一种用于冲击地压模拟试验的装置和方法

1.本发明涉及矿山技术领域，具体涉及一种用于冲击地压模拟试验的装置和方法。


背景技术：

2.冲击地压是煤矿生产常见的动力灾害现象，是采矿界亟待解决的重大难题。在断层、褶皱等复杂的地质构造中，应力集中及开采时剧烈的矿压显现等引发冲击地压频繁发生，开展断层、褶皱构造对冲击地压影响试验研究具有重要的意义。断层冲击地压是由于采动应力引发断层失稳滑动，断层附近集中的应力释放从而引发冲击地压的现象，断层附近应力集中为其提供了应力条件，断层不连续构造为其提供了地质构造条件。现有技术中用于冲击地压模拟仿真的试验装置包括活塞杆分别沿x、y、z三个方向的油缸，通过油缸的液压力给立方体试件施加压力，以此来模拟地应力，但现有技术中的试验装置无法对试件产生剪切力，导致无法进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于：针对现有技术中用于冲击地压模拟仿真的试验装置无法对试件产生剪切力，导致无法进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验的问题，提供一种用于冲击地压模拟试验的装置和方法。
4.根据本发明的第一方面，本发明提供一种用于冲击地压模拟试验的装置，技术方案为：
5.一种用于冲击地压模拟试验的装置，包括试验腔室，所述试验腔室内设有第一油缸、第二油缸和第三油缸，三者的活塞杆分别沿x、y、z三个方向伸出或者缩回，所述试验腔室内还设有分别与所述第一油缸、第二油缸和第三油缸的活塞杆一侧相对设置的第一反力座、第二反力座和第三反力座，还包括由第四油缸和第五油缸构成的剪切加载单元，所述第四油缸和第五油缸位于同一轴线上且两者的活塞杆一侧相对设置，所述第四油缸和第五油缸的活塞杆均沿x方向或者y方向或者z方向伸出或者缩回。
6.进一步的，所述试验腔室包括固定座和用于装载长方体试件的试件承载车，所述固定座整体呈六面体结构，固定座内部形成有容纳所述试件承载车的空间，固定座的一个面上形成有供所述试件承载车进出的出入口；所述第一油缸设于所述试件承载车上，且位于试件长度方向的一端；所述第二油缸、第三油缸、第四油缸、第五油缸、第一反力座、第二反力座和第三反力座均设于所述固定座上；所述第四油缸和第五油缸二者的轴线沿z方向，二者构成的所述剪切加载单元与所述第三油缸并列设置；所述第二油缸和第二反力座的数量均为两个，所述试件的六个面上均覆盖有承压板，使用试件承载车运送试件进出加载工作区，节省人力。
7.进一步的，所述出入口外部设有供所述试件承载车移动的两根平行布置的第一轨道，所述第一轨道由支撑架支撑固定，试件承载车通过第一轨道运送试件，保证了试件定位精度。
8.进一步的，所述试件承载车整体呈六面体结构，试件承载车上贯通地设有容纳试件的装件空间，所述试件承载车的一个面上具有供所述试件装卸的装卸口，且所述装卸口按水平朝向设置；所述第一油缸设于所述装件空间的远离所述固定座的侧壁上，所述装件空间的上下侧壁均设有通槽，且通槽内滑动配合有用于传递加载载荷或反作用力的垫块，垫块用于填补油缸和反力座与试件之间的间隔并传递加载载荷或反作用力至试件。
9.进一步的，所述试件通过制样台装载在所述试件承载车上，所述试件承载车上设有供制样台移动的两根平行布置的第二导轨；所述装卸口外部还设有延伸导轨，延伸导轨构成所述第二导轨的延伸部分，所述延伸导轨设在装载台上，不便于直接将试件放置入试件承载车，将试件放置在制样台上再转移入试件承载车使得上料更加方便快捷。
10.进一步的，所述装载台包括制样台底座，制样台底座上设有四根立柱；每根所述延伸导轨通过两个半圆形抱箍并由螺钉分别固定在两根立柱上；所述制样台呈“日”字形框架结构，中空的两块区域构成避让所述垫块的避让空间，制样台与所述试件之间设有所述承压板，延伸导轨固定牢固，结构稳定可靠，同时，将制样台设计为“日”字形框架结构，不需要将试件从制样台上卸下，制样台和试件一起随试件承载车进入固定座，方便快捷。
11.进一步的，所述第一油缸、第二油缸、第三油缸、第四油缸和第五油缸的活塞杆上设有应力传感器和位移传感器，收集试件表面从油缸加载到试件发生岩爆现象过程中的应力和位移变化数据，为后续分析做准备。
12.进一步的，还包括用于探测试件裂纹的监测系统，所述监测系统包括超声波检测系统、热成像检测系统、电磁辐射检测系统、高速摄像机、钻孔成像仪及动态应变仪，用于探测试件在加载过程中是否产生裂纹以及产生裂纹的位置、扩展方向等情况。
13.根据本发明的第二方面，本发明提供一种采用上述用于用于冲击地压模拟试验的装置的方法，技术方案为，包括如下步骤：
14.s1：装载试样，将制备好的长方体试样装载到位；
15.s2：初步加载，同步加载所述第一油缸、第二油缸、第三油缸、第四油缸和第五油缸至某一加载力，以使得与所述第一反力座、第二反力座和第三反力座共同作用夹住试件；
16.s3：固定试件，继续同步加载所述第四油缸的活塞杆所沿方向上的所有油缸至某一加载力，以使得试件进一步稳固；
17.s4：预加载，在保证所述第四油缸和第五油缸的目标预加载力小于所述第一油缸、第二油缸和第三油缸的目标预加载力的前提下，同步加载上述油缸至各自的目标预加载力；
18.s5：保持稳压，在各个油缸达到各自的目标预加载力之后，保持一段时间的稳压状态；
19.s6：剪切试验，保持所述第一油缸、第二油缸和第三油缸加载力稳定，控制所述第四油缸和第五油缸的活塞杆同步同向移动，直至试件断裂；
20.s7：卸载取样，取出试样，结束试验。
21.采用前述技术方案的本发明，通过在现有试验装置的基础上新增一对同轴设置的油缸，在保持其他油缸对试件的加载力稳定的前提下，控制新增这对油缸的活塞杆夹住试件并同步同向移动，从而对试件产生剪切力作用，相比于现有技术中用于冲击地压模拟仿真的试验装置无法对试件产生剪切力，导致无法进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的
冲击地压物理模拟试验的问题，本发明可以对试件产生剪切力，从而进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验。
22.相比于现有技术，本发明的有益效果是：1)可以对试件产生剪切力，从而进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验；2)通过制样台和试件承载车上料，方便快捷，节省人力。
附图说明：
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为本发明试件加载时示意图；
25.图3为试件承载车结构示意图。
26.图中标记：1-第一油缸，2-第二油缸，3-第三油缸，4-第四油缸，5-第五油缸，6-第一反力座，7-第二反力座，8-第三反力座，9-承压板，10-垫块，11-固定座，12-试件承载车，13-制样台底座，14-第一轨道，15-制样台，16-延伸轨道，17-支撑架，18-第二导轨。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明实施例提供了一种用于冲击地压模拟试验的装置，如图1-3所示，包括试验腔室，试验腔室内设有第一油缸1、第二油缸2和第三油缸3，三者的活塞杆分别沿x、y、z三个方向伸出或者缩回，试验腔室内还设有分别与第一油缸1、第二油缸2和第三油缸3的活塞杆一侧相对设置的第一反力座6、第二反力座7和第三反力座8，还包括由第四油缸4和第五油缸5构成的剪切加载单元，第四油缸4和第五油缸5位于同一轴线上且两者的活塞杆一侧相对设置，第四油缸4和第五油缸5的活塞杆均沿x方向或者y方向或者z方向伸出或者缩回；
30.试验腔室包括固定座11和用于装载长方体试件的试件承载车12，固定座11整体呈六面体结构，固定座11内部形成有容纳试件承载车12的空间，固定座11的一个面上形成有供试件承载车12进出的出入口；第一油缸1设于试件承载车12上，且位于试件长度方向的一端；第二油缸2、第三油缸3、第四油缸4、第五油缸5、第一反力座6、第二反力座7和第三反力座8均设于固定座11上；第四油缸4和第五油缸5二者的轴线沿z方向，二者构成的剪切加载单元与第三油缸3并列设置；第二油缸2和第二反力座7的数量均为两个，试件的六个面上均覆盖有承压板9；
31.出入口外部设有供试件承载车12移动的两根平行布置的第一轨道14，第一轨道14由支撑架17支撑固定；
32.试件承载车12整体呈六面体结构，试件承载车12上贯通地设有容纳试件的装件空间，试件承载车12的一个面上具有供试件装卸的装卸口，且装卸口按水平朝向设置；第一油缸1设于装件空间的远离固定座11的侧壁上，装件空间的上下侧壁均设有通槽，且通槽内滑动配合有用于传递加载载荷或反作用力的垫块10；
33.试件通过制样台15装载在试件承载车12上，试件承载车12上设有供制样台15移动
的两根平行布置的第二导轨18；装卸口外部还设有延伸导轨16，延伸导轨16构成第二导轨18的延伸部分，延伸导轨16设在装载台上；
34.装载台包括制样台底座13，制样台底座13上设有四根立柱；每根延伸导轨16通过两个半圆形抱箍并由螺钉分别固定在两根立柱上；制样台15呈“日”字形框架结构，中空的两块区域构成避让垫块10的避让空间，制样台15与试件之间设有承压板9；
35.第一油缸1、第二油缸2、第三油缸3、第四油缸4和第五油缸5的活塞杆上设有应力传感器和位移传感器；
36.还包括用于探测试件裂纹的监测系统，监测系统包括超声波检测系统、热成像检测系统、电磁辐射检测系统、高速摄像机、钻孔成像仪及动态应变仪。
37.本实施例还提供一种采用上述用于冲击地压模拟试验的装置的方法，步骤如下：
38.s1：装载试样，将制备好的长方体试样放置于制样台15上，驱动制样台15沿延伸导轨16进入试件承载车12，直至制样台15上的承压板9与下方的垫块10对准，然后驱动试件承载车12沿第一导轨14进入固定座11直至与第一反力座6接触；
39.s2：初步加载，同步加载第一油缸1、第二油缸2、第三油缸3、第四油缸4和第五油缸5至某一加载力(该加载力能够使得承压板与试件紧贴即可)，以使得与第一反力座6、第二反力座7和第三反力座8共同作用夹住试件；
40.s3：固定试件，继续同步加载第四油缸4的活塞杆所沿方向上的所有油缸至某一加载力(该加载力大于s1中的初步加载力，小于s3中目标预加载力)，以使得试件进一步稳固；
41.s4：预加载，在保证第四油缸4和第五油缸5的目标预加载力小于第一油缸1、第二油缸2和第三油缸3的目标预加载力的前提下，同步加载上述油缸至各自的目标预加载力(目标预加载力根据需要模拟的工况设定)；
42.s5：保持稳压，在各个油缸达到各自的目标预加载力之后，保持一段时间的稳压状态；
43.s6：剪切试验，保持第一油缸1、第二油缸2和第三油缸3加载力稳定，控制第四油缸4和第五油缸5的活塞杆同步同向移动，直至试件断裂。
44.s7：卸载取样，第一油缸1、第二油缸2、第三油缸3、第四油缸4和第五油缸5按照一定速率卸载至无加载力为止，驱动试件承载车12沿第一导轨14退出固定座11，取出试样。
45.采用前述技术方案的本发明，通过在现有试验装置的基础上新增一对同轴设置的油缸，在保持其他油缸对试件的加载力稳定的前提下，控制新增这对油缸的活塞杆夹住试件并同步同向移动，从而对试件产生剪切力作用，相比于现有技术中用于冲击地压模拟仿真的试验装置无法对试件产生剪切力，导致无法进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验的问题，本发明可以对试件产生剪切力，从而进行断层错断引发扰剪切动荷载条件下的冲击地压物理模拟试验；同时，通过制样台和试件承载车上料，方便快捷，节省人力。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。