深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型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，進行大比例尺模型試驗的深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統。其特征在于包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、液壓泵站、底座、反力鋼絞線、門式框架、沖擊重塊和提升裝置；所述的試件加載盒，包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊、側擋板；由于本實用新型僅取圍巖的一部分進行分析，相對于現有全斷面模型試驗裝置，可以開展超大比例尺的模型試驗。本實用新型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。
【專利說明】深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及深部煤礦沖擊地壓發生規律的研究，特別是涉及一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統。
【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頂板斷裂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，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:3通過加載，使煤巖體處于高應力狀態下；I對高應力條件下的煤巖體施加沖擊荷載，以模擬采空區覆巖斷裂導致的應力波對巷道的沖擊；f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]本實用新型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，進行大比例尺模型試驗的深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0007]一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、液壓泵站、底座、反力鋼絞線、門式框架、沖擊重塊和提升裝置；
[0008]所述的試件加載盒，包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊、側擋板；U型槽為整體結構，包括底板和兩個側壁；三棱柱墊塊兩個直角面分別與U型槽的底板和側壁內表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件兩個斜面傾角匹配；加載墊塊下表面為圓弧形與類梯形試件上表面接觸，其上半部分向兩側延伸，并在兩側設有豎直通孔以便固定反力鋼絞線；側擋板固定在U型槽的前后兩側，其作用在于防止類梯形試件發生軸向變形，以滿足平面應變狀態的要求；
[0009]所述的類梯形試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側面垂直于水平面，左右側面與三棱柱墊塊斜面接觸，前后側面與側擋板內表面接觸，四個側面均涂有潤滑材料，以減小其受到的剪應力；
[0010]所述的加載油缸，一端支撐在底座上，另一端對試件加載盒施加壓力；所述的液壓泵站與加載油缸相連，為其提供油壓；
[0011]所述的反力鋼絞線，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端通過卡具固定在試件加載盒的加載墊塊上；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]本實用新型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
J Li ο
[0015]本實用新型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。
[0016]本實用新型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。
[0017]本實用新型還包括支撐導軌，固定在底座上，其作用是在實驗前托住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發生偏斜。
[0018]本實用新型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。
[0019]本實用新型的試驗方法是:
[0020]I)制作類梯形試件，將其放入試件加載盒，將試件加載盒安裝就位，固定反力鋼絞線.[0021]2)通過加載油缸對試件加載盒加載，使試件達到要求的應力狀態，然后保持；
[0022]3)調整沖擊重塊的高度和重量，然后釋放沖擊重塊，對試件加載盒進行沖擊；
[0023]4)提起沖擊重塊，卸去加載油缸壓力，卸下反力鋼絞線，卸開試件加載盒，取出試件，記錄分析試件的破壞情況。
[0024]本實用新型的原理是:
[0025]深埋隧洞圍巖的受力、變形和破壞問題可以近似認為是軸對稱問題，因此，取其一部分(即本實用新型所述類梯形試件)進行試驗即可反映圍巖整體的性質；由于本實用新型僅取圍巖的一部分進行分析，相對于現有全斷面模型試驗裝置，可以開展超大比例尺的模型試驗。
[0026]本實用新型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，以模擬采空區覆巖斷裂導致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)，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。【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明:
[0028]圖1為本實用新型的力學原理圖；
[0029]圖2為本實用新型的主體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]結合附圖1，本實用新型采用局部試件的原理在于，深埋隧洞圍巖的受力、變形和破壞問題可以認為是軸對稱問題；對于軸對稱問題，可以取其一部分，即本實用新型所述類梯形試件4，進行試驗即可反映圍巖整體的性質。
[0031]結合附圖2，一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，包括試件加載盒、類梯形試件
4、加載油缸5、液壓泵站(未示出)、底座6、反力鋼絞線7、支撐導軌8、門式框架9、沖擊重塊10、提升裝置11、導向測量裝置I。
[0032]所述的試件加載盒，包括U型槽1、三棱柱墊塊2、加載墊塊3、側擋板(未示出)；U型槽I為整體結構，包括底板和兩個側壁；三棱柱墊塊2兩個直角面分別與U型槽I的底板和側壁內表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件兩個斜面傾角匹配；加載墊塊3下表面為圓弧形與類梯形試件4上表面接觸，其上半部分向兩側延伸，并在兩側設有豎直通孔以便固定反力鋼絞線7 ;側擋板固定在U型槽I的前后兩側，其作用在于防止類梯形試件發生軸向變形，以滿足平面應變狀態的要求。
[0033]所述的類梯形試件4，上下表面為同軸圓弧面，左右側面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側面垂直于水平面，左右側面與三棱柱墊塊2斜面接觸，前后側面與側擋板內表面接觸，四個側面均涂有潤滑材料，以減小其受到的剪應力。
[0034]所述的加載油缸5，一端支撐在底座6上，另一端對試件加載盒施加壓力；所述的液壓泵站與加載油缸5相連，為其提供油壓。
[0035]所述的反力鋼絞線7，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座6上，另一端通過卡具固定在試件加載盒的加載墊塊3上。
[0036]所述的支撐導軌8，固定在底座6上，其作用是在實驗前托住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發生偏斜。
[0037]所述的沖擊重塊10，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3中心在同一條豎直線上。
[0038]所述的提升裝置11，固定在門式框架9上，用于提起和釋放沖擊重塊。
[0039]所述的導向測量裝置12，固定在門式框架9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。
[0040]以上所述實施例，只是本實用新型較優選的具體的實施方式的一種，本領域的技術人員在本實用新型技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本實用新型的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、液壓泵站、底座、反力鋼絞線、門式框架、沖擊重塊和提升裝置； 所述的試件加載盒，包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊、側擋板；U型槽為整體結構，包括底板和兩個側壁；三棱柱墊塊兩個直角面分別與U型槽的底板和側壁內表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件兩個斜面傾角匹配；加載墊塊下表面為圓弧形與類梯形試件上表面接觸，兩側設有豎直通孔；側擋板固定在U型槽的前后兩側； 所述的類梯形試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側面垂直于水平面，左右側面與三棱柱墊塊斜面接觸，前后側面與側擋板內表面接觸，四個側面均涂有潤滑材料； 所述的加載油缸，一端支撐在底座上，另一端對試件加載盒施加壓力； 所述的反力鋼絞線，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端通過卡具固定在試件加載盒的加載墊塊上； 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所述的一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括荷載和位移測量單元。
3.根據權利要求1所述的一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括伺服控制單元。
4.根據權利要求1所述的一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，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所述的一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括支撐導軌，固定在底座上。
6.根據權利要求1所述的一種深埋隧洞沖擊地壓模擬試驗系統，其特征在于，包括防護裝置。
【文檔編號】G01M7/08GK203455151SQ201320577462
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】王剛, 吳學震, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學