沖擊地壓單軸模擬試驗系統及其應用方法
【專利摘要】本發明公開了一種可以使試件在高應力條件下承受沖擊荷載，并在試件破壞過程中迅速補充能量的沖擊地壓單軸模擬試驗系統其應用方法。該試驗系統包括加載系統、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置；所述的加載系統包括底座、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，對試件迅速進行補充加載，較好的模擬了沖擊地壓的發生條件，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。本發明有充分的力學理論依據，有助于試驗和理論的結合，促進工程理論的發展。
【專利說明】沖擊地壓單軸模擬試驗系統及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深部工程沖擊地壓發生規律的研究，特別是涉及一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統及其應用方法。
【背景技術】
[0002]沖擊地壓是指在煤礦井巷或回采工作面周圍，處于高地應力條件下的煤巖體受到覆巖垮落或爆破擾動發生破壞，并在破壞過程中受到圍巖的進一步快速擠壓作用，瞬時釋放巨大能量而產生破壞的礦井動力現象。常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現象，造成采掘空間中支護設備的破壞以及采掘空間的變形，嚴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]沖擊地壓是采礦業面臨的一個重要問題，嚴重影響著礦井的安全生產，尤其是在深部開采過程中，煤巖體處于高應力條件下，受到采場上覆巖層斷裂擾動的孤島煤柱中很容易發生沖擊地壓災害。研究沖擊地壓發生規律，不僅要通過理論分析，更要通過室內模擬實驗來探索其本質規律。
[0004]根據現場觀測和理論分析認為，為了在室內模擬沖擊地壓現象，需滿足如下三個必要條件:①通過加載，使煤巖體處于高應力狀態下對高應力條件下的煤巖體施加沖擊荷載，以模擬采空區覆巖垮落引起的應力波對巷道的沖擊；③在煤巖體破壞的過程中迅速進行補充加載，即補充能量，以模擬外部圍巖對煤巖體的進一步擠壓做功。但是，目前還沒有設備能夠同時滿足上述三個條件，實驗室模擬成為沖擊地壓的研究的瓶頸。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種可以使試件在高應力條件下承受沖擊荷載，并在試件破壞過程中迅速補充能量的沖擊地壓單軸模擬試驗系統其應用方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括加載系統、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置；
所述的加載系統，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；反力板左右兩側分別設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，并且在其上部受到沖擊時不會產生支撐效應，在巖樣試件破壞時瞬間收縮，對巖樣試件快速的補充加載；
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構之間的摩擦力，可以在其內部以及表面預設應變測量元件；
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節，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]本發明還可以包括荷載和位移測量單元，如應力傳感器和LVDT變位計，用于測量試件在實驗過程中所受荷載和上下邊界發生的位移，并將測量結果傳送到伺服控制單元。
[0008]本發明還可以包括伺服控制單元，根據用戶指令和所述荷載和位移測控單元測量結果控制加載油缸荷載和位移。
[0009]本發明還可以包括導向測量裝置，固定在門式框架上，其表面標有刻度，用于測量沖擊重塊的高度，并且防止沖擊重塊下落時發生偏斜。
[0010]本發明還可以包括防護裝置，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 ] 本發明的試驗方法是:
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，使試件達到要求的應力狀態，然后保持；
3)調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；
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，對其破壞情況作進一步分析。
[0012]本發明的原理是:
本發明通過加載油缸和反力鋼絞線對試件施加壓力，使其處于高應力狀態下，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，以模擬采空區覆巖垮落引起的應力波對巷道的沖擊，由于反力鋼絞線為柔性材料，不會像常規剛性立柱一樣對沖擊荷載造成影響(支撐效應)，首次實現了讓試件在特定的荷載條件下承受沖擊荷載的目標；試件在高應力及沖擊擾動條件下破壞，其強度降低并發生一定位移，在這個過程中反力鋼絞線由于彈性作用瞬間收縮，對試件迅速進行補充加載，即補充能量，模擬了外部圍巖對煤巖體的進一步擠壓做功。
[0013]本發明較好的模擬了沖擊地壓的發生條件，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]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步說明:
圖示為本發明的主體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]結合附圖，一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，包括加載系統、巖樣試件7、沖擊重塊
8、門式框架9、提升裝置10、導向測量裝置11、防護裝置(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，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左右兩側分別設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，并且在其上部受到沖擊時不會產生支撐效應，在巖樣試件7破壞時瞬間收縮，對巖樣試件7快速的補充加載。
[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構之間的摩擦力，可以在其內部以及表面預設應變測量元件。
[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節，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]所述的導向測量裝置11，固定在門式框架9上，其表面標有刻度，用于測量沖擊重塊8的高度，并且防止沖擊重塊8下落時發生偏斜。
[0021]所述的防護裝置，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，包括應力傳感器和LVDT變位計，用于測量試件在實驗過程中所受荷載和上下邊界發生的位移，并將測量結果傳送到伺服控制單元。
[0023]所述的伺服控制單元，根據用戶指令和所述荷載和位移測控單元測量結果控制加載油缸荷載和位移。
[0024]本發明的一種優選應用方法是:
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，使其達到要求的應力狀態，然后保持；
3)調整沖擊重塊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；
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，對其破壞情況作進一步分析。
[0025]以上所述實施例，只是本發明較優選的具體的實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括加載系統、巖樣試件、沖擊重塊、門式框架和提升裝置； 所述的加載系統，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；反力板左右兩側分別設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節； 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.根據權利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括荷載和位移測量單元。
3.根據權利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括伺服控制單兀。
4.根據權利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括導向測量裝置，固定在門式框架上，其表面標有刻度。
5.根據權利要求1所述的一種沖擊地壓單軸模擬試驗系統，其特征在于，包括防護裝置。
6.如權利要求1-5任一所述的沖擊地壓單軸模擬試驗系統的應用方法，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，使試件達到要求的應力狀態，然后保持；第三步:調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； 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 優先權日:2013年9月18日
【發明者】吳學震, 蔣宇靜, 王剛 申請人:山東科技大學