用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法，适用于目前的硬岩巷道。本发明专利技术基于悬臂式冲击掘进机的使用，主要内容为采用应变片对钎杆部分的应变、压力盒对岩巷内的压力变化规律进行记录和分析，对冲击作用下钎杆的应力波形、岩体的断裂规律、岩巷工作面的应力分布规律等进行研究。本发明专利技术的实验加载系统动力源来自悬臂式掘进机，基于冲击破岩，用于研究岩体破碎机理；在实验布置过程中，采用了埋入式压力盒，在压力盒布置完成后需要对接线孔进行灌浆，以保证岩体的完整性；进一步的，应变片采取两对对称式分布的形式，方便对应力波形进行推算和分析。本发明专利技术基于实际岩巷掘进工作，摆脱了实验室内的局限性，设备需求功率低，在实际传感器布置过程中灵活多变，能够满足多种实验要求，具有很大的适用性。

【技术实现步骤摘要】
用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法
本专利技术应用于矿井下岩巷，涉及到机械冲击作用下岩巷中岩体的破碎机理问题研究，具体涉及到一种用于研究矿井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统及方法。
技术介绍
目前我国煤矿井下开采占到开采总资源的90％以上，且煤层的赋存条件极为复杂，随着我国综采掘进技术的不断发展,目前国内逐渐出现了多种基于台式重型机械的掘进工艺。现阶段我国岩巷掘进施工方式主要有传统的钻爆法和机械掘进法，机械掘进法主要表现为基于卧底机的掘进工艺。悬臂式冲击掘进机作为目前机械掘进法的重要设备，正在逐步应用于硬岩巷道中。然而由于我国在悬臂式掘进机方面技术不足，加上井下作业人员主要以经验为主，缺乏有效的理论指导，悬臂式掘进机在岩巷中的使用过程中往往存在开口困难、能量损耗大的问题，因此施工效率存在很大的局限性。近几年来，随着科学技术的不断进步，国内外一些科研工作者通过先进的实验设备如超动态应变仪、霍普金森杆等设备进行了实验室条件下岩石在冲击作用下的断裂问题及相互影响规律，并且取得了一定的成果，对实际工程应用具有一定的指导意义和实用价值。但是目前国内外关于连续冲击作用下的岩体断裂规律的实验和研究相对很少，基于实际的岩体破碎工作较之更为罕见，鉴于实验室的条件与岩巷内条件的差距，仅在室内的冲击研究对实际工作的指导有所不足，目前的冲击掘进设备还没有达到其最大利用价值。因此，有必要在岩巷内对实际工况进行实验，对机械冲击作用下的岩体断裂和破碎机理进行深入研究，这对于实际工程的掘进速度和台式设备工作效率的提升具有重要的价值。基于目前实验室条件与岩巷内条件差距较大，实验室内冲击实验结论对实际工况掘进作业指导不足的问题，本专利技术立足于岩石巷道，设计了一种用于研究矿井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统，并且介绍了其在岩巷中的使用方法。
技术实现思路
本专利技术所解决的是由于实验室和实际工况中的差距较大而导致的实验结论对于实际工况指导不足的问题，提供了一种用于研究井下岩巷在机械冲击作用下岩体破碎机理的实验加载系统及其实验方法，用于研究在掘进机钎杆的冲击作用下钎杆的应力波形、岩体的断裂规律、岩巷工作面的应力分布规律、应力波的衰减规律、岩体破碎的凿深与冲击变量的变化规律等。本专利技术所采用的技术方案如下：岩巷在机械冲击作用下的一种用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，包括钎杆，应变及压力传感器，信号线，应变仪，数据采集仪及工作站。本专利技术基于悬臂式冲击掘进机在煤矿岩石巷道中的使用，在进行冲击破岩前预先将应变式压力盒通过钻孔灌浆的形式布置于工作面前方，同时在破碎锤钎杆上对称粘贴有两组应变片，而后通过操作掘进机来对工作面进行冲击破碎。应变片和压力盒通过信号线将信号反映至应变仪，而后应变仪将数据记录至数据采集仪，最终数据采集仪将数据存储至工作站。该系统能够同时采集到在巷道中冲击作用下岩体的压力及应变变化，从而研究钎杆的应力波形和凿入曲线的关系，岩体的断裂规律，冲击过程中的速度、加速度、压力、冲击钎杆头部的应力场分布等的演变规律。所述的实验加载系统，钎杆表现为液压破碎锤的的形式，布置于悬臂式掘进机的工作部前方，钎杆在不同的设备中可表现为数量上的不同，可设置为单臂单钻、单臂三钻、两臂四钻等。所述的实验加载系统，应变片分为两对四个，粘贴于钎杆中部位置，每对应变片以对称的形式粘贴于钎杆两侧，所述的应变片粘贴位置可以改变，二者之间的相对位置也可以变化，可以作为不同的初始变量进行数据的采集及讨论。所述的实验加载系统，冲击区域位于岩巷工作面的底部位置，表现为整个工作面的起始工作位置，所述的起始工作位置在确定有岩性更软的条件下可以改变，进而提高破岩速度，提升工作效果。所述的实验加载系统，通过钻孔作业在巷道前进方向布置有多个平行接线孔，用于放置压力盒传感器，所述的接线孔及传感器的个数和位置可以根据实验预收效果和测试目的的不同发生改变。所述的实验加载系统，压力盒传感器位于冲击区域的上方，布置于预先钻好的接线孔底部，所述的压力盒传感器采用应变式压力盒，可以和应变片接在同一台应变仪上。所述的实验加载系统，需要在布置好压力盒传感器后对接线孔进行混凝土注浆处理。所述的实验加载系统，连接压力盒的信号线自接线孔引出，而后接入应变仪。所述的实验加载系统，从钎杆上的应变片引出的信号线和压力盒引出的信号线同时接入应变仪上的通道，所述的应变仪可以根据需要量测点数的不同来选择不同通道的应变仪。所述的实验加载系统，应变仪后连接有数据采集仪，将数据采集完成后可以存储至工作站。根据以上所述的实验加载系统研究矿井下岩体破碎机理的方法，包括以下步骤：首先，在工作面按照预先设计位置进行钻孔，将压力盒传感器及信号线一同放入接线孔底部，将信号线自接线孔引出，对接线孔进行灌浆处理，等待混凝土凝固后方可进行实验。然后，待混凝土凝固之后，对钎杆进行预先打磨并粘贴应变片，用信号线连接几个应变片至应变仪，布置于钎杆上的应变片和连接线要进行包裹和防护处理，防止落矸砸坏影响实验，同时将压力盒导出的信号线接入应变仪；将应变仪和数据采集仪连接完成，同时数据采集仪接入工作站，在工作站中预先安装好分析软件。最后，在预先设定的开口位置开始进行冲击破碎，通过传感器的信号接收可采集到实验数据。本专利技术的实验加载系统应用预期产生的有益效果：本实验系统基于硬岩巷道中所采用的悬臂式掘进机，在实际的岩石巷道中进行试验，结合了应变片及压力盒的优势所在，可以测定出冲击作用下岩体的压力及应变变化、钎杆的应力波形，可以通过方程演算出钎杆的凿入波形和凿入曲线的关系，冲击过程中的速度、加速度、压力、冲击钎杆头部的应力场分布等的演变规律，从而可以更明确地得到实际工作中岩体在机械冲击作用下的断裂规律，为悬臂式掘进机的破岩效果提升提供理论依据。附图说明图1是本专利技术实施例的结构原理示意图；图2是本专利技术的冲击钎杆结构示意图；图3是本专利技术的一个实施例的工作区域及布孔位置示意图；图4是本专利技术的一个实施例的压力盒及接线孔布置示意图。图中各个数字标号表示：1、钎杆端部，2、钎杆，3、钎杆冲击头部，4、冲击区域，5、应变片，6、信号线a，7、接线孔，8、应变式压力盒，9、信号线b，10、混凝土浆液，11、信号线b延长线，12、超动态应变仪，13、信号线c，14、数据采集仪，15、信号线d，16、工作站。具体实施方式为了进一步描述本专利技术所述的实验加载系统的技术方案和优点所在，下面将详细描述本专利技术的实施例，所述实验加载系统的内容及元件描述在附图中表示出，需要说明的是，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域内的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都属于本申请保护的范围。参照图1-4所示的一个实验加载系统实施例，用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，组成包含钎杆端部1，钎杆2，钎杆冲击头部3，冲击区域4，应变片5，信号线a6，接线孔7，应变式压力盒8，信号线b9，混凝土浆液10，信号线b延长线11，超动态应变仪12，信号线c13，数据采集仪14，信号线d15，工作站16。参照图2所示的钎杆示意图，在本实施例中，钎杆端部1连接于悬臂式掘进机的振源，作为实验数据采集的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法，其特征在于，加载系统组成包括：冲击钎杆，端部固定设置于掘进机，用于提供冲击动力；压力盒，预先埋设于岩巷内部，通过信号线连接于应变仪；应变片传感器，对称粘贴于钎杆上，通过信号线连接于应变仪；应变仪、采集仪及工作站，作为数据的接收及分析装置；信号线若干，用在传感器及仪器之间，起信号传递作用。

【技术特征摘要】
1.用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统及方法，其特征在于，加载系统组成包括：冲击钎杆，端部固定设置于掘进机，用于提供冲击动力；压力盒，预先埋设于岩巷内部，通过信号线连接于应变仪；应变片传感器，对称粘贴于钎杆上，通过信号线连接于应变仪；应变仪、采集仪及工作站，作为数据的接收及分析装置；信号线若干，用在传感器及仪器之间，起信号传递作用。2.根据权利要求1所述的用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，其特征在于在钎杆上沿冲击方向粘贴有两对对称分布的应变片，应变片相对位置可以改变。3.根据权利要求1所述的用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，其特征在于压力盒采用应变式压力盒，布置方式采取埋入式。4.根据权利要求3所述的用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，其特征在于压力盒布置于接线孔底部，接线孔的数量和分布位置可以改变。5.根据权利要求4所述的用于研究矿井下岩体破碎机理的实验加载系统，其特征在于将压力盒布置于接线孔底部后需...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳中文，宋晨哲，王鹏，陈志远，范皓宇，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11