用于研究井下岩体断裂问题的实验加载系统的制作方法

本发明应用于矿井下岩巷，涉及到机械冲击作用下岩巷工作面的开口断裂问题研究，具体涉及到一种用于研究井下岩巷在机械冲击作用下岩体断裂问题的实验加载系统。

背景技术：

现阶段我国煤矿岩巷掘进施工方式主要是钻爆法和机械掘进法，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上技术成果不足，井下作业人员在进行工作时主要以经验为主，在操作机组时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，因此施工效率一直停留在很低的水平，对岩体的初始断裂及开口问题进行研究具有重要意义。

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霍普金森杆及超动态应变仪等设备进行了岩石在冲击作用下的断裂问题的研究，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。但是目前国内外关于连续冲击作用下上的岩体破碎研究较少，并且由于实验室与岩巷内条件存在较大差距，研究结论对岩巷开口作业指导有所不足，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，对岩体在机械冲击作用下的初始断裂及开口问题进行深入研究，这对于提高岩巷的开口速度和掘进速度具有重要的价值。

基于目前存在的问题，本发明立足于岩石巷道，设计了一种用于研究井下岩体断裂及开口问题的实验加载系统，用于对断裂问题进行研究。

技术实现要素：

本发明所解决的是岩巷冲击掘进开口困难、室内实验结论对于实际工况指导不足的问题，提供了一种研究井下岩体断裂问题的实验加载系统，用于研究在掘进机钎杆的冲击作用下的冲击点断裂规律、开口时岩巷工作面的应力分布规律、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岩体断裂问题的实验加载系统，包括钎杆，应变片，信号线，应变仪，工作站，防爆相机。本发明基于悬臂式冲击掘进机在煤矿岩巷中的使用，在进行冲击破岩前以冲击点为圆心画几个半径逐渐扩大的圆和圆弧，将应变片按照预设方向沿着几个圆弧进行粘贴铺设，而后通过操作掘进机来对该中心点进行冲击破碎。冲击破碎过程中，应变片通过信号线将信号反映至应变仪，而后应变仪将数据记录并存储至工作站。该系统能够采集到不同冲击频率、冲击力条件下的岩体表面的应力应变分布规律及岩体的凿深情况，从而研究钎杆输入变量与凿入行为的关系、岩体的断裂规律、岩体开口处及附近应力场分布等的演变规律等。

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，冲击区域位于岩巷工作面的底部位置，冲击点通常取自冲击区域右侧，所述开始冲击点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，确定开始冲击点后要以冲击点为中心画几个半径逐渐扩大的圆和圆弧，所述几个圆可以根据不同的岩性设置间距。

所述的实验加载系统，冲击点附近的圆可以用来观察岩体断裂情况，冲击点外围的圆弧用来确定应变片粘贴位置。

所述的实验加载系统，应变片按照设定粘贴在以冲击点为圆心的圆弧上，同一圆弧上的应变片间距相同，所述的应变片粘贴位置及数量可以改变，可以为实验的数值模拟提供对比。

所述的实验加载系统，在粘贴应变片前需要对岩体表面进行打磨。

所述的实验加载系统，岩体表面上的应变片可连接信号线，引出信号线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需求来选择不同通道数量的应变仪。

所述的实验加载系统，应变仪后连接有工作站，可以在实验条件下对数据分析，并将数据存储下来。

所述的实验加载系统，需要在实验进行过程中用防爆相机不断对冲击位置断裂情况进行拍照，用来观察基本断裂情况。

所述的实验加载系统，鉴于井下条件，工作站需要采用自身电源。

所述的实验加载系统，全部设施及仪器需要经过防爆检查及安全认证。

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，结合了应变片电测的优势所在，可以测定出不同冲击频率、冲击力条件下岩体断裂及开口的过程中应变规律，而后可以通过方程演算出钎杆输入变量与岩体开口处及附近应力场分布的影响规律，为悬臂式掘进机破岩效果的提升提供理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理示意图；

图2是本发明的巷道适用条件示意图；

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工作区域及布孔位置示意图。

图中各个数字标号表示：

1、钎杆，2、工作面，3、冲击区域，4、起始冲击点，5、应变片，6、信号线a，7、超动态应变仪，8、信号线b，9、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，用于研究井下岩体断裂问题的实验加载系统，组成包含钎杆端部1、钎杆，2、巷道工作面，3、冲击区域，4、起始冲击点，5、应变片，6、信号线a，7、应变仪，8、信号线b，9、工作站。

参照图1所示的本加载系统的结构原理图，所述钎杆1设置于悬臂式掘进机的头部，钎杆1的端部与掘进机工作部振源相连接，振动形式体现为活塞对钎杆1的打击作用，工作形式体现为钎杆1对岩石工作面的振动冲击作用。

进一步的，通过调节掘进机工作部可以调节钎杆1的振动频率和冲击力。

在本发明所阐述的内容中，钎杆1的振动频率和冲击力作为钎杆1的输入变量，用于结合应变片5的测试内容和冲击位置的断裂情况进行分析。

参照图2所示的巷道适用条件示意图，在工作面2中，为了便于开口后进一步的破岩工作，将初始冲击位置设置于工作面2的底部，即图2所示的冲击区域3。

进一步的，起始冲击点4选自冲击区域3。所述起始冲击点4在岩性不同的条件下可以改变，参照图3，起始冲击点4选在了冲击区域3右侧，参照图4，起始冲击点4选在了冲击区域3的中间位置。

参照图1、图3，在起始冲击点4的周围画几个半径逐渐扩大的圆，用来观察冲击点附近的岩石断裂情况，不同的条件下可以做几个不同数量的圆。

需要说明的是，在冲击工作的进行过程中，需要采用防爆相机对冲击位置附近的岩石断裂情况进行拍照取样，通过观察每个圆的完整程度变化、半径不同的圆在同一时刻的完整程度对比，可以初步对岩体的断裂变化问题做一个阐述。

进一步的，在上述圆的外围继续画几个以该冲击点4为圆心的圆弧线，在弧线上按照图示方式取点，确定应变片5的粘贴位置。

进一步的，对粘贴位置进行打磨，以保证应变片5的粘贴效果，将应变片5粘贴在上述弧线上，应变片5的粘贴方向与图示粘贴点到起始冲击点4的连线方向相一致。

需要说明的是，将应变片5按照上述方式粘贴在工作面上，是为了便于表征在同种情况下岩石表面的应力应变传递规律，上述的圆弧线在井下难以绘制的时候，可以通过在室内进行对井下工作面的模拟和定位，在井下直接标记应变片5的粘贴位置即可。

进一步的，在应变片后连接有信号线a6，信号线a6接入应变仪7的通道内，而后应变仪7将信号通过信号线b8连接工作站9，工作站9可以对采集数据进行分析和存储。

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。

上述所有器件及材料在实验前均需要通过防爆检查及安全认证。

参照图1、图3所示的一个实施例的工作区域及布孔位置示意图，根据以上所述的实验加载系统，对研究井下岩体断裂规律的实验方法进行具体描述：

首先，在岩体工作面2中确定冲击区域3并选取起始冲击点4，本实施例中冲击区域3位于工作面2底部,起始冲击点4位于冲击区域3的右侧，在初始点处进行标记。

以初始冲击点4为圆心在附近做几个完整圆及圆弧，本实施例中绘制有三个圆及三个圆弧。

然后，在每个圆的弧线上等间隔的选取几个点进行应变片5的粘贴，本实施例中每个圆弧上等间隔的选取三个粘贴位置，对每个粘贴位置进行打磨处理。

按照初始冲击点4至粘贴位置的连线方向设置应变片5，将应变片5的感应方向设置为上述连线方向，同一圆弧上的应变片5间距设置相同。

用信号线a6连接应变片5和应变仪7，用信号线b8连接应变仪7和工作站9，打开测试软件，对信号收集情况进行调整和测试。

最后，对掘进机进行频率及冲击力设置，然后以该设置参数为基准操作钎杆1对起始冲击点4进行冲击破碎，采用防爆相机对冲击点4及附近绘制圆进行拍摄，通过工作站9对取到的数据进行取舍和存储。

在上述条件下的冲击开口实验完成后，需要完成其余的岩石破碎直至重新露出一个完整的工作面，对掘进机的频率及冲击力进行变更，继续按照上述起始冲击位置开始冲击实验，所述的实验变量为掘进机的频率及冲击力。

结合图4，本实验系统的实验变量还可以取不同的起始冲击位置，用以研究不同位置的冲击作用下岩体工作面的应力及应变分布规律。

需要说明的是，基于以上的阐述，仅对于应变片位置及数量、起始冲击位置选取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机械冲击作用下的研究井下岩体断裂问题的实验加载系统，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。