深部開采采動應力場演變過程試驗系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深部開采采動應力場演變過程試驗系統，屬于采場應力演變試驗系統領域。該系統可以依據煤體力學條件進行大塊度煤體非均布動態(tài)加載，真實仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的力學條件。其包括試驗加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件，試驗加載組件包括煤樣、加載主框架、側壓加載單元和軸壓加載單元，其軸壓加載單元設置有五個獨立的加載點；側壓加載單元有兩個，分別設置在左、右立柱的兩側，每側的側壓加載單元分別設置有三個獨立的加載點，可以通過調節(jié)頂板上方的加載點和左右兩側的加載點來實現不同的加載載荷，以實現煤體的非均布加載。
【專利說明】深部開采采動應力場演變過程試驗系統

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于采場應力演變試驗系統領域，具體涉及一種深部開采采動應力場演變 過程試驗系統。

【背景技術】
[0002] 近年來，我國煤炭開采以每年10m左右的速度向深部延伸，未來10年內，我國將有 相當數量的礦井將進入深部開采。深部開采不同于淺部開采，煤巖的力學性質在高溫和高 地應力的作用下發(fā)生變化，使得煤炭開采的力學環(huán)境、煤巖體的組織結構、基本力學行為和 工程響應與淺部明顯不同，同時大空間開采模式導致采動應力場的時空關系和動力學特征 更加復雜，更易誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害，造成嚴重破壞和大量人員傷亡， 究其原因在于不了解或沒有完全掌握不同采動條件下采動應力場分布時空演變規(guī)律，在錯 誤的時間和空間開掘、維護巷道和推進工作面造成的。
[0003] 對于采動影響下的煤體損傷破裂發(fā)展過程及損傷破裂過程中作用在煤體上的采 動應力場，國內外相關學者主要利用彈塑性力學等經典力學對靜態(tài)應力作用條件下的理想 煤體進行研究分析，研究表明采場煤體處于上覆巖層逐次彎曲、裂斷形成的動力載荷作用 之下，導致其力學性能不斷劣化，引起采動應力向煤體內部不斷轉移。因此，科學定量研究 采動應力場隨煤體力學性能劣化的時空演化機制和規(guī)律是非常必要的，這為進行開掘、維 護巷道和推進工作面確定合理的時間和空間位置，實現煤炭資源科學開采有著極為重要的 工程實際意義。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種深部開采采動應力場演變過程試驗系統，該系統可以實現大尺 度煤體非均布加載，實時采集應力、位移等基礎數據，可以同時對多組煤體或充填體進行試 驗。
[0005] 本發(fā)明技術方案包括：
[0006] -種深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其包括試驗加載組件、伺服組件、控 制組件和聲波監(jiān)測組件，所述試驗加載組件包括煤樣、加載主框架、側壓加載單元和軸壓加 載單元，所述加載主框架包括底座、橫梁和支撐框架，所述底座和支撐框架之間通過所述橫 梁連接，所述支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，所述煤樣位于 所述支撐框架內，所述軸壓加載單元位于所述左立柱和右立柱之間，所述軸壓加載單元設 置有五個獨立的加載點；所述側壓加載單元有兩個，分別設置在左、右立柱的兩側，每側的 側壓加載單元分別設置有三個獨立的加載點，所述上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和 右反力墻，所述每側的側壓加載單元均包括側向壓頭，側向負荷傳感器和側向加載油缸，所 述側向負荷傳感器位于所述側向壓頭和所述側向加載油缸中間，所述側向壓頭用于對煤樣 進行加載，所述側向加載油缸連接在所述左、右反力墻上。
[0007] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、堅向負 荷傳感器、堅向連接桿和堅向加載油缸，所述堅向壓頭用于對煤樣進行加載，所述堅向球角 位于所述堅向壓頭和所述堅向負荷傳感器之間，所述堅向負荷傳感器通過所述堅向連接桿 連接所述堅向加載油缸，所述堅向加載油缸連接在所述支撐框架。
[0008] 作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選方案，所述軸壓加載單兀的最大加載載荷為4500kN， 位于兩側側壓加載單元上的加載點呈對稱設置，每側側壓加載單元的最大加載載荷為 1200kN。
[0009] 進一步的，所述的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制，所述伺服組件包 括采動應力伺服單元、伺服電機和EDC測控器；所述的采動應力伺服單元由永磁力矩馬達、 噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組成，所述EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道可 以分別進行荷載、位移、變形單獨控制或幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無 沖擊轉換。
[0010] 進一步的，所述控制組件包括計算機，所述計算機連接所述試驗加載組件和所述 聲波監(jiān)測組件，用于控制所述試驗加載組件的動作，并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢 測得到的試樣數據。
[0011] 進一步的，所述聲波監(jiān)測組件包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，所述 探頭設置在支撐框架的內部，每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析 儀。
[0012] 本發(fā)明所帶來的有益技術效果：
[0013] 本發(fā)明公開了一種深部開采采動應力場演變過程試驗系統，與現有技術相比，該 系統在軸壓加載單元上布置有五個加載點，在側壓加載單元分別布置有三個加載點，每個 加載點都是獨立設計，可以通過調節(jié)頂板上方的加載點和左右兩側的加載點來實現不同的 加載載荷，以實現大尺度煤體的非均布加載；依據煤體力學條件進行非均布動態(tài)加載，同時 可以實施不同大小的圍壓，如圍壓范圍在〇?20MPa，真實仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的 力學條件；其最大加載強度為60MPa，圍壓為20MPa，可以實現不同硬度巖層的剪切試驗，在 實驗室定量確定抗拉強度等力學特性；可以實現二維加載，實時采集應力、位移等基礎數 據，可以同時對多組煤體或充填體進行試驗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步清楚、完整的說明：
[0015] 圖1為本發(fā)明試驗加載組件的結構示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明軸壓加載單元、側壓加載單元的主視圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明軸壓加載單元的正視圖；
[0018] 圖中，1、底座，2、橫梁，3、加載主框架，4、煤樣，5、側壓加載單元、6、軸壓加載單元， 7、側向壓頭，8、側向負荷傳感器，9、側向加載油缸，10、堅向壓頭，11、堅向球角，12、堅向負 荷傳感器，13、堅向連接桿，14、堅向加載油缸。

【具體實施方式】
[0019] 結合圖1所示，本發(fā)明深部開采采動應力場演變過程試驗系統，包括試驗加載組 件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件，伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件配合試驗加 載組件同步使用，聲波監(jiān)測組件是為了獲得更加清晰的裂隙擴展演化過程，其中，伺服組 件、控制組件和聲波監(jiān)測組件與現有技術相同，在此僅作簡要說明；
[0020] 伺服組件，用于多級可控的恒定油液流量控制，其包括采動應力伺服單元、伺服電 機和EDC測控器；采動應力伺服單元由永磁力矩馬達、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組 成，EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道可以分別進行荷載、位移、變形單獨控制或 幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無沖擊轉換，并在EDC控制系統軟件中設 置一個壓差控制通道，來測量進油口壓力和出油口壓力的差值；
[0021] 控制組件，包括計算機，計算機連接上述試驗加載組件和聲波監(jiān)測組件，選用計算 機來控制試驗加載組件的動作，并接收、記錄檢測聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣或煤樣數 據；
[0022] 聲波監(jiān)測組件，其包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，探頭設置在支撐 框架的內部，每個探頭分別通過聲波換能器連接聲波檢測分析儀；
[0023] 上述試驗加載組件包括煤樣4、加載主框架3、側壓加載單元5和軸壓加載單元6， 其中，加載主框架3包括底座1、橫梁2和支撐框架，底座和支撐框架之間通過橫梁2連接， 支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，其中，上橫梁、下橫梁、左立 柱和右立柱均是由高剛度鋼板制成看，煤樣4放置于支撐框架內，
[0024] 軸壓加載單兀6位于左立柱和右立柱之間，軸壓加載單兀的一端用于對煤樣4進 行加載，另一端采用前法蘭式連接方式固定在加載主框架3上，結合圖2、圖3所示，軸壓加 載單元6包括堅向壓頭10、堅向球角11、堅向負荷傳感器12、堅向連接桿13和堅向加載油 缸14,堅向壓頭10用于對煤樣4進行加載，堅向球角11位于堅向壓頭10和堅向負荷傳感 器12之間，堅向負荷傳感器12通過堅向連接桿13連接堅向加載油缸14,堅向加載油缸14 采用前法蘭式連接方式連接在支撐框架上；
[0025] 軸壓加載單元設置有五個獨立的加載點，其每個加載點都可以獨立的對煤樣施加 載荷，五個加載點同時施加載荷時，載荷可以相同或者不同；
[0026] 側壓加載單元5有兩個，分別設置在左、右立柱的兩側，每側的側壓加載單元5分 別設置有三個獨立的加載點，在上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和右反力墻，每側的 側壓加載單元均包括側向壓頭7,側向負荷傳感器8和側向加載油缸9,側向負荷傳感器8 位于側向壓頭7和側向加載油缸9中間，側向壓頭用于對煤樣進行加載，側向加載油缸連接 在左、右反力墻上，通過軸壓加載單元頂部受壓變形量的差異，實現巖塊裂隙左右兩部分的 剪切位移。
[0027] 上述軸壓加載單元的最大垂直荷載為4500kN，法向加載油缸作動器最大行程 100mm，精度±1% F. S ;左右反力墻處的的側壓加載單元包含6個加載點，分別是左側壓 加載單元3個加載點，右側壓加載單元3個加載點，并且左、右兩側的加載點呈正交對稱布 置，每側的側壓加載單元最大水平荷載1200kN，側向加載油缸作動器最大行程200_，精度 ±1% F. S。
[0028] 本發(fā)明，深部開采采動應力場演變過程試驗系統的使用方法，具體包括以下步 驟：
[0029] a制作大尺度煤體，首先在工作面煤壁采集完整大煤塊，例如尺寸為 300mm X 300_X 600_，搬至室內，在搬運過程要輕拿輕放，盡可能保持煤樣的原始狀態(tài)；在 室內，沿煤塊層理方向切割成150mmXI50mmX500mm，作為大尺度煤體，煤體6個側面采用 雙面磨石機研磨，3個相鄰側面相互垂直，端面不平整程度小于0. 1mm ;
[0030] b將大尺度煤體放入本發(fā)明試驗加載組件的加載主框架內，將上述液壓伺服組件、 控制組件和聲波監(jiān)測組件分別與試驗加載組件連接；
[0031] c加載，啟動液壓伺服組件，通過所述液壓伺服組件控制側壓加載單元和軸壓加載 單元中的加載油缸，開始加載每個油缸，單獨控制加載力值和位移量；
[0032] d接步驟c，大尺度煤體受各加載點加載作用后，所受到的力和變形分別通過側壓 加載單元和軸壓加載單元球角上的壓力傳感器、位移傳感器進行監(jiān)測，并通過數據線傳遞 給所述控制組件，控制組件按試驗人員要求繪制實時試驗曲線。
[〇〇33] 需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員所做出的任何等同方式，或 明顯變型方式均應在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其包括試驗加載組件、伺服組件、控制 組件和聲波監(jiān)測組件，其特征在于：所述試驗加載組件包括煤樣、加載主框架、側壓加載單 元和軸壓加載單元，所述加載主框架包括底座、橫梁和支撐框架，所述底座和支撐框架之間 通過所述橫梁連接，所述支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，所 述煤樣位于所述支撐框架內，所述軸壓加載單元位于所述左立柱和右立柱之間，所述軸壓 加載單元設置有五個獨立的加載點；所述側壓加載單元有兩個，分別設置在左、右立柱的兩 偵牝每側的側壓加載單元分別設置有三個獨立的加載點，所述上橫梁和下橫梁之間連接有 左反力墻和右反力墻，所述每側的側壓加載單元均包括側向壓頭，側向負荷傳感器和側向 加載油缸，所述側向負荷傳感器位于所述側向壓頭和所述側向加載油缸中間，所述側向壓 頭用于對煤樣進行加載，所述側向加載油缸連接在所述左、右反力墻上。
2. 根據權利要求1所述的深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其特征在于：所述 軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、堅向負荷傳感器、堅向連接桿和堅向加載油缸，所 述堅向壓頭用于對煤樣進行加載，所述堅向球角位于所述堅向壓頭和所述堅向負荷傳感器 之間，所述堅向負荷傳感器通過所述堅向連接桿連接所述堅向加載油缸，所述堅向加載油 缸連接在所述支撐框架上。
3. 根據權利要求1所述的深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其特征在于：所述 軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN，位于兩側側壓加載單元上的加載點呈對稱設置， 每側側壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
4. 根據權利要求1所述的深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其特征在于：所述 的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制，所述伺服組件包括采動應力伺服單元、伺 服電機和EDC測控器；所述的采動應力伺服單元由永磁力矩馬達、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和 控制腔組成，所述EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道可以分別進行荷載、位移、 變形單獨控制或幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無沖擊轉換。
5. 根據權利要求1所述的深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其特征在于：所述 控制組件包括計算機，所述計算機連接所述試驗加載組件和所述聲波監(jiān)測組件，用于控制 所述試驗加載組件的動作，并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣數據。
6. 根據權利要求1所述的深部開采采動應力場演變過程試驗系統，其特征在于：所述 聲波監(jiān)測組件包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，所述探頭設置在支撐框架的 內部，每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析儀。
【文檔編號】G01N3/10GK104062182SQ201410206460
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】文志杰, 蔣宇靜, 韓作振, 賈傳洋, 曲廣龍, 文金浩, 高浩政, 王曉, 孟祥旭 申請人:山東科技大學