CN110296904A - 一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置和方法，属于岩石力学试验设备技术领域。该装置包括底座、设置在底座上的主加载油缸、与底座连接的加载框架、下压头、与下压头配合的上压头、冲击作用机构、围压施加机构、送样装置；上压头与下压头之间形成用于放置煤岩试样的夹持空间，主加载油缸的活塞杆对应下压头设置。本发明可实现冲击扰动与围压独立、同步控制，实现在高地应力环境下高冲击力协同作用时的力学响应研究，不仅满足高地应力和高冲击力协同作用下煤岩体的响应特性研究的需求，而且满足不同轴向应力或者不同围压与不同大小、次数冲击力等协同作用要求的试验装置，弥补过去常规岩石试验机在冲击部分的功能缺少。

Description

一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置和方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置和方法，属于岩石力学试验设备技术领域。

背景技术

在经济发展和浅部资源的逐步消耗殆尽这一现实原因的共同推动下，深部地下空间利用与矿产资源开发逐渐成为目前各科研单位的重点研究领域。目前，我国煤炭资源开采已经开始逐步向深部延伸，深部岩层中的地热等资源也开始进行研究性的实验开采，然而深部地下空间的煤岩体等往往处于高围压、强扰动和高冲击力作用的环境，在深部开发过程中极易发生冲击破坏、冲击地压等动力灾害，严重威胁人们的生命与财产安全。

深部煤岩体所处的复杂环境导致人们对高围压、高冲击力作用环境下的煤岩体动力学响应越来越重视，但到目前为止仍然缺乏足够的认识，因此难以对深部地下空间动力灾害进行有效预测和控制。研制一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，对于深部地下空间动力灾害预测与控制具有重要的理论意义和实践价值。

现有的常规岩石力学试验机绝大多数只能进行单一的单轴或者三轴加载实验，此外已有的冲击实验设备能提供的围压和轴向压力大小有限且结构与操作复杂，且需要额外购买一整套的冲击试验设备，占用实验室资源，目前的常规试验机尚无可以在加压的同时实现冲击作用的功能。

发明内容

本发明旨在提供一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，可以在较低的成本下得到既可以进行常规岩石力学实验，又可以实现高地应力和高冲击力协同作用的实验装置，也对目前多数实验室的现有常规试验机提出了一种经济简便的改装方案。

本发明的另一目的在于提供一种为现有的常规岩石试验机的改装方案，可将加载框架、送样小车以上部分单独用于常规试验机的改装，使其能够实现在常规单轴、三轴压缩的同时实现冲击力的协同作用试验。

本发明提供了一种可实现冲击扰动与围压独立、同步控制，实现在高地应力环境下高冲击力协同作用时的力学响应研究，不仅满足高地应力和高冲击力协同作用下煤岩体的响应特性研究的需求，而且满足不同轴向应力或者不同围压与不同大小、次数冲击力等协同作用要求的试验装置，弥补过去常规岩石试验机在冲击部分的功能缺少。

本发明提供了一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，包括：底座、设置在底座上的主加载油缸、与底座连接的加载框架、下压头、与下压头配合的上压头、冲击作用机构、围压施加机构、送样装置；上压头与下压头之间形成用于放置煤岩试样的夹持空间，主加载油缸的活塞杆对应下压头设置；

所述加载框架由两根横梁和两根纵梁组成，分别为底梁、第一纵梁、第二纵梁、支撑横梁；

所述送样装置包括送样小车，送样小车底部设有一对平行的导轨供小车行走；送样小车上方设有支撑座，煤岩试样放置在支撑座的中心下压头的上方，支撑座上设有定位杆；

所述冲击作用机构包括：空压机、发射气枪、气压表、子弹、冲击杆、内置速度传感器、钢板；在支撑横梁的上底面和下底面分别固定设置有钢板，支撑横梁的中心设有孔，冲击杆穿过该孔，冲击杆顶部连接发射气枪，子弹从冲击杆内穿过，冲击杆内置有速度传感器，发射气枪与空压机连接；

所述围压机构包括：能沿冲击杆轴向移动的围压筒、与围压筒连接的液压升降千斤顶（千斤顶的上端固定在横梁和钢板底部），围压筒的下端设有下压头，正对煤岩试样设置，对应地在围压筒的下端设有与支撑座上的定位杆对应的导向槽，螺栓穿过该槽将围压筒与支撑座固定在一起，能实现单轴加压时的冲击扰动和施加围压的情况下的冲击扰动；

所述的轴压和围压的加载机构与数据采集、处理系统连接，本发明控制系统包括主试验机、EDC控制柜、MOOG阀、伺服加载箱、伺服油源、气泵、计算机控制系统等。轴向荷载的施加和控制，采用电液伺服控制，由伺服油源提供动力加载，试验过程中通过宽调速范围的高性能电液伺服比例阀组(MOOG阀)及计算机数字控制等技术，组成全数字式闭环调速控制系统，使主加载油缸将送样小车以及送样小车上固定好的煤岩试件通过一定的位移速度向上抬起，依靠轴向的负荷传感器反馈给计算机，这与常规力学加载试验的负荷测试一致。围压筒的围压加载先通过围压气驱泵对围压筒内的液压油进行加压，待加载至目标值左右后关闭围压气驱泵，再通过计算机操作将围压调到目标值。整个加载过程依照采样程序进行数据采集并处理，采用微机控制，自动记录试验数据，围压加载过程与岩石常规力学加载一致。

所述的轴压和围压的加载系统以及数据采集、处理系统采用类似于常规岩石试验机的方案，便于设备的维保，也为现有的常规伺服试验机提供改装方案。

所述发射气枪通过塑胶软管连接空压机作为动力来源，发射气枪处设有冲击力指示表。本装置的空压机采用定制的最大压力为10MP大功率定制空压机，通过空压机的不同气压实现发射气枪发射子弹的不同冲击力，实现对冲击力大小的控制。

所述发射气枪采用子弹枪口速度较高的气枪，子弹的最大速度为80m/s，能为子弹提供较大的冲击力，最终可施加在煤岩体试件的冲击力的范围为0.1~8MPa，可以满足强冲击力作用的要求，所述冲击杆的长度为1.5m。

所述冲击杆沿竖直方向布置，在冲击杆的下端，上冲击压头的直径略小于冲击杆的内径，上冲击压头内套于冲击杆之中，冲击杆上端贯穿两块钢板和横梁；固定钢板与支撑横梁通过螺栓连接在一起，将冲击杆固定在横梁上。

上压头与冲击杆下端存在内外径之差，故上压头可内嵌在冲击杆下端口内，在所发射子弹撞击上冲击压头后，由上冲击压头将冲击作用施加于试件。

所述的送样装置的导轨上设有固定送样小车的凹槽，导轨固定在加载框架的底梁上。

所述加载框架，第一纵梁、第二纵梁架立于底梁上，支撑横梁设置在第一纵梁、第二纵梁上，构成矩形框架结构。

本发明提供了一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载方法，包括以下步骤：

（1）调节好实验设备后，将通过热缩套管把煤岩试件、上下压头连接为一体，之后将三者连接的整体固定在支撑座上，且由送样小车送入预定位置（小车卡入凹槽）后开始准备加载试验；

（2）需要施加围压时，由电动液压升降千斤顶来控制围压筒的缓慢升降，将围压筒降下，并使得定位杆插入导向槽中，实现围压筒与支撑座的定位，然后由螺栓实现使得围压筒形成密闭腔室；再向围压筒中充液压油，给煤岩试件提供围压；

（3）施加冲击作用时打开空压机开始升压，当气压表改装的冲击动力指示表达到预定值时，启动发射气枪发射子弹，射出后高速的子弹沿冲击杆高速运动直至撞击上冲击压头，将冲击动能传递给上冲击压头后由其施加给煤岩试件，完成一次冲击作用；

（4）撞击结束后子弹留在冲击杆内，持续工作的空压机继续升压，装填新的子弹，重复步骤（3），准备第二轮冲击作用。

所述发射气枪发射子弹，子弹在冲击杆腔内高速运动，撞击上冲击压头后留在冲击杆内，调解空压机之后发射气枪可以继续发射第二枚子弹，来实现在不同时间点施加不同大小冲击力。

不需要施加围压的单轴加载协同冲击作用时，在（1）后开始冲击作用试验，需要施加围压的协同冲击作用时，在（2）后开始冲击作用。

通过上述步骤可以实现在三轴压缩或者单轴压缩过程中的任意时间点，施加多次大小不同的冲击作用。

参照普通岩石力学试验机的微机控制方式，自动记录试验数据，围压加载过程与岩石常规力学加载一致，最终得到冲击作用和围压协同作用下的实验数据与图像。

本发明的有益效果：

采用本发明的装置，除了可以进行常规的单轴或者三轴加载试验外，还可以通过发射气枪、子弹、冲击杆、上冲击压头在加载试验的任意时刻多次施加轴向的不同的参数的冲击力，满足不同高地应力和冲击作用的协同作用要求，弥补过去岩石试验机无法满足深部岩石力学试验在冲击作用部分的缺失，也可对科研机构现有的伺服试验机的改装，从而促进深部岩石力学试验的发展。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图；

图2为A—A向的剖视图。

图中：1-空压机，2-发射气枪，3-冲击动力指示表，4-子弹，5-冲击杆，6-内置速度传感器，7-固定钢板，8-固定螺栓，9-支撑横梁，10-第一纵梁，11-第二纵梁，12-底梁，13-液压升降千斤顶，14-围压筒，15-上冲击压头，16-下压头，17-煤岩试件，18-底座，19-主加载油缸， 20-主加载油缸的活塞杆，21-第一导轨，22-第二导轨，23-送样小车， 24-支撑座，25-定位杆， 26-导向槽，27-导轨凹槽。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1和图2所示，一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，包括底座18、设置在底座18上的主加载油缸19、与主加载油缸19的主体相连的加载框架（由支撑横梁9、第一纵梁10、第二纵梁11、底梁12组合而成）、设置于底梁12上供送样小车23行走的第一导轨21和第二导轨22、设置于送样小车23上的支撑座24、支撑座上的定位杆25以及围压筒下14端与定位杆25对应的导向槽26、支撑座上的下压头16、与下压头16对应设置的上冲击压头15、以及围压筒14、与围压筒14连接的液压升降千斤顶13，其中围压筒14可以选用现有的岩石试验机中的围压筒。

加载框架由两根横梁和两根纵梁组成，分别为底梁、第一纵梁、第二纵梁、支撑横梁；

送样装置包括送样小车，送样小车底部设有一对平行的导轨供小车行走；送样小车上方设有支撑座，煤岩试样放置在支撑座的中心下压头的上方，支撑座上设有定位杆；

冲击作用机构包括：空压机1、发射气枪2、冲击动力指示表3、子弹4、冲击杆5、内置速度传感器6、固定钢板7、将固定钢板7与支撑横梁9连接在一起的固定螺栓8；在支撑横梁的上底面和下底面分别固定设置有钢板，支撑横梁的中心设有孔，冲击杆穿过该孔，冲击杆顶部连接发射气枪，子弹从冲击杆内穿过，冲击杆内置有速度传感器，发射气枪与空压机连接；

本发明中支撑座上的下压头16、与之对应的上冲击压头15共同形成用于放置煤岩试件17的夹持空间，主加载油缸的活塞杆20与下压头对应且沿竖直方向布置，穿设在围压筒正中的冲击杆5，冲击杆5也沿竖直方向布置，当送样小车卡于导轨中的凹槽时冲击杆与下压头的轴线重合，冲击杆5的上下两端内置速度传感器6。

所述的送样形同包括送样小车23，底梁12上架设有供送样小车23行走的一对平行导轨21、22，且在导轨上设置用于确定小车位置的凹槽27，当小车到达预定位置卡于凹槽27之中，使得主加载油缸能够准确地将送样小车23顶起。

所述下压头16固定于所述支撑座24上，上冲击压头15通过连接机构与所述下压头16可拆卸的固定在一起。使用时，将煤岩试件17放置在下压头16上，之后通过连接机构将上冲击压头15连接在下压头16上，将三者固定在一起。连接机构可以采用热缩套管，通过热缩套管可以实现上冲击压头15、煤岩试件17、下压头16套接在一起，之后通过热缩实现三者的连接，固定于支撑座上且保障上冲击压头能套进冲击杆的下端开孔中，再做加载试验。

所述围压筒14，由液压升降千斤顶13来控制围压筒14的缓慢升降，保证围压筒14稳定降落到送样小车23上的支撑座24上，所述上设有定位杆25，在围压筒14的下端设有与定位杆25配合的导向槽26，保证精确降到支撑座24的正确位置。

控制系统包括主试验机、EDC控制柜、MOOG阀、伺服加载箱、伺服油源、气泵、计算机控制系统等。轴向荷载的施加和控制，采用电液伺服控制，由伺服油源提供动力加载，试验过程中通过宽调速范围的高性能电液伺服比例阀组(MOOG阀)及计算机数字控制等技术，组成全数字式闭环调速控制系统，使主加载油缸19将送样小车23以及送样小车23上固定好的煤岩试件17通过一定的位移速度向上抬起，依靠轴向的负荷传感器反馈给计算机，这与常规力学加载试验的负荷测试一致。围压筒的围压加载先通过围压气驱泵对围压筒内的液压油进行加压，待加载至目标值左右后关闭围压气驱泵，再通过计算机操作将围压调到目标值。整个加载过程依照采样程序进行数据采集并处理，采用微机控制，自动记录试验数据，围压加载过程与岩石常规力学加载一致。

本发明提供了一种实现煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载方法，现结合附图，对上述结构的具体工作情况加以说明，步骤如下:

（1）调节好实验设备后，将通过热缩套管连把煤岩试件17、上下压头连接为一体，之后将三者连接的整体用固定在支撑座24上，且由送样小车23送入预定位置（小车卡入凹槽）后开始准备加载试验。

（2）需要施加围压时，由电动液压升降千斤顶13来控制围压筒14的缓慢升降，将围压筒14降下，并使得定位杆25插入导向槽26中，实现围压筒14与支撑座24的定位，之后由螺栓实现使得围压筒14形成密闭腔室。之后再向围压筒14当中充液压油，给煤岩试件提供围压，围压的具体施加方法与常规的实验机一致，此处不再赘述。

不需要施加围压的单轴加载协同冲击作用时，在（1）后开始冲击作用试验，需要施加围压的协同冲击作用时，在（2）后继续进行以下冲击作用。

（3）施加冲击作用时，打开空压机1开始升压，当气压表改装的冲击动力指示表3达到预定值时，启动发射气枪2发射子弹4，射出后高速的子弹4沿冲击杆5高速运动直至撞击上冲击压头15，将冲击动能传递给上冲击压头15后由其施加给煤岩试件17，完成一次冲击作用。

（4）撞击结束后子弹4留在冲击杆5内，持续工作的空压机1继续升压，装填新的子弹4，重复步骤（3），准备第二轮冲击作用。

通过上述步骤可以实现在三轴压缩或者单轴压缩过程中的任意时间点，施加多次大小不同的冲击作用。

参照普通岩石力学试验机的微机控制方式，自动记录试验数据，围压加载过程与岩石常规力学加载一致，最终得到冲击作用和围压协同作用下的实验数据与图像。

本实验装置结构可基于常规岩石试验机，增加了冲击作用，能够满足深部岩石力学试验对高地应力和频繁高冲击力协同作用的要求，最终由实验数据处理系统得到最终结果。本试验机结构简单，使用方便，造价低廉，也对部分现有的常规岩石试验机提出了一种改装方案，便于推广到室内深部岩石力学试验领域。

Claims (10)

1.一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：包括底座、设置在底座上的主加载油缸、与底座连接的加载框架、下压头、与下压头配合的上压头、冲击作用机构、围压施加机构、送样装置；上压头与下压头之间形成用于放置煤岩试样的夹持空间，主加载油缸的活塞杆对应下压头设置；

所述加载框架由两根横梁和两根纵梁组成，分别为底梁、第一纵梁、第二纵梁、支撑横梁；

所述送样装置包括送样小车，送样小车底部设有一对平行的导轨供小车行走；送样小车上方设有支撑座，煤岩试样放置在支撑座的中心下压头的上方，支撑座上设有定位杆；

所述冲击作用机构包括：空压机、发射气枪、气压表、子弹、冲击杆、内置速度传感器、钢板；在支撑横梁的上底面和下底面分别固定设置有钢板，支撑横梁的中心设有孔，冲击杆穿过该孔，冲击杆顶部连接发射气枪，子弹从冲击杆内穿过，冲击杆内置有速度传感器，发射气枪与空压机连接；

所述围压机构包括：能沿冲击杆轴向移动的围压筒、与围压筒连接的液压升降千斤顶，千斤顶的上端固定于横梁和钢板底部，围压筒的下端设有下压头，正对煤岩试样设置，对应地在围压筒的下端设有与支撑座上的定位杆对应的导向槽，螺栓穿过该槽将围压筒与支撑座固定在一起，能实现单轴加压时的冲击扰动和施加围压的情况下的冲击扰动；

所述的轴压和围压的加载机构的控制系统由数据采集、处理系统组成。

2.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述发射气枪通过塑胶软管连接空压机作为动力来源，发射气枪处设有冲击力指示表；空压机采用定制的最大压力为10MP大功率定制空压机，通过空压机的不同气压实现发射气枪发射子弹的不同冲击力，实现对冲击力大小的控制。

3.根据权利要求2所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述发射气枪采用子弹枪口速度较高的气枪，子弹的最大速度为80m/s，能为子弹提供较大的冲击力，最终可施加在煤岩体试件的冲击力的范围为0.1~8MPa。

4.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述冲击杆沿竖直方向布置，在冲击杆的下端，上冲击压头的直径小于冲击杆的内径，上冲击压头内套于冲击杆之中，冲击杆上端贯穿两块钢板和横梁；固定钢板与支撑横梁通过螺栓连接在一起，将冲击杆固定在横梁上。

5.根据权利要求4所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述冲击杆的长度为1.5m。

6.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述上冲击压头内嵌在冲击杆下端口内，在所发射子弹撞击上冲击压头后，由上冲击压头将冲击作用施加于试件。

7.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述的送样装置的导轨上设有固定送样小车的凹槽，导轨固定在加载框架的底梁上。

8.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：所述加载框架，第一纵梁、第二纵梁架立于底梁上，支撑横梁设置在第一纵梁、第二纵梁上，构成矩形框架结构。

9.根据权利要求1所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：该装置的控制系统包括主试验机、EDC控制柜、MOOG阀、伺服加载箱、伺服油源、气泵、计算机控制系统；轴向荷载的施加和控制，采用电液伺服控制，由伺服油源提供动力加载；围压筒的围压加载先通过围压气驱泵对围压筒内的液压油进行加压，待加载至目标值左右后关闭围压气驱泵，再通过计算机操作将围压调到目标值；整个加载过程依照采样程序进行数据采集并处理，采用微机控制，自动记录试验数据。

10.一种煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载方法，采用权利要求1~9任一项所述的煤岩体冲击作用下的伺服三轴加载装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）调节好实验设备后，将通过热缩套管把煤岩试件、上下压头连接为一体，之后将三者连接的整体固定在支撑座上，且由送样小车送入预定位置，小车卡入凹槽后开始准备加载试验；

（2）需要施加围压时，由电动液压升降千斤顶来控制围压筒的缓慢升降，将围压筒降下，并使得定位杆插入导向槽中，实现围压筒与支撑座的定位，然后由螺栓实现使得围压筒形成密闭腔室；再向围压筒中充液压油，给煤岩试件提供围压；

（3）施加冲击作用时打开空压机开始升压，当气压表改装的冲击动力指示表达到预定值时，启动发射气枪发射子弹，射出后高速的子弹沿冲击杆高速运动直至撞击上冲击压头，将冲击动能传递给上冲击压头后由其施加给煤岩试件，完成一次冲击作用；

所述发射气枪发射子弹，子弹在冲击杆腔内高速运动，撞击上冲击压头后留在冲击杆内，调解空压机之后发射气枪继续发射第二枚子弹，来实现在不同时间点施加不同大小冲击力；

（4）撞击结束后子弹留在冲击杆内，持续工作的空压机继续升压，装填新的子弹，重复步骤（3），准备第二轮冲击作用。