CN110501234A - 一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法，所述装置包括承载台，所述承载台的上端固定有承载盒，所述承载盒内设有空腔，所述空腔内设有转动机构，所述承载盒的两侧均可拆卸连接有安装盒，两个安装盒内均设有安装腔；所述方法，包括以下步骤：S1、将反力框架安装在对应的压力机设备上，将需要测试的破碎岩石试样放入试验盒内。本发明能够保证在破碎岩石承压变形实验过程中对实验装置侧壁实现准确测量，还能够保证测量的精确度，同时稳定性高，方便安装和拆卸，减轻了安装人员的工作强度，同时能保证在实验时整体的稳定性，结构简单，操作方便。

Description

一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩破碎岩石承压变形技术领域，尤其涉及一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法。
背景技术
全部垮落法开采过程中，随着采煤工作面不断地向前推进，顶板岩层不断垮落不仅可以及时减少工作面的控顶面积，而且由于顶板垮落后破碎岩石对采空区的充填，对上覆岩层起到了一定的支承作用，从而减轻了工作面顶板压力，同时对上覆岩层运动和地表沉陷具有一定的抑制作用。
采空区内垮落的破碎岩石处于一种长期承压变形的状态，时间效应极为显著，随着时间的推移，破碎岩石会因承载能力降低而减弱对覆岩的支承作用，极易加剧采空区围岩结构失稳，引发矿井突水和地表塌陷等动力灾害，因此，很有必要对破碎岩石承载变形特性进行实验研究。
在破碎岩石承压变形实验中，破碎岩石承载变形特性除了受破碎岩石级配、轴向加载力和加载方式等常规实验参数的影响外，由于实验装置多呈窄而高的形状，破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力也会对破碎岩石承载变形特性产生较大影响。
但是，现有技术对破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力的求取仅停留在理论计算，在破碎岩石承压变形实验中，如何实测破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题，为此，我们提出了一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，包括承载台，所述承载台的上端固定有承载盒，所述承载盒内设有空腔，所述空腔内设有转动机构，所述承载盒的两侧均可拆卸连接有安装盒，两个安装盒内均设有安装腔，两个安装腔内均设有夹持机构，所述转动机构分别和两个夹持机构相互连接，所述承载台的上端四角均固定有支撑柱，四个支撑柱的上端共同固定有放置板，所述放置板的两侧均设有豁口，两个豁口分别与两个夹持机构相互对应，所述放置板的上端放置有反力框架，所述反力框架内的相对两侧壁上沿竖直方向等间距各布设至少三个侧向应力传感器，所述侧向应力传感器上的压力探头一端固定有传力杆，所述反力框架底板中部放置有试验盒，所述试验盒的两侧均固定有封闭板，所述传力杆的一端贯穿试验盒的侧壁并延伸至试验盒内，并连接有侧向约束压板，所述试验盒内设有试样本体，且同一侧的侧向约束压板的一端抵触在试样本体的一侧，所述试样本体的上端设有压力加载装置。
优选地，所述压力加载装置包括抵触在试样本体上端的法向压头，所述法向压头的上端固定有压力机油缸活塞杆，所述承载台的上端四角均固定有垫块，四个垫块的上端均固定有支撑杆，四个支撑杆的上端共同固定有安装板，所述安装板上贯穿并固定有压力机油缸，所述压力机油缸活塞杆的上端安装在压力机油缸上。
优选地，所述转动机构包括贯穿并固定在空腔内一端侧壁上的第一轴承，所述第一轴承内贯穿设有转动杆，所述转动杆的一端固定有摇把，所述转动杆的另一端固定有第二锥形齿轮，所述空腔内的两侧和两个安装腔的一侧均共同设有第二轴承，两个第二轴承内共同螺纹套接有螺杆，所述螺杆上固定套装有第一锥形齿轮，所述第一锥形齿轮和第二锥形齿轮相互啮合，且第一锥形齿轮位于空腔内，所述螺杆的两端分别转动连接在两个安装腔内的一端侧壁上。
优选地，所述夹持机构包括分别位于两个安装腔内的移动板，所述螺杆上设有正向螺纹和反向螺纹，其中一个移动板螺纹套接在设有正向螺纹的螺杆上，另外一个移动板螺纹套接在设有反向螺纹的螺杆上，两个移动板的两侧均固定有滑块，两个安装腔内的相对侧壁上均设有滑槽，所述滑块安装在滑槽内，两个安装腔的上端均设有开口，所述开口和豁口相互对应，两个移动板的上端均固定有竖杆，两个竖杆的一端分别贯穿两个开口并延伸至安装盒的上端，两个竖杆的上端均固定有连接板，两个连接板的两端均固定有夹持板。
优选地，两个安装盒的两侧均固定有固定块，四个固定块上均设有通孔，所述承载台的上端设有四个与通孔对应的螺纹盲孔，所述通孔内贯穿设有第二螺钉，所述第二螺钉的下端延伸至螺纹盲孔内。
优选地，所述安装盒和承载台的连接处通过两个第一螺钉固定有连接件。
本发明还提出了一种测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，包括以下步骤：
S1、将反力框架安装在对应的压力机设备上，将需要测试的破碎岩石试样放入试验盒内；
S2、启动压力机设备，压力机油缸活塞杆开始向下运动，其带动法向压头也向下运动挤压试验盒内的试样本体；
S3、在挤压试样本体，两侧均匀设置的侧向应力传感器通过抵触在试样本体一侧的侧向约束压板以及传力杆进行反馈，从而利用各个侧向应力传感器测出对应的侧向压应力，进而建立测量位置与侧向压应力大小对应关系，即破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力分布。
优选地，贯穿试验盒的侧壁并延伸至试验盒内的传力杆起到导向作用。
优选地，所述反力框架的两侧均固定有防护板。
优选地，所述侧向应力传感器为电阻应变式传感器。
本发明中，使用时，将反力框架放置在放置板上，然后通过转动摇把，摇把转动带动转动杆转动，转动杆转动带动第二锥形齿轮转动，第二锥形齿轮转动带动第一锥形齿轮转动，第一锥形齿轮转动带动螺杆转动，螺杆转动带动两个移动板同时做相向运动，两个移动板相向移动时分别带动两个竖杆移动，继而方便带动两个连接板和四个夹持板移动位置，通过四个夹持板和两个连接板组成两个夹持架，方便通过两个夹持架将反力框架进行夹持固定，然后将需要测试的岩石切割成和试验盒承载空间大小一致的块状后，放入试验盒内，然后启动压力机油缸，压力机油缸活塞杆开始向下运动，其带动法向压头也向下运动挤压试验盒内的试样本体，在挤压试样本体时，两侧均匀设置的侧向应力传感器通过抵触在试样本体一侧的侧向约束压板以及传力杆进行反馈，从而利用各个侧向应力传感器测出对应的侧向压应力，进而建立测量位置与侧向压应力大小对应关系，即破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力分布，本发明能够保证在破碎岩石承压变形实验过程中对实验装置侧壁实现准确测量，还能够保证测量的精确度，同时稳定性高，方便安装和拆卸，减轻了安装人员的工作强度，同时能保证在实验时整体的稳定性，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的剖视图；
图2为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的俯视图；
图3为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的反力框架结构示意图；
图4为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的内部结构示意图；
图5为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的俯视图；
图6为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置放置板的俯视图；
图7为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置的正视图；
图8为本发明提出的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置放置板的结构示意图；
图中：1压力机油缸活塞杆、2试样本体、3反力框架、4试验盒、5竖杆、6法向压头、7传力杆、8侧向约束压板、9侧向应力传感器、10封闭板、11防护板、压力机油缸、13安装板、14放置板、15支撑柱、16第一螺钉、17承载盒、18摇把、19连接件、20承载台、21垫块、22安装盒、23夹持板、24支撑杆、25固定块、26开口、27第二螺钉、28螺杆、29移动板、30连接板、31转动杆、32豁口、33第一轴承、34第一锥形齿轮、35第二锥形齿轮、36滑槽、37滑块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-8，一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，包括承载台20，承载台20的上端固定有承载盒17，承载盒17内设有空腔，空腔内设有转动机构，通过转动机构带动两个夹持机构移动位置，承载盒17的两侧均可拆卸连接有安装盒22，方便安装和拆卸安装盒22，两个安装盒22内均设有安装腔，两个安装腔内均设有夹持机构，转动机构分别和两个夹持机构相互连接，通过夹持机构方便将反力框架3进行固定，承载台20的上端四角均固定有支撑柱15，四个支撑柱15的上端共同固定有放置板14，通过支撑柱15方便对放置板14进行稳定支撑，放置板14的两侧均设有豁口32，两个豁口32分别与两个夹持机构相互对应，放置板14的上端放置有反力框架3，通过放置板14方便将反力框架3进行稳定支撑，通过转动机构和夹持机构之间的配合，实现了在进行实验的时候，能对反力框架3进行稳定支撑的功能。
在本发明中，反力框架3内的相对侧壁上沿竖直方向等间距各布设至少三个侧向应力传感器9，在实际操作中，可根据具体情况，进行具体数量的选择，可以根据需要在三个以上的合理范围内进行合理选择侧向应力传感器9，侧向应力传感器9为电阻应变式传感器，其利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出，输出的电量大小反映被测量的大小。
在本发明中，侧向应力传感器9一端固定有传力杆7，通过传力杆7的变化来引起电阻值的变化，反力框架3底板中部固定有试验盒4，试验盒4的两端均固定有封闭板10，传力杆7的一端贯穿试验盒4的侧壁并延伸至试验盒4内，并连接有侧向约束压板8，试验盒4内设有试样本体2，试样本体2在测试前，需要切割成和试验盒4承载面积大小一致的块状，方便其快速准确测量，且同一侧的三个侧向约束压板8的一端抵触在试样本体2的一侧，试样本体2的上端设有挤压机构，对试样本体2进行挤压，从而测出两侧的应力值。
在本发明中，压力加载装置包括抵触在试样本体2上端的法向压头6，法向压头6的上端固定有压力机油缸活塞杆1，压力机设备上的油缸带动压力机油缸活塞杆1升降，继而实现对法向压头6的升降，反力框架3的两侧均固定有防护板11，起着防护的作用。
在本发明中，转动机构包括贯穿并固定在空腔内一端侧壁上的第一轴承33，第一轴承33内贯穿设有转动杆31，转动杆31的一端固定有摇把18，摇把18的转动带动转动杆31转动，转动杆31转动带动第二锥形齿轮35转动，转动杆31的另一端固定有第二锥形齿轮35，空腔内的两侧和两个安装腔的一侧均共同设有第二轴承，两个第二轴承内共同螺纹套接有螺杆28，螺杆28上固定套装有第一锥形齿轮34，第一锥形齿轮34和第二锥形齿轮35相互啮合，第二锥形齿轮35转动带动第一锥形齿轮34转动，第一锥形齿轮34转动带动螺杆28转动，且第一锥形齿轮34位于空腔内，螺杆28的两端分别转动连接在两个安装腔内的一端侧壁上，通过螺杆28的转动方便带动夹持机构移动，从而方便对反力框架3进行稳定夹持。
在本发明中，夹持机构包括分别位于两个安装腔内的移动板29，螺杆28上设有正向螺纹和反向螺纹，其中一个移动板29螺纹套接在设有正向螺纹的螺杆28上，另外一个移动板29螺纹套接在设有反向螺纹的螺杆28上，螺杆28转动时，同时带动两个移动板29做相向运动，两个移动板29的两侧均固定有滑块37，两个安装腔内的相对侧壁上均设有滑槽36，滑块37安装在滑槽36内，通过滑块37在滑槽36内滑动，减轻了移动板29移动时遇到的阻力。
在本发明中，两个安装腔的上端均设有开口26，开口26和豁口32相互对应，两个移动板29的上端均固定有竖杆5，移动板29移动时竖杆5移动位置，两个竖杆5的一端分别贯穿两个开口26并延伸至安装盒22的上端，两个竖杆5的上端均固定有连接板30，竖杆5移动时带动连接板30移动位置，两个连接板30的两端均固定有夹持板23，连接板30移动位置带动夹持板23移动位置，通过夹持板23方便对反力框架3进行稳定夹持，提高了反力框架3的稳定性。
在本发明中，两个安装盒22的两侧均固定有固定块25，四个固定块25上均设有通孔，承载台20的上端设有四个与通孔对应的螺纹盲孔，通孔内贯穿设有第二螺钉27，第二螺钉27的下端延伸至螺纹盲孔内，通过第二螺钉27方便将固定块25安装在承载台20上，提高了安装盒22的稳定性。
在本发明中，安装盒22和承载台20的连接处通过两个第一螺钉16固定有连接件19，通过第一螺钉16方便将连接件19安装在安装盒22和承载台20上。
在本发明中，一种测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，包括以下步骤：
S1、将反力框架3安装在对应的压力机设备上，将需要测试的破碎岩石试样放入试验盒4内；
S2、启动压力机设备，压力机油缸活塞杆1开始向下运动，其带动法向压头6也向下运动挤压试验盒4内的试样本体2；
S3、在挤压试样本体2，两侧均匀设置的侧向应力传感器9通过抵触在试样本体2一侧的侧向约束压板8以及传力杆7进行反馈，从而利用各个侧向应力传感器9测出对应的侧向压应力，进而建立测量位置与侧向压应力大小对应关系，即破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力分布。
在本发明中，使用时，将反力框架3放置在放置板14上，然后通过转动摇把18，摇把18转动带动转动杆31转动，转动杆31转动带动第二锥形齿轮35转动，第二锥形齿轮35转动带动第一锥形齿轮34转动，第一锥形齿轮34转动带动螺杆28转动，螺杆28转动带动两个移动板29同时做相向运动，两个移动板29同时相向移动时分别带动两个竖杆5移动，继而方便带动两个连接板30和四个夹持板23移动位置，通过四个夹持板23和两个连接板30组成两个夹持架，方便通过两个夹持架将反力框架3进行夹持固定，然后将需要测试的岩石切割成和试验盒4承载空间大小一致的块状后，放入试验盒4内，然后启动压力机油缸12，压力机油缸活塞杆1开始向下运动，其带动法向压头6也向下运动挤压试验盒4内的试样本体2，在挤压试样本体2时，两侧均匀设置的六个侧向应力传感器9通过抵触在试样本体2一侧的侧向约束压板8以及传力杆7进行反馈，从而利用各项侧向应力传感器9测出对应的侧向压力，进而建立测量位置与侧向压应力大小对应关系，即破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力分布。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，包括承载台(20)，其特征在于：所述承载台(20)的上端固定有承载盒(17)，所述承载盒(17)内设有空腔，所述空腔内设有转动机构，所述承载盒(17)的两侧均可拆卸连接有安装盒(22)，两个安装盒(22)内均设有安装腔，两个安装腔内均设有夹持机构，所述转动机构分别和两个夹持机构相互连接，所述承载台(20)的上端四角均固定有支撑柱(15)，四个支撑柱(15)的上端共同固定有放置板(14)，所述放置板(14)的两侧均设有豁口(32)，两个豁口(32)分别与两个夹持机构相互对应，所述放置板(14)的上端放置有反力框架(3)，所述反力框架(3)内的相对两侧壁上沿竖直方向等间距各布设至少三个侧向应力传感器(9)，所述侧向应力传感器(9)一端固定有传力杆(7)，所述反力框架(3)底板中部放置有试验盒(4)，所述试验盒(4)的两侧均固定有封闭板(10)，所述传力杆(7)的一端贯穿试验盒(4)的侧壁并延伸至试验盒(4)内，并连接有侧向约束压板(8)，所述试验盒(4)内设有试样本体(2)，且同一侧的侧向约束压板(8)的一端抵触在试样本体(2)的一侧，所述试样本体(2)的上端设有压力加载装置。
2.根据权利要求1所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，其特征在于：所述压力加载装置包括抵触在试样本体(2)上端的法向压头(6)，所述法向压头(6)的上端固定有压力机油缸活塞杆(1)，所述承载台(20)的上端四角均固定有垫块(21)，四个垫块(21)的上端均固定有支撑杆(24)，四个支撑杆(24)的上端共同固定有安装板(13)，所述安装板(13)上贯穿并固定有压力机油缸(12)，所述压力机油缸活塞杆(1)的上端安装在压力机油缸(12)上。
3.根据权利要求1所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，其特征在于：所述转动机构包括贯穿并固定在空腔内一端侧壁上的第一轴承(33)，所述第一轴承(33)内贯穿设有转动杆(31)，所述转动杆(31)的一端固定有摇把(18)，所述转动杆(31)的另一端固定有第二锥形齿轮(35)，所述空腔内的两侧和两个安装腔的一侧均共同设有第二轴承，两个第二轴承内共同螺纹套接有螺杆(28)，所述螺杆(28)上固定套装有第一锥形齿轮(34)，所述第一锥形齿轮(34)和第二锥形齿轮(35)相互啮合，且第一锥形齿轮(34)位于空腔内，所述螺杆(28)的两端分别转动连接在两个安装腔内的一端侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，其特征在于：所述夹持机构包括分别位于两个安装腔内的移动板(29)，所述螺杆(28)上设有正向螺纹和反向螺纹，其中一个移动板(29)螺纹套接在设有正向螺纹的螺杆(28)上，另外一个移动板(29)螺纹套接在设有反向螺纹的螺杆(28)上，两个移动板(29)的两侧均固定有滑块(37)，两个安装腔内的相对侧壁上均设有滑槽(36)，所述滑块(37)安装在滑槽(36)内，两个安装腔的上端均设有开口(26)，所述开口(26)和豁口(32)相互对应，两个移动板(29)的上端均固定有竖杆(5)，两个竖杆(5)的一端分别贯穿两个开口(26)并延伸至安装盒(22)的上端，两个竖杆(5)的上端均固定有连接板(30)，两个连接板(30)的两端均固定有夹持板(23)。
5.根据权利要求1所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，其特征在于：两个安装盒(22)的两侧均固定有固定块(25)，四个固定块(25)上均设有通孔，所述承载台(20)的上端设有四个与通孔对应的螺纹盲孔，所述通孔内贯穿设有第二螺钉(27)，所述第二螺钉(27)的下端延伸至螺纹盲孔内。
6.根据权利要求1所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置，其特征在于：所述安装盒(22)和承载台(20)的连接处通过两个第一螺钉(16)固定有连接件(19)。
7.一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将反力框架(3)安装在对应的压力机设备上，将需要测试的破碎岩石试样放入试验盒(4)内；
S2、启动压力机设备，压力机油缸活塞杆(1)开始向下运动，其带动法向压头(6)也向下运动挤压试验盒(4)内的试样本体(2)；
S3、在挤压试样本体(2)，两侧均匀设置的侧向应力传感器(9)通过抵触在试样本体(2)一侧的侧向约束压板(8)以及传力杆(7)进行反馈，从而利用各个侧向应力传感器(9)测出对应的侧向压应力，进而建立测量位置与侧向压应力大小对应关系，即破碎岩石与实验装置侧壁之间的压应力分布。
8.根据权利要求7所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，其特征在于：贯穿试验盒(4)的侧壁并延伸至试验盒(4)内的传力杆(7)起导向作用。
9.根据权利要求7所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，其特征在于：所述反力框架(3)的两侧均固定有防护板(11)。
10.根据权利要求7所述的一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验方法，其特征在于：所述侧向应力传感器(9)为电阻应变式传感器。
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