WO2019165787A1

WO2019165787A1 - 一种加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法

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Publication number: WO2019165787A1
Application number: PCT/CN2018/111402
Authority: WO
Inventors: 谭云亮; 刘学生; 赵同彬; 宋世琳; 尹延春; 范德源
Original assignee: 山东科技大学
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-09-06
Also published as: CN109269902A; CN109269902B

Abstract

一种加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法，试验系统包括加载单元(1)，用于对岩石试件(5)进行加载；变刚度单元(2)，用于在加载过程中调节加载单元(1)的刚度；监测单元(3)，用于监测岩石试件(5)的压力变化和加载单元(1)的刚度变化，并生成监测数据；数据分析单元(4)，分别与加载单元(1)、变刚度单元(2)和监测单元(3)相连接，数据分析单元(4)用于控制加载单元(1)加载，且数据分析单元(4)还用于对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元(2)调节加载单元(1)的刚度。加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法使岩石力学试验更加贴近实际生产状况，不仅填补了国内外在这一领域的空白，还具有试验操作简便、研究结果更加准确等优点。

Description

一种加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验系统技术领域，尤其涉及一种加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法。

背景技术

冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害之一。随着煤炭开采向深部转移，冲击地压事故频繁发生，造成了大量人员伤亡和财产损失，严重影响煤矿安全高效生产。例如，2013年1月12日，辽宁省阜新矿业公司五龙煤矿发生冲击地压事故，造成8人死亡；2015年7月29日，山东兖矿集团赵楼煤矿1305孤岛工作面发生冲击地压事故，造成5人受伤；2016年8月15日，山东省梁宝寺煤矿35000采区集中皮带巷发生冲击地压事故，造成2人死亡。为此，国内外学者针对冲击地压开展了多年的研究，取得了较丰富的成果，但是由于冲击地压自身的复杂性，目前仍有很多难题没有解决，煤矿冲击地压防治成为世界性疑难杂症之一，是国内外攻关研究的热点问题。试验研究是揭示冲击地压孕灾机理、能量释放规律的最基本手段之一，岩石力学试验机则是试验研究的必备工具。

岩石力学试验机经历了从开始的杠杆加载和手工操作，到目前的液压加载和计算机控制，其功能越来越多，性能也越来越好。在试验机的发展过程中有两大进步，一是刚性试验机的应用，二是反馈伺服系统的实现，引领了岩石力学试验机的发展。目前，现有的岩石力学试验机大多数是采用液压油缸进行加载，利用一高刚度金属柱作为承压柱，试验机加载刚度近似不变，其中，以美国MTS公司生产的电液伺服三轴试验机最为著名。国内外学者利用这些试验机研究煤岩的变形破坏、裂纹扩展演化及失稳特征等问题，取得了丰富的成果。

然而，由于现场实际地质工程条件复杂，煤体被顶底板岩层夹持，由于顶底板条件的不同，导致煤体的变形破坏不仅与受力有关，还受到顶底板条件的影响，即围岩岩性组合及加卸载过程等变化，使相同/相近岩性的煤体表现出明显不同的力学行为。由于现有试验机加载刚度固定，与现场工程实际加载条件不完全相同，获得的试验结果与现场工程煤体实际有较大差异，且无法开展不同加载刚度条件下试件变形破坏及能量演化规律试验，故无法揭示不同类型顶底板释放能量诱发煤岩体动力灾害机理。因此，现有的岩石力学试验机存在较大局限性。

发明内容

为了开展不同加载刚度条件下试件变形破坏及能量演化规律试验，揭示不同类型顶底板释放能量诱发煤岩体动力灾害机理，本发明提供一种能实现试件不同刚度加载试验、操作简单方便、符合现场工程实际加载条件的加载刚度可调岩石力学试验系统及试验方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种加载刚度可调岩石力学试验系统，其包括：

加载单元，用于对试件进行加载；

变刚度单元，用于在加载过程中调节加载刚度；

监测单元，用于监测所述试验系统加载刚度，以及试件的压力和位移变化，并生成监测数据；

数据分析单元，分别与所述加载单元、变刚度单元和监测单元相连接，数据分析单元用于控制加载单元加载，且数据分析单元还用于对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元调节加载刚度。

进一步地，所述加载单元包括底座、加载油缸、上压盘、下压盘、压力室和加载伺服控制器，在底座的上表面两侧间隔地固定有两个机架，两个机架上部通过横架相连接；所述的加载油缸固定在底座的上表面，且位于两个机架之间；所述上压盘与变刚度单元的底部相连接，下压盘与加载油缸的活塞杆相连接；所述的压力室设置在加载油缸上方，上压盘和下压盘分别穿设在压力室的内部上方和下方，试件放置在上压盘和下压盘之间；所述的加载伺服控制器，分别与加载油缸和数据分析单元相连接。

进一步地，所述变刚度单元包括伺服油缸、油箱和变刚度伺服控制器，所述伺服油缸设置在横架的下方，且伺服油缸的活塞杆与上压盘相连接；所述油箱与伺服油缸和变刚度伺服控制器相连接；所述变刚度伺服控制器与伺服油缸和数据分析单元相连接。

进一步地，所述监测单元包括压力传感器、位移传感器和信号采集器，所述压力传感器设置在横架与伺服油缸之间，所述位移传感器设置在上压盘上，且位于压力室的上方，所述信号采集器前端与压力传感器和位移传感器相连接，后端与数据分析单元相连接。

进一步地，所述压力室的侧壁上还设有可打开和关闭的仓门。

本发明变刚度伺服控制器的作用：一是执行改变刚度命令时，通过控制油箱的排(进)油来实现伺服油缸刚度的改变；二是在试验中，可通过快速排(进)油调节来保持加载刚度的恒定。

本发明的可调岩石力学试验系统加载刚度的调节方法，其包括以下步骤：

第一步、将试件放置到压力室中；

第二步、预设加载刚度值，控制加载单元对试件进行加载；

第三步、实时监测试件的压力变化和变刚度单元的刚度变化，一旦发现变刚度单元刚度值偏离设定值，通过变刚度伺服控制器快速进行调整，使其刚度始终保持在设定值；具体为：压力传感器实时监测试件的压力值，即为伺服油缸的压力值，位移传感器监测伺服油缸的位移变化，根据当前压力值和设定的加载刚度值计算确定伺服油缸所需的压缩位移，结合伺服油缸已有的位移变化，确定其需要改变的位移，通过变刚度伺服控制器控制油箱对伺服油缸进行排(进)油，使伺服油缸的压缩位移达到所需的压缩值，实现将变刚度单元的刚度值调节至设定值；

第四步、加载单元继续加载，变刚度单元调节加载刚度值保持恒定，或再次按照第三步记载的方法将变刚度单元的刚度值调节至下一设定值。

利用本发明试验系统对不同顶板刚度下煤体力学特性的试验方法为：

第一步：试件制作

将多组不同刚度顶板岩样和待测煤试样分别加工成多个标准圆柱体试件，要求每个加载刚度下待测煤试样试件数不少于三组；

第二步：确定不同顶板的刚度值

对不同顶板的试件进行加载试验，得到不同顶板试件的应力-应变曲线，根据不同顶板试件的应力-应变曲线得到不同顶板试件的弹性模量，同时测得不同顶板试件的横截面积，根据公式求得不同顶板的刚度：

式中，

k——顶板刚度，单位，N/m；

E——顶板岩样试件弹性模量，单位，MPa；

A——顶板岩样试件横截面积，单位m ²；

L——顶板岩样试件的高度，单位，m；

第三步：选取第二步确定的某一顶板的刚度值作为加载刚度值，对待测煤试件在该刚度下的抗压强度值和弹性模量值进行试验

第3.1步：加载试验

试验前，首先预设变刚度岩石力学试验机的加载刚度值等于该顶板的刚度值，将待测煤试件放置到压力室中；然后启动试验机，使其对待测煤试件进行加载试验，在加载试验过程中，实时采集压力传感器和位移传感器监测到的数据，根据设定的刚度值与当前压力值确定相对应的伺服油缸压缩位移，结合伺服油缸已有的位移，不断地通过排油或进油调整伺服油缸的压缩位移，以实现加载过程中刚度值的恒定，通过加载试验获得待测煤试件在该预设刚度下的应力—应变曲线；

第3.2步：重复加载试验

更换煤试件，重复步骤3.1的试验，对该刚度下加载试验至少进行三次，每次得到一个待测煤试件的应力—应变曲线，每个应力—应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值；

第3.3步：将多次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，该平均值即为待测煤试件此刚度下的抗压强度和弹性模量；

第四步：更换加载刚度值，重复步骤三方法，从而得到待测煤试件在新的试验刚度下的抗压强度和弹性模量；以此类推，直到得到待测煤试件在所有刚度下的抗压强度和弹性模量；

第五步：绘制出不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线

根据得到的各个顶板刚度下待测煤试件的抗压强度和弹性模量，绘制出不同试验机刚度下的煤体力学特性曲线，即不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线。

本发明的有益效果在于：

1、通过监测单元监测试件的压力变化和加载刚度变化，并生成监测数据，然后，数据分析单元对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元调节其自身刚度，从而可实现在试验前(试验中)加载刚度值的恒定或改变，进而使岩石力学试验更加贴近实际工程条件，同时，本发明不仅填补了国内外在这一领域的空白，还具有试验操作简便、研究结果更加准确等优点。

2、本发明用伺服油缸代替承压柱，实现加载刚度可连续变化，调节精度高，使试验机可以进行多种刚度下的岩石力学加载试验。

3、本发明在加载试验过程中，试验机的刚度值刚好等于顶板的刚度值，这样通过本发明试验方法，不仅可以得到不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线，还可以进一步通过分析该曲线得到顶板刚度对煤体力学特性的影响，解决了长期以来，本领域技术人员以顶板岩层和/或煤体的力学特性作为巷道支护设计和冲击灾害防治基础参数的不足，试验获得的煤体力学特性体现了顶板岩层影响，作为支护设计和冲击地压防治基础参数时，与现场工程实际更加吻合，从而为指导矿井生产提供了依据，具有突出的实质性特点和显著的进步。

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。

图1是本发明的加载刚度可调岩石力学试验系统的结构示意图；

图2是本发明的加载刚度可调岩石力学试验系统的变刚度单元的原理图；

图中：

1-加载单元，11-底座，12-机架，13-横架，14-加载油缸，15-上压盘，16-下压盘，17-压力室，18-加载伺服控制器；

2-变刚度单元，21-伺服油缸，22-油箱，23-变刚度伺服控制器；

3-监测单元，31-压力传感器，32-位移传感器，33-信号采集器；

4-数据分析单元；

5-试件。

具体实施方式

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。

参阅图1-2所示，本发明的加载刚度可调岩石力学试验系统，其包括：

加载单元1，用于对试件5进行加载；

变刚度单元2，用于在加载过程中调节加载刚度；

监测单元3，用于监测所述试验系统加载刚度，以及试件5的压力和位移变化，并生成监测数据；

数据分析单元4，分别与所述加载单元1、变刚度单元2和监测单元3相连接，数据分析单元4用于控制加载单元1加载，且数据分析单元4还用于对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元2调节加载刚度。本发明的数据分析单元4为计算机、控制器等具有处理运算能力的控制元件。

本发明通过监测单元3监测试件5的压力变化和加载刚度变化，并生成监测数据，然后，数据分析单元4对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元2调节其自身刚度，从而可实现在试验前(试验中)加载刚度值的恒定或改变，进而使得岩石力学试验更加贴近实际工程条件，同时，本发明不仅填补了国内外在这一领域的空白，还具有试验操作简便、研究结果更加准确等优点。

本发明的加载单元1包括：

底座11，上表面两侧间隔地固定有两个机架12，两个机架12的上部通过横架13相连接；

加载油缸14，固定在底座11的上表面，且位于两个机架12之间；具体地，本发明中，加载油缸14通过螺栓与底座11固定连接，加载油缸14也可以通过焊接等其他方式与底座11固定连接。

上压盘15和下压盘16，上压盘15与变刚度单元2的底部相连接，下压盘16与加载油缸14的活塞杆相连接；

压力室17，设置在加载油缸14上方，上压盘15和下压盘16分别穿设在压力室17的内部上方和下方，试件5放置在上压盘15和下压盘16之间；具体地，上压盘15部分穿设在压力室17内，下压盘15完全位于压力室17的内部，且下压盘15的形状和大小与压力室17的形状和大小相适配，这样可以保证试件5具有足够大的有效支撑面，且能提高加载过程中系统的稳定性。

加载伺服控制器18，分别与加载油缸14和数据分析单元4相连接。加载伺服控制器18用于接收数据分析单元4的控制信号，控制加载油缸14动作，实现对试件5的加载。

本发明的变刚度单元2包括伺服油缸21、油箱22和变刚度伺服控制器23，伺服油缸21设置在横架13的下方，且伺服油缸21的活塞杆与上压盘15相连接，油箱22与伺服油缸21相连接，变刚度伺服控制器23与伺服油缸21和数据分析单元4相连接。通过变刚度伺服控制器23控制伺服油缸21动作，即可带动上压盘15上下移动，从而改变上压盘15和下压盘16之间的间距。

监测单元3包括压力传感器31、位移传感器32和信号采集器33，压力传感器31设置在横架13与伺服油缸21之间，位移传感器32设置在上压盘15上，且位于压力室17的上方，信号采集器33前端与压力传感器31和位移传感器32相连接，后端与数据分析单元4相连接。信号采集器33为多通道数据采集器，将采集到的数据通过信号传输线输送给数据分析单元4。

本发明中的加载单元1的刚度调节原理如下：

1)、变刚度单元2接受来自数据分析单元4改变刚度的命令后，通过压力传感器31确定此时试件5所受的压力值，即为伺服油缸21的压力值，经过计算确定伺服油缸21所需的压缩位移，然后，通过位移传感器32将伺服油缸21此时的压缩位移反馈给变刚度伺服控制器23，确定此时伺服油缸21需要改变的位移，控制油箱22对伺服油缸21进行排(进)油，使伺服油缸21的压缩位移达到所需的压缩值，从而实现加载刚度值的改变。

2)、变刚度伺服控制器23还实时收集来自压力传感器31和位移传感器32的数值，通过控制伺服油缸21的排(进)油，来保证加载刚度值的恒定。

优选地，为了方便放入或取出试件5，压力室17的侧壁上还设有可打开和关闭的仓门。

本发明的岩石力学试验系统加载刚度调节方法，其包括以下步骤：

第一步、将试件5放置到压力室17中；

第二步、预设加载刚度值，控制加载单元对试件5进行加载；

第三步、实时监测试件5的压力变化和变刚度单元2的刚度变化，一旦发现变刚度单元2刚度值偏离设定值，通过变刚度伺服控制器23快速进行调整，使其刚度始终保持在设定值；具体为：压力传感器31实时监测试件5的压力值，即为伺服油缸21的压力值，位移传感器32监测伺服油缸21的位移变化，根据当前压力值和设定的加载刚度值计算确定伺服油缸所需的压缩位移，结合伺服油缸21已有的位移变化，确定其需要改变的位移，通过变刚度伺服控制器23控制油箱22对伺服油缸21进行排(进)油，使伺服油缸21的压缩位移达到所需的压缩值，实现变刚度单元2的刚度值调节至设定值；

第四步、加载单元1继续加载，变刚度单元2调节加载刚度值保持恒定或至下一设定值。

第一步：将多组不同刚度顶板岩样和待测煤试样分别加工成多个标准圆柱体试件5，要求每个加载刚度下待测煤试试件数不少于三组；

第二步：确定不同顶板的刚度值

式中，

k——顶板刚度，单位，N/m；

E——顶板岩样试件弹性模量，单位，MPa；

A——顶板岩样试件横截面积，单位m ²；

L——顶板岩样试件的高度，单位，m；

第三步：试验前，根据第二步得到的顶板刚度值，预设好变刚度岩石力学试验机的加载刚度值，将试件5放置到压力室17中；然后启动试验机，使其对试件5进行加载试验，在加载试验过程中，实时采集压力传感器31和位移传感器32监测到的数据，根据当前压力值和设定的加载刚度值计算确定伺服油缸21所需的压缩位移，结合伺服油缸21已有的位移，不断地通过排油或进油调整伺服油缸21的压缩位移，以实现加载过程中刚度值的恒定，通过加载试验获得试件5在预设刚度下的应力—应变曲线；

第四步：更换试件5，重复步骤三的试验，对同一刚度下加载试验至少进行三次，每次得到一个试件5的应力—应变曲线，每个应力—应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值，多次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，即为试件5在此刚度下的抗压强度和弹性模量；

第五步：改变试验机加载刚度值，重复上述步骤三，得到试件5在新的试验刚度下的抗压强度和弹性模量；

第六步：重复多组试验后，根据测得的试验数据，做出不同试验机刚度下的煤体力学特性曲线，即不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

一种加载刚度可调岩石力学试验系统，其特征在于，其包括：

加载单元，用于对试件进行加载；

变刚度单元，用于在加载过程中调节加载刚度；

监测单元，用于监测所述试验系统加载刚度，以及试件的压力和位移变化，并生成监测数据；

数据分析单元，分别与所述加载单元、变刚度单元和监测单元相连接，数据分析单元用于控制加载单元加载，且数据分析单元还用于对接收的监测数据进行处理分析，并根据分析结果控制变刚度单元调节加载刚度。
如权利要求1所述的加载刚度可调岩石力学试验系统，其特征在于，所述加载单元包括底座、加载油缸、上压盘、下压盘、压力室和加载伺服控制器，在底座的上表面两侧间隔地固定有两个机架，两个机架上部通过横架相连接；所述的加载油缸固定在底座的上表面，且位于两个机架之间；所述上压盘与变刚度单元的底部相连接，下压盘与加载油缸的活塞杆相连接；所述的压力室设置在加载油缸上方，上压盘和下压盘分别穿设在压力室的内部上方和下方，试件放置在上压盘和下压盘之间；所述的加载伺服控制器，分别与加载油缸和数据分析单元相连接。
如权利要求1所述的加载刚度可调岩石力学试验系统，其特征在于，所述变刚度单元包括伺服油缸、油箱和变刚度伺服控制器，所述伺服油缸设置在横架的下方，且伺服油缸的活塞杆与上压盘相连接；所述油箱与伺服油缸和变刚度伺服控制器相连接；所述变刚度伺服控制器与伺服油缸和数据分析单元相连接。
如权利要求1所述的加载刚度可调岩石力学试验系统，其特征在于，所述监测单元包括压力传感器、位移传感器和信号采集器，所述压力传感器设置在横架与伺服油缸之间，所述位移传感器设置在上压盘上，且位于压力室的上方，所述信号采集器前端与压力传感器和位移传感器相连接，后端与数据分析单元相连接。
如权利要求1所述的加载刚度可调岩石力学试验系统，其特征在于，所述压力室的侧壁上还设有可打开和关闭的仓门。
一种利用权利要求1-5任一所述的加载刚度可调岩石力学试验系统调节加载刚度的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

第一步、将试件放置到压力室中；

第二步、预设加载刚度值，控制加载单元对试件进行加载；

第三步、实时监测试件的压力变化和变刚度单元的刚度变化，一旦发现变刚度单元刚度值偏离设定值，通过变刚度伺服控制器快速进行调整，使其刚度始终保持在设定值；具体为：压力传感器实时监测试件的压力值，即为伺服油缸的压力值，位移传感器监测伺服油缸的位移变化，根据当前压力值和设定的加载刚度值计算确定伺服油缸所需的压缩位移，结合伺服油缸已有的位移变化，确定其需要改变的位移，通过变刚度伺服控制器控制油箱对伺服油缸进行排或进油，使伺服油缸的压缩位移达到所需的压缩值，实现将变刚度单元的刚度值调节至设定值；

第四步、加载单元继续加载，变刚度单元调节加载刚度值保持恒定，或再次按照第三步记载的方法将变刚度单元的刚度值调节至下一设定值。
一种利用权利要求1-5任一所述的加载刚度可调岩石力学试验系统对不同顶板刚度下煤体力学特性的试验方法为：

第一步：试件制作

将多组不同刚度顶板岩样和待测煤试样分别加工成标准圆柱体试件，要求每个加载刚度下待测煤试样试件数不少于三组；

第二步：确定不同顶板的刚度值

对不同顶板的试件进行加载试验，得到不同顶板试件的应力-应变曲线，根据不同顶板试件的应力-应变曲线得到不同顶板试件的弹性模量，同时测得不同顶板试件的横截面积，根据公式求得不同顶板的刚度：

式中，

k——顶板刚度，单位，N/m；

E——顶板岩样试件弹性模量，单位，MPa；

A——顶板岩样试件横截面积，单位m ²；

L——顶板岩样试件的高度，单位，m；

第三步：选取第二步确定的某一顶板的刚度值作为加载刚度值，对待测煤试件在该刚度下的抗压强度值和弹性模量值进行试验

第3.1步：加载试验

试验前，首先预设变刚度岩石力学试验机的加载刚度值等于该顶板的刚度值，将待测煤试件放置到压力室中；然后启动试验机，使其对待测煤试件进行加载试验，在加载试验过程中，实时采集压力传感器和位移传感器监测到的数据，根据设定的刚度值与当前压力值确定相对应的伺服油缸压缩位移，结合伺服油缸已有的位移，不断地通过排油或进油调整伺服油缸的压缩位移，以实现加载过程中刚度值的恒定，通过加载试验获得待测煤试件在该预设刚度下的应力—应变曲线；

第3.2步：重复加载试验

更换煤试件，重复步骤3.1的试验，对该刚度下加载试验至少进行三次，每次得到一个待测煤试件的应力—应变曲线，每个应力—应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值；

第3.3步：将多次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，该平均值即为待测煤试件此刚度下的抗压强度和弹性模量；

第四步：更换加载刚度值，重复步骤三方法，从而得到待测煤试件在新的试验刚度下的抗压强度和弹性模量；以此类推，直到得到待测煤试件在所有刚度下的抗压强度和弹性模量；

第五步：绘制出不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线

根据得到的各个顶板刚度下待测煤试件的抗压强度和弹性模量，绘制出不同试验机刚度下的煤体力学特性曲线，即不同顶板刚度下煤体的力学特性曲线。