CN113447365A - 一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置及试验方法，装置包括：垫板，其顶部固定有静态加载液缸；垫板顶部与静态加载液缸并列布置有液压管路连通的动态加载液缸；动态加载液缸顶部连接有竖向扰动杆；夹具垫板底部连接静态加载液缸，且与竖向扰动杆动态接触；夹具垫板顶部设置有连接竖直布置的传力杆的传感器组；承压板包括穿过传力杆的上承压板和下承压板；煤体试样杆位于上承压板和下承压板之间；上承压板底部安装有冲击动态传感器；冲击砝码套设于传力杆顶部。本发明在蠕变试验过程中施加不同波形的冲击扰动，开展由周期性附加冲击扰动引发的煤体破损和冲击地压现象，从而使深井巷道围岩蠕变冲击失稳预测结果更加科学和客观。

Description

一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学性能测试技术领域，具体的说是涉及一种用于煤体蠕变条件下施加动态应力波形加载式煤体冲击扰动加载及其应用，更具体的说涉及一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置及试验方法。
背景技术
随着煤炭开采逐步向深部发展，在复杂的应力环境下，深井巷道围岩的蠕变特性将更加显著，扰动条件下的此类巷道围岩极易发生突变失稳甚至是冲击地压显现。煤矿进入深部开采后，由扰动荷载引起的巷道围岩蠕变冲击时有发生，且隐蔽性更强、预警难度更大。
煤体的蠕变特性是引起矿山巷道、岩质边坡等工程变形与失稳的重要原因之一，在采矿活动中开挖卸载、爆破震动、顶板断裂、断层滑移等引起动应力叠加影响下可能诱发煤体破裂甚至冲击地压，因此考虑该动应力扰动对深部煤体力学行为的影响已不可忽略，从深部煤体蠕变条件下受动应力作用的角度出发研究煤体动力学行为更具有工程意义。
现有的煤体蠕变力学试验设备可以进行单轴、三轴等常规蠕变力学试验，但是无法开展在蠕变试验过程中受到冲击扰动的试验。因此，如何提供一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置及试验方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明的一个目的在于提出一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，满足煤体蠕变力学试验需求。
本发明提供了一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，包括：
垫板，所述垫板固定于测试位置；
静态加载液缸，所述垫板顶部固定有所述静态加载液缸；
动态加载液缸，所述垫板顶部与所述静态加载液缸并列布置有液压管路连通的所述动态加载液缸；
竖向扰动杆，所述动态加载液缸顶部连接有用于传递动态载荷的所述竖向扰动杆；
夹具垫板，所述夹具垫板底部连接所述静态加载液缸，且与所述竖向扰动杆动态接触；
传力杆，所述夹具垫板顶部设置有传感器组，所述传感器组上连接有竖直布置的所述传力杆；
承压板，所述承压板包括穿过所述传力杆的上承压板和下承压板；煤体试样杆位于所述上承压板和下承压板之间；所述上承压板底部安装有冲击动态传感器；
以及冲击砝码，所述冲击砝码套设于所述传力杆顶部，用于对煤体试样杆施加冲击载荷。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，包括如下优点：
1、引入蠕变试验设备实现法向重力加载保持长时蠕变，在单轴或真三轴应力蠕变过程中可选择性施加不同波形，如正弦波、三角波、方波、斜波等特殊波形周期性扰动加载，从而为煤体蠕变条件下冲击扰动失稳的进一步的研究创造了有利条件；
2、本发明使用了液压静力加载，在开展蠕变试验加载时不需要使用电力保持载荷，极高的减轻了试验期间的电力损耗，试验期间安全性高，仪器本体以及试验的可靠性均有较高保障；
3、本发明采用的上部轴向冲击系统操作使用安全，可自由设定投放高度和更换不同重量砝码；
4、可以依托本发明开展由周期性附加冲击扰动引发的煤体破损和冲击地压现象，并对该现象进行实验室内的还原与监测，可以较为系统的进行巷道长期稳定性和冲击地压检测预警研究。
进一步地，所述传感器组包括静态传感器、动态传感器及压力传感器，所述静态传感器与所述静态加载液缸连接用于显示静态加载压强；所述动态传感器与所述动态加载液缸连接用于显示动态加载压强，所述压力传感器连接所述静态传感器和所述动态传感器。
进一步地，所述静态加载液缸和所述动态加载液缸采用水作为加载液。
进一步地，所述动态加载液缸通过竖向扰动杆与夹具垫板之间的点荷载经传递、转换成为对煤体试样杆的冲击扰动，最大动态试验力±200KN，动力扰动频率范围0.01-10HZ，相应振幅±25mm。
进一步地，所述静态加载液缸持续施加蠕变静态应力，最大静态试验力±300KN，试验力准确度±1.0％或±0.5％，位移准确度±0.5％FS。
进一步地，所述上承压板和所述下承压板弯曲变形≤0.06°。
进一步地，所述冲击砝码附加动载大于等于12吨，最大冲击能量大于150KJ。
进一步地，所述传力杆顶部具有固定块，所述固定块底部设置有用于放置冲击砝码的卡槽。
进一步地，所述冲击砝码通过安全锁链连接于下落滑竿上；冲击结束也不会飞跃伤人。
本发明的另一个目的在于提供一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、静态加载液缸向夹具垫板加压，按照位移控制以0.001mm/s速率给试样底部施加垂直静载25MPa，通过静态传感器将载荷传递给煤体试样杆，实现静态力的蠕变加载；
S2、将多组冲击砝码分别放置在卡槽中并套置在传力杆上，进行蠕变冲击扰动试验时，打开卡槽，依次释放冲击砝码，使冲击砝码沿着传力杆自由下落击打上承压板，产生冲击荷载，实现不同重量的砝码自由下落产生应力冲击，并经过动态传感器和传力杆将冲击荷载传递给煤体试样杆；
S3、动态加载液缸采用单轴载荷加载控制，控制竖向扰动杆以2×10-3s-1频率和10KN负荷，按0.5MPa/s加载至10kN；保压1-1.5h后，根据具体工程背景选择性施加不同波形，频率为5Hz，循环100次，进行快速周期性地循环撞击夹具垫板，碰撞所激发的应力波沿着动态传感器传递至煤体试样杆处，这个应力波即为施加的扰动动载，通过对夹具垫板产生的点荷载经传递、转换成为对煤体试样杆的动力扰动。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置的试验方法，本发明在蠕变试验过程中施加不同波形的冲击扰动，开展由周期性附加冲击扰动引发的煤体破损和冲击地压现象，从而使深井巷道围岩蠕变冲击失稳预测结果更加科学和客观。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置的结构示意图；
图中：1-卡槽，2-冲击砝码，3-传力杆，4-上承压板，5-冲击动态传感器，6-煤体试样杆，7-下承压板，8-压力传感器，9-静态传感器，10-动态传感器，11-夹具垫板，12-竖向扰动杆杆，13-静态加载液缸，14-动态加载液缸，15-垫板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例公开了一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，参见附图1，包括：
冲击砝码2放置在卡槽1中并套置在传力杆3上，冲击砝码2产生的冲击载荷通过传力杆3传递给煤体试样杆；冲击砝码2附加动载可达12吨以上，最大冲击能量可150KJ；冲击能量通过高度和重量计算即可求得。
上承压板5、下承压板7极低的弯曲变形≤0.06°，拥有较高的硬度以抵抗弯曲变形；
煤体试件杆6放置在下承压板7上，通过传力杆3连接压力传感器8，压力传感器连接静态传感器9及动态传感器10；
静态加载液缸13持续施加蠕变静态应力，最大静态试验力±300KN，试验力准确度:±1.0％或±0.5％，位移准确度:±0.5％FS，可实现蠕变静态力的加载。
动态加载液缸14通过竖向扰动杆12与夹具垫板11之间的点荷载经传递、转换成为对试样的冲击扰动，最大动态试验力±200KN，动力扰动频率范围0.01-10Hz，相应振幅±25mm，可更加具体工程条件选择施加正弦循环载荷、三角波、方波、斜波等特殊波形，实现模拟如爆破震动、顶板断裂和断层滑移等加载的动力扰动。
静态加载液缸13与动态加载液缸14之间连接管路，静态加载液缸13连接上部静态传感器9，动态加载液缸14连接上部动态传感器10，可实时显示加载压强；
使用水作为加载液体，降低因液压油粘稠造成的管路阻力及压力损失，使载荷传递更加灵敏可靠。
本发明公开的试验方法为：
首先，静态加载液缸13向夹具垫板11加压，按照位移控制以0.001mm/s速率给试样底部施加垂直静载25MPa，通过静态传感器9将载荷传递给煤体试样杆6，实现静态力的蠕变加载。
其次，分别将2kg一组、5kg一组、10kg一组的冲击砝码2放置在卡槽1中并套置在传力杆3上，进行蠕变冲击扰动试验时，拿掉卡槽1，释放冲击砝码2，使冲击砝码2沿着传力杆3自由下落击打上承压板4，产生冲击荷载，实现不同重量的砝码自由下落产生应力冲击，并经过动态传感器5和传力杆3将冲击荷载传递给煤体试样杆6。
最后，动态加载液缸14采用单轴载荷加载控制，控制竖向扰动杆12以2×10-3s-1频率和10KN负荷，按0.5MPa/s加载至10kN；保压1-1.5h后，根据具体工程背景选择性施加正弦循环载荷、三角波、方波、斜波等特殊波形，频率为5Hz，循环100次，进行快速周期性地循环撞击夹具垫板11，碰撞所激发的应力波沿着动态传感器10传递至煤体试样杆处，这个应力波即为施加的扰动动载，通过对夹具垫板11产生的点荷载经传递、转换成为对试煤体试样杆6的动力扰动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，包括：
垫板，所述垫板固定于测试位置；
静态加载液缸，所述垫板顶部固定有所述静态加载液缸；
动态加载液缸，所述垫板顶部与所述静态加载液缸并列布置有液压管路连通的所述动态加载液缸；
竖向扰动杆，所述动态加载液缸顶部连接有用于传递动态载荷的所述竖向扰动杆；
夹具垫板，所述夹具垫板底部连接所述静态加载液缸，且与所述竖向扰动杆动态接触；
传力杆，所述夹具垫板顶部设置有传感器组，所述传感器组上连接有竖直布置的所述传力杆；
承压板，所述承压板包括穿过所述传力杆的上承压板和下承压板；煤体试样杆位于所述上承压板和下承压板之间；所述上承压板底部安装有冲击动态传感器；
以及冲击砝码，所述冲击砝码套设于所述传力杆顶部，用于对煤体试样杆施加冲击载荷。
2.根据权利要求1所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述传感器组包括静态传感器、动态传感器及压力传感器，所述静态传感器与所述静态加载液缸连接用于显示静态加载压强；所述动态传感器与所述动态加载液缸连接用于显示动态加载压强，所述压力传感器连接所述静态传感器和所述动态传感器。
3.根据权利要求1所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述静态加载液缸和所述动态加载液缸采用水作为加载液。
4.根据权利要求1所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述动态加载液缸通过竖向扰动杆与夹具垫板之间的点荷载经传递、转换成为对煤体试样杆的冲击扰动，最大动态试验力±200KN，动力扰动频率范围0.01-10HZ，相应振幅±25mm。
5.根据权利要求4所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述静态加载液缸持续施加蠕变静态应力，最大静态试验力±300KN，试验力准确度±1.0％或±0.5％，位移准确度±0.5％FS。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述上承压板和所述下承压板弯曲变形≤0.06°。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述冲击砝码附加动载大于等于12吨，最大冲击能量大于150KJ。
8.根据权利要求7所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述传力杆顶部具有固定块，所述固定块底部设置有用于放置冲击砝码的卡槽。
9.根据权利要求8所述的一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置，其特征在于，所述冲击砝码通过安全锁链连接于下落滑竿上。
10.一种波形加载式煤体蠕变冲击扰动加载装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、静态加载液缸向夹具垫板加压，按照位移控制以0.001mm/s速率给试样底部施加垂直静载25MPa，通过静态传感器将载荷传递给煤体试样杆，实现静态力的蠕变加载；
S2、将多组冲击砝码分别放置在卡槽中并套置在传力杆上，进行蠕变冲击扰动试验时，打开卡槽，依次释放冲击砝码，使冲击砝码沿着传力杆自由下落击打上承压板，产生冲击荷载，实现不同重量的砝码自由下落产生应力冲击，并经过动态传感器和传力杆将冲击荷载传递给煤体试样杆；
S3、动态加载液缸采用单轴载荷加载控制，控制竖向扰动杆以2×10-3s-1频率和10KN负荷，按0.5MPa/s加载至10kN；保压1-1.5h后，根据具体工程背景选择性施加不同波形，频率为5Hz，循环100次，进行快速周期性地循环撞击夹具垫板，碰撞所激发的应力波沿着动态传感器传递至煤体试样杆处，这个应力波即为施加的扰动动载，通过对夹具垫板产生的点荷载经传递、转换成为对煤体试样杆的动力扰动。
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