卸压窗口可调型三轴加载样品缸及其实验方法与流程

本发明涉及煤岩样品三轴加载单侧卸压破坏特征测试实验技术领域，具体的说，涉及一种卸压窗口可调型三轴加载样品缸及其实验方法。

背景技术：

我国煤矿地质条件复杂，尤其是随着煤矿开采深度的增加，煤矿灾害事故的强度、频度增大。为此，加强煤岩破坏特征及破坏机理的研究，对提高煤矿灾害事故预测的准确度，减少煤矿事故的发生具有重要意义。

为了对煤岩破坏特征、破坏机理进行研究，一些学者分别采用理论分析、数值模拟、实验室测试、现场测试等方法开展相关研究。经过长期的研究证实：实验室测试和现场测试结果更接近于生产实际。但是，由于煤矿灾害发生时间的不确定性、突发性以及发生条件的不可控性等特点，在现场很难对一次完整的破坏过程进行测试，并进行针对性分析。为此，对于煤岩破坏特征的研究，主要是以实验室研究为主。

煤矿事故的发生大多是由于采掘活动的影响，造成煤岩一侧突然卸压、不均匀卸压，导致大量煤岩体在应力、瓦斯、煤体结构综合作用下从卸压侧大量涌入采掘空间。为此诸多学者开展了大量卸围压、卸轴压的实验测试，但是这些测试装置并不能测试煤岩单侧卸压时的破坏特征。为此，迫切需要一种能对单侧卸压时破坏特征，尤其是不同卸压窗口大小条件下的破坏特征进行测试的装置，这对研究煤与瓦斯突出过程煤岩破坏特征，尤其是深部煤岩破坏特征具有重要的指导，对揭示深部煤矿煤与瓦斯突出机理具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种设计科学、结构合理、能够在三轴方向对样品加载、可单侧卸压并调节卸压窗口大小的卸压窗口可调型三轴加载样品缸及其实验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

卸压窗口可调型三轴加载样品缸，包括上加载头、下加载头、四方体样品缸、卸压窗口调节系统和加压系统，上加载头、下加载头和四方体样品缸均垂直设置，四方体样品缸包括前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底板，四方体样品缸的顶部敞口，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板均垂直设置，底板水平设置，后侧板、右侧板和底板一体成型，底板的下表面固定连接在下加载头的上表面，左侧板的下侧边沿左右方向滑动连接在底板的上侧面，前侧板为左右伸缩的两级板，前侧板设在左侧板与右侧板之间，前侧板的下侧边沿前后方向滑动连接在底板的上侧面，卸压窗口调节系统安装在左侧板上，卸压窗口调节系统包括垂直控制窗口和水平控制窗口，垂直控制窗口和水平控制窗口均开设在左侧板内中部，垂直控制窗口设在水平控制窗口的右侧，垂直控制窗口的中间部分和水平控制窗口的中间部分左右对应贯通，垂直控制窗口内设有一块上竖直平板和一块下竖直平板，上竖直平板和下竖直平板相对垂直滑动在垂直控制窗口内，水平控制窗口内设有一块前竖直平板和一块后竖直平板，前竖直平板和后竖直平板相对前后水平滑动在水平控制窗口内，左侧板上设有分别驱动上竖直平板和下竖直平板上下垂直滑动的垂直动力机构、驱动前竖直平板和后竖直平板前后水平滑动的水平动力机构，左侧板的左侧面和前侧板的前侧面分别连接有若干液压推拉机构，各个液压推拉机构分别与加压系统连接。

前侧板包括左滑动板和右滑动板，右滑动板的下侧边沿前后方向滑动连接在底板的上侧面，右滑动板的内部开设有滑槽盲孔，滑槽盲孔沿左右方向设置且左侧敞口，左滑动板的右侧伸入到滑槽盲孔中且沿左右方向滑动连接在滑槽盲孔中，左滑动板的右侧边与滑槽盲孔内底部之间连接有压缩弹簧，左滑动板的左侧边沿前后方向滑动连接在底板的上侧面。

上竖直平板和下竖直平板的左右两侧边之间分别对应连接有一根垂直拉伸弹簧，前竖直平板和后竖直平板的上下两侧边之间分别对应连接有一根水平拉伸弹簧。

垂直控制窗口和水平控制窗口均为开设在左侧板内部的槽型导轨，垂直动力机构包括上旋转圆柱和下旋转圆柱，上旋转圆柱和下旋转圆柱的中心线均与左侧板的左侧面垂直，上旋转圆柱转动安装在垂直控制窗口正上方的左侧板上，上旋转圆柱上缠绕有一根上垂直钢丝，上垂直钢丝的下端与上竖直平板的上侧边固定连接，下旋转圆柱转动安装在垂直控制窗口正下方的左侧板上，下旋转圆柱上缠绕有一根下垂直钢丝，下垂直钢丝的上端与下竖直平板的下侧边固定连接；

水平动力机构包括前旋转圆柱和后旋转圆柱，前旋转圆柱和后旋转圆柱的中心线均与左侧板的左侧面垂直，前旋转圆柱转动安装在水平控制窗口正前方的左侧板上，前旋转圆柱上缠绕有一根前水平钢丝，前水平钢丝的后端与前竖直平板的前侧边固定连接，后旋转圆柱转动安装在水平控制窗口正后方的左侧板上，后旋转圆柱上缠绕有一根后水平钢丝，后水平钢丝的前端与后竖直平板的后侧边固定连接。

左侧板的左侧和前侧板的前侧分别设有左固定架和前固定架，四个沿左右方向上推拉驱动的液压推拉机构的固定端和驱动端分别连接在左固定架的右侧与左侧板的左侧面四周之间，前固定架为与前侧板对应在左右方向伸缩的伸缩架，四个沿前后方向上推拉驱动的液压推拉机构的固定端和驱动端分别连接在前固定架的后侧与左滑动板的前侧面上部、下部和右滑动板的前侧面上部、下部之间。

液压推拉机构包括液压油缸，加压系统包括油泵和液压油阀，液压油缸与油泵之间连接有液压管路，液压油阀设在液压管路上。

卸压窗口可调型三轴加载样品缸的实验方法，包括以下步骤：

（1）检查测试装置的密封性和良好性；

（2）将样品装入样品缸：控制压力机的动力机构带动上加载头上升，将制作好的四方体煤岩样品放入四方体样品缸中，四方体煤岩样品上侧、左侧和前侧内部分别设置有应力测试探头；

（3）根据实验方案进行加载参数设置，设置后对样品缸内的四方体煤岩样品进行加载作业；

（4）根据实验目的进行卸压窗口的调节；

（5）进行卸压过程相关参数测试：各个应力测试探头分别将四方体煤岩样品上侧、左侧和前侧内部的应力值信号传至压力机的试验主机，试验主机处理、分析各个应力测试探头测得的应力值，由于四方体煤岩样品左侧的左侧板具有卸压窗口，则四方体煤岩样品左侧的应力值相对发生突变；

（6）测试完成后进行装置整理：停止加载，控制压力机的动力机构带动上加载头上升，左侧的四个液压油缸的活塞杆向左收缩拉动左侧板向左滑动，前侧的四个液压油缸的活塞杆向前收缩拉动前侧板向前滑动，将测试完的四方体煤岩样品从四方体样品缸中取出回收。

步骤（3）的具体步骤是：通过压力机的试验主机设置在三轴方向的加载参数，启动加载步骤，压力机的动力机构带动上加载头向下挤压四方体煤岩样品的上表面，启动油泵，油泵通过液压管路向左侧的四个液压油缸提供液压油，通过液压油阀控制左侧的四个液压油缸动作，左侧的四个液压油缸的活塞杆向右伸出推动左侧板向右滑动，左侧板向右挤压四方体煤岩样品的左侧面，由于前侧板为左右伸缩的两级板，且前侧板设在左侧板与右侧板之间，则左侧板向右滑动时，左侧板推动左滑动板向右滑动伸入右滑动板的滑槽盲孔中，使前侧板向右收缩，然后，油泵通过液压管路向前侧的四个液压油缸提供液压油，通过液压油阀控制前侧的四个液压油缸动作，前侧的四个液压油缸的活塞杆向后伸出推动前侧板向后滑动，前侧板向后挤压四方体煤岩样品的前侧面，保持加载力恒定。

步骤（4）的具体步骤是：首先，分别旋转上旋转圆柱和下旋转圆柱，使上垂直钢丝向上缠绕在上旋转圆柱上，上垂直钢丝的下端拉动上竖直平板沿垂直控制窗口向上滑动，对应的，下垂直钢丝向下缠绕在下旋转圆柱上，下垂直钢丝的上端拉动下竖直平板沿垂直控制窗口向下滑动，从而上竖直平板的下侧边与下竖直平板的上侧边分离形成垂直窗口，然后，分别旋转前旋转圆柱和后旋转圆柱，使前水平钢丝向前缠绕在前旋转圆柱上，前水平钢丝的后端拉动前竖直平板沿水平控制窗口向前滑动，对应的，后水平钢丝向后缠绕在后旋转圆柱上，后水平钢丝的前端拉动后竖直平板沿水平控制窗口向后滑动，从而前竖直平板的后侧边与后竖直平板的前侧边分离形成水平窗口，垂直窗口的中部与水平窗口的中部左右投影重合且连通形成卸压窗口，从而实现四方体煤岩样品左侧卸压。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的四方体样品缸的顶部敞口且体积可调，后侧板、右侧板和底板一体成型，底板的下表面固定连接在下加载头的上表面，左侧板沿左右方向滑动连接在底板的上侧面，前侧板为左右伸缩的两级板，前侧板设左侧板与右侧板之间，前侧板沿前后方向滑动连接在底板的上侧面，如此，本发明通过上加载头、左侧板和前侧板分别对四方体煤岩样品的上侧面、左侧面和前侧面施加压力，实现对四方体煤岩样品在三轴方向的加载，左侧板上开设有垂直控制窗口和水平控制窗口，垂直控制窗口内滑动有上竖直平板和下竖直平板，上竖直平板和下竖直平板的左右两侧边之间分别对应连接有一根垂直拉伸弹簧，如此，上竖直平板和下竖直平板在两根垂直拉伸弹簧的拉动下自然紧压对接，水平控制窗口内滑动有前竖直平板和后竖直平板，前竖直平板和后竖直平板的上下两侧边之间分别对应连接有一根水平拉伸弹簧，如此，前竖直平板和后竖直平板在两根水平拉伸弹簧的拉动下自然紧压对接，因此，初始时，上竖直平板和下竖直平板紧密对接闭合垂直控制窗口的中部，前竖直平板和后竖直平板紧密对接闭合水平控制窗口的中部，保证左侧板初始挤压四方体煤岩样品时，左侧板中部完整，当需要将四方体煤岩样品的左侧卸压测试时，可分别通过上旋转圆柱、下旋转圆柱、上垂直钢丝和下垂直钢丝将上竖直平板与下竖直平板分别沿垂直控制窗口向上、向下移动，使上竖直平板的下侧边与下竖直平板的上侧边分离形成垂直窗口，再通过前旋转圆柱、前旋转圆柱、前水平钢丝和后水平钢丝将前竖直平板与后竖直平板分别沿水平控制窗口向前、向后移动，使前竖直平板的后侧边与后竖直平板的前侧边分离形成水平窗口，垂直窗口的中部与水平窗口的中部左右投影重合且连通形成卸压窗口，从而实现四方体煤岩样品左侧卸压，卸压窗口的大小能够通过调节垂直窗口和水平窗口的大小调节，以满足煤岩样品在单侧卸压下针对不同卸压窗口大小的破坏特征参数测试。

由于前侧板为左右伸缩的两级板，保证煤岩样品在受到左侧板向右挤压变形时，前侧板也能向右收缩，使前侧板始终位于左侧板与右侧板之间，以便前侧板能够沿前后方向滑动连接在底板的上侧面，对四方体煤岩样品施加向后的压力。

本发明的卸压窗口可调型三轴加载样品缸及其实验方法设计科学、结构合理、能够在三轴方向对样品加载、可单侧卸压并调节卸压窗口大小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中a-a处剖视图。

图3是图2中b向的前侧板结构示意图。

图4是本发明中左侧板内的垂直控制窗口结构示意图。

图5是本发明中左侧板内的水平控制窗口结构示意图。

图6是图2中左侧板俯视结构示意图。

图中：1.上加载头；2.下加载头；3.前侧板；4.后侧板；5.左侧板；6.右侧板；7.底板；8.垂直控制窗口；9.水平控制窗口；10.上竖直平板；11.下竖直平板；12.前竖直平板；13.后竖直平板；14.左滑动板；15.右滑动板；16.滑槽盲孔；17.压缩弹簧；18.垂直拉伸弹簧；19.水平拉伸弹簧；20.上旋转圆柱；21.下旋转圆柱；22.上垂直钢丝；23.下垂直钢丝；24.前旋转圆柱；25.后旋转圆柱；26.前水平钢丝；27.后水平钢丝；28.左固定架；29.前固定架；30.液压油缸；31.液压管路；32.四方体煤岩样品。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-图6所示，卸压窗口可调型三轴加载样品缸，包括上加载头1、下加载头2、四方体样品缸、卸压窗口调节系统和加压系统，上加载头1、下加载头2和四方体样品缸均垂直设置，四方体样品缸包括前侧板3、后侧板4、左侧板5、右侧板6和底板7，四方体样品缸的顶部敞口，前侧板3、后侧板4、左侧板5和右侧板6均垂直设置，底板7水平设置，后侧板4、右侧板6和底板7一体成型，底板7的下表面固定连接在下加载头2的上表面，左侧板5的下侧边沿左右方向滑动连接在底板7的上侧面，前侧板3为左右伸缩的两级板，前侧板3设在左侧板5与右侧板6之间，前侧板3的下侧边沿前后方向滑动连接在底板7的上侧面，卸压窗口调节系统安装在左侧板5上，卸压窗口调节系统包括垂直控制窗口8和水平控制窗口9，垂直控制窗口8和水平控制窗口9均开设在左侧板5内中部，垂直控制窗口8设在水平控制窗口9的右侧，垂直控制窗口8的中间部分和水平控制窗口9的中间部分左右对应贯通，垂直控制窗口8内设有一块上竖直平板10和一块下竖直平板11，上竖直平板10和下竖直平板11相对垂直滑动在垂直控制窗口8内，水平控制窗口9内设有一块前竖直平板12和一块后竖直平板13，前竖直平板12和后竖直平板13相对前后水平滑动在水平控制窗口9内，左侧板5上设有分别驱动上竖直平板10和下竖直平板11上下垂直滑动的垂直动力机构、驱动前竖直平板12和后竖直平板13前后水平滑动的水平动力机构，左侧板5的左侧面和前侧板3的前侧面分别连接有若干液压推拉机构，各个液压推拉机构分别与加压系统连接。

前侧板3包括左滑动板14和右滑动板15，右滑动板15的下侧边沿前后方向滑动连接在底板7的上侧面，右滑动板15的内部开设有滑槽盲孔16，滑槽盲孔16沿左右方向设置且左侧敞口，左滑动板14的右侧伸入到滑槽盲孔16中且沿左右方向滑动连接在滑槽盲孔16中，左滑动板14的右侧边与滑槽盲孔16内底部之间连接有压缩弹簧17，左滑动板14的下侧边沿前后方向滑动连接在底板7的上侧面。

上竖直平板10和下竖直平板11的左右两侧边之间分别对应连接有一根垂直拉伸弹簧18，前竖直平板12和后竖直平板13的上下两侧边之间分别对应连接有一根水平拉伸弹簧19。

垂直控制窗口8和水平控制窗口9均为开设在左侧板5内部的槽型导轨，垂直动力机构包括上旋转圆柱20和下旋转圆柱21，上旋转圆柱20和下旋转圆柱21的中心线均与左侧板5的左侧面垂直，上旋转圆柱20转动安装在垂直控制窗口8正上方的左侧板5上，上旋转圆柱20上缠绕有一根上垂直钢丝22，上垂直钢丝22的下端与上竖直平板10的上侧边固定连接，下旋转圆柱21转动安装在垂直控制窗口8正下方的左侧板5上，下旋转圆柱21上缠绕有一根下垂直钢丝23，下垂直钢丝23的上端与下竖直平板11的下侧边固定连接；

水平动力机构包括前旋转圆柱24和后旋转圆柱25，前旋转圆柱24和后旋转圆柱25的中心线均与左侧板5的左侧面垂直，前旋转圆柱24转动安装在水平控制窗口9正前方的左侧板5上，前旋转圆柱24上缠绕有一根前水平钢丝，前水平钢丝的后端与前竖直平板12的前侧边固定连接，后旋转圆柱25转动安装在水平控制窗口9正后方的左侧板5上，后旋转圆柱25上缠绕有一根后水平钢丝，后水平钢丝的前端与后竖直平板13的后侧边固定连接。

上旋转圆柱20、下旋转圆柱21、前旋转圆柱24和后旋转圆柱25可以采用手柄驱动或分别传动连接电机减速机。

左侧板5的左侧和前侧板3的前侧分别设有左固定架28和前固定架29，四个沿左右方向上推拉驱动的液压推拉机构的固定端和驱动端分别连接在左固定架28的右侧与左侧板5的左侧面四周之间，前固定架29为与前侧板3对应在左右方向伸缩的伸缩架，四个沿前后方向上推拉驱动的液压推拉机构的固定端和驱动端分别连接在前固定架29的后侧与左滑动板14的前侧面上部、下部和右滑动板15的前侧面上部、下部之间。

液压推拉机构包括液压油缸30，加压系统包括油泵和液压油阀，液压油缸30与油泵之间连接有液压管路，液压油阀设在液压管路上。

油泵、液压油阀和液压管路均是常规设计，图中未示。

卸压窗口可调型三轴加载样品缸的实验方法，包括以下步骤：

（1）检查测试装置的密封性和良好性；

（2）将样品装入样品缸：控制压力机的动力机构带动上加载头1上升，将制作好的四方体煤岩样品放入四方体样品缸中，四方体煤岩样品上侧、左侧和前侧内部分别设置有应力测试探头；

（3）根据实验方案进行加载参数设置，设置后对样品缸内的四方体煤岩样品进行加载作业；

（4）根据实验目的进行卸压窗口的调节；

（5）进行卸压过程相关参数测试：各个应力测试探头分别将四方体煤岩样品上侧、左侧和前侧内部的应力值信号传至压力机的试验主机，试验主机处理、分析各个应力测试探头测得的应力值，由于四方体煤岩样品左侧的左侧板5具有卸压窗口，则四方体煤岩样品左侧的应力值相对发生突变；

（6）测试完成后进行装置整理：停止加载，控制压力机的动力机构带动上加载头1上升，左侧的四个液压油缸30的活塞杆向左收缩拉动左侧板5向左滑动，前侧的四个液压油缸30的活塞杆向前收缩拉动前侧板3向前滑动，将测试完的四方体煤岩样品从四方体样品缸中取出回收。

步骤（3）的具体步骤是：通过压力机的试验主机设置在三轴方向的加载参数，启动加载步骤，压力机的动力机构带动上加载头1向下挤压四方体煤岩样品的上表面，启动油泵，油泵通过液压管路向左侧的四个液压油缸30提供液压油，通过液压油阀控制左侧的四个液压油缸30动作，左侧的四个液压油缸30的活塞杆向右伸出推动左侧板5向右滑动，左侧板5向右挤压四方体煤岩样品的左侧面，由于前侧板3为左右伸缩的两级板，且前侧板3设在左侧板5与右侧板6之间，则左侧板5向右滑动时，左侧板5推动左滑动板14向右滑动伸入右滑动板15的滑槽盲孔16中，使前侧板3向右收缩，然后，油泵通过液压管路向前侧的四个液压油缸30提供液压油，通过液压油阀控制前侧的四个液压油缸30动作，前侧的四个液压油缸30的活塞杆向后伸出推动前侧板3向后滑动，前侧板3向后挤压四方体煤岩样品的前侧面，保持加载力恒定。

步骤（4）的具体步骤是：首先，分别旋转上旋转圆柱20和下旋转圆柱21，使上垂直钢丝22向上缠绕在上旋转圆柱20上，上垂直钢丝22的下端拉动上竖直平板10沿垂直控制窗口8向上滑动，对应的，下垂直钢丝23向下缠绕在下旋转圆柱21上，下垂直钢丝23的上端拉动下竖直平板11沿垂直控制窗口8向下滑动，从而上竖直平板10的下侧边与下竖直平板11的上侧边分离形成垂直窗口，然后，分别旋转前旋转圆柱24和后旋转圆柱25，使前水平钢丝向前缠绕在前旋转圆柱24上，前水平钢丝的后端拉动前竖直平板12沿水平控制窗口9向前滑动，对应的，后水平钢丝向后缠绕在后旋转圆柱25上，后水平钢丝的前端拉动后竖直平板13沿水平控制窗口9向后滑动，从而前竖直平板12的后侧边与后竖直平板13的前侧边分离形成水平窗口，垂直窗口的中部与水平窗口的中部左右投影重合且连通形成卸压窗口，从而实现四方体煤岩样品左侧卸压。

本发明的四方体样品缸的顶部敞口且体积可调，后侧板4、右侧板6和底板7一体成型，底板7的下表面固定连接在下加载头2的上表面，左侧板5沿左右方向滑动连接在底板7的上侧面，前侧板3为左右伸缩的两级板，前侧板3设在左侧板5与右侧板6之间，前侧板3沿前后方向滑动连接在底板7的上侧面，如此，本发明通过上加载头1、左侧板5和前侧板3分别对四方体煤岩样品的上侧面、左侧面和前侧面施加压力，实现对四方体煤岩样品在三轴方向的加载，左侧板5上开设有垂直控制窗口8和水平控制窗口9，垂直控制窗口8内滑动有上竖直平板10和下竖直平板11，上竖直平板10和下竖直平板11的左右两侧边之间分别对应连接有一根垂直拉伸弹簧18，如此，上竖直平板10和下竖直平板11在两根垂直拉伸弹簧18的拉动下自然紧压对接，水平控制窗口9内滑动有前竖直平板12和后竖直平板13，前竖直平板12和后竖直平板13的上下两侧边之间分别对应连接有一根水平拉伸弹簧19，如此，前竖直平板12和后竖直平板13在两根水平拉伸弹簧19的拉动下自然紧压对接，因此，初始时，上竖直平板10和下竖直平板11紧密对接闭合垂直控制窗口8的中部，前竖直平板12和后竖直平板13紧密对接闭合水平控制窗口9的中部，保证左侧板5初始挤压四方体煤岩样品时，左侧板5中部完整，当需要将四方体煤岩样品的左侧卸压测试时，可分别通过上旋转圆柱20、下旋转圆柱21、上垂直钢丝22和下垂直钢丝23将上竖直平板10与下竖直平板11分别沿垂直控制窗口8向上、向下移动，使上竖直平板10的下侧边与下竖直平板11的上侧边分离形成垂直窗口，再通过前旋转圆柱24、前旋转圆柱24、前水平钢丝和后水平钢丝将前竖直平板12与后竖直平板13分别沿水平控制窗口9向前、向后移动，使前竖直平板12的后侧边与后竖直平板13的前侧边分离形成水平窗口，垂直窗口的中部与水平窗口的中部左右投影重合且连通形成卸压窗口，从而实现四方体煤岩样品左侧卸压，卸压窗口的大小能够通过调节垂直窗口和水平窗口的大小调节，以满足煤岩样品在单侧卸压下针对不同卸压窗口大小的破坏特征参数测试。

由于前侧板3为左右伸缩的两级板，保证煤岩样品在受到左侧板5向右挤压变形时，前侧板3也能向右收缩，使前侧板3始终位于左侧板5与右侧板6之间，以便前侧板3能够沿前后方向滑动连接在底板7的上侧面，对四方体煤岩样品施加向后的压力。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。