CN113252457A - 局部矿井刚度试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种局部矿井刚度试验装置及方法，涉及局部矿井刚度试验技术领域，包括试件底座，用于放置试件；加载框架，与所述试件平台固定连接；加载系统，与加载框架连接，用于对试件施加压力；监测系统，用于实时测量试件的变形量；控制系统，与所述加载系统和监测系统连接，控制加载系统加载方式，并根据监测系统的实时数据来计算分析所述试件在加载过程中的参数变化。本发明能够监测岩体发生岩爆过程时试样的裂纹及破坏全过程，分析监测试验岩体破坏时的机理变化，实验室再现冲击地压及岩爆灾害发生全过程，可为冲击地压及岩爆相关的动力灾害前兆信息的获取提供借鉴意义。

Description

局部矿井刚度试验装置及方法

技术领域

本发明涉及局部矿井刚度试验技术领域，尤其涉及一种局部矿井刚度试验装置及方法。

背景技术

目前，我国煤矿面临着严重的冲击地压灾害威胁，冲击地压的解决途径主要有两个：一是采用卸压、支护、改变采掘布置等手段，避免冲击地压灾害的发生；二是对冲击地压灾害进行监测预警，提前进行生产布置，达到避免或减小人员伤亡和设备损坏的目的。任何一种方法的成功实施都需要对冲击地压的发生机理有着准确的把握，最基础的机理研究才能产生最根本有效的解决方案。

局部矿井刚度理论由Salamon于1970年提出，定义为在矿井不同位置在不同开采阶段煤层及其顶、底板系统的相应刚度。局部矿井刚度与煤岩破坏模式(稳定或不稳定性破坏)的关系可以用岩石实验室压缩试验的峰后卸载曲线来说明。若加载系统的刚度低于负载系统时，岩石的屈服破坏期间释放的能量将大于岩石可以吸收的能量，进而引发岩石发生不稳定性破坏。在矿井开采过程中，随着采掘活动的进行以及煤体的不断采出，局部矿井刚度逐步减小，煤体加载系统变“软”，煤体发生不稳定性破坏(如冲击地压)的概率增加。

现阶段关于局部矿井刚度理论的研究只是停留在理论分析及数值模拟计算，缺乏一种有效的试验装置来对冲击地压及岩爆全过程实验再现进行研究，所以该试验装置的研发对于煤岩体动力灾害机理的研究有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种局部矿井刚度试验装置及方法，用以解决现有技术中缺乏一种有效的试验装置来对冲击地压及岩爆全过程实验再现进行研究的问题，实现对煤岩体动力灾害机理的全方位研究。

本发明提供一种局部矿井刚度试验装置，包括试件底座，用于放置试件；加载框架，与所述试件底座固定连接；加载系统，与所述加载框架连接，用于对所述试件施加压力；开挖系统，用于对所述试件进行开挖，改变所述试件承载刚度；监测系统，用于实时测量所述试件的力学响应特征；控制系统，与所述加载系统和所述监测系统电连接，控制所述加载系统加载方式，并根据所述监测系统的实时数据来计算分析所述试件在加载过程中的参数变化。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述加载系统包括：法向加载系统，设置在所述加载框架上，用于对所述试件施加法向预紧力；动力加载系统，设置在所述法向加载系统的自由端部，用于对所述试件实施动力扰动进而诱发冲击地压及岩爆发生。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述法向加载系统包括法向油缸，所述动力加载系统包括弹簧油缸以及与所述弹簧油缸连接的蓄能器。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述弹簧油缸的下端设置有加载压头，所述加载压头与所述弹簧油缸之间通过球形铰接结构连接。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述监测系统包括：法向位移传感器，用于监测所述法向油缸的伸出量；压力传感器，设置在所述法向油缸与所述弹簧油缸之间，用于监测所述加载系统的压力变化；变形传感器，对应于所述弹簧油缸设置，用于监测所述弹簧油缸的伸出量。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述监测系统还包括动态图像采集单元，用于对所述试件的动态破坏方式进行捕捉。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述试件底座上端设置有水平滑移平台，用于放置所述试件，所述水平滑移平台具有升降滑轮，用于移动所述水平滑移平台并调整所述水平滑移平台高度与所述试件底座贴合。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述开挖系统包括电机，通过所述电机驱动的钻头，连接所述钻头和所述电机的钻杆、以及与所述钻杆固定连接的液压推进装置。

根据本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，所述开挖系统还包括与所述钻杆相配合的钻杆导向装置和钻杆升降装置，所述钻杆导向装置和所述钻杆升降装置分别用于调整所述钻头水平和垂直方向上的移动。

本发明还提供一种局部矿井刚度试验方法，包括如下步骤：

对所述试件施加第一法向力，所述第一法向力作为预紧力对所述试件进行位置保持；

对所述试件施加第二法向力，所述第二法向力对所述试件进行压力保持；

在所述第二法向力达到预设值后进行稳压；

对稳压后的所述试件进行局部开挖，当所述试件承载强度低于所述第二法向力的加载强度时，利用所述第二法向力对所述试件施加动载扰动进而诱发岩爆，同时记录分析所述试件的形变参数。

本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置，通过试件底座、加载框架、加载系统、监测系统、控制系统以及开挖装置组成的新型试验模拟装置，能够对试验岩体实施加载破坏，实时监测试验岩体的形变量，监测岩体发生冲击过程时试样的裂纹及破坏全过程，分析监测试验岩体破坏时的机理变化，实验室再现冲击地压及岩爆灾害发生全过程，可为冲击地压及岩爆相关的动力灾害前兆信息的获取提供借鉴意义；同时通过开挖系统逐步改变试验岩体刚度，模拟矿井在刚度降低时，上部载荷作用下发生冲击破坏，有利于理解冲击地压发生机理。

进一步，本发明提供的一种局部矿井刚度试验方法，由于采用上述装置进行试验，因此同样具备如上所述的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置的各部件组合示意图；

图2是本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置的加载主机与开挖系统的组合示意图；

图3是本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置的加载主机结构示意图；

图4是本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置的开挖系统结构示意图；

图5是本发明提供的一种局部矿井刚度试验装置的钻杆导向装置和钻杆升降装置结构示意图；

图6是本发明提供的一种局部矿井刚度试验方法的步骤流程图。

附图标记：

1-试件底座、11-水平滑移平台、12-升降滑轮；

2-动力加载系统、21-蓄能器、22-油源、23-弹簧油缸、24-加载压头；

3-加载框架；

4-法向加载系统、41-法向油缸；

5-开挖系统、51-钻杆、52-液压推进装置、53-电机、54-钻头、55-钻杆导向装置、56-钻杆升降装置；

61-控制台、62-控制柜；

71-法向位移传感器、72-压力传感器、73-变形传感器；

8-试件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现本发明提到的对局部矿井刚度的冲击地压及岩爆全过程实验再现进行研究，本发明结合图1-图6提供如下一种实施例：

本实施例提供一种局部矿井刚度试验装置，如图1-图5所示，该装置包括加载主机以及与加载主机连接的监测系统和控制系统，加载主机由试件底座1、加载框架3以及加载系统组成，加载框架3通过若干个立柱与试件底座1固定连接，中间形成镂空的实验加载区域，试件底座1用于放置试件8。加载系统与加载框架3连接，用于对试件8施加压力。

加载系统由法向加载系统4和动力加载系统2组成。其中，法向加载系统2主要为法向油缸41，设置在加载框架3的中心处，用于对试件8施加法向预紧。动力加载系统2主要包括弹簧油缸23以及为弹簧油缸23提供动载的蓄能器21和油源22，弹簧油缸23固定安装在法向油缸41的自由端部，用于对试件8实施动力破坏和冲击破坏。油源22主要为试验系统提供一定压力的油压及进一步为蓄能器21供油，蓄能器21用于模拟弹簧，在试件8加载过程中为其提供一定的动载，从而引发试件8发生动力破坏。蓄能器31为气囊式结构，通过气囊的膨胀将液压油推动至弹簧油缸23，使其瞬间弹出。蓄能器31通过给弹簧油缸23供油为试件8提供动载。弹簧油缸23的下端设置有加载压头24，对试件8进行均匀施压。值得一提的是，加载压头24与弹簧油缸23之间为球形铰接结构，能够在加载时随时调整角度，可防止偏载的产生对弹簧油缸23产生损伤，从而保护弹簧油缸23。

监测系统用于实时测量试件8的位移和变形量，其包括法向位移传感器71、压力传感器72以及变形传感器73。法向位移传感器71安装在法向油缸41上端，用于监测法向油缸41的伸出量。压力传感器72设置在法向油缸41与弹簧油缸23之间，用于监测试件8法向压力变化；变形传感器73设置在弹簧油缸23下端，用于监测弹簧油缸23的伸出量，即试样8的变形量。监测系统中除了加载系统中自带的传感器监测设备，还设置有动态图像采集单元，如可外配高速摄像机及动态DIC对岩石试样的动态破坏方式进行捕捉，进而计算岩爆过程中的能量释放问题，丰富完善试验系统中的监测手段及监测数据。

控制系统包括控制台61和控制柜62以及处理器，控制系统与加载系统和监测系统连接，操控台61主要用于控制法向油缸41和弹簧油缸23的升降以及相关传感器数据的监测及展示，控制柜62主要为试验系统供电及包含软件控制部分，处理器控制加载系统加载施力，并根据监测系统的实时数据来计算分析试件8在加载过程中的参数变化。

作为进一步的优化，试件底座1上端设置有水平滑移平台11，用于放置试件8。为了方便实验开始时试件8的放置，该水平滑移平台11设置有升降滑轮12，可以沿着试件底座1表面的轨道水平滑动。同样的，该升降滑轮12可以上下调整水平滑移平台11的高度，可以在试件8放置完成后降低水平滑移平台11使之与试件底座1贴合，这样防止实验时压力作用在升降滑轮12而导致升降滑轮12损坏影响实验进行。

本实施例的模拟装置还包括开挖系统5，用于对试件8进行局部开挖，改变试件8承载刚度。具体的，开挖系统5包括钻杆51、液压推进装置52、电机53以及钻头54。电机53驱动钻头54，钻杆51连接钻头54和电机53、液压推进装置52与钻杆51固定连接。电机53旋转通过钻杆51带动钻头54进行切割试件8，液压推进装置52用于为钻杆51提供一定量的水平推力，可有效对试件8进行切割。

开挖系统5通过钻杆51进行开挖，为了避免开挖过程中由于钻杆51过长产生引发钻杆51左右摆动，设置钻杆导向装置55和钻杆升降装置56，用于调整钻杆51水平及垂直方向上的移动。具体的，钻杆导向装置55为一长方形钢板，其上设置有通孔，用于对钻杆51进行定位。通孔上部设置为螺栓固定装置，可通过螺栓进行自由拆卸，方便于钻杆51的安装。钻杆导向装置55和钻杆升降装置56的配合用于调节钻头的位置，可实现在水平及垂直方向上小范围的移动，进而实现对试样8的精准开挖。

本实施例中的钻杆导向装置55和钻杆升降装置56设置在试件底座1的一侧边缘，当然，钻杆导向装置55和钻杆升降装置56可以设置在开挖系统5上，有可以单独的设置在试件底座1与开挖系统5之间。

该模拟装置的实验过程如下：

按照试件8强度确定好试验加载能力，并根据系统中液压油的压力进行推算蓄能器21中气囊压力，并采用高压氮气装置进行充氮或者放氮。

开启加载主机，将法向油缸41和弹簧油缸23升起，并将水平滑移平台11推出，装好试件8，这里可以采用30个数量的试件8，通过天车将加载压头24放置于水平滑移平台11上；再将水平滑移平台11水平推至加载主机的中心位置，即弹簧油缸23的正下端，通过调节水平滑移平台11底部的升降滑轮12，使其与试件底座1接触。

通过操控台61调节法向油缸41，法向油缸41带动弹簧油缸23进行移动，当移动至法向位移为273mm时，弹簧油缸23底部与加载压头24基本接触。此时设置法向油缸23控制方式为力控制方式，目标力为10KN，进行预紧。当压力传感器72显示压力值达到10KN左右时，此时可确保弹簧油缸23底部与加载压头24完全接触。

法向油缸41停止加载，做位移保持。调节弹簧油缸23的参数：设置弹簧油缸23目标值(比如6000KN)，进一步设置弹簧油缸23的加载速率(由于弹簧油缸23变形量较小，加载速度设置为力控制，一般为10KN/s)。点击开始试验，此时弹簧油缸23将按照10KN/s的速率不断伸出。

通过操控台61观测弹簧油缸23的出力及变形曲线，法向力曲线上3000KN左右，由于油源22同时开始向蓄能器21供油，加载速率略有降低，基本会在半分钟左右供油结束，曲线上升速度回升至原有速率，等到压力值基本达到目标值时，出力基本在目标值附近上下波动(波动幅度较小)，此时可进行半个小时左右的稳压时间，确保压力均匀地施加在每一个试样8上。

稳压过程结束，关闭蓄能器21进油口。此时整个局部刚度试验系统中的油源22为蓄能器，此时可按照开挖顺序进行变刚度试验。

采用开挖系统5中的开挖小车配合钻杆升降装置56及固定装置对试件8进行开挖，30个100mm×100mm×100mm的整体试件中以1个试件8为开挖单元，整体开挖过程可分4次进行，分别通过调节钻杆升降装置56及钻杆导向装置55将钻头54调节至开挖部位，同时在钻杆上做标记，严格保证一次开挖进尺为100mm，逐步改变试件8的承载刚度。

整个实验过程中，处理器根据监测系统的实时数据来计算分析试件8在加载过程中的参数变化，实时监测试验岩体的形变量，监测岩体发生冲击过程时试件8的裂纹及破坏全过程，对试件8的承载方式及破坏过程进行全方位监测，有效分析监测试验岩体破坏时的机理变化，弥补现场动力灾害事故相关数据缺失的严重问题。

同样，为实现本发明提到的基于局部系统刚度理论的冲击地压及岩爆模拟试验，本发明提供一种局部矿井刚度试验方法，如图6所示，该方法通过上述模拟装置实现，具体包含如下步骤：

步骤一：根据试件8强度对加载系统进行充能蓄压；

步骤二：安装试件8，将预定数量的试件8放置于水平滑移平台11上；

步骤三：控制法向加载系统4对试件8施加压力进行法向加载预紧；

步骤四：停止法向加载系统4加载并对试件8做位移保持，根据动力加载系统2的预定加载参数对试件8进行加载，控制系统根据监测系统的实时数据来计算分析试件8在加载过程中的参数变化，通过控制台61观测弹簧油缸23的出力及变形曲线，控制弹簧油缸23输出压力达到稳压。

步骤五：通过控制系统观测到弹簧油缸23输出压力达到稳压后，关闭蓄能器21进油口。

步骤六：在动力加载系统2设定压力下，通过开挖系统5对试件8进行局部开挖，改变试件8承载刚度，当试件8承载刚度低于上部加载刚度时，引发蓄能器21作用导致弹簧油缸23对试样8施加动载扰动进而诱发岩爆，同时，控制系统根据监测系统的实时数据来计算分析试件8在加载过程中的参数变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，包括：

试件底座，用于放置试件；

加载框架，与所述试件底座固定连接；

加载系统，与所述加载框架连接，用于对所述试件施加压力；

开挖系统，用于对所述试件进行开挖，改变所述试件承载刚度；

监测系统，用于实时测量所述试件的力学响应特征；

控制系统，与所述加载系统和所述监测系统电连接，控制所述加载系统加载方式，并根据所述监测系统的实时数据来计算分析所述试件在加载过程中的参数变化。

2.根据权利要求1所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述加载系统包括：

法向加载系统，设置在所述加载框架上，用于对所述试件施加法向预紧力；

动力加载系统，设置在所述法向加载系统的自由端部，用于对所述试件实施动载扰动进而诱发岩爆。

3.根据权利要求2所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述法向加载系统包括法向油缸，所述动力加载系统包括弹簧油缸以及与所述弹簧油缸连接的蓄能器。

4.根据权利要求3所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述弹簧油缸的下端设置有加载压头，所述加载压头与所述弹簧油缸之间通过球形铰接结构连接。

5.根据权利要求4所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述监测系统包括：

法向位移传感器，用于监测所述法向油缸的伸出量；

压力传感器，设置在所述法向油缸与所述弹簧油缸之间，用于监测所述加载系统的压力变化；

变形传感器，对应于所述弹簧油缸设置，用于监测所述弹簧油缸的伸出量。

6.根据权利要求5所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述监测系统还包括动态图像采集单元，用于对所述试件的动态破坏方式进行捕捉。

7.根据权利要求4所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述试件底座上端设置有水平滑移平台，用于放置所述试件，所述水平滑移平台具有升降滑轮，用于移动所述水平滑移平台并调整所述水平滑移平台高度与所述试件底座贴合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述开挖系统包括电机，通过所述电机驱动的钻头，连接所述钻头和所述电机的钻杆、以及与所述钻杆固定连接的液压推进装置。

9.根据权利要求8所述的一种局部矿井刚度试验装置，其特征在于，所述开挖系统还包括与所述钻杆相配合的钻杆导向装置和钻杆升降装置，所述钻杆导向装置和所述钻杆升降装置分别用于调整所述钻头水平和垂直方向上的移动。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种局部矿井刚度试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

对所述试件施加第一法向力，所述第一法向力作为预紧力对所述试件进行位置保持；

对所述试件施加第二法向力，所述第二法向力对所述试件进行压力保持；

在所述第二法向力达到预设值后进行稳压；

对稳压后的所述试件进行局部开挖，当所述试件承载强度低于所述第二法向力的加载强度时，利用所述第二法向力对所述试件施加动载扰动进而诱发岩爆，同时记录分析所述试件的形变参数。

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