本发明涉及地下工程及采矿工程加固技术领域，尤其涉及一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置及方法。
背景技术：
煤炭资源开采过程中，不可避免的存在机组割煤、顶底板破裂、爆破等动载扰动，煤岩所处应力状态逐渐恶化，由强动载作用诱发的冲击矿压、矿震等动力灾害愈加频繁。采动影响下煤岩体裂隙结构演化是决定开采效率、保证煤矿安全生产的关键。煤属于脆性材料，在开采扰动下极易发生破坏，导致巷道煤柱发生难以控制的大变形破坏失稳。
目前国内外学者对冲击荷载下岩石的损伤扩展方面做了大量研究，并取得了一些重要成果，而考虑冲击荷载作用下深部煤矿巷道中预留煤柱的力学性能方面的研究相对较少，现有技术采用分离式霍普金森压杆方法对冲击荷载作用下煤样力学性能进行研究，该方法对试验设备要求较高，操作繁琐，无法模拟不同埋深下煤样地应力状态，且无法对大型煤样进行试验研究，本发明能够较好的克服以上缺点，能够准确可靠的模拟冲击荷载作用下深部煤矿巷道中预留煤柱力学性能。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置及方法，本方法操作简单且可模拟开采扰动影响下煤矿巷道中预留煤柱的损伤概况，对开采扰动作用下煤矿巷道的安全评价具有重要意义。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置，包括支撑装置、滑轮a、滑轮b、牵引线、施力物体、可移动钢梁、碗形底座、支护钢板、荷载传感器、液压钢板、电机、自动卷扬机；
所述支撑装置包括钢柱a、钢柱b、固定横梁；
所述可移动钢梁和液压钢板分别与钢柱a、钢柱b活动连接，碗形底座置于可移动钢梁上，滑轮a、滑轮b固定于固定横梁上，牵引线的一端通过滑轮a、滑轮b与自动卷扬机相连接，另一端与施力物体相连接，使施力物体悬挂于碗形底座正上方，支护钢板置于可移动钢梁下方，电机与液压钢板相连接，荷载传感器置于液压钢板上方。
另一方面，本发明提供一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验方法，通过所述的一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置实现，包括如下步骤：
步骤1：在深部矿井现场采集煤样，将煤样加工成直径50mm、高100mm的圆柱形试件；
步骤2：根据cfrp将煤样试件进行加固，在cfrp加固煤柱试件上设有w个应变片，应变片连接动态电阻应变仪；
步骤3：将步骤2中设有应变片的煤样试件放在实验平台上，即放在支护钢板和荷载传感之间，对煤样试件的下表面均匀向上施加荷载，直至荷载加载至σ1；
步骤4：荷载加载至σ1稳定后，将施力物体提升至高度h，放开施力物体，使其自由下落产生的冲击能量能够传递给设有应变片的煤样试件的上表面，所述冲击能量需要均匀传递给煤样试件的上表面，循环冲击直至试件破坏；
步骤5：动态电阻应变仪将数据输出至计算机端，得到煤样冲击扰动图表。
所述步骤1中煤样的加工方法为：将煤样短柱试件表面的突起部分用角磨机打磨平整，然后用砂纸清除表面浮灰，表面凸出部分用切割机将其修平，转角处打磨成圆弧状，得到直径50mm、高100mm的圆柱形试件，并将圆柱形试件表面要求洁净、干燥、无油污。
所述步骤2中煤样试件的加固方法为：将cfrp布通过树脂型浸渍胶与煤样试件粘结，先将cfrp布的正反面和试件表面均匀的涂上一层浸渍胶，然后从试件表面起始端缠绕，加固层数根据实验要求设定。
所述步骤3中σ1的具体公式如下：
σ1＝γh
其中，γ为煤的容重，h为煤柱埋深。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置及方法，本发明通过对试件施加恒定荷载，在荷载稳定后对试件施加冲击荷载，可有效模拟不同埋深下煤矿巷道中预留煤柱在开采扰动或冲击扰动下的损伤情况、抗压强度和延性变化的演化规律。为冲击扰动作用下深部巷道煤柱力学性能研究提供了技术路径，同时为开采扰动作用下煤矿巷道的加固提供理论依据，对开采扰动作用下煤矿巷道的安全评价具有重要意义，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的装置图；
图2为本发明实施例提供的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的冲击荷载试验路径图，其中，a为煤样冲击频率图，b为煤样应力状态图；
其中，1-钢柱a，2-钢柱b，3-固定横梁，4-滑轮a，5-滑轮b，6-牵引线，7-施力物体，8-可移动钢梁，9-碗形底座，10-支护钢板，11-荷载传感器，12-液压钢板，13-电机，14-自动卷扬机，15-cfrp加固煤柱试件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例如下所述。
一方面，本发明提供一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置，包括支撑装置、滑轮a4、滑轮b5、牵引线6、施力物体7、可移动钢梁8、碗形底座9、支护钢板10、荷载传感器11、液压钢板12、电机13、自动卷扬机14；
所述支撑装置包括钢柱a1、钢柱b2、固定横梁3；
所述可移动钢梁8和液压钢板12分别与钢柱a1、钢柱b2活动连接，碗形底座9置于可移动钢梁8上，滑轮a4、滑轮b5固定于固定横梁3上，牵引线6的一端通过滑轮a4、滑轮b5与自动卷扬机14相连接，另一端与施力物体7相连接，使施力物体7悬挂于碗形底座9正上方，支护钢板15置于可移动钢梁8下方，电机13与液压钢板12相连接，荷载传感器11置于液压钢板12上方。
另一方面，本发明提供一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验方法，通过所述的一种模拟cfrp加固煤样冲击扰动试验装置实现，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：在深部矿井现场采集煤样，将煤样加工成直径50mm、高100mm的圆柱形试件；
所述加工方法为：将煤样短柱试件表面的突起部分用角磨机打磨平整，然后用砂纸清除表面浮灰，表面凸出部分用切割机将其修平，转角处打磨成圆弧状，得到直径50mm、高100mm的圆柱形试件，并将圆柱形试件表面要求洁净、干燥、无油污。
步骤2：根据cfrp(碳纤维增强塑料)将煤样试件进行加固，在cfrp加固煤柱试件上设有w个应变片，应变片连接动态电阻应变仪；
煤样试件的加固方法为：将cfrp布通过树脂型浸渍胶与煤样试件粘结，先将cfrp布的正反面和试件表面均匀的涂上一层浸渍胶，然后从试件表面起始端缠绕，加固层数根据实验要求设定。
本实施方式中将cfrp布的正反两面和煤柱试件表面均匀涂上一层浸渍胶，cfrp布一端对准煤样起点，用手顺着包裹方向轻压抹平碳纤维布，然后用塑料刮板在碳纤维布表面沿缠绕方向反复刮压直至胶料渗出，以此来去除气泡，使碳纤维布与煤样充分紧贴无缝隙。把应变片固定在透明胶带上，向标记处和应变片基底上，分别均匀涂一层502快速胶，待胶层发粘时迅速将应变片按正确位置就位，用手指稍加压力后即可。
步骤3：将步骤2中设有应变片的煤样试件放在实验平台上，即支护钢板和荷载传感器之间，对煤样试件的下表面均匀向上施加荷载，直至荷载加载至σ1；模拟不同埋深下煤矿巷道中煤样试件承受的地应力；
σ1的具体公式如下：
σ1＝γh
其中，γ为煤的容重，h为煤柱埋深。
本实施方式中地应力即σ1的加载速率为0.5mpa/s；
步骤4：荷载加载至σ1稳定后，将施力物体提升至高度h，放开施力物体，使其自由下落产生的冲击能量能够传递给设有应变片的煤样试件的上表面，所述冲击能量需要均匀传递给煤样试件的上表面；观察cfrp加固煤样试件的变化情况，循环冲击直至试件破坏；
本实施例中自动卷扬机通过计算机控制，可瞬间释放钢球，并且可以控制钢球释放频率和钢球下落高度。钢球自由下落产生的冲击能量按照公式e＝mgh计算。
本实施例中施力物体为钢球；
步骤5：动态电阻应变仪将数据输出至计算机端，得到煤样冲击扰动图表。
上述方法中的煤柱试件还可替换为混凝土柱和岩柱
如图3所示，cfrp加固煤柱试件受到三个力作用，σ1为地应力，σ3为cfrp布提供的环向约束力，σd为冲击荷载。地应力加载至σ1后停止加载，加载时间为t1，ab段为加载稳定阶段，时间为t1-t2，在b点开始进行冲击荷载试验，控制冲击频率为5次/min，循环冲击，直至试件破坏。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。