三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置。它解決了現(xiàn)有沖擊地壓試驗裝置模擬不逼真的問題。本發(fā)明包括壓力盒，壓力盒內(nèi)具有壓力腔，還包括剛性加載單元和沖擊加載單元，壓力腔的內(nèi)周圍設(shè)柔性圍壓加載外套，柔性圍壓加載外套具有X向、Y向和Z向的彈性可變形量，剛性加載單元包括在壓力盒的X向、Y向和Z向上設(shè)置的加載油缸，加載油缸的伸縮軸穿過壓力盒的外壁，伸縮軸的內(nèi)端固連有加載墊板，加載墊板的內(nèi)側(cè)面貼靠在柔性圍壓加載外套的外面上，沖擊加載單元包括位于Z向的提升裝置，提升裝置下方吊接沖擊重塊。本發(fā)明解決試件在三個方向上變形的互相影響，又避免支撐效應(yīng)的影響，故較逼真的模擬了沖擊地壓。
【專利說明】三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于深部巖體工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種實驗用設(shè)備，特別是一種三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]沖擊地壓，是一種煤(巖)體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導(dǎo)致煤(巖)爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，并在破壞過程中受到圍巖的進一步快速擠壓作用，瞬時釋放巨大能量。常伴有巨大聲響和巖體震動，經(jīng)常造成支架折損、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡，對安全生產(chǎn)威脅巨大。
[0003]隨著我國煤礦開采深度不斷增加，開采強度不斷加大，沖擊地壓礦井分布越來越廣，深部開采過程中，圍巖處于高應(yīng)力條件下，受到采場上覆巖層斷裂擾動，回采巷道很容易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。研究沖擊地壓發(fā)生規(guī)律，不僅要通過理論分析、現(xiàn)場觀測，更要通過模擬實驗來探索其本質(zhì)規(guī)律。
[0004]而根據(jù)現(xiàn)理論分析認為，為了在室內(nèi)模擬沖擊地壓現(xiàn)象，需滿足以下四個條件:①通過加載，使煤(巖)試件處于高應(yīng)力狀態(tài)下；②煤(巖)試件受到的三軸高應(yīng)力大小可控，互不影響，以模擬真實沖擊地壓發(fā)生時多變的應(yīng)力場；③對煤(巖)試件施加沖擊荷載，以模擬采場覆巖突然斷裂導(dǎo)致的應(yīng)力波對巷道的沖擊；④在煤(巖)試件受到?jīng)_擊破壞的過程中圍壓能夠繼續(xù)保持，以模擬外部圍巖對煤(巖)體的進一步擠壓做功。但是，目前還沒有設(shè)備能夠同時滿足上述四個條件，考慮在不同軸壓狀態(tài)下能夠補充加載的沖擊地壓實驗室模擬，一直以來都是巖體工程領(lǐng)域探索的前沿課題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種可以使煤(巖)等試件在可控軸壓狀態(tài)下承受沖擊荷載，并能夠及時得到補充加載的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置。
[0006]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn):三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，包括壓力盒，所述壓力盒內(nèi)具有壓力腔，還包括剛性加載單元和沖擊加載單元，所述壓力腔的內(nèi)周圍設(shè)柔性圍壓加載外套，所述柔性圍壓加載外套具有X向、Y向和Z向的彈性可變形量，所述剛性加載單元包括在壓力盒的X向、Y向和Z向上設(shè)置的加載油缸，所述加載油缸的伸縮軸穿過壓力盒的外壁，所述伸縮軸的內(nèi)端固連有加載墊板，所述加載墊板的內(nèi)側(cè)面貼靠在上述柔性圍壓加載外套的外面上，所述沖擊加載單元包括位于Z向的提升裝置，所述提升裝置下方吊接沖擊重塊。
[0007]本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，通過X向、Y向和Z向的加載油缸對煤、巖等試件進行前后、左右及上下的加壓操作。壓力通過試件外的柔性圍壓加載外套均勻的加載在試件上，該柔性圍壓加載外套具體為剛?cè)峄旌闲屯馓祝鋮^(qū)別于直接的剛性壓力加載。因可在Χ、γ和Z三方向發(fā)生彈性變形，故在受到Χ、Υ和Z三方向加壓時，柔性圍壓加載外套隨試件一同發(fā)生壓縮或膨脹變化。由此避免了剛性壓力與試件的直接接觸，有效防止試件在一個方向壓縮變形時，還受到另外兩個方向上加載的壓力干擾影響。通過沖擊加載單元對試件施加豎直方向的重力沖擊荷載，以模擬采空區(qū)覆巖斷裂導(dǎo)致的應(yīng)力波對巷道的沖擊。由于柔性圍壓加載外套能隨同進行彈性變形，進而不會像剛性接觸一樣對沖擊荷載造成支撐效應(yīng)的影響，實現(xiàn)了讓試件在特定的三軸荷載條件下進一步承受沖擊荷載的目的。由于柔性圍壓加載外套存在垂直于試件表面方向上的彈性變形量，故試件在高應(yīng)力及沖擊擾動條件下破壞，在試件發(fā)生破壞并產(chǎn)生一定位移的同時，垂直于試件表面的彈性變形量對試件迅速進行補充加載，模擬了外部圍巖對煤巖體的進一步擠壓做功。本裝置既較好的解決了試件在三個方向上變形的互相影響，又避免了常規(guī)剛性加壓對沖擊荷載造成支撐效應(yīng)的影響，故較逼真的模擬了采場巷道中發(fā)生的沖擊地壓。
[0008]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述柔性圍壓加載外套包括若干層彈性壓片，每層彈性壓片上呈矩陣排列若干剛性塊，剛性塊之間通過強力彈簧連接，每相鄰兩層彈性壓片的剛性塊之間也通過強力彈簧連接。
[0009]通過柔性圍壓加載外套上的剛性塊將加壓荷載傳遞至試件上，從而減少了試件表面與加壓板的接觸面積。整體柔性圍壓加載外套上所有的強力彈簧分為三個方向設(shè)置，分別為X向、Y向和Z向。當(dāng)柔性圍壓加載外套與試件受到X向加壓荷載時，所有X向設(shè)置的強力彈簧均產(chǎn)生彈性壓縮；當(dāng)柔性圍壓加載外套與試件受到Y(jié)向加壓荷載時，所有Y向設(shè)置的強力彈簧均產(chǎn)生彈性壓縮；當(dāng)柔性圍壓加載外套與試件受到Z向加壓荷載時，所有Z向設(shè)置的強力彈簧均產(chǎn)生彈性壓縮。由此在同時受到X、Y和Z三方向加壓時，均有強力彈簧的壓縮變形量，從而有效防止試件在一個方向壓縮變形時，還受到另外兩個方向上加載的壓力干擾影響。
[0010]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述彈性壓片上剛性塊之間的強力彈簧形成平向連接或豎向連接，每相鄰兩層彈性壓片上的剛性塊呈一一對峙布設(shè)，每組對峙的兩個剛性塊之間連接強力彈簧。剛性塊與強力彈簧通過焊接工藝固連。
[0011]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述加載油缸的外部連接伺服油源。
[0012]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述沖擊加載單元還包括標(biāo)定尺和導(dǎo)向軸，所述導(dǎo)向軸沿Z向豎立設(shè)置，所述沖擊重塊套接在導(dǎo)向軸上，且兩者的接觸面形成滑動連接；所述標(biāo)定尺沿Z向豎立于沖擊重塊的旁側(cè)，所述標(biāo)定尺上標(biāo)刻有用于測量高度的刻度值。通過標(biāo)定尺能夠測量出沖擊重塊提升的高度值，以實現(xiàn)記錄不同高度下沖擊重塊的下落沖擊效果。在沖擊重塊下落的過程中，通過導(dǎo)向軸實現(xiàn)豎直軌跡的導(dǎo)向作用，以防止沖擊重塊下落時發(fā)生過大的偏移。
[0013]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述壓力盒的壓力腔內(nèi)放置試件，所述試件外部包覆上述柔性圍壓加載外套。
[0014]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述試件與柔性圍壓加載外套之間涂設(shè)潤滑劑。通過潤滑劑的潤滑效果，更加有效避免試件在一個方向壓縮變形受到另外兩個方向的加壓體與試件表面存在摩擦力的干擾影響。
[0015]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述試件中部具有梯形孔洞，所述梯形孔洞呈水平設(shè)置。
[0016]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述壓力盒具有底座和端蓋，所述底座和端蓋之間圍設(shè)四塊圍板，通過底座、圍板和端蓋圈圍形成矩形的壓力腔。圍板與上部的端蓋和下部的底座用螺栓連接。
[0017]在上述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中，所述柔性圍壓加載外套呈六面矩形，六面矩形與壓力腔內(nèi)壁形成面面貼合，六面矩形中五面形成一體固連的殼體，另一面與殼體活動連接。柔性圍壓加載外套的五面通過焊接固連成一體，另一面通過膠粘在五面焊接的殼體上。因五面焊接的殼體具有一面缺口，將試件通過缺口放入殼體內(nèi)，而后粘接第六面形成完整的封閉套體，再將試件與套體一起放入壓力盒的壓力腔中進行加壓荷載試驗。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中增設(shè)柔性圍壓加載外套，并設(shè)計了 Χ、γ和Z三方向的彈性變形量，進而既較好的解決了試件在三個方向上變形的互相影響，又避免了常規(guī)剛性加壓對沖擊荷載造成支撐效應(yīng)的影響，故較逼真的模擬了采場巷道中發(fā)生的沖擊地壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2是本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置的剖視結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖3是本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中柔性圍壓加載外套的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖4是本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置中彈性壓片的平面結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖中，1、底座；2、圍板；3、端蓋；4、柔性圍壓加載外套；4a、剛性塊；4b、強力彈簧；5、加載油缸；6、加載墊板；7、沖擊重塊；8、試件。

【具體實施方式】
[0024]以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0025]如圖1至圖4所示，本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置包括壓力盒，壓力盒內(nèi)具有壓力腔，還包括剛性加載單元和沖擊加載單元。
[0026]壓力盒具有底座I和端蓋3，所述底座I和端蓋3之間圍設(shè)四塊圍板2，通過底座1、圍板2和端蓋3圈圍形成矩形的壓力腔。圍板2與上部的端蓋3和下部的底座I用螺栓連接。
[0027]壓力腔的內(nèi)周圍設(shè)柔性圍壓加載外套4，柔性圍壓加載外套4呈六面矩形，六面矩形與壓力腔內(nèi)壁形成面面貼合。柔性圍壓加載外套4的五面通過焊接固連成一體，另一面通過膠粘在五面焊接的殼體上。
[0028]柔性圍壓加載外套4具有X向、Y向和Z向的彈性可變形量。柔性圍壓加載外套4包括兩層彈性壓片，每層彈性壓片上呈矩陣排列若干剛性塊4a，每層剛性塊4a之間的強力彈簧4b形成平向連接或豎向連接，每相鄰兩層彈性壓片上的剛性塊4a呈一一對峙布設(shè)，每組對峙的兩個剛性塊4a之間連接強力彈簧4b。剛性塊4a與強力彈簧4b通過焊接工藝固連。通過柔性圍壓加載外套4上的剛性塊4a將加壓荷載傳遞至試件8上，從而減少了試件8表面與加壓板的接觸面積。
[0029]剛性加載單元包括在壓力盒的X向、Y向和Z向上設(shè)置的加載油缸5，加載油缸5的伸縮軸穿過壓力盒的外壁，伸縮軸的內(nèi)端固連有加載墊板6，該加載墊板6的內(nèi)側(cè)面貼靠在柔性圍壓加載外套4的外面上。加載油缸5的外部連接伺服油源。
[0030]沖擊加載單元包括位于Z向的提升裝置，提升裝置下方吊接沖擊重塊7。沖擊加載單元還包括標(biāo)定尺和導(dǎo)向軸。導(dǎo)向軸沿Z向豎立設(shè)置，沖擊重塊7套接在導(dǎo)向軸上，且兩者的接觸面形成滑動連接。在沖擊重塊7下落的過程中，通過導(dǎo)向軸實現(xiàn)豎直軌跡的導(dǎo)向作用，以防止沖擊重塊7下落時發(fā)生過大的偏移。標(biāo)定尺沿Z向豎立于沖擊重塊7的旁側(cè)，標(biāo)定尺上標(biāo)刻有用于測量高度的刻度值。通過標(biāo)定尺能夠測量出沖擊重塊7提升的高度值，以實現(xiàn)記錄不同高度下沖擊重塊7的下落沖擊效果。
[0031]壓力盒的壓力腔內(nèi)放置試件8，所述試件8外部包覆上述柔性圍壓加載外套4。試件8中部具有梯形孔洞，該梯形孔洞呈水平設(shè)置。試件8與柔性圍壓加載外套4之間涂設(shè)潤滑劑。通過潤滑劑的潤滑效果，更加有效避免試件8在一個方向壓縮變形受到另外兩個方向的加壓體與試件8表面存在摩擦力的干擾影響。
[0032]本三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置的運用過程為，首先將試件8通過缺口放入柔性圍壓加載外套4的五面殼體內(nèi)，而后粘接第六面形成完整的封閉套體，再將試件8與套體一起放入壓力盒的壓力腔中，裝配壓力盒端蓋3。通過X向、Y向和Z向的加載油缸5對煤、巖等試件8進行前后、左右及上下的加壓操作。壓力通過試件8外的柔性圍壓加載外套4均勻的加載在試件8上。整體柔性圍壓加載外套4上所有的強力彈簧4b分為三個方向設(shè)置，分別為X向、Y向和Z向。當(dāng)柔性圍壓加載外套4與試件8受到X向加壓荷載時，所有X向設(shè)置的強力彈簧4b均產(chǎn)生彈性壓縮；當(dāng)柔性圍壓加載外套4與試件8受到Y(jié)向加壓荷載時，所有Y向設(shè)置的強力彈簧4b均產(chǎn)生彈性壓縮；當(dāng)柔性圍壓加載外套4與試件8受到Z向加壓荷載時，所有Z向設(shè)置的強力彈簧4b均產(chǎn)生彈性壓縮。因而在受到X、Y和Z三方向的同時加壓下，柔性圍壓加載外套4隨試件8 一同發(fā)生壓縮或膨脹變化。由此避免了剛性壓力與試件8的直接接觸，有效防止試件8在一個方向壓縮變形時，還受到另外兩個方向上加載的壓力干擾影響。通過沖擊加載單元對試件8施加豎直方向的重力沖擊荷載，以模擬采空區(qū)覆巖斷裂導(dǎo)致的應(yīng)力波對巷道的沖擊。由于柔性圍壓加載外套4能隨同進行彈性變形，進而不會像剛性接觸一樣對沖擊荷載造成支撐效應(yīng)的影響，實現(xiàn)了讓試件8在特定的三軸荷載條件下進一步承受沖擊荷載的目的。由于柔性圍壓加載外套4存在垂直于試件8表面方向上的彈性變形量，故試件8在高應(yīng)力及沖擊擾動條件下破壞，在試件8發(fā)生破并產(chǎn)生一定位移的同時,垂直于試件8表面的彈性變形量對試件8迅速進行補充加載，模擬了外部圍巖對煤巖體的進一步擠壓做功。
[0033]本裝置既較好的解決了試件8在三個方向上變形的互相影響，又避免了常規(guī)剛性加壓對沖擊荷載造成支撐效應(yīng)的影響，故較逼真的模擬了采場巷道中發(fā)生的沖擊地壓。
[0034]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0035]盡管本文較多地使用了底座I ;圍板2 ;端蓋3 ;柔性圍壓加載外套4 ;剛性塊4a ；強力彈簧4b ;加載油缸5 ;加載墊板6 ;沖擊重塊7 ;試件8等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【權(quán)利要求】
1.三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，包括壓力盒，所述壓力盒內(nèi)具有壓力腔，還包括剛性加載單元和沖擊加載單元，其特征在于，所述壓力腔的內(nèi)周圍設(shè)柔性圍壓加載外套，所述柔性圍壓加載外套具有X向、Y向和Z向的彈性可變形量，所述剛性加載單元包括在壓力盒的X向、Y向和Z向上設(shè)置的加載油缸，所述加載油缸的伸縮軸穿過壓力盒的外壁，所述伸縮軸的內(nèi)端固連有加載墊板，所述加載墊板的內(nèi)側(cè)面貼靠在上述柔性圍壓加載外套的外面上，所述沖擊加載單元包括位于Z向的提升裝置，所述提升裝置下方吊接沖擊重塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述柔性圍壓加載外套包括若干層彈性壓片，每層彈性壓片上呈矩陣排列若干剛性塊，剛性塊之間通過強力彈簧連接，每相鄰兩層彈性壓片的剛性塊之間也通過強力彈簧連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述彈性壓片上剛性塊之間的強力彈簧形成平向連接或豎向連接，每相鄰兩層彈性壓片上的剛性塊呈一一對峙布設(shè)，每組對峙的兩個剛性塊之間連接強力彈簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述加載油缸的外部連接伺服油源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述沖擊加載單元還包括標(biāo)定尺和導(dǎo)向軸，所述導(dǎo)向軸沿Z向豎立設(shè)置，所述沖擊重塊套接在導(dǎo)向軸上，且兩者的接觸面形成滑動連接；所述標(biāo)定尺沿Z向豎立于沖擊重塊的旁側(cè)，所述標(biāo)定尺上標(biāo)刻有用于測量高度的刻度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述壓力盒的壓力腔內(nèi)放置試件，所述試件外部包覆上述柔性圍壓加載外套。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述試件與柔性圍壓加載外套之間涂設(shè)潤滑劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述試件中部具有梯形孔洞，所述梯形孔洞呈水平設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述壓力盒具有底座和端蓋，所述底座和端蓋之間圍設(shè)四塊圍板，通過底座、圍板和端蓋圈圍形成矩形的壓力腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三向剛性加載沖擊地壓真三軸模擬試驗裝置，其特征在于，所述柔性圍壓加載外套呈六面矩形，六面矩形與壓力腔內(nèi)壁形成面面貼合，六面矩形中五面形成一體固連的殼體，另一面與殼體活動連接。
【文檔編號】G01N3/08GK104390859SQ201410655304
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】蔣宇靜, 劉建康, 孫文斌, 梁賽江, 公彬, 賈傳洋, 郝建, 王曉 申請人:山東科技大學(xué)