一种探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置的制作方法

本发明涉及冲击地压研究领域，具体涉及一种探究能量传递和引导规律的试验装置。

背景技术

近年来，随着我国煤炭资源开采深度和开采范围的增大，冲击地压问题日渐突出，冲击地压发生往往伴随着大量的人员伤亡和大量的设备损坏，并且冲击地压发生的瞬时性比较强很难预防，已经成为制约我国煤炭资源安全高效开采的关键问题。而冲击地压发生的主要原因是煤炭资源在回采过程中，随着采深增加和开采扰动影响煤壁内不断积聚弹性能直至超过某一点承受极限而引起煤壁能量瞬间释放的结果。所以可以探究荷载下能量在煤壁内的传递规律，并根据能量的传递规律人为的对能量进行引导防止局部能量积聚过高，以达到防治冲击地压发生的目的。掌握能量在煤壁内的传递规律对防治冲击地压的发生将具有十分重要的意义。

目前冲击地压能量方面的研究基本都是从能量失稳与能量耗散角度研究出发，并且都是以试样的形式在标准刚性压力机上进行的。仅把煤体视为一个单元体在压力机上研究其能量失稳问题显示是不全面的。

技术实现要素：

本发明为了解决目前基于标准刚性压力机不能进行全面的冲击地压能量方面研究的问题。进而提供了一种探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置。

一种探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置，包括：底座、第一立柱、第二刚性立柱、刚性横梁、滑道、横向刚性加载压板、纵向位移引伸计、刚性加载底台、横向位移引伸计、刚性加载侧台、钢丝绳、滑轮组、配重铁、若干纵向伺服加载装置、与纵向伺服加载装置数量相等的纵向加载连杆、与纵向伺服加载装置数量相等的纵向压力传感器、与纵向伺服加载装置数量相等的刚性加载压头、若干横向伺服加载装置、与横向伺服加载装置数量相等的横向加载连杆、数量相等的横向压力传感器、纵向电液伺服压力泵、横向电液伺服压力泵、纵向电液伺服管线、横向电液伺服管线、声发射监测系统、红外热像监测系统；

所述底座一端垂直设置第一立柱，底座另一端垂直设置第二刚性立柱，刚性横梁设置在第一立柱和第二刚性立柱的上方；

第一立柱与第二刚性立柱之间、底座上设有滑道，自第一立柱向第二刚性立柱的方向上、滑道上依次设置横向刚性加载压板、纵向位移引伸计、刚性加载底台和横向位移引伸计；

第二刚性立柱与底座相接的一端设有一个缺口，形成自由空间，为刚性加载底台向第二刚性立柱移动时提供空间；

所述纵向位移引伸计与刚性加载侧台连接，用于测量刚性加载侧台的纵向位移；自由空间内还设有横向位移引伸计，横向位移引伸计与刚性加载底台连接，用于测量刚性加载底台的横向位移；

所述刚性加载侧台通过钢丝绳经过滑轮组与配重铁连接；所述配重铁的重量等于刚性加载侧台的重量；同时刚性加载侧台的下端能够挤压刚性加载底台一端端头侧面；

所述若干纵向伺服加载装置设置在刚性横梁上，且穿过刚性横梁；纵向加载连杆分别设置在每个纵向伺服加载装置上，纵向伺服加载装置驱动纵向加载连杆运动；加载连杆下方端头分别设有刚性加载压头，所述刚性加载压头并排设置在煤体正上方；靠近第一立柱一侧的刚性加载压头压在煤体上方的同时，压在刚性加载侧台的上端面上；纵向加载连杆上对应设置纵向压力传感器，用于测量纵向加载连杆施加给煤体的压力；

所述若干横向伺服加载装置设置在第一立柱上，且穿过第一立柱；横向加载连杆分别设置在每个横向伺服加载装置上，横向伺服加载装置驱动横向加载连杆运动；若干横向加载连杆的一端共同连接刚性加载压板；横向加载连杆上对应设置横向压力传感器，用于测量横向加载连杆施加给煤体的压力；

所述纵向电液伺服压力泵通过纵向电液伺服管线为纵向伺服加载装置提供驱动动力；所述横向电液伺服压力泵通过横向电液伺服管线为横向伺服加载装置提供驱动动力；

若干声发射探头分别布置在煤体同一侧表面上，声发射探头和声发射监测系统通过声波的检测对煤体内部进行监测；

所述红外热像监测系统设置在煤体的一侧，红外热像监测系统通过红外热像对煤体表面进行监测。

进一步地，所述自由空间的高度略大于刚性加载底台的高度。

进一步地，所述的滑轮组包括第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮，所述刚性加载侧台通过钢丝绳经过第四滑轮、第三滑轮、第二滑轮和第一滑轮与配重铁连接，且第四滑轮、第三滑轮分别设置在钢丝绳的两侧。

进一步地，第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮分别通过第一滑轮固定板、第二滑轮固定板、第三滑轮固定板、第四滑轮固定板设置在刚性横梁上，其中，第一滑轮固定板通过肩角设置在刚性横梁一端的上角上；第二滑轮固定板设置在刚性横梁的上端面上，第三滑轮固定板、第四滑轮固定板设置在刚性横梁的下端面上。

进一步地，所述纵向伺服加载装置设置为七组，即纵向伺服加载装置在刚性横梁上布置七组。

进一步地，所述横向伺服加载装置设置为三组，即横向伺服加载装置在第一立柱上布置三组。

进一步地，所述煤体尺寸为3600mm×1800mm×300mm。

进一步地，所述声发射探头共布置两排四列，其中每排间距600mm每列间距700mm。

进一步地，所述红外热像监测系统设置在煤体一侧前方4000mm处。

本发明具有以下有益效果：

本发明的试验装置结构采用刚性框架结构，可以实现对大尺寸煤体进行加载试验。试验过程中可实现垂直、水平应力同时加载，可以真实的模拟煤体在实际回采过程中不同深度、不同地质构造的受力情况，同时可以对加载过程中煤体内部和表面的能量进行动态监测，以获得煤体在实际回采过程中能量的传递规律。通过本发明的装置可以掌握能量在煤层内的传递规律，通过掌握能量传递的规律才能对其进行引导防止积聚，该试验装置和方法将会对从能量积聚角度防治冲击地压发生的学者提供重要帮助。

本发明不仅仅能够用于煤体的能量分布、能量传递情况仿真，为能量传递和引导规律提供研究基础，而且本发明适用于其他岩石样品的能量分布、能量传递情况仿真，本发明的试验装置能够用于95％以上的各种岩石或煤样的能量分布、能量传递情况仿真试验。本发明能够为全面进行冲击地压的研究提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：底座1、第一立柱2、第二刚性立柱3、刚性横梁4、滑道5、横向刚性加载压板6、纵向位移引伸计7、刚性加载底台8、横向位移引伸计9、自由空间10、刚性加载侧台11、钢丝绳12、第一滑轮13、肩角14、配重铁15、纵向伺服加载装置16、纵向加载连杆17、纵向压力传感器18、刚性加载压头19、煤体20、横向伺服加载装置21、横向加载连杆22、横向压力传感器23、纵向电液伺服压力泵24、横向电液伺服压力泵25、纵向电液伺服管线26、横向电液伺服管线27、压力位移控制计算机28、线缆29、声发射监测系统30、红外热像监测系统31、能量监测计算机32、第二滑轮33、第三滑轮34、第四滑轮35、第一滑轮固定板36、第二滑轮固定板37、第三滑轮固定板38、第四滑轮固定板39、声发射探头40。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置，包括：底座1、第一立柱2、第二刚性立柱3、刚性横梁4、滑道5、横向刚性加载压板6、纵向位移引伸计7、刚性加载底台8、横向位移引伸计9、刚性加载侧台11、钢丝绳12、滑轮组、配重铁15、若干纵向伺服加载装置16、与纵向伺服加载装置数量相等的纵向加载连杆17、与纵向伺服加载装置数量相等的纵向压力传感器18、与纵向伺服加载装置数量相等的刚性加载压头19、若干横向伺服加载装置21、与横向伺服加载装置数量相等的横向加载连杆22、数量相等的横向压力传感器23、纵向电液伺服压力泵24、横向电液伺服压力泵25、纵向电液伺服管线26、横向电液伺服管线27、压力位移控制计算机28、声发射监测系统30、红外热像监测系统31和能量监测计算机32；

所述底座1一端垂直设置第一立柱2，底座1另一端垂直设置第二刚性立柱3，刚性横梁4设置在第一立柱2和第二刚性立柱3的上方；

第一立柱2与第二刚性立柱3之间、底座1上设有滑道5，自第一立柱向第二刚性立柱的方向上、滑道5上依次设置横向刚性加载压板6、纵向位移引伸计7、刚性加载底台8和横向位移引伸计9；且横向刚性加载压板6、纵向位移引伸计7、刚性加载底台8和横向位移引伸计9能够沿着滑道5滑动；

第二刚性立柱3与底座相接的一端设有一个缺口，形成自由空间10，为刚性加载底台8向第二刚性立柱3移动时提供空间；

所述纵向位移引伸计7与刚性加载侧台11连接，用于测量刚性加载侧台11的纵向位移；自由空间10内还设有横向位移引伸计9，横向位移引伸计9与刚性加载底台8连接，用于测量刚性加载底台8的横向位移；

所述刚性加载侧台11通过钢丝绳12经过滑轮组与配重铁15连接；所述配重铁15的重量等于刚性加载侧台11的重量，这样能够保证刚性加载侧台11尽量在无摩擦的条件下运动挤压煤体20；同时刚性加载侧台11的下端能够挤压刚性加载底台8一端端头侧面(即刚性加载底台8长度方向上的一端的侧面)；

所述若干纵向伺服加载装置16设置在刚性横梁4上，且穿过刚性横梁4；纵向加载连杆17分别设置在每个纵向伺服加载装置16上，纵向伺服加载装置16驱动纵向加载连杆17运动；加载连杆17下方端头分别设有刚性加载压头19，所述刚性加载压头19并排设置在煤体20正上方；靠近第一立柱2一侧的刚性加载压头19压在煤体上方的同时，压在刚性加载侧台11的上端面上；纵向加载连杆17上对应设置纵向压力传感器18，用于测量纵向加载连杆17施加给煤体的压力；纵向压力传感器18通过线缆与压力位移控制计算机28连接，将压力信号反馈给压力位移控制计算机28；纵向伺服加载装置16通过刚性加载压头19为煤体提供压力，使煤体蓄能，以便研究煤体内部和煤体表面的能量传递和引导规律；

所述若干横向伺服加载装置21设置在第一立柱2上，且穿过第一立柱2；横向加载连杆22分别设置在每个横向伺服加载装置21上，横向伺服加载装置21驱动横向加载连杆22运动；若干横向加载连杆22的一端共同连接刚性加载压板6；横向加载连杆22上对应设置横向压力传感器23，用于测量横向加载连杆22施加给煤体的压力；横向压力传感器23通过线缆与压力位移控制计算机28连接，将压力信号反馈给压力位移控制计算机28；横向伺服加载装置21通过刚性加载压板6挤压刚性加载侧台11，进而为煤体提供压力，使煤体蓄能，以便研究煤体内部和煤体表面的能量传递和引导规律；

所述纵向电液伺服压力泵24通过纵向电液伺服管线26为纵向伺服加载装置16提供驱动动力；所述横向电液伺服压力泵25通过横向电液伺服管线27为横向伺服加载装置21提供驱动动力；纵向电液伺服压力泵24和横向电液伺服压力泵25通过线缆与压力位移控制计算机28连接，压力位移控制计算机28控制纵向电液伺服压力泵24和横向电液伺服压力泵25工作；

若干声发射探头40分别布置在煤体20同一侧表面上，声发射探头40和声发射监测系统30通过声波的检测对煤体内部进行监测，从而为研究煤体内部的能量传递和引导规律研究提供数据；所述声发射探头40和声发射监测系统30通过线缆与能量监测计算机32连接，能量监测计算机32控制声发射探头40和声发射监测系统30工作，同时接收声发射探头40和声发射监测系统30的检测信号；

所述红外热像监测系统31设置在煤体的一侧，红外热像监测系统31通过红外热像对煤体表面进行监测。红外热像监测系统31通过线缆29与能量监测计算机32连接，能量监测计算机32控制红外热像监测系统31的工作，同时接收红外热像监测系统31的检测信号。

在进行试验的过程中，纵向电液伺服压力泵24和横向电液伺服压力泵25通过线缆与压力位移控制计算机28连接，压力位移控制计算机28控制纵向电液伺服压力泵24和横向电液伺服压力泵25工作；通过横向伺服加载装置21通过刚性加载压板6挤压刚性加载侧台11，进而为煤体提供压力，使煤体蓄能；同时纵向伺服加载装置16通过刚性加载压头19为煤体提供压力，使煤体蓄能，以便研究煤体内部和煤体表面的能量传递和引导规律；

靠近第一立柱2一侧的刚性加载压头19压在煤体上方的同时，压在刚性加载侧台11的上端面上；刚性加载侧台11下端能够挤压刚性加载底台8一端端头侧面从而使煤体受压；所述纵向位移引伸计7与刚性加载侧台11连接，用于测量刚性加载侧台11的纵向位移；自由空间10内还设有横向位移引伸计9，横向位移引伸计9与刚性加载底台8连接，用于测量刚性加载底台8的横向位移；通过刚性加载侧台11和刚性加载底台8的位移，并通过红外热像监测系统31和声发射监测系统30监测煤体表面和煤体内部的能量分布和能量分布变化进行能量传递和引导规律的研究。

煤体在挤压状态下处于破碎或者裂纹的边缘时，实际上还没有达到破坏极限，是并没有产生破坏的，如果接触面上储存了弹性势能，如果弹性势能先进行了存储不仅不利于煤体的能量检测和分析，而且极有可能由于弹性势能的释放导致煤体达到了破坏极限产生破碎或者裂纹，从而导致研究产生误差或者偏差。由于第二刚性立柱3、刚性加载底台8、刚性加载侧台11和刚性加载压头19均是刚性部件，在挤压煤体时界面上几乎不存储弹性势能，所以在挤压煤体的试验过程中避免了这种情况产生的误差，所以本发明能够提高仿真的效果，从而能够更加真实的仿真煤体的能量分布情况和能量分布和传递的规律。

本发明不仅仅能够用于煤体的能量分布、能量传递情况仿真，为能量传递和引导规律提供研究基础，而且适用于其他岩石样品的能量分布、能量传递情况仿真，本发明的试验装置能够用于95％以上的各种岩石或煤样的能量分布、能量传递情况仿真试验。

具体实施方式二：

本实施方式所述自由空间10在垂直于底座1、第一立柱2和第二刚性立柱3形成平面的方向上的高度略大于刚性加载底台8的高度；自由空间10在刚性加载底台8长度方向上的宽度为300mm。

其他结构和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述的滑轮组包括第一滑轮13、第二滑轮33、第三滑轮34和第四滑轮35，所述刚性加载侧台11通过钢丝绳12经过第四滑轮35、第三滑轮34、第二滑轮33和第一滑轮13与配重铁15连接，且第四滑轮35、第三滑轮34分别设置在钢丝绳12的两侧；

其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述第一滑轮13、第二滑轮33、第三滑轮34和第四滑轮35分别通过第一滑轮固定板36、第二滑轮固定板37、第三滑轮固定板38、第四滑轮固定板39设置在刚性横梁4上，其中，第一滑轮固定板36通过肩角14设置在刚性横梁4一端的上角上，第一滑轮13伸出到刚性横梁4长度方向上的外侧，以便保证配重铁15能够顺利升降；第二滑轮固定板37设置在刚性横梁4的上端面上，第三滑轮固定板38、第四滑轮固定板39设置在刚性横梁4的下端面上。

其他结构和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述纵向伺服加载装置16设置为七组，即纵向伺服加载装置16在刚性横梁4上布置七组。

其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述横向伺服加载装置21设置为三组，即横向伺服加载装置21在第一立柱2上布置三组。

其他结构和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：

本实施方式所述煤体20尺寸为3600mm×1800mm×300mm。

其他结构和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：

本实施方式所述声发射探头40共布置两排四列，其中每排间距600mm每列间距700mm。

其他结构和参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：

本实施方式所述红外热像监测系统31通过三脚架设置在煤体一侧前方4000mm处。

其他结构和参数与具体实施方式一至八之一相同。

实施例

利用具体实施方式一至九共同构成的探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

第一步：将煤块加工成900mm×900mm×300mm的长方体八块，并将900mm×300mm的面磨平以便于每个煤块之间接触严密，然后将八块煤块立起依次放置于刚性加载底台8上，使其构成3600mm×1800mm×300mm的煤体20。

第二步：操作压力控制计算机28开动纵向电液伺服压力泵24，使刚性加载压头19接触到煤体20，待七个刚性加载压头19与煤体20上方接触严密时关闭纵向电液伺服压力泵24。

第三步：开动横向电液伺服压力泵25推动横向刚性加载压板6，使横向刚性加载压板6、刚性加载侧台11和煤体20三者之间接触严密后，关闭横向电液伺服压力泵25。

第四步：在煤体20上粘贴声发射探头40，共布置声发射探头两排四列，其中每排间距600mm每列间距700mm均匀布置。

第五步：调试声发射监测系统30和红外热像监测系统31，使其处于实时采集状态。其中声发射监测系统的测试方式为通过敲击煤体观察能量监测计算机32上是否有能量信号显示，如无能量信号即声发射探头40和煤体直接接触不良，此时可在声发射探头40与煤体20之间涂抹耦合剂凡士林增强接触性，然后重复上述测试直至监测系统中出现能量信号。红外热像监测系统31的测试过程为调整红外热像仪的焦距和能量识别区间，使镜头聚焦在煤体20表面位置监测面积为煤体20的表面积，调整红外热像仪的能量识别区域使煤体20的能量温度值位于红外热像仪监测区间的中间位置，此时将高于煤体温度的物体置于红外热像仪可视范围内观察其监测系统内是否有温度变化，如有温度变化可将物体移开准备进行试验，如无温度变化即连接线路可能接触不良，检查线路后重新测试直至出现温度变化。

第六步：利用声发射监测系统的定位监测功能，将煤体20划分成若干个300mm×300mm×300mm的特征单元体进行监测，根据每个特征单元体的能量值变化即可判断能量在煤体20内的传递规律。

第七步：通过压力位移控制计算机28同时开启纵向电液伺服压力泵24和横向电液伺服压力泵25对煤体20进行加载，加载模式设置为负荷控制，加载速度设置为10kn/min，在开启压力泵的同一时间开启声发射监测系统30和红外热像监测系统31。

第八步：对煤体20加载直至破坏，煤体从加载开始直至破坏是一个能量传递的过程，整个过程能量从刚性加载压头19和刚性加载侧台11传递到煤体20中，

通过声发射监测系统30实时监测每个特征单元体内的能量值变化可得到能量在煤体内的传递规律，通过红外热像监测系统对煤体加载过程实时监测可得到能量在煤体20表面的传递规律。

第九步：待第八步结束后重复第一步过程，重新在刚性加载台8上放置煤体20，此时在上一个煤体破坏的相同位置周边布置能量引导钻孔，能量引导钻孔的布置数量及组合形式根据第八步具体的破坏情况而定。

第十步：此时重复上述第二步到第八步，通过声发射监测系统30和红外热像监测系统31的实时监测，可分别得到能量引导钻孔对煤体20内部和表面能量的引导规律。