深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法
2023-05-03 03:32:31
深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法
【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衝擊荷載，並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衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法。其特徵在於包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、液壓泵站、底座、反力鋼絞線、門式框架、衝擊重塊和提升裝置；所述的試件加載盒，包括U型槽、三稜柱墊塊、加載墊塊、側擋板；由於本發明僅取圍巖的一部分進行分析，相對於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。本發明通過加載油缸和反力鋼絞線對試件施加壓力，通過衝擊重塊對試件施加衝擊荷載，試件在高應力及衝擊擾動條件下破壞，在這個過程中反力鋼絞線由於彈性作用瞬間收縮，對試件迅速進行補充加載，較好的模擬了衝擊地壓的發生條件。
【專利說明】深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深部煤礦衝擊地壓發生規律的研究，特別是涉及一種深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]衝擊地壓是指在煤礦井巷或回採工作面周圍，處於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，並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、煤巖體被拋向採掘空間和氣浪等現象，造成採掘空間中支護設備的破壞以及採掘空間的變形，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]衝擊地壓是採礦業面臨的一個重要問題，嚴重影響著礦井的安全生產，尤其是在深部開採過程中，煤巖體處於高應力條件下，受到採場上覆巖層斷裂擾動，很容易發生衝擊地壓災害。研究衝擊地壓發生規律，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，為了在室內模擬衝擊地壓現象，需滿足如下三個必要條件:3通過加載，使煤巖體處於高應力狀態下；I對高應力條件下的煤巖體施加衝擊荷載，以模擬採空區覆巖斷裂導致的應力波對巷道的衝擊；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，實驗室模擬成為衝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衝擊荷載，並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衝擊地壓模擬試驗系統及其試驗方法。
[0006]為實現上述目的，本發明採用下述技術方案:
一種深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，包括試件加載盒、類梯形試件、力口載油缸、液壓泵站、底座、反力鋼絞線、門式框架、衝擊重塊和提升裝置；
所述的試件加載盒，包括U型槽、三稜柱墊塊、加載墊塊、側擋板;u型槽為整體結構，包括底板和兩個側壁；三稜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，並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型槽的前後兩側，其作用在於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；
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，前後側面垂直於水平面，左右側面與三稜柱墊塊斜面接觸，前後側面與側擋板內表面接觸，四個側面均塗有潤滑材料，以減小其受到的剪應力；
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；
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；
所述的衝擊重塊，用於對巖樣試件施加衝擊荷載，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，用於提起和釋放衝擊重塊。
[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，用於測量試件在實驗過程中所受荷載和上下邊界發生的位移，並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，用於測量衝擊重塊的高度，並且防止衝擊重塊下落時發生偏斜。
[0010]本發明還包括支撐導軌，固定在底座上，其作用是在實驗前託住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發生偏斜。
[0011]本發明還可以包括防護裝置，用於防止衝擊重塊傾倒或巖樣試件崩解時可能造成的危險。
[0012]本發明的試驗方法是:
1)製作類梯形試件，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；
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，然後保持；
3)調整衝擊重塊的高度和重量，然後釋放衝擊重塊，對試件加載盒進行衝擊；
4)提起衝擊重塊，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。
[0013]本發明的原理是:
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(即本發明所述類梯形試件)進行試驗即可反映圍巖整體的性質；由於本發明僅取圍巖的一部分進行分析，相對於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。
[0014]本發明通過加載油缸和反力鋼絞線對試件施加壓力，使其處於高應力狀態下，在這個過程中反力鋼絞線有一定彈性伸長；通過衝擊重塊對試件施加衝擊荷載，以模擬採空區覆巖斷裂導致的應力波對巷道的衝擊，由於反力鋼絞線為柔性材料，不會像常規剛性立柱一樣對衝擊荷載造成影響(支撐效應)，實現了讓試件在特定的荷載條件下承受衝擊荷載的目標；試件在高應力及衝擊擾動條件下破壞，其強度降低並發生一定位移，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】
[0015]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步說明: 圖1為本發明的力學原理圖；
圖2為本發明的主體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]結合附圖1，本發明採用局部試件的原理在於，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；對於軸對稱問題，可以取其一部分，即本發明所述類梯形試件4，進行試驗即可反映圍巖整體的性質。
[0017]結合附圖2，一種深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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、衝擊重塊10、提升裝置11、導向測量裝置12。
[0018]所述的試件加載盒，包括U型槽1、三稜柱墊塊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；三稜柱墊塊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，並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的前後兩側，其作用在於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。
[0019]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，前後側面垂直於水平面，左右側面與三稜柱墊塊2斜面接觸，前後側面與側擋板內表面接觸，四個側面均塗有潤滑材料，以減小其受到的剪應力。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]所述的支撐導軌8，固定在底座6上，其作用是在實驗前託住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發生偏斜。
[0023]所述的衝擊重塊10，用於對巖樣試件施加衝擊荷載，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。
[0024]所述的提升裝置11，固定在門式框架9上，用於提起和釋放衝擊重塊。
[0025]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，用於測量衝擊重塊的高度，並且防止衝擊重塊下落時發生偏斜。
[0026]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範圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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、衝擊重塊和提升裝置； 所述的試件加載盒，包括U型槽、三稜柱墊塊、加載墊塊、側擋板；U型槽為整體結構，包括底板和兩個側壁；三稜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型槽的前後兩側； 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，前後側面垂直於水平面，左右側面與三稜柱墊塊斜面接觸，前後側面與側擋板內表面接觸，四個側面均塗有潤滑材料； 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； 所述的衝擊重塊，用於對巖樣試件施加衝擊荷載，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，用於提起和釋放衝擊重塊。
2.根據權利要求1所述的一種深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，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衝擊地壓模擬試驗系統，其特徵在於，包括防護裝置。
7.如權利要求1-6任一所述的深埋隧洞衝擊地壓模擬試驗系統的實驗方法，其特徵在於: 第一步:製作類梯形試件，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.<入 一， 第二步: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，然後保持；第三步:調整衝擊重塊的高度和重量，然後釋放衝擊重塊，對試件加載盒進行衝擊；第四步:提起衝擊重塊，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。
【文檔編號】G01M7/08GK103471801SQ201310425616
【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】王剛, 吳學震, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學