沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可以使試件在高應(yīng)力條件下承受沖擊荷載，并在試件破壞過程中迅速補(bǔ)充能量的沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)其應(yīng)用方法。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置；所述的加載系統(tǒng)包括底座、加載油缸、油源、加載墊板、碗型墊、反力板、反力鋼絞線。本發(fā)明通過加載油缸和反力鋼絞線對試件施加壓力，通過沖擊重塊對試件施加沖擊荷載，試件在高應(yīng)力及沖擊擾動條件下破壞，在這個過程中反力鋼絞線由于彈性作用瞬間收縮，對試件迅速進(jìn)行補(bǔ)充加載，較好的模擬了沖擊地壓的發(fā)生條件，且單軸加載條件尤其適用于模擬煤礦孤島煤柱的重力型沖擊地壓。本發(fā)明有充分的力學(xué)理論依據(jù)，有助于試驗(yàn)和理論的結(jié)合，促進(jìn)工程理論的發(fā)展。
【專利說明】沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深部工程沖擊地壓發(fā)生規(guī)律的研究，特別是涉及一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沖擊地壓是指在煤礦井巷或回采工作面周圍，處于高地應(yīng)力條件下的煤巖體受到覆巖垮落或爆破擾動發(fā)生破壞，并在破壞過程中受到圍巖的進(jìn)一步快速擠壓作用，瞬時釋放巨大能量而產(chǎn)生破壞的礦井動力現(xiàn)象。常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現(xiàn)象，造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形，嚴(yán)重時造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。
[0003]沖擊地壓是采礦業(yè)面臨的一個重要問題，嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)，尤其是在深部開采過程中，煤巖體處于高應(yīng)力條件下，受到采場上覆巖層斷裂擾動的孤島煤柱中很容易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。研究沖擊地壓發(fā)生規(guī)律，不僅要通過理論分析，更要通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)來探索其本質(zhì)規(guī)律。
[0004]根據(jù)現(xiàn)場觀測和理論分析認(rèn)為，為了在室內(nèi)模擬沖擊地壓現(xiàn)象，需滿足如下三個必要條件:①通過加載，使煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)下對高應(yīng)力條件下的煤巖體施加沖擊荷載，以模擬采空區(qū)覆巖垮落引起的應(yīng)力波對巷道的沖擊；③在煤巖體破壞的過程中迅速進(jìn)行補(bǔ)充加載，即補(bǔ)充能量，以模擬外部圍巖對煤巖體的進(jìn)一步擠壓做功。但是，目前還沒有設(shè)備能夠同時滿足上述三個條件，實(shí)驗(yàn)室模擬成為沖擊地壓的研究的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以使試件在高應(yīng)力條件下承受沖擊荷載，并在試件破壞過程中迅速補(bǔ)充能量的沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)其應(yīng)用方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括加載系統(tǒng)、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置；
所述的加載系統(tǒng)，包括底座、加載油缸、油源、加載墊板、碗型墊、反力板、反力鋼絞線；加載油缸一端支撐在底座上，另一端對巖樣試件施加軸向荷載；油源與加載油缸相連，為其供油；加載墊板下表面與巖樣試件上表面接觸；碗型墊用于防止巖樣試件偏心受壓；反力板左右兩側(cè)分別設(shè)有用于連接反力鋼絞線的通孔；反力鋼絞線一端固定在底座上，另一端通過卡具固定在反力板上，用于對反力板施加反力，并且在其上部受到?jīng)_擊時不會產(chǎn)生支撐效應(yīng)，在巖樣試件破壞時瞬間收縮，對巖樣試件快速的補(bǔ)充加載；
所述的巖樣試件，呈長方體形，上下表面涂有潤滑材料，以減小試件和加載機(jī)構(gòu)之間的摩擦力，可以在其內(nèi)部以及表面預(yù)設(shè)應(yīng)變測量元件；
所述的沖擊重塊，用于對巖樣試件施加沖擊荷載，其重量和高度均可調(diào)節(jié)，其軸心與加載墊塊中心在同一條豎直線上；
所述的提升裝置，固定在門式框架上，用于提起和釋放沖擊重塊。
[0007]本發(fā)明還可以包括荷載和位移測量單元，如應(yīng)力傳感器和LVDT變位計，用于測量試件在實(shí)驗(yàn)過程中所受荷載和上下邊界發(fā)生的位移，并將測量結(jié)果傳送到伺服控制單元。
[0008]本發(fā)明還可以包括伺服控制單元，根據(jù)用戶指令和所述荷載和位移測控單元測量結(jié)果控制加載油缸荷載和位移。
[0009]本發(fā)明還可以包括導(dǎo)向測量裝置，固定在門式框架上，其表面標(biāo)有刻度，用于測量沖擊重塊的高度，并且防止沖擊重塊下落時發(fā)生偏斜。
[0010]本發(fā)明還可以包括防護(hù)裝置，用于防止沖擊重塊傾倒或巖樣試件崩解時可能造成的危險。
[0011 ] 本發(fā)明的試驗(yàn)方法是:
1)制作巖樣試件，并將其安裝就位，通過反力鋼絞線固定加載墊板；
2)通過加載油缸對巖樣試件加載，使試件達(dá)到要求的應(yīng)力狀態(tài)，然后保持；
3)調(diào)整沖擊重塊的高度和重量，然后釋放沖擊重塊對巖樣試件施加沖擊荷載，記錄沖擊過程中試件受力、位移和破壞狀態(tài)；
4)提起沖擊重塊，卸去加載油缸壓力，卸下反力鋼絞線，取出試件，對其破壞情況作進(jìn)一步分析。
[0012]本發(fā)明的原理是:
本發(fā)明通過加載油缸和反力鋼絞線對試件施加壓力，使其處于高應(yīng)力狀態(tài)下，在這個過程中反力鋼絞線有一定彈性伸長；通過沖擊重塊對試件施加沖擊荷載，以模擬采空區(qū)覆巖垮落引起的應(yīng)力波對巷道的沖擊，由于反力鋼絞線為柔性材料，不會像常規(guī)剛性立柱一樣對沖擊荷載造成影響(支撐效應(yīng))，首次實(shí)現(xiàn)了讓試件在特定的荷載條件下承受沖擊荷載的目標(biāo)；試件在高應(yīng)力及沖擊擾動條件下破壞，其強(qiáng)度降低并發(fā)生一定位移，在這個過程中反力鋼絞線由于彈性作用瞬間收縮，對試件迅速進(jìn)行補(bǔ)充加載，即補(bǔ)充能量，模擬了外部圍巖對煤巖體的進(jìn)一步擠壓做功。
[0013]本發(fā)明較好的模擬了沖擊地壓的發(fā)生條件，且單軸加載條件尤其適用于模擬煤礦孤島煤柱的重力型沖擊地壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖示為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]結(jié)合附圖，一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)、巖樣試件7、沖擊重塊
8、門式框架9、提升裝置10、導(dǎo)向測量裝置11、防護(hù)裝置(圖中未示出)、荷載和位移測量單元(圖中未示出)、伺服控制單元(圖中未示出)。
[0016]所述的加載系統(tǒng)，包括底座1、加載油缸2、油源(圖中未不出)、加載墊板3、碗型墊4、反力板5、反力鋼絞線6 ;加載油缸2 —端支撐在底座I上,另一端對巖樣試件7施加軸向荷載；油源與加載油缸2相連,為其供油；加載墊板3下表面與巖樣試件7上表面接觸；碗型墊4用于防止巖樣試件7偏心受壓；反力板5左右兩側(cè)分別設(shè)有用于連接反力鋼絞線6的通孔；反力鋼絞線6 —端固定在底座I上，另一端通過卡具固定在反力板5上，用于對反力板5施加反力，并且在其上部受到?jīng)_擊時不會產(chǎn)生支撐效應(yīng)，在巖樣試件7破壞時瞬間收縮，對巖樣試件7快速的補(bǔ)充加載。
[0017]所述的巖樣試件7，呈長方體形，上下表面涂有潤滑材料，以減小試件和加載機(jī)構(gòu)之間的摩擦力，可以在其內(nèi)部以及表面預(yù)設(shè)應(yīng)變測量元件。
[0018]所述的沖擊重塊8，用于對巖樣試件7施加沖擊荷載，其重量和高度均可調(diào)節(jié)，其軸心與加載墊板3中心在同一條豎直線上。
[0019]所述的提升裝置10，固定在門式框架9上，用于提起和釋放沖擊重塊。
[0020]所述的導(dǎo)向測量裝置11，固定在門式框架9上，其表面標(biāo)有刻度，用于測量沖擊重塊8的高度，并且防止沖擊重塊8下落時發(fā)生偏斜。
[0021]所述的防護(hù)裝置，用于防止沖擊重塊8傾倒或巖樣試件7崩解時可能造成的危險。
[0022]所述的荷載和位移測量單元，包括應(yīng)力傳感器和LVDT變位計，用于測量試件在實(shí)驗(yàn)過程中所受荷載和上下邊界發(fā)生的位移，并將測量結(jié)果傳送到伺服控制單元。
[0023]所述的伺服控制單元，根據(jù)用戶指令和所述荷載和位移測控單元測量結(jié)果控制加載油缸荷載和位移。
[0024]本發(fā)明的一種優(yōu)選應(yīng)用方法是:
O制作巖樣試件7，并將其安裝就位，通過反力鋼絞線6固定加載墊板3等；
2)通過加載油缸2對巖樣試件7加載，使其達(dá)到要求的應(yīng)力狀態(tài)，然后保持；
3)調(diào)整沖擊重塊8的高度和重量，然后釋放沖擊重塊對巖樣試件7施加沖擊荷載，記錄沖擊過程中試件受力、位移和破壞狀態(tài)；
4)提起沖擊重塊8，卸去加載油缸壓力，卸下反力鋼絞線，取出試件，對其破壞情況作進(jìn)一步分析。
[0025]以上所述實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體的實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括加載系統(tǒng)、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置； 所述的加載系統(tǒng)，包括底座、加載油缸、油源、加載墊板、碗型墊、反力板、反力鋼絞線；加載油缸一端支撐在底座上，另一端對巖樣試件施加軸向荷載；油源與加載油缸相連；力口載墊板下表面與巖樣試件上表面接觸；反力板左右兩側(cè)分別設(shè)有用于連接反力鋼絞線的通孔；反力鋼絞線一端固定在底座上，另一端固定在反力板上； 所述的巖樣試件，呈長方體形，上下表面涂有潤滑材料； 所述的沖擊重塊，用于對巖樣試件施加沖擊荷載，其重量和高度均可調(diào)節(jié)； 所述的提升裝置，固定在門式框架上，用于提起和釋放沖擊重塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括荷載和位移測量單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括伺服控制單兀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括導(dǎo)向測量裝置，固定在門式框架上，其表面標(biāo)有刻度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括防護(hù)裝置。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的沖擊地壓單軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用方法，其特征在于: 第一步:制作巖樣試件，并將其安裝就位，通過反力鋼絞線固定加載墊板； 第二步:通過加載油缸對巖樣試件加載，使試件達(dá)到要求的應(yīng)力狀態(tài)，然后保持；第三步:調(diào)整沖擊重塊的高度和重量，然后釋放沖擊重塊對巖樣試件施加沖擊荷載，記錄沖擊過程中試件受力、位移和破壞狀態(tài)； 第四步:提起沖擊重塊，卸去加載油缸壓力，卸下反力鋼絞線，取出試件，對其破壞情況作進(jìn)一步分析。
【文檔編號】G01N3/303GK103471942SQ201310425914
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】吳學(xué)震, 蔣宇靜, 王剛 申請人:山東科技大學(xué)