用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法与流程

本发明应用于矿井下岩巷，涉及到机械冲击作用下岩巷中岩体的破碎机理问题研究，具体涉及到一种用于研究矿井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统及方法。

背景技术：

目前我国煤矿井下开采占到开采总资源的90％以上，且煤层的赋存条件极为复杂，随着我国综采掘进技术的不断发展,目前国内逐渐出现了多种基于台式重型机械的掘进工艺。现阶段我国岩巷掘进施工方式主要有传统的钻爆法和机械掘进法，机械掘进法主要表现为基于卧底机的掘进工艺。悬臂式冲击掘进机作为目前机械掘进法的重要设备，正在逐步应用于硬岩巷道中。然而由于我国在悬臂式掘进机方面技术不足，加上井下作业人员主要以经验为主，缺乏有效的理论指导，悬臂式掘进机在岩巷中的使用过程中往往存在开口困难、能量损耗大的问题，因此施工效率存在很大的局限性。

近几年来，随着科学技术的不断进步，国内外一些科研工作者通过先进的实验设备如超动态应变仪、霍普金森杆等设备进行了实验室条件下岩石在冲击作用下的断裂问题及相互影响规律，并且取得了一定的成果，对实际工程应用具有一定的指导意义和实用价值。但是目前国内外关于连续冲击作用下的岩体断裂规律的实验和研究相对很少，基于实际的岩体破碎工作较之更为罕见，鉴于实验室的条件与岩巷内条件的差距，仅在室内的冲击研究对实际工作的指导有所不足，目前的冲击掘进设备还没有达到其最大利用价值。因此，有必要在岩巷内对实际工况进行实验，对机械冲击作用下的岩体断裂和破碎机理进行深入研究，这对于实际工程的掘进速度和台式设备工作效率的提升具有重要的价值。

基于目前实验室条件与岩巷内条件差距较大，实验室内冲击实验结论对实际工况掘进作业指导不足的问题，本发明立足于岩石巷道，设计了一种用于研究矿井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统，并且介绍了其在岩巷中的使用方法。

技术实现要素：

本发明所解决的是由于实验室和实际工况中的差距较大而导致的实验结论对于实际工况指导不足的问题，提供了一种用于研究井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统及其实验方法，用于研究在掘进机钎杆的冲击作用下钎杆的应力波形、岩体的断裂规律、岩巷工作面的应力分布规律、应力波的衰减规律、岩体破碎的凿深与冲击变量的变化规律等。

本发明所采用的技术方案如下：

岩巷在机械冲击作用下的一种用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，包括钎杆，应变及压力传感器，信号线，应变仪，数据采集仪及工作站。本发明基于悬臂式冲击掘进机在煤矿岩石巷道中的使用，在进行冲击破岩前预先将应变式压力盒通过钻孔灌浆的形式布置于工作面前方，同时在破碎锤钎杆上对称粘贴有两组应变片，而后通过操作掘进机来对工作面进行冲击破碎。应变片和压力盒通过信号线将信号反映至应变仪，而后应变仪将数据记录至数据采集仪，最终数据采集仪将数据存储至工作站。该系统能够同时采集到在巷道中冲击作用下岩体的压力及应变变化，从而研究钎杆的应力波形和凿入曲线的关系，岩体的断裂规律，冲击过程中的速度、加速度、压力、冲击钎杆头部的应力场分布等的演变规律。

所述的实验加载系统，钎杆表现为液压破碎锤的的形式，布置于悬臂式掘进机的工作部前方，钎杆在不同的设备中可表现为数量上的不同，可设置为单臂单钻、单臂三钻、两臂四钻等。

所述的实验加载系统，应变片分为两对四个，粘贴于钎杆中部位置，每对应变片以对称的形式粘贴于钎杆两侧，所述的应变片粘贴位置可以改变，二者之间的相对位置也可以变化，可以作为不同的初始变量进行数据的采集及讨论。

所述的实验加载系统，冲击区域位于岩巷工作面的底部位置，表现为整个工作面的起始工作位置，所述的起始工作位置在确定有岩性更软的条件下可以改变，进而提高破岩速度，提升工作效果。

所述的实验加载系统，通过钻孔作业在巷道前进方向布置有多个平行接线孔，用于放置压力盒传感器，所述的接线孔及传感器的个数和位置可以根据实验预收效果和测试目的的不同发生改变。

所述的实验加载系统，压力盒传感器位于冲击区域的上方，布置于预先钻好的接线孔底部，所述的压力盒传感器采用应变式压力盒，可以和应变片接在同一台应变仪上。

所述的实验加载系统，需要在布置好压力盒传感器后对接线孔进行混凝土注浆处理。

所述的实验加载系统，连接压力盒的信号线自接线孔引出，而后接入应变仪。

所述的实验加载系统，从钎杆上的应变片引出的信号线和压力盒引出的信号线同时接入应变仪上的通道，所述的应变仪可以根据需要量测点数的不同来选择不同通道的应变仪。

所述的实验加载系统，应变仪后连接有数据采集仪，将数据采集完成后可以存储至工作站。

根据以上所述的实验加载系统研究矿井下岩体破碎机理的方法，包括以下步骤：

首先，在工作面按照预先设计位置进行钻孔，将压力盒传感器及信号线一同放入接线孔底部，将信号线自接线孔引出，对接线孔进行灌浆处理，等待混凝土凝固后方可进行实验。

然后，待混凝土凝固之后，对钎杆进行预先打磨并粘贴应变片，用信号线连接几个应变片至应变仪，布置于钎杆上的应变片和连接线要进行包裹和防护处理，防止落矸砸坏影响实验，同时将压力盒导出的信号线接入应变仪；将应变仪和数据采集仪连接完成，同时数据采集仪接入工作站，在工作站中预先安装好分析软件。

最后，在预先设定的开口位置开始进行冲击破碎，通过传感器的信号接收可采集到实验数据。

本发明的实验加载系统应用预期产生的有益效果：

本实验系统基于硬岩巷道中所采用的悬臂式掘进机，在实际的岩石巷道中进行试验，结合了应变片及压力盒的优势所在，可以测定出冲击作用下岩体的压力及应变变化、钎杆的应力波形，可以通过方程演算出钎杆的凿入波形和凿入曲线的关系，冲击过程中的速度、加速度、压力、冲击钎杆头部的应力场分布等的演变规律，从而可以更明确地得到实际工作中岩体在机械冲击作用下的断裂规律，为悬臂式掘进机的破岩效果提升提供理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理示意图；

图2是本发明的冲击钎杆结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的工作区域及布孔位置示意图；

图4是本发明的一个实施例的压力盒及接线孔布置示意图。

图中各个数字标号表示：

1、钎杆端部，2、钎杆，3、钎杆冲击头部，4、冲击区域，5、应变片，6、信号线a，7、接线孔，8、应变式压力盒，9、信号线b，10、混凝土浆液，11、信号线b延长线，12、超动态应变仪，13、信号线c，14、数据采集仪，15、信号线d，16、工作站。

具体实施方式

为了进一步描述本发明所述的实验加载系统的技术方案和优点所在，下面将详细描述本发明的实施例，所述实验加载系统的内容及元件描述在附图中表示出，需要说明的是，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域内的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都属于本申请保护的范围。

参照图1-4所示的一个实验加载系统实施例，用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，组成包含钎杆端部1，钎杆2，钎杆冲击头部3，冲击区域4，应变片5，信号线a6，接线孔7，应变式压力盒8，信号线b9，混凝土浆液10，信号线b延长线11，超动态应变仪12，信号线c13，数据采集仪14，信号线d15，工作站16。

参照图2所示的钎杆示意图，在本实施例中，钎杆端部1连接于悬臂式掘进机的振源，作为实验数据采集的动力来源；钎杆2上布置有两对应变片传感器5，应变片5后接有四根信号线a6，信号线a6接入超动态应变仪12。

进一步的，在本实施例中，布置有4个应变片，共占用应变仪12的四个通道。

进一步的，在本实施例中，实验条件属于动态测试的范畴，故采用超动态应变仪12进行测试，本实施例采用采用九通道的应变仪进行测试。

参照图3，在本实施例中，选取巷道工作面底部的冲击区域4作为实验触发位置，在其他的实施例工作中，工作人员可以根据测试点位的不同选取其余的位置进行初始实验。

进一步的，需要预先在巷道工作面的冲击区域4进行钻孔作业，在本实施例中，布孔位置为五个，如图3所示为接线孔7的位置，在其余的实施例中，工作人员可以根据测试要求在不同的位置进行不同数量的钻孔。

参照图4，在本实施例中的钻孔长度表现为l，钻孔完成后将应变式压力盒8放置于接线孔7底部，应变式压力盒8的信号由信号线b9导出，将信号线b9导出后对接线孔7进行灌浆处理，用于模拟初始围岩的应力环境，灌浆完成后接线孔7内装满混凝土浆液10，待混凝土凝固后方可进行实验。

进一步的，在本实施例中，应变式压力盒8为圆柱形，横向放置于接线孔7底部，其以底面圆与接线孔7底部相接触。

进一步的，在本实施例中，为了便于区分混凝土注浆前后问题，将铺设于接线孔7内的信号线称为信号线b9，在完成注浆工作后用于连接应变仪的信号线称为信号线b延长线11。

参照图1，在本实施例中，由四根信号线a6和五根信号线b延长线接入超动态应变仪12的九个通道，应变仪12九个通道的信号通过信号线c13传输至数据采集仪14，数据采集仪14通过信号线d15将数据记录于工作站16，完成数据采集。

进一步的，所述工作站在井下体现为小型电脑的形式，鉴于井下条件对于功率的限制，小型工作站需要使用自备电池。

根据本发明所述的实验加载系统研究矿井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验方法，结合图1-4的实施例，其具体操作步骤是：

首先，使用钻孔设备，按照预先分析对岩巷工作面的预设位置进行钻孔，孔深均为l，五个接线孔7的位置布置按照图3所示呈轴对称分布，完成后对接线孔7内部进行清理工作，在将应变式压力盒8上连接信号线b9，横向放置压力盒8并将其推入接线孔7，待压力盒8底部与接线孔7底部接触后，保留好信号线b9的接线头。

进一步的，按照实验的初始目标，对岩体的冲击破碎机理进行研究，需要在完成钻孔并埋入传感器后继续保持岩体的完整性，故需要对接线孔7进行灌浆处理，保证信号线b9在巷道外部接口完整的同时完成灌浆工作，待混凝土凝固后方可进行下一步操作。

其次，对钎杆2上的粘贴位置进行打磨和粘贴工作，取四个应变片5，在钎杆2上选取两个不同的位置，在每个位置上按照对称分布的形式将一对应变片5粘贴在钎杆2两侧，在应变片5上连接信号线a6。

进一步的，信号线a6和应变片5的连接部分需要进行将信号线a6的一部分固定好，防止由于钎杆2振动造成应变片5脱落，将四根信号线a6接入超动态应变仪12的四个通道。

再次，待混凝土浆液10凝固后，在五根信号线b9的接口处分别引出延长线11，将五根信号线b延长线11接入超动态应变仪的五个通道。

超动态应变仪14通道接满后，用信号线c13连接至数据采集仪14，而后通过信号线d15将数据采集仪14连接至工作站16，通过预先安装好的软件对九个通道内的信号进行调试，调试完成后可进行实验。

最后，作为悬臂式冲击掘进机的主要工作装置，钎杆端部1连接于悬臂式掘进机的振源，通过操作悬臂式掘进机对冲击区域4开始进行破岩实验，使钎杆2及其冲击头部3沿长度方向产生约300bpm的振动，在冲击钎杆开始工作后，基于钎杆2的振动，应变片5采集的信号可最终传输至工作站16，同时，对应的压力盒8的数据也会记录在工作站16上。

需要说明的是，基于以上的阐述，仅对于应变片位置、通道数量确定的应变仪、接线孔的位置及数量的描述不可以理解为对本发明的限制，本领域内的工作人员可以在实验需求不同的条件下对数量及位置进行更改。

根据本发明实施例的岩巷在机械冲击作用下的一种用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法，所述以上为对本发明实验加载系统的详细介绍。

尽管上面已经出示和描述了本发明的实验加载系统的实施例和实施例的具体施工方法，可以理解的是，以上均为示例性的，不能理解为对本发明的限制，在此基础上可以依据实际需求做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。