯度应力加载。
利用凸台5可在阵列加载块31区域的边缘部位增加固定的加载点，凸台5同时作用于煤岩试样，与阵列加载块31相配合，可获得更多变化形式的空间梯度应力加载。
通过在空间梯度应力再造装置的加载块31和凸台5与煤岩试样9之间放置0.1 mm至5 mm厚的应力整形片8，可获得平滑的应力过渡。
本发明的技术方案之三是：
一种应用空间梯度应力再造装置的煤岩力学特性实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）设计空间梯度应力再造装置放置各个驱动轴2上的每个斜面22的倾角；
2）将单个或多个空间梯度应力再造装置安装在单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机的三种中的任意一种上使用；
3）调整空间梯度应力再造装置的所有驱动轴2，将所有载荷输出轴3复位到起始位置；
4）通过单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机对煤岩试样9施加均布载荷；
5）精确控制空间梯度应力再造装置的各个驱动轴2的运动位置，在煤岩试样上再造一系列不同的空间梯度应力，通过薄片传感器33监测每个载荷输出轴3输出的载荷；
6）持续施加梯度应力加载，直至煤岩破坏；或保持当前梯度应力状态，施加均布载荷或动载荷，直至煤岩破坏。
在煤岩试样9上，当动载荷施加面与梯度应力施加面为相对面时，通过所述应力监测装置33监测动载荷引发的透射波。
本发明的有益效果是：
本发明能够在实验室煤岩试样上再造空间梯度应力加载，且可以精准控制及监测每个载荷输出轴的输出载荷，研究不同梯度应力场下的煤岩的力学特性和变形破坏特征。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的剖面示意图之一；
图3是图1的剖面示意图之二；
图4是本发明中的轴箱盖示意图；
图5是本发明中的载荷输出轴结构放大示意图；
图6是本发明中的驱动轴结构放大示意图；
图7是本发明驱动轴上斜面倾角相同时的结构示意图。
图8是本发明驱动轴上斜面倾角不相同时的结构示意图。
图9是本发明在空间梯度应力和围压的基础上施加动载荷的结构示意图。
图中：1.箱体、11.导线槽、12.通孔，2.驱动轴、21.旋转装置、22.锥形圆台、23. 过渡轴，3.载荷输出轴、31.输出轴压板、32.凹槽、33.薄片传感器，4.导向板、41.通 孔，5.凸台，6.箱盖，61.弧形槽，8、应力整形片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-4所示。
一种空间梯度应力再造装置，它包括箱体1、载荷调节装置、载荷输出轴3、导向板4、凸台5、箱盖6、动力连接装置7。如图1至图4所示，载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴2，多个驱动轴2依次间隔反向布置在箱体1两侧，驱动轴2穿过箱体1侧壁上与驱动轴2配合的孔11，驱动轴2位于箱体1内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面22，斜面22的倾斜角度相同或不同，本发明通过调节同一根驱动轴上斜面角度的变化实现同一根上相同的应力输出或呈梯度变化的应力输出，通过调节相邻驱动轴2上的斜面22的倾斜角度的变化实现相邻轴相同应力输出或相邻轴与轴垂直的垂线上的应力呈梯度变化，还可实现相邻轴轴线方向及垂线方向的输出应力的同时梯度变化。斜面22与载荷输出轴3活动接触，载荷输出轴3依次上下活动安装在箱体1底部的通孔12和导向板4上的通孔41，载荷输出轴3底部连接加载块31，载荷输出轴3侧面设有凹槽32，凹槽32上安装有薄片传感器33，薄片传感器33连接有导线，导线通过导向板4上的导线槽42引出与信号采集装置相连。具体实施时，驱动轴2的截面可为矩形，驱动轴2顶部与箱盖6下表面接触。导向板4底部安装有可拆卸的凸台5，凸台5安装在阵列加载块31区域四条边缘部位中的一部分或全部，凸台5可成为梯度变力的最小值，它等于压机的压力值。如图4所示，驱动轴2最好通过液压方式驱动，还可通过电力或手动机械进行驱动，驱动轴2连接独立的驱动连接装置7，驱动连接装置7可采用加长推杆结构。所使用的薄片传感器33可为应变片。
实施例二。
如图1、5、6所示。
一种空间梯度应力再造装置，它包括箱体1、载荷调节装置、载荷输出轴3、导向板4、凸台5、箱盖6、动力连接装置7。如图5至图6所示，载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴2，多个驱动轴2依次间隔反向布置在箱体1两侧，驱动轴2穿过箱体1侧壁上与驱动轴2配合的孔11，驱动轴2位于箱体1内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面22，斜面22的倾斜角度相同或不同，斜面22与载荷输出轴3活动接触，载荷输出轴3依次上下活动安装在箱体1底部的通孔12和导向板4上的通孔41，载荷输出轴3底部连接加载块31，载荷输出轴3侧面设有凹槽32，凹槽32上安装有薄片传感器33，薄片传感器33连接有导线，导线通过导向板4上的导线槽42引出与信号采集装置相连。本实施例与实施例一的区别在于驱动轴2的截面为圆形，驱动轴2顶部与箱盖6下表面接触，接触面为箱盖6底部的弧形槽61。箱体1侧壁上与驱动轴2配合的孔11为螺纹孔。导向板4底部安装有可拆卸的凸台5，凸台5安装在阵列加载块31区域四条边缘部位中的一部分或全部。驱动轴2通过液压、电力、手动机械三种方式中的任意一种方式驱动，驱动轴2连接独立的驱动连接装置7，驱动连接装置7为齿轮或齿条结构。所述薄片传感器33为应变片。
实施例三。
一种空间梯度应力再造方法，空间梯度应力再造装置的单个驱动轴2在动力源的带动下沿轴向向箱体1内部运动，通过底部沿轴向间隔布置的多个斜面22同时驱动一排载荷输出轴3向下运动，通过一排加载块31在该驱动轴2的位置上对煤岩试样9施加载荷；多个驱动轴2同时运动，驱动空间阵列布置的载荷输出轴3和加载块31在煤岩试样9上形成空间阵列加载；精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置、以及对各个阶梯轴2的多个斜面22设计不同的倾斜角度，在各个加载块31接触的煤岩试样9上的局部位置施加不同应力，形成一系列不同的空间梯度应力加载。利用凸台5可在阵列加载块31区域的边缘部位增加固定的加载点，凸台5同时作用于煤岩试样9，与阵列加载块31相配合，可获得更多变化形式的空间梯度应力加载。如图1所示，如沿轴向在阵列加载块31区域的两条边缘部位安装两个凸台5，则在煤岩试样9上会形成7个应力加载点。
如图4所示，通过驱动连接装置7增大带动多个驱动轴2的多个动力源之间的空间距离，增大动力源的体积和输出载荷。如增大驱动连接装置7的推杆71，驱动各个驱动轴2的动力源的体积可相应增大，输出载荷随之增大，在煤岩试样9上形成的梯度应力极大值随之增大。
通过在空间梯度应力再造装置的加载块31和凸台5与煤岩试样9之间放置0.1 mm至5 mm厚的应力整形片8，可获得平滑的应力过渡。该应力整形片6为0.1mm至5mm的弹性平板，可以由金属或高强度塑料制成。加载块31和凸台5作用于应力整形片8，应力整形片8再作用于煤岩试样，通过应力整形片8的变形，在煤样试样9上获得过渡平滑的梯度应力。
实施例四。
一种应用空间梯度应力再造装置的煤岩力学特性实验方法，它包括以下步骤：
1）设计空间梯度应力再造装置放置各个驱动轴2上的每个斜面22的倾角；如图7所示，设计各个驱动轴2的斜面22角度相同时，沿着该驱动轴2轴向的一排加载块31输出的载荷均相同。精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置，在载荷输出面上沿驱动轴的轴向形成单方向的梯度应力加载。
如图8所示，设计驱动轴2的斜面22角度不同时，如驱动轴2的斜面22角度依次为10°、12°、14°、12°、10°，此时沿着该驱动轴2轴向的一排加载块31输出的载荷先增大、再减小。若各个驱动轴2相同，此时从中间至两侧控制各个驱动轴2的运动位移从大至小，在煤岩试样9上会形成中部应力较大、而四周的应力小的梯度应力模式。若设计各个驱动轴2不同，即各个驱动轴2之间的斜面22角度不同，精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置，在各个加载块31接触的煤岩试样9上的局部位置施加不同应力，会形成一系列复杂的空间梯度应力加载。
2）将单个或多个空间梯度应力再造装置安装在单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机的三种中的任意一种上使用。
3）调整空间梯度应力再造装置的所有驱动轴2，将所有载荷输出轴3复位到起始位置；
4）通过单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机对煤岩试样9施加均布载荷；
5）精确控制空间梯度应力再造装置的各个驱动轴2的运动位置，在煤岩试样上再造一系列不同的空间梯度应力，通过薄片传感器33监测每个载荷输出轴3输出的载荷；
6）持续施加梯度应力加载，直至煤岩破坏；或保持当前梯度应力状态，施加均布载荷或动载荷，直至煤岩破坏。如图9所示，在空间梯度应力和围压的基础上，施加动载荷。
在煤岩试样9上，当动载荷施加面与梯度应力施加面为相对面时，通过所述应力监测装置监测动载荷引发的透射波。在煤岩试样的一个方向上施加动载荷，该动载荷会在煤岩试样内部形成透射波。该透射波通过煤岩试样，依次传递到煤岩试样9的相对面上的加载块31、载荷输出轴3，通过薄片传感器33记录透射波。阵列布置的薄片传感器33可记录加载面上不同位置的透射波。通过记录的透射波，可反映煤岩试样的内部结构变化。
薄片传感器33为应变片，安装在载荷输出轴3侧面的凹槽32上，应变片随着载荷输出轴3受力后的变形而变形，并将形变信号转为电信号，通过导线输出，经过处理后转化为受力信号。采用应变片，灵敏度高，成本低，易于更换。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种空间梯度应力再造装置，其特征在于：它包括箱体(1)、载荷调节装置、载荷输出轴(3)和导向板(4)；所述载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴(2)，驱动轴(2)位于箱体(1)内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面(22)，每根驱动轴(2)上的斜面(22)的倾斜角度相同或呈凸弧曲线布置，相邻驱动轴(2)上的倾斜角度相同或也呈凸弧曲线布置，斜面(22)与载荷输出轴(3)活动接触，载荷输出轴(3)底部穿过箱体底部及与箱体底部相连的导向板(4)后与加载块(31)相连，载荷输出轴(3)侧面设有用于安装薄片传感器(33)的凹槽(32)，薄片传感器(33)与信号采集装置电气相连。
2.根据权利要求1所述的空间梯度应力再造装置，其特征在于：多个驱动轴(2)依次间隔反向布置在箱体(1)两侧；所述驱动轴(2)截面包括矩形和圆形，驱动轴(2)顶部与箱盖(6)下表面接触。
3.根据权利要求1所述的空间梯度应力再造装置，其特征在于：所述导向板(4)底部安装有可拆卸的凸台(5)，凸台(5)安装在阵列加载块(31)区域四条边缘部位中的一部分或全部并用于形成梯度载荷的基值。
4.根据权利要求1至4任意一项所述的空间梯度应力再造装置，其特征在于：所述驱动轴(2)通过液压、电力、手动机械三种方式中的任意一种方式驱动。
5.根据权利要求1所述的空间梯度应力再造装置，其特征在于：所述的驱动轴(2)连接独立的驱动连接装置(7)，驱动连接装置(7)为加长推杆或齿轮或齿条结构。
6.一种空间梯度应力再造方法，其特征在于：空间梯度应力再造装置的单个驱动轴(2)在动力源的带动下沿轴向向箱体(1)内部运动，通过底部沿轴向间隔布置的多个斜面(22)同时驱动一排载荷输出轴(3)向下运动，通过一排加载块(31)在该驱动轴(2)的位置上对煤岩试样(9)施加载荷；多个驱动轴(2)同时运动，驱动空间阵列布置的载荷输出轴(3)和加载块(31)在煤岩试样(9)上形成空间阵列加载；精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置、以及对各个阶梯轴(2)的多个斜面(22)设计不同的倾斜角度，在各个加载块(31)接触的煤岩试样(9)上的局部位置施加不同应力，形成一系列不同的空间梯度应力加载。
7.根据权利要求6所述的空间梯度应力再造方法，其特征在于：利用凸台(5)可在阵列加载块(31)区域的边缘部位增加固定的加载点，凸台(5)同时作用于煤岩试样，与阵列加载块(31)相配合，可获得更多变化形式的空间梯度应力加载。
8.根据权利要求6所述的空间梯度应力再造方法，其特征在于：通过在空间梯度应力再造装置的加载块(31)和凸台(5)与煤岩试样(9)之间放置0.1mm至5mm厚的应力整形片(8)，可获得平滑的应力过渡。
9.一种应用空间梯度应力再造装置的煤岩力学特性实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)设计空间梯度应力再造装置放置各个驱动轴(2)上的每个斜面(22)的倾角；
(2)将单个或多个空间梯度应力再造装置安装在单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机的三种中的任意一种上使用；
(3)调整空间梯度应力再造装置的所有驱动轴(2)，将所有载荷输出轴(3)复位到起始位置；
(4)通过单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机对煤岩试样(9)施加均布载荷；
(5)精确控制空间梯度应力再造装置的各个驱动轴(2)的运动位置，在煤岩试样上再造一系列不同的空间梯度应力，通过薄片传感器(33)监测每个载荷输出轴(3)输出的载荷；
(6)持续施加梯度应力加载，直至煤岩破坏；或保持当前梯度应力状态，施加均布载荷或动载荷，直至煤岩破坏。
10.根据权利要求9所述的应用空间梯度应力再造装置的煤岩力学特性实验方法，其特征在于：在煤岩试样(9)上，当动载荷施加面与梯度应力施加面为相对面时，通过所述应力监测装置(33)监测动载荷引发的透射波。
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