CN112461670A - 一种模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机及方法 - Google Patents

一种模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机及方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟巷道掘进和井下打钻作业的静动加载实验机及方法，其特征是所述的实验机包括底座，底座安装有静态液压伺服缸、反力架、三轴数控钻掘模拟装置、水平动态加载装置、工作台和立柱，水平动态加载装置为带有冲击杆的中空滑动液压缸，中空滑动液压缸的冲击杆方向放置有霍普金森冲击装置或摆锤冲击装置；工作台上放置试样，立柱连接可升降顶板，顶板中间安装有竖直动态加载装置，竖直动态加载装置为带有冲击杆的中空滑动液压缸或动态液压伺服加载缸，中空滑动液压缸的冲击杆上部安装有落锤冲击装置。本发明结构简单，功能齐全，可进行各种动静态试验，对矿井防治冲击地压具有重要的工程应用价值。

Description

一种模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机及方法
技术领域
本发明涉及一种矿山安全技术，尤其是一种巷道掘进安全技术，具体地说是一种模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机及方法。
背景技术
目前煤巷掘进冲击地压存在诱发机理不清、防治有效性不高、缺乏针对性危险性评估与防治基础理论等问题，近年来成为煤矿冲击地压防治工作的薄弱区。试验研究是揭示煤巷掘进冲击地压孕育机制的重要研究手段。目前，在加载试样中模拟掘进作业，同时施加动态扰动，以系统研究掘进过程中复合矿震、顶板破断等动载作用下时巷道掘进的冲击显现规律，揭示掘进巷道冲击地压灾害发生机理及其内在孕育机制等方面的试验研究还不多见，其原因是缺乏相应的试验设备和方法。
另外，在高应力岩体中进行钻进，是有效感知煤体应力状态，进而评估冲击地压危险程度的重要手段。目前主要采用钻屑量来评估岩体应力，关于钻进过程中钻速、扭矩、钻屑量等多参量信息的采集和感知原理的研究很少，不同应力环境、煤体物理力学特征、钻孔参数时钻进产生的力学、声发射、电磁等信号特征还不清楚，其原因是缺乏相应的试验设备和方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的巷道掘进因缺少相应的试验设备而造成安全因素研究不明的问题，设计一种能模拟实际巷道掘进过程中动态、静态因素对安全影响的模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机，同时提供出相应的动静态加载和静态加载方法。
本发明的技术方案之一是：
一种模拟巷道掘进和井下打钻作业的静动加载实验机，它包括底座1，其特征在于：底座1的X+方向安装有静态液压伺服缸2，X-方向安装有反力架3和三轴数控钻掘模拟装置4，反力架设有孔口5，沿孔口5轴向布置三轴数控钻掘模拟装置4的刀具41和刀杆42，刀杆42上依次有钻速传感器43、扭矩传感器44和伺服旋转驱动电机45，伺服旋转驱动电机45安装在伺服驱动水平移动工作台上46，水平移动工作台46下方连接伺服驱动升降装置47；底座1的Y+方向安装有静态液压伺服缸6，Y-方向安装有水平动态加载装置7，水平动态加载装置7为带有冲击杆71的中空滑动液压缸72或动态液压伺服缸74，中空滑动液压缸72的冲击杆71方向放置有霍普金森冲击装置73或摆锤冲击装置75；底座Z-方向安装有工作台8，工作台8上放置试样12，底座Z+方向安装有立柱9，立柱9连接可升降顶板10，顶板10中间安装有竖直动态加载装置11，竖直动态加载装置11为带有冲击杆111的中空滑动液压缸112或动态液压伺服加载缸113，中空滑动液压缸112的冲击杆111上向安装有落锤冲击装置114。
所述的底座1安装有称重传感器48。
本发明的技术方案之二是：
一种模拟巷道掘进作业的静动加载实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）利用相似准则配制成长方体试样12；
（2）利用静态液压伺服缸或中空滑动液压缸或动态液压伺服缸对试样12施加静态载荷；
（3）计算机程序控制刀具41运动轨迹，模拟煤矿井下巷道掘进作业，开挖矩形、圆形、拱形巷道，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集作业过程中的声电和力学信号；
（4）利用刀具41在试样12上开挖一定深度后，将刀具41撤出试样12，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）分别在掘进和停掘过程中，由水平动态加载装置7、竖直动态加载装置11施加动态载荷，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集此时的声电和力学信号；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样12发生冲击破坏；
（7）重复步骤（1），改变长方体试样12的材料配比或采集不同物理力学特征的煤岩加工成长方体试样12，重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时试样的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对试样冲击破坏的影响；
（8）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力环境对冲击破坏的影响；
（9）重复步骤（2），改变静态载荷加载大小，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载大小时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力大小对冲击破坏的影响；
（10）重复步骤（3），改变掘进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同掘进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同掘进速度对冲击破坏的影响。
本发明技术方案之三是：
一种模拟井下打钻作业的静加载实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）利用相似准则配制成长方体试样或矿井取煤岩加工成长方体试样12；
（2）对试样（12）施加单向或双向或三向静态载荷，模拟不同煤岩受力环境；
（3）计算机程序控制刀具41模拟井下钻进作业，在试验过程中利用钻速传感器43、扭矩传感器44采集钻进转速、扭矩，利用称重传感器实时采集钻进排屑量，利用声发射传感器、电磁辐射传感器采集钻进过程中的声电信号；
（4）利用刀具41在试样12上钻进一定深度后，将刀具41撤出试样12，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）重复步骤（1），改变长方体试样12的材料配比或采集不同物理力学特征的煤岩加工成长方体试样12，重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时试样的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（6）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力环境对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（7）重复步骤（2），改变静态载荷加载强度，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载强度时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力大小对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（8）重复步骤（3），改变钻进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同钻进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同钻进速度对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响。
本发明的有益效果是：
本发明能针对深部高应力煤巷掘进存在的冲击地压威胁开展深入研究不同地应力、地质环境下的掘进加卸载响应、外界动载扰动效应等，系统开展掘进冲击地压孕育机理与风险评估预警研究，这对补充与完善煤矿冲击地压灾变机理，指导冲击地压监测预警与防治，具有重要的科学意义。其次，开展不同应力环境、煤体物理力学特征、钻孔参数时钻进产生的力学、声发射、电磁等信号特征，研究钻进多参量信息感知原理，从而形成一种利用钻进多参量信息评估冲击地压危险的有效技术手段，用于冲击地压的监测预警、卸压效果检验，对矿井防治冲击地压具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的试验机的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明的液压加载试样示意图。
图4是本发明的霍普金森冲击装置冲击加载示意图。
图5是本发明的Z向动态加载示意图。
图6是图5的等效原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-4所示。
一种模拟巷道掘进和井下打钻作业的静动加载实验机，它包括底座1，底座1下部安装有称重传感器48以实时采集钻进排屑量，底座1的正中安装有试样12（如图3），底座1的X+方向安装有静态液压伺服缸2，X-方向安装有反力架3和三轴数控钻掘模拟装置4，反力架设有孔口5，沿孔口5轴向布置三轴数控钻掘模拟装置4的刀具41和刀杆42，刀杆42上依次有钻速传感器43、扭矩传感器44和伺服旋转驱动电机45，伺服旋转驱动电机45安装在伺服驱动水平移动工作台上46，水平移动工作台46下方连接伺服驱动升降装置47；底座1的Y+方向安装有静态液压伺服缸6，Y-方向安装有水平动态加载装置7，水平动态加载装置7为带有冲击杆71的中空滑动液压缸72或动态液压伺服缸74，中空滑动液压缸72的冲击杆71方向放置有霍普金森冲击装置73或摆锤冲击装置75（图3）；底座Z-方向安装有工作台8，工作台8上放置试样12，底座Z+方向安装有立柱9，立柱9连接可升降顶板10，顶板10中间安装有竖直动态加载装置11，竖直动态加载装置11为带有冲击杆111的中空滑动液压缸112或动态液压伺服加载缸113，中空滑动液压缸112的冲击杆111上部安装有落锤冲击装置114，如图1所示。
实施例二。
如图1-6所示。
一种模拟巷道掘进静动加载实验方法，包含以下步骤：
（1）利用相似准则配制成长方体试样或矿井取煤岩加工成长方体试样12；
（2）利用静态液压伺服缸或中空滑动液压缸或动态液压伺服缸对试样12施加静态载荷；
（3）计算机程序控制刀具41运动轨迹，模拟煤矿井下巷道掘进作业，开挖矩形、圆形、拱形巷道，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集作业过程中的声电和力学信号；
（4）利用刀具41在试样12上开挖一定深度后，将刀具41撤出试样12，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）分别在掘进和停掘过程中，由水平动态加载装置7、竖直动态加载装置11施加动态载荷，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集此时的声电和力学信号；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样12发生冲击破坏；
（7）重复步骤1，改变长方体试样12的材料配比或采集不同物理力学特征的煤岩加工成长方体试样12，重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对试样冲击破坏的影响；
（8）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力环境对冲击破坏的影响；
（9）重复步骤（2），改变静态载荷加载大小，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载大小时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力大小对冲击破坏的影响；
（10）重复步骤（3），改变掘进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同掘进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同掘进速度对冲击破坏的影响。
实施例三。
如图1-4所示
一种模拟井下打钻作业的静加载实验方法，包含以下步骤：
（1）利用相似准则配制成长方体试样或矿井取煤岩加工成长方体试样12；
（2）对试样12施加单向、双向、三向静态载荷，模拟不同煤岩受力环境；
（3）计算机程序控制刀具41模拟井下钻进作业，在试验过程中利用钻速传感器43、扭矩传感器44采集钻进转速、扭矩，利用称重传感器实时采集钻进排屑量，利用声发射传感器、电磁辐射传感器采集钻进过程中的声电信号；
（4）利用刀具41在试样12上钻进一定深度后，将刀具41撤出试样12，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）重复步骤（1），改变长方体试样12的材料配比或采集不同物理力学特征的煤岩加工成长方体试样（12），重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时试样的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（6）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力环境对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（7）重复步骤（2），改变静态载荷加载强度，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载强度时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力大小对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（8）重复步骤（3），改变钻进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同钻进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同钻进速度对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响。
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 (4)

1.一种模拟巷道掘进和井下打钻作业的静动加载实验机，它包括底座（1），其特征在于：底座（1）的X+方向安装有静态液压伺服缸（2），X-方向安装有反力架（3）和三轴数控钻掘模拟装置（4），反力架设有孔口（5），沿孔口（5）轴向布置三轴数控钻掘模拟装置（4）的刀具（41）和刀杆（42），刀杆（42）上依次有钻速传感器（43）、扭矩传感器（44）和伺服旋转驱动电机（45），伺服旋转驱动电机（45）安装在伺服驱动水平移动工作台上（46），水平移动工作台（46）下方连接伺服驱动升降装置（47）；底座（1）的Y+方向安装有静态液压伺服缸（6），Y-方向安装有水平动态加载装置（7），水平动态加载装置（7）为带有冲击杆（71）的中空滑动液压缸（72）或动态液压伺服缸（74），中空滑动液压缸（72）的冲击杆（71）方向放置有霍普金森冲击装置（73）或摆锤冲击装置（75）；底座Z-方向安装有工作台（8），工作台（8）上放置试样（12），底座Z+方向安装有立柱（9），立柱（9）连接可升降顶板（10），顶板（10）中间安装有竖直动态加载装置（11），竖直动态加载装置（11）为带有冲击杆（111）的中空滑动液压缸（112）或动态液压伺服加载缸（113），中空滑动液压缸（112）的冲击杆（111）上部安装有落锤冲击装置（114）。
2.根据权利要求1所述的实验机，其特征在于：所述的底座（1）安装有称重传感器(48)。
3.一种模拟巷道掘进作业的静动加载实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）利用相似准则配制成长方体试样（12）；
（2）利用静态液压伺服缸或中空滑动液压缸或动态液压伺服缸对试样（12）施加静态载荷；
（3）计算机程序控制刀具（41）运动轨迹，模拟煤矿井下巷道掘进作业，开挖矩形、圆形、拱形、梯形巷道，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集作业过程中的声电和力学信号；
（4）利用刀具（41）在试样（12）上开挖一定深度后，将刀具（41）撤出试样（12），利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）分别在掘进和停掘过程中，由水平动态加载装置（7）、竖直动态加载装置（11）施加动态载荷，在试验过程中利用声发射传感器、红外传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集此时的声电和力学信号；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样（12）发生冲击破坏；
（7）重复步骤（1），改变长方体试样（12）的材料配比加工成长方体试样（12），重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时试样的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对试样冲击破坏的影响；
（8）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力环境对冲击破坏的影响；
（9）重复步骤（2），改变静态载荷加载大小，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载大小时的声电和力学信号，试验研究井下不同应力大小对冲击破坏的影响；
（10）重复步骤（3），改变掘进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同掘进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同掘进速度对冲击破坏的影响。
4.一种模拟井下打钻作业的静加载实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）配制和现场煤岩等强度的长方体试样或矿井取煤岩加工成长方体试样（12）；
（2）对试样（12）施加单向或双向或三向静态载荷，模拟不同煤岩受力环境；
（3）计算机程序控制刀具（41）模拟井下钻进作业，在试验过程中利用钻速传感器（43）、扭矩传感器（44）采集钻进转速、扭矩，利用称重传感器实时采集钻进排屑量，利用声发射传感器、电磁辐射传感器采集钻进过程中的声电信号；
（4）利用刀具（41）在试样（12）上钻进一定深度后，将刀具（41）撤出试样（12），利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）重复步骤（1），改变长方体试样（12）的材料配比或采集不同物理力学特征的煤岩加工成长方体试样（12），重复步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6），采集不同物理力学性质时试样的声电和力学信号，试验研究不同煤岩物理力学性质对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（6）重复步骤（2），改变静态载荷加载形式为单向或双向或三向加载，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载形式时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力环境对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（7）重复步骤（2），改变静态载荷加载强度，重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同静态载荷加载强度时转速、扭矩、排屑量、声电信号，试验研究井下不同应力大小对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响；
（8）重复步骤（3），改变钻进速度，重复步骤（4）、步骤（5）、步骤（6），采集不同钻进速度时的声电和力学信号，试验研究井下不同钻进速度对钻进转速、扭矩、排屑量、声电信号的影响。
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