一种岩煤结构静动组合加载试验装置

1.本实用新型涉及力学性能测试技术领域，具体涉及一种岩煤结构静动组合加载试验装置。


背景技术：

2.随着我国煤炭资源开采深度的增大，保证高深度下的矿井安全开采是为我国能源安全供给，社会经济稳定发展的必要条件。深埋特厚煤层坚硬顶板及特厚煤柱可储存大量弹性能，煤岩巷道长期处于高地应力环境，当有施工或者地质构造引起的动荷载扰动巷道煤体时，极易引发围岩失稳、巷道破坏，严重时可诱发冲击地压，对井下工作人员的人身安全及开采施工问题造成极大安全隐患。岩动力灾害的发生往往经历了载荷转移集中孕育条件和动力扰动作用激发因素两个阶段，其中，与激发阶段中动力载荷的密集作用不同，孕育阶段的载荷和应力转移相对缓慢，可近似看成是静载或准静载作用的结果。试验研究是机理分析和现场监测的重要基础与关键手段，利用制备的原煤岩或型煤岩试件来模拟采场中的煤岩体，利用液压缸静载加压的方式模拟载荷转移和应力集中，同时，辅以各种应力-应变传感器、裂纹监测和信号采集传感器，可有效地分析采掘作业时煤岩体在动静组合加载条件下的力学性能、声学性能，并为煤岩动力灾害的发生、预警与防范提供技术支撑。
3.目前，真三轴、单轴等岩石试验装置基本采用恒试验力、恒位移、恒变形、恒速率位移、恒速率变形以及多种控制方式多种试验速率的程序试验，例如，三轴静载试验、霍普金森动载试验等手段，这些试验手段均只能单纯完成静载和动载试验，不能进行深部岩煤结构的静动组合加载扰动试验。因此，亟需实用新型一种岩煤结构静动组合加载试验装置，以重现岩煤结构破坏时的应力环境以及破坏演化过程，从而实现对静动载组合条件下煤岩体滑移破坏规律的研究。


技术实现要素：

4.基于此，本实用新型提供了一种岩煤结构静动组合加载试验装置，以解决现有技术的岩石试验装置仅能单纯完成静载和动载试验，不能进行深部岩煤结构的静动组合加载扰动试验的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种岩煤结构静动组合加载试验装置，其包括加载平台系统、动静组合荷载控制系统和测试系统，其中：
6.所述加载平台系统包括刚性框架、水平向液压缸和垂直向液压缸，所述刚性框架内设有用于放置组合试件的试件仓，所述水平向液压缸水平固定连接在所述刚性框架的侧面以用于对所述试件仓内的组合试件施加水平向载荷，所述垂直向液压缸垂直固定在所述刚性框架的顶部以用于对所述试件仓内的组合试件施加垂直向载荷；
7.所述动静组合荷载控制系统包括储油缸、两个气缸、两个静载蓄能器和两个动载蓄能器，所述储油缸与两个所述静载蓄能器连接以提供静载所需的液压油，所述气缸与所述动载蓄能器一一对应连接以提供动载所需的气源，各所述静载蓄能器连接有一根静载支
管，各所述动载蓄能器连接有一根动载支管；所述水平向液压缸和所述垂直向液压缸各具有与其进油口连接的进油主管，以及与其出油口连接的回油管，所述进油主管各与其中一根所述静载支管和一根所述动载支管连接，所述回油管均连接至所述储油缸；
8.所述测试系统包括称重传感器、位移传感器、光栅应变传感器和耐震压力表，所述水平向液压缸及垂直向液压缸的输出轴上各安装有所述称重传感器，所述动载蓄能器上各安装有所述耐震压力表，所述光栅应变传感器粘贴到组合试件上，所述位移传感器通过夹具固定到组合试件上，以实现对组合试件在受载过程中的应力变形情况及加载动量的记录。
9.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述试件仓的顶部和侧面各设有与水平向液压缸及垂直向液压缸相对应的压板，所述水平向液压缸和所述垂直向液压缸各自通过与之对应的压板将载荷施加到组合试件上。
10.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述夹具为两套，分别与试件仓顶部和侧面的压板相对应，其中，与试件仓顶部的压板相对应的夹具上所安装的位移传感器用于测量组合试件受垂直向液压缸加载时的形变，与试件仓侧面的压板相对应的夹具上所安装的位移传感器用于测量组合试件受水平向液压缸加载时的形变；
11.所述夹具包括金属片和试件夹板，所述金属片固定连接在与之相对应的所述压板的前端侧面，所述试件夹板固定在组合试件上，所述金属片的前端固定连接有非金属挡板，所述试件夹板的前端固定连接有强磁片，且所述强磁片与所述非金属挡板相对设置，压板活动时可带动非金属挡板朝向或远离所述强磁片运动；
12.所述位移传感器靠近设置在所述强磁片的侧面并与刚性框架固定连接，所述位移传感器具有可伸缩的弹簧杆，所述弹簧杆穿过所述强磁片并朝向所述非金属挡板设置，所述弹簧杆的前端设有金属触头，所述弹簧杆上还套设有弹簧，所述弹簧的两端分别与所述位移传感器和所述强磁片弹性抵触。
13.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述组合试件由上中下三块试件叠合并通过粘接剂连接成整体，其中，中间的试件比上下两块试件的长度尺寸短；垂直向液压缸通过对应的压块将其载荷作用于位于上面的试件表面，水平向液压缸通过对应的压块将其载荷作用于位于中间的试件的侧面。
14.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述试件仓的尺寸为：250mm*300mm*100mm，上中下三块依次叠合的试件尺寸分别为：250mm*100mm*100mm，200mm*100mm*100mm，250mm*10mm0*100mm。
15.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述试件仓内设有位于其底面以及远离水平向液压缸的一侧的侧壁面的钢制垫板，且所述钢制垫板和所述压板相组合以围设在试验中的组合试件的上下两侧及左右两侧。
16.作为本实用新型的进一步优选技术方案，位于试件仓的底面及远离水平向液压缸的一侧的侧壁面的钢制垫板一体成型，整体呈l形结构。
17.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述静载蓄能器的最大容量均为2.5l，与所述垂直向液压缸的进油主管对应连接的动载蓄能器的最大容量均为40l，与所述水平向液压缸的进油主管对应连接的动载蓄能器的最大容量均为25l。
18.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述垂直向液压缸的输出轴上安装的称
重传感器的最大量程为60t，所述水平向液压缸的输出轴上安装的称重传感器的最大量程为30t。
19.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述动载支管上设有油阀和单向阀，其中所述单向阀位于靠近所述动载蓄能器的一侧，所述油阀位于远离所述动载蓄能器的一侧，所述静载支管上设有电磁换向阀。
20.本实用新型的岩煤结构静动组合加载试验装置，通过采用上述技术方案，使得本实用新型由水平向液压缸和垂直向液压缸实现静动组合加载，一共可实现六种加载模式以模拟实际工况中岩煤结构的受力情况，分别为：水平静载；垂直静载；水平静载，垂直静载；水平静载+动载，垂直静载；水平静载，垂直静载+动载；水平动载+静载，垂直动载+静载；而且，本实用新型中的垂直向液压缸和水平向液压缸均能提供静动组合加载，可实现在同一台设备上进行不同的双轴岩煤试块加载试验，以便在不同静动加载条件下研究岩煤动力灾害发生的诱因。
附图说明
21.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
22.图1为加载平台系统提供的一实例的结构示意图；
23.图2为岩煤结构静动组合加载试验装置提供的一实例的结构示意图；
24.图3为位移传感器通过夹具固定到组合试件上的安装示意图。
25.图中：1-刚性框架，2-称重传感器，3-垂直向液压缸，4-水平向液压缸，5-进油口，6-出油口，7-组合试件，8-压板，9-钢制垫板，10-动载蓄能器，11-气缸，12-耐震压力表，13-静载蓄能器，14-非金属挡板，15-金属触头，16-金属片，17-试件夹板，18-强磁片，19-光栅应变传感器，20-位移传感器，21-油阀、22-单向阀，23-电磁换向阀，24-储油缸。
26.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
28.如图1至图3所示，本实用新型提供了一种岩煤结构静动组合加载试验装置，包括加载平台系统、动静组合荷载控制系统和测试系统，加载平台系统用于放置试验用的组合试件7并对组合试件7施加动态或静态的载荷，动静组合荷载控制系统用于提供加载平台系统加载所需动力，测试系统用于记录组合试件7在受载过程中的应力变形情况及加载动量等，为研究岩煤动力灾害提供理论数据。
29.所述加载平台系统包括刚性框架1、水平向液压缸4和垂直向液压缸3，所述刚性框架1内设有用于放置组合试件7的试件仓，所述水平向液压缸4水平固定连接在所述刚性框架1的侧面以用于对所述试件仓内的组合试件7施加水平向载荷，所述垂直向液压缸3垂直固定在所述刚性框架1的顶部以用于对所述试件仓内的组合试件7施加垂直向载荷。
30.所述试件仓的顶部和侧面各设有与水平向液压缸4及垂直向液压缸3相对应的压
板8，所述水平向液压缸4和所述垂直向液压缸3各自通过与之对应的压板8将载荷施加到组合试件7上。所述试件仓内还设有位于其底面以及远离水平向液压缸4的一侧的侧壁面的钢制垫板9，且所述钢制垫板9和所述压板8相组合以围设在试验中的组合试件7的上下两侧及左右两侧。优选地，位于试件仓的底面及远离水平向液压缸的一侧的侧壁面的钢制垫板一体成型，整体呈l形结构。
31.所述动静组合荷载控制系统包括储油缸24、两个气缸11、两个静载蓄能器13和两个动载蓄能器10，所述储油缸24与两个所述静载蓄能器13连接以提供静载所需的液压油，所述气缸11与所述动载蓄能器10一一对应连接以提供动载所需的气源，该气源的气体优选为痰气，各所述静载蓄能器13连接有一根静载支管，各所述动载蓄能器10连接有一根动载支管；所述水平向液压缸4和所述垂直向液压缸3各具有与其进油口5连接的进油主管，以及与其出油口6连接的回油管，所述进油主管各与其中一根所述静载支管和一根所述动载支管连接，所述回油管均连接至所述储油缸24；所述动载支管上设有油阀21和单向阀22，其中所述单向阀22位于靠近所述动载蓄能器10的一侧，所述油阀21位于远离所述动载蓄能器10的一侧，所述静载支管上设有电磁换向阀23。
32.水平向液压缸4和垂直向液压缸3均为动静组合液压缸，两者在动静组合荷载控制系统作用下所施加的载荷可为动载或静载。静载过程：液压油从储油缸24抽出后经静载蓄能器13使液压油具有稳定油压再通过电磁换向阀23提供给与之对应的水平向液压缸4或垂直向液压缸3，加载完成后，液压油经回油管回流到储油缸24；动载过程：该过程需在静载油压的基础上进行，然后由气缸11向与之相连的动载蓄能器10充入气源，当动载蓄能器10内气压稳定后打开油阀21释放蓄能的气源到与之对应的水平向液压缸4或垂直向液压缸3，从而实现动载。
33.所述测试系统包括称重传感器2、位移传感器20、光栅应变传感器19和耐震压力表12，所述水平向液压缸4及垂直向液压缸3的输出轴上各安装有所述称重传感器2，所述动载蓄能器10上各安装有所述耐震压力表12，所述光栅应变传感器19粘贴到组合试件7上，所述位移传感器20通过夹具固定到组合试件7上，以实现对组合试件7在受载过程中的应力变形情况及加载动量进行记录，通过采集试验过程中应力、应变、位移、加载动量的数据，以便导出垂直向、水平向应力-应变，应力-时间、位移-时间曲线，便于数据的分析。
34.在一具体实施中，所述夹具为两套，其分别与试件仓顶部和侧面的压板8相对应，其中，与试件仓顶部的压板8相对应的夹具上所安装的位移传感器20用于测量组合试件7受垂直向液压缸3加载时的形变，与试件仓侧面的压板8相对应的夹具上所安装的位移传感器20用于测量组合试件7受水平向液压缸4加载时的形变。
35.参阅图3所示，所述夹具包括金属片16和试件夹板17，所述金属片16固定连接在与之相对应的所述压板8的前端侧面，所述试件夹板17固定在组合试件7上，所述金属片16的前端固定连接有非金属挡板14，所述试件夹板17的前端固定连接有强磁片18，且所述强磁片18与所述非金属挡板14相对设置，压板8活动时可带动非金属挡板14朝向或远离所述强磁片18运动；所述位移传感器20于远离非金属挡板14的一侧靠近设置在所述强磁片18的侧面，并与刚性框架1固定连接，所述位移传感器20具有可伸缩的弹簧杆，所述弹簧杆穿过所述强磁片18并朝向所述非金属挡板14设置，所述弹簧杆的前端设有金属触头15，所述弹簧杆上还套设有弹簧，所述弹簧的两端分别与所述位移传感器20和所述强磁片18弹性抵触。
36.对组合试件7的加载包括水平向和垂直向，因此加载过程需要监测组合试件7的水平位移和垂直位移。以水平加载为例，水平向液压缸4开始加载时，与之对应的压板8推进，此时压板8并未与组合试件7接触，与压板8连接上的金属片16和非金属挡板14为一个整体，推进时与位移传感器20上的金属触头15接触，带动位移传感器20的弹簧杆移动，此时，用以监测压块行程；当压块与组合试样上的夹具接触时，非金属挡板14与强磁片18接触，此时位移传感器20的弹簧杆上的金属触头15与夹具上的强磁片18贴合，此后位移传感器20用以监测试件的形变，另外，由于动载是冲击实现的，组合试件7有可能与压块分离，通过夹具及强磁片18可以保证施加动载后，位移传感器20所监测的为组合试件7的位移或变形。垂直方向上的监测原理类似，在此不做敷述。
37.在一实施例中，所述组合试件7由上中下三块试件叠合并通过粘接剂连接成整体，其中，中间的试件比上下两块试件的长度尺寸短；垂直向液压缸3通过对应的压块将其载荷作用于位于上面的试件表面，水平向液压缸4通过对应的压块将其载荷作用于位于中间的试件的侧面。所述试件仓的尺寸为：250mm*300mm*100mm，上中下三块依次叠合的试件尺寸分别为：250mm*100mm*100mm，200mm*100mm*100mm，250mm*10mm0*100mm。
38.在另一实施例中，所述静载蓄能器13的最大容量均为2.5l，与所述垂直向液压缸3的进油主管对应连接的动载蓄能器10的最大容量均为40l，与所述水平向液压缸4的进油主管对应连接的动载蓄能器10的最大容量均为25l。所述垂直向液压缸3的输出轴上安装的称重传感器2的最大量程为60t，所述水平向液压缸4的输出轴上安装的称重传感器2的最大量程为30t。
39.本实用新型的岩煤结构静动组合加载试验装置的工作过程如下：
40.首先将组合试件7放入加载平台系统的试件仓内，然后启动静动组合加载系统使顶部及侧面的压板8在水平向液压缸4和垂直向液压缸3的推动下与试件紧密接触，然后随机进行模拟实际工况的静动组合加载，同时30t称重传感器2，60t称重传感器2，位移传感器20及光栅应变传感器19开始采集数据，同时，耐震压力表12记录相应数据，直至试件破坏过程完成，应力、位移及动载冲量测试系统连续采集试验过程中应力、应变、位移、加载动量的数据，以便导出垂直向、水平向应力-应变，应力-时间、位移-时间曲线。
41.由水平向液压缸4和垂直向液压缸3实现静动组合加载，一共可实现六种加载模式以模拟实际工况中岩煤结构的受力情况，分别为：水平静载；垂直静载；水平静载，垂直静载；水平静载+动载，垂直静载；水平静载，垂直静载+动载；水平动载+静载，垂直动载+静载。本实用新型中的垂直向液压缸3和水平向液压缸4均能提供静动组合加载，可实现在同一台设备上进行不同的双轴岩煤试块加载试验，以便在不同静动加载条件下研究岩煤动力灾害发生的诱因。
42.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质，本实用新型的保护范围仅由所附权利要求书限定。