CN114910345A - 一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法，包括梯度应力施加模组、轴向静载施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压缸、分油管路和梯度静载控制箱；轴向静载施加模组为设置于侧梁一内侧底部的活塞缸，用于对试件施加轴向静载；动载施加模组包括子弹、入射杆，子弹冲击入射杆对试件施加动载；应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、电脑终端，传感器粘贴于试件上，传感器的接线端子连接超动态应变仪，超动态应变仪与示波器、电脑终端依次相连；本发明能够更好的模拟出单一岩体或组合岩体在实际受力环境下的动载冲击情况。

Description

一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，特别是涉及一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法。

背景技术

深部资源开发是人类必然的选择，随着煤炭资源消耗的加剧，煤炭开采向深部转移，矿压显现更加剧烈。深部岩体高应力下的动力扰动，对巷道及工作面的影响不可忽视。动载的扰动不但能够引起局部应力的增加，降低岩体强度，而且会对扰动范围内的应力分布造成影响，改变原本的应力分布，加速围岩变形失稳，致支护结构体失效，不利于深井巷道的维护，制约了煤炭高效开采。

高地应力与强动载扰动的综合作用是动载巷道失稳破坏的根源，应力波从震源地点传递到冲击发生地点处的传播机理是冲击剧烈程度的重要影响因素，近年来，许多学者针对岩体受动载的试验装置做了许多改进，关于动载作用在岩体中的室内试验已有很多成果，但是，大多数专利仅仅探讨了没有围压作用时单一岩体受动载的作用机理，关于岩体受二维应力场的研究几乎处于空白状态，另外考虑到围岩受力环境为梯度应力，因此，综合考虑梯度高地应力与强动载扰动影响，本领域技术人员亟需设计一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够更好的模拟出单一岩体或组合岩体在实际受力环境下的动载冲击情况。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，包括梯度应力施加模组、轴向静载施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；

其中，所述梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压缸、分油管路和梯度静载控制箱；所述底座固定于地面上，所述侧梁一和所述侧梁二分别设置于所述底座的顶部两侧，所述侧梁二上开设有通孔，所述横梁连接于所述侧梁一和所述侧梁二的顶端，所述横梁底部的所述侧梁一与所述侧梁二之间还设置有所述承载钢板，所述承载钢板与所述底座之间设置有支撑杆，所述承载钢板的顶部用于放置试件；所述横梁的底部设置有对所述试件进行竖向加载的液压缸，所述液压缸通过所述分油管路连接所述梯度静载控制箱；

所述轴向静载施加模组为设置于所述侧梁一内侧底部的活塞缸，所述活塞缸用于对所述试件施加轴向静载；

所述动载施加模组包括子弹、入射杆，所述入射杆设置于所述侧梁二的外侧并与所述通孔相对，所述通孔的外径大于所述入射杆的外径，所述子弹冲击所述入射杆对所述试件施加动载；

所述应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、电脑终端，所述传感器粘贴于试件上，所述传感器的接线端子连接所述超动态应变仪，所述超动态应变仪与所述示波器、所述电脑终端依次相连。

优选地，所述底座通过落地钉固定于地面上。

优选地，所述横梁的两端分别与所述侧梁一、所述侧梁二榫接。

优选地，所述通孔上安装有法兰盘，所述法兰盘、所述试件和所述入射杆同轴心。

优选地，所述支撑杆相对设置有两排，每排中的各个所述支撑杆横向均布。

优选地，所述试件的顶部还无间隔的分布有方铁板，各个所述方铁板的顶部均设置有圆铁板，每个所述圆铁板相对连接一个所述液压缸。

优选地，每个所述液压缸与其相对的所述圆铁板和方铁板均同轴心设置。

优选地，所述试件的两个侧端面上还设置有方铁板。

基于上述二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，本发明还提供了一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试件按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，配比完成后，得到试件，控制梯度静载控制箱，将液压缸伸缩杆缩回，将所述试件放置在承载钢板上，将若干块方铁板对齐放置在所述试件上方，所述试件两侧端面也均放置一块方铁板；

步骤二、移动入射杆使入射杆与法兰盘接触，为了保证充分接触，在所述法兰盘与所述入射杆接触界面均匀涂抹黄油；在所述试件上粘贴传感器，将所述传感器接至动态应变仪上，将所述动态应变仪连接至示波器上，所述示波器与电脑终端相连；

步骤三、控制梯度静载控制箱，沿试件轴向方向对试件施加线性或非线性梯度应力；控制外部手动液压泵使活塞缸伸出对所述试件施加轴向荷载；

步骤四、发射子弹，所述子弹冲击所述入射杆，所述入射杆穿过所述法兰盘打至所述试件上，通过所述试件上的传感器接收应力波信号，采用动态应变仪采集应力波信号同步至所述示波器进行观察，并在电脑终端进行处理；

步骤五、试验结束，观察应力波传播规律及试件破坏特征，通过所述梯度静载控制箱操纵所述液压缸升起，将所述试件卸下。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法，综合考虑岩体所受应力环境与动载冲击，设计了更符合岩体受力的试验装置，通过入射杆冲击试件岩体(煤-岩-煤、煤岩体等)，可以观察到梯度应力与轴向应力下应力波的传播规律及破坏特征，揭示了梯度应力下岩体的破断规律。

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为本发明中二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置的立体图；

图2为本发明中梯度应力施加模组、轴向静载施加模组、动载施加模组的立体装配图；

图3为图2的主视图；

图4为试件与轴向静载施加模组、动载施加模组的俯视装配图；

图中：1-电脑终端；2-示波器；3-动态应变仪；4-连接线；5-试件；6-方铁板；7-横梁；8-分油管路；91-侧梁一；92-侧梁二；10-梯度静载控制箱；11-法兰盘；12-传感器；13-入射杆；14-子弹；15-活塞缸；16-液压缸；17-承载钢板；18-底座，19-支撑杆；20-圆铁板。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，如图1-4所示，包括梯度应力施加模组、轴向静载施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；

其中，梯度应力施加模组包括底座18、侧梁一91、侧梁二92、横梁7、支撑杆19、承载钢板17、液压缸16、分油管路8和梯度静载控制箱10；底座18通过落地钉固定在地面上，侧梁一91和侧梁二92分别设置于底座18的顶部两侧，侧梁二92上开设有通孔，横梁7连接于侧梁一91和侧梁二92的顶端，且横梁7的两端分别与侧梁一91、侧梁二92榫接，横梁7底部的侧梁一91与侧梁二92之间还设置有承载钢板17，承载钢板17与底座18之间设置有支撑杆19，支撑杆19相对设置有两排，每排中的各个支撑杆19横向均布，承载钢板17的顶部用于放置试件5；横梁7的底部设置有对试件5进行竖向加载的液压缸16，液压缸16通过分油管路8连接梯度静载控制箱10；

轴向静载施加模组为设置于侧梁一91内侧底部的活塞缸15，活塞缸15用于对试件5施加轴向静载；

动载施加模组包括子弹14和入射杆13，入射杆13设置于侧梁二92的外侧并与通孔相对，通孔的外径大于入射杆13的外径，通孔上安装有法兰盘11，法兰盘11、试件5和入射杆13同轴心，子弹14冲击入射杆13对试件5施加动载；

应力波监测模组包括传感器12、超动态应变仪3、示波器2、电脑终端1，传感器12粘贴于试件5上，传感器12的接线端子通过连接线4连接超动态应变仪3，超动态应变仪3与示波器2、电脑终端1依次相连。

于本具体实施例中，试件5的顶部还无间隔的分布有方铁板6，各个方铁板6的顶部均设置有圆铁板20，每个圆铁板20相对连接一个液压缸16；每个液压缸16与其相对的圆铁板20和方铁板6均同轴心设置。为了放置载荷冲击损坏试件5，在试件5的两个侧端面上也设置有方铁板6。

基于上述二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，本实施例还提供了一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试件5按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，配比完成后，得到试件5，控制梯度静载控制箱10，将液压缸16伸缩杆缩回，将试件5放置在承载钢板17上，将若干块方铁板6对齐放置在试件5上方，试件5两侧端面也均放置一块方铁板6；

步骤二、移动入射杆13使入射杆13与法兰盘11接触，为了保证充分接触，在法兰盘11与入射杆13接触界面均匀涂抹黄油；在试件5上粘贴传感器12，将传感器12接至动态应变仪3上，将动态应变仪3连接至示波器2上，示波器2与电脑终端1相连；

步骤三、控制梯度静载控制箱10，沿试件5轴向方向对试件5施加线性或非线性梯度应力；控制外部手动液压泵使活塞缸15伸出对试件5施加轴向荷载；

步骤四、发射子弹14，子弹14冲击入射杆13，入射杆13穿过法兰盘11打至试件5上，通过试件5上的传感器12接收应力波信号，采用动态应变仪3采集应力波信号同步至示波器2进行观察，并在电脑终端1进行处理；

步骤五、试验结束，观察应力波传播规律及试件5破坏特征，通过梯度静载控制箱10操纵液压缸16升起，将试件5卸下。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：包括梯度应力施加模组、轴向静载施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；

其中，所述梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压缸、分油管路和梯度静载控制箱；所述底座固定于地面上，所述侧梁一和所述侧梁二分别设置于所述底座的顶部两侧，所述侧梁二上开设有通孔，所述横梁连接于所述侧梁一和所述侧梁二的顶端，所述横梁底部的所述侧梁一与所述侧梁二之间还设置有所述承载钢板，所述承载钢板与所述底座之间设置有支撑杆，所述承载钢板的顶部用于放置试件；所述横梁的底部设置有对所述试件进行竖向加载的液压缸，所述液压缸通过所述分油管路连接所述梯度静载控制箱；

所述轴向静载施加模组为设置于所述侧梁一内侧底部的活塞缸，所述活塞缸用于对所述试件施加轴向静载；

所述动载施加模组包括子弹和入射杆，所述入射杆设置于所述侧梁二的外侧并与所述通孔相对，所述通孔的外径大于所述入射杆的外径，所述子弹冲击所述入射杆对所述试件施加动载；

所述应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、电脑终端，所述传感器粘贴于试件上，所述传感器的接线端子连接所述超动态应变仪，所述超动态应变仪与所述示波器、所述电脑终端依次相连。

2.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述底座通过落地钉固定于地面上。

3.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述横梁的两端分别与所述侧梁一、所述侧梁二榫接。

4.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述通孔上安装有法兰盘，所述法兰盘、所述试件和所述入射杆同轴心。

5.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述支撑杆相对设置有两排，每排中的各个所述支撑杆横向均布。

6.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述试件的顶部还无间隔的分布有方铁板，各个所述方铁板的顶部均设置有圆铁板，每个所述圆铁板相对连接一个所述液压缸。

7.根据权利要求6所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：每个所述液压缸与其相对的所述圆铁板和方铁板均同轴心设置。

8.根据权利要求1所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于：所述试件的两个侧端面上还设置有方铁板。

9.一种二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验试验方法，应用权利要求1-8任一项所述的二维梯度应力下岩体受动载冲击的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、试件按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，配比完成后，得到试件，控制梯度静载控制箱，将液压缸伸缩杆缩回，将所述试件放置在承载钢板上，将若干块方铁板对齐放置在所述试件上方，所述试件两侧端面也均放置一块方铁板；

步骤二、移动入射杆使入射杆与法兰盘接触，为了保证充分接触，在所述法兰盘与所述入射杆接触界面均匀涂抹黄油；在所述试件上粘贴传感器，将所述传感器接至动态应变仪上，将所述动态应变仪连接至示波器上，所述示波器与电脑终端相连；

步骤三、控制梯度静载控制箱，沿试件轴向方向对试件施加线性或非线性梯度应力；控制外部手动液压泵使活塞缸伸出对所述试件施加轴向荷载；

步骤四、发射子弹，所述子弹冲击所述入射杆，所述入射杆穿过所述法兰盘打至所述试件上，通过所述试件上的传感器接收应力波信号，采用动态应变仪采集应力波信号同步至所述示波器进行观察，并在电脑终端进行处理；

步骤五、试验结束，观察应力波传播规律及试件破坏特征，通过所述梯度静载控制箱操纵所述液压缸升起，将所述试件卸下。

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