一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法，其包括：承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，所述围压单元用于对试件施加水平面内的围压；还包括加载控制单元、监测单元和数据分析单元。本发明专利技术能与现场巷道围岩实际应力状态较好吻合，获得的支护强度能较好地保障围岩安全稳定，准确度高，且试验操作简单方便。

【技术实现步骤摘要】
一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法
本专利技术涉及巷道围岩支护
，尤其涉及一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法。
技术介绍
我国煤矿主要是地下开采，需要在井下开掘大量巷道，采用巷道支护来保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。巷道支护可以减少围岩的移动，使巷道断面不致过度缩小，同时防止已散离和破坏的围岩冒落。巷道支护的效果不仅仅取决于支架本身性质，还受到围岩性质、支架与围岩的接触方式等一系列因素的影响。巷道支护强度设计是巷道支护设计中的一项重要参数，对充分发挥巷道支护措施的优越性和保证巷道安全具有十分重要的意义。若支护强度太高，既浪费支护材料，增加支护成本，又影响掘进进度；若支护强度不够，则不能有效控制围岩变形，出现片帮、冒顶等灾害事故。选择合适的巷道支护强度，可以保持巷道围岩的完整性，有效控制围岩变形，避免支护手段因围岩发生松动或冲击破坏而失效。目前，确定巷道支护强度大多采用工程类比法和理论计算法等。工程类比法是根据已有的巷道工程，通过类比提出新建工程的支护强度参数，这种方法主要依靠已有成功经验来进行设计，由于巷道实际情况均有所不同，此方法获得的支护强度并不是最合适的。理论计算法基于某种支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论，计算得出支护参数，确定支护强度。由于现有支护理论多存在着一定的局限性和使用条件，而且很难比较准确、可靠地确定计算所需要的一些参数。因此，依据理论计算所做的设计结果很多情况下只能作为参考。特别是，深部煤炭开采时，岩层断裂、断层垮落等产生的动载荷明显增多，巷道围岩实际处于复杂的动静组合应力环境下，导致其服务期间经常发生破坏失稳，支护控制难度大。目前尚没有合适的理论进行支护强度计算，工程类比法往往进行了过度支护，也没有一种可靠手段能够获得动静组合应力环境下围岩支护强度，现有技术有待进一步突破。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种操作简单、准确性高的巷道围岩支护强度试验装置。本专利技术同时提供利用上述试验装置确定支护强度的方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本专利技术提供的巷道围岩支护强度试验装置，其包括：承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，它包括横向围压加载单元和纵向围压加载单元，用于对试件施加水平面内的围压；加载控制单元，用于分别控制所述轴压加载单元、冲击加载单元和围压加载单元进行加载；监测单元，用于监测所述试件在加载过程中的受力情况；数据分析单元，与所述加载控制单元相连接，且所述数据分析单元用于接受所述监测单元的数据并处理分析。进一步地，所述轴压加载单元包括轴压加载油缸、轴压加载油箱和下压头，所述轴压加载油缸固定在所述底座上，所述轴压加载油箱与所述轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与所述轴压加载油缸相连接，其另一端竖直伸入到围压加载单元中并与所述试件的下表面相接触。进一步地，所述轴压加载油缸包括轴压加载缸体、轴压加载活塞、轴压加载活塞杆，所述轴压加载缸体的内部设有进油腔，所述轴压加载活塞滑动连接在所述轴压加载缸体内，所述轴压加载活塞杆的一端穿过所述轴压加载活塞伸入到所述进油腔中，所述轴压加载活塞杆的另一端与所述下压头的一端相连接，其中，所述轴压加载活塞杆的一端端部为弧面。进一步地，所述冲击加载单元包括冲击加载油缸、冲击加载油箱、上压头和承压柱，所述冲击加载油缸与所述横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加载油箱相连接，所述承压柱的一端与所述冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与所述上压头的顶部相连接，所述上压头的底部与所述试件的上表面相接触。进一步地，所述围压加载单元包括压力室、两个围压加载油缸、围压加载油箱、两个第一侧向压头和两个第二侧向压头，所述试件设置在所述压力室中，所述围压加载油箱与所述两个围压加载油缸相连接，所述围压加载油缸的活塞杆与所述第一侧向压头相连接，所述两个第一侧向压头分别设置在所述压力室相邻两侧外部，所述两个第一侧向压头水平伸进所述压力室后与所述试件的相邻两个侧壁相接触，所述压力室内部与所述第一侧向压头相对的两个侧壁上分别设有一凹槽，两个凹槽内均安装有第二侧向压头，两个第二侧向压头与所述试件的其他两个相邻侧壁相接触。进一步地，所述监测单元包括相互连接的压力传感器和信号采集器，所述压力传感器分别设置在所述承压柱和所述上压头之间、所述第二侧向压头和所述试件之间，所述信号采集器与数据分析单元相连接。本专利技术提供的巷道围岩支护强度的试验方法，其包括以下步骤：第一步：采用应力解除法，测得巷道围岩的静态应力状态；第二步：利用微震系统获得巷道围岩附近的动载特征，反推出试验的冲击载荷强度和频率；第三步:取巷道围岩制成多个标准试件块；第四步：加载试验第4.1步：将试件放置在试验机上，调整试验机各压头的位置，并对试件施加一定的预紧力；第4.2步：根据步骤一测得的巷道围岩静态力学状态，由横向围压加载单元模拟巷道的围压对试件施加固定不变的X向压力，由轴压加载单元对试件施加一个连续增加的Z向(也就是轴向)压力；由纵向围压加载单元对试件施加Y向支护力，设置Y向支护力的最小值为0；第4.3步：对试件施加最小Y向支护力，根据步骤二得到的围岩冲击载荷强度和频率，对试件进行冲击加载，在冲击加载结束后，观察试件破坏情况；第4.4步：更换试件，保持X向压力和Z向压力不变，提高Y向支护力，重复步骤4.1-4.3对更换后的试件进行加载试验，以此类推，每更换一次试件就提高一次支护力，每提高一次支护力，在加载试验后就观察试件破坏情况，从而寻找试件不会被破坏的支护力，根据支护力推算出支护强度，这个支护强度就是巷道围岩所需的支护强度。本专利技术的有益效果在于：以巷道围岩实际静载应力大小和动载冲击特征为加载应力，设置不同的支护强度进行岩石变形破坏试验，其既考虑了静载应力和动载应力的影响，也考虑了二者的组合作用，其能与现场巷道围岩实际应力状态较好吻合，获得的支护强度能较好地保障围岩安全稳定，准确度高，且试验操作简单方便。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的巷道围岩支护强度试验装置的结构示意图；图2是本专利技术的巷道围岩支护强度试验装置的围压加载单元的结构示意图；图3是本专利技术的巷道围岩支护强度试验装置的轴压加载油缸的结构示意图；图4是轴压加载单元对试件施加力的大小和方向。图中：1-承载框架单元，11-底座、12-立柱，13-横梁；2-轴压加载单元，21-轴压加载油缸，211-轴压加载缸体、212-轴压加载活塞，213-轴压加载活塞杆，214-油腔，215-弧面，22-轴压加载油箱，23-下压头；3-冲击加载单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，其包括：承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，它包括横向围压加载单元和纵向围压加载单元，用于对试件施加水平面内的围压；加载控制单元，用于分别控制所述轴压加载单元、冲击加载单元和围压加载单元进行加载；监测单元，用于监测所述试件在加载过程中的受力情况；数据分析单元，与所述加载控制单元相连接，且所述数据分析单元用于接受所述监测单元的数据并处理分析。

【技术特征摘要】
1.一种巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，其包括：承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，它包括横向围压加载单元和纵向围压加载单元，用于对试件施加水平面内的围压；加载控制单元，用于分别控制所述轴压加载单元、冲击加载单元和围压加载单元进行加载；监测单元，用于监测所述试件在加载过程中的受力情况；数据分析单元，与所述加载控制单元相连接，且所述数据分析单元用于接受所述监测单元的数据并处理分析。2.如权利要求1所述的巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，所述轴压加载单元包括轴压加载油缸、轴压加载油箱和下压头，所述轴压加载油缸固定在所述底座上，所述轴压加载油箱与所述轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与所述轴压加载油缸相连接，其另一端竖直伸入到围压加载单元中并与所述试件的下表面相接触。3.如权利要求2所述的巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，所述轴压加载油缸包括轴压加载缸体、轴压加载活塞、轴压加载活塞杆，所述轴压加载缸体的内部设有进油腔，所述轴压加载活塞滑动连接在所述轴压加载缸体内，所述轴压加载活塞杆的一端穿过所述轴压加载活塞伸入到所述进油腔中，所述轴压加载活塞杆的另一端与所述下压头的一端相连接，其中，所述轴压加载活塞杆的一端端部为弧面。4.如权利要求1所述的巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，所述冲击加载单元包括冲击加载油缸、冲击加载油箱、上压头和承压柱，所述冲击加载油缸与所述横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加载油箱相连接，所述承压柱的一端与所述冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与所述上压头的顶部相连接，所述上压头的底部与试件的上表面相接触。5.如权利要求4所述的巷道围岩支护强度试验装置，其特征在于，所述围压加载...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学生，宋世琳，谭云亮，顾清恒，范德源，宁建国，江宁，王俊，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37