一种岩石冲击加载-卸围压力学试验系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种岩石冲击加载卸围压力学试验系统及其使用方法，该系统包括：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，所述围压加载单元用于对试件施加水平面内的围压；还包括围压卸载单元、加载控制单元、监测单元和数据分析单元。本发明专利技术提供了更加准确的试验数据支持，且围压卸载压力可以连续调节，卸载过程自动控制，试验操作简单。

【技术实现步骤摘要】
一种岩石冲击加载-卸围压力学试验系统及其使用方法
本专利技术涉及巷道围岩支护
，尤其涉及一种岩石冲击加载-卸围压力学试验系统及其使用方法。
技术介绍
冲击地压现象是矿山压力显现的一种特殊形式，可描述为：矿山采动(采掘工作面)诱发高强度的煤(岩)变形能瞬时释放，在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象，是煤矿生产过程中最严重的自然灾害之一，发生前一般没有明显的宏观预兆，以突然、急剧、猛烈的形式将煤岩体抛出，造成设备损坏、片帮冒顶、巷道堵塞和人员伤亡等，严重影响煤矿安全高效生产。目前，随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，冲击地压灾害事故频繁发生，给煤矿安全生产和广大井下作业人员的生命安全带来了极大的威胁。研究冲击地压破坏特征及机理，不仅要通过理论分析、现场观测，还要通过模拟实验来探索。目前，在实验室内研究冲击地压时，一般采用两种实验方法，一种是试验过程中使试件一直受到来自各个方向的围压，直接对试件进行冲击加载，不考虑围压的卸载，得到试件的应力应变情况。现有技术中有一种三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置(专利号为CN201410655304.1)，该装置通过在压力腔的内周围设柔性围压加载外套，解决试件在三个方向上变形的互相影响，又避免支撑效应的影响，较逼真的模拟了冲击地压。采用该装置研究冲击地压时，试件一直处于三轴压力下，能很好地揭示冲击地压来临且巷道支护未失效时，围岩的应力应变情况，但是无法用来研究冲击地压发生导致巷道支护失效时，围岩应力应变的变化情况和变形破坏的特征。另一种试验方法是先对试件进行加载，到达一定数值后，使试件单面临空实现一个方向围压卸载，观察试件的变形破坏特征。现有技术中有一种模拟剪切型岩爆的真三轴试验方法(专利号为CN201611073980.3)，该方法采用单面临空、五面受力的真三轴加载路径与边界条件，在实验室再现剪切型岩爆的孕育与发生全过程。然而，在现场实际中，冲击地压发生时，巷道往往会处于支护状态，不会出现单面不受力的情况。该方法缺乏对巷道支护情况的模拟，且不能施加动载，与现场实际不符。冲击地压发生时，巨大的冲击力使得巷道支护手段瞬间失效，围岩受到冲击而发生突然破坏，其实质上是煤岩石在冲击载荷作用下突然卸掉一个方向围压时的力学响应。然而，目前尚没有研究岩石在冲击加载-卸围压条件下力学特性的试验装置及方法，现有试验装置和方法需要进一步突破。
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、试验准确性高的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统及其使用方法。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：本专利技术提供的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，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，所述围压加载单元用于对试件施加水平面内的围压；围压卸载单元，用于对所述试件水平面内的其中一个侧壁方向的围压进行卸载；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卸载过程中受力、变形及破坏情况；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轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与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试件的下表面相接触。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横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加油箱相连接，所述承压柱的一端与冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与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。进一步地，所述围压加载单元包括压力室、三个围压加载油缸、围压加载油箱和三个第一侧向压头，所述试件设置在压力室中，所述围压加载油箱与围压加载油缸相连接，所述围压加载油缸的活塞杆与第一侧向压头相连接，三个第一侧向压头分别设置在压力室外部的三个侧壁上，三个第一侧向压头水平伸入压力室后与试件的三个侧壁相接触，所述围压卸载单元设置在压力室外部的第四个侧壁上。进一步地，所述围压卸载单元包括第二侧向压头、撑杆、围压卸载油缸、第一压力传感器和卸载控制器，所述第二侧向压头设在压力室外部的第四个侧壁上，第二侧向压头的一端水平伸入压力室后与试件的第四个侧壁相接触，所述第二侧向压头的另一端与撑杆的一端相铰接，撑杆的另一端设有滑轮，所述围压卸载油缸与围压加载油箱相连接，且所述围压卸载油缸的活塞杆端部设有滑槽，撑杆的滑轮与滑槽相配合，其中，所述滑槽的内部还设有可打开和关闭的挡板，当挡板打开时，滑轮可沿滑槽自由滑动，当挡板关闭时，滑轮锁紧在滑槽中；所述第一压力传感器设置在第二侧向压头与试件之间，所述卸载控制器分别与第一压力传感器和挡板相连接。进一步地，所述监测单元包括第二压力传感器、应变片、动态应变仪、高速摄像机和信号采集器，所述第二压力传感器分别设置在承压柱和上压头之间、第一侧向压头和试件之间，所述应变片设置在所述试件的六个外表面上，所述动态应变仪与所述应变片相连接，所述信号采集器的一端与第二压力传感器、动态应变仪和高速摄像机相连接，另一端与数据分析单元相连接，所述高速摄像机设置在围压卸载单元的同侧，并与试件的位置相对应。进一步地，所述压力室采用透明材料制作而成，所述压力室的侧壁上设有可打开和关闭的仓门，且所述压力室的内部还设有用于信号传输线的通道。本专利技术的采用岩石冲击加载-卸围压力学试验系统的使用方法，其包括以下步骤：第一步、制取方形试件；第二步、把试件放置到压力室内，对试件施加预紧力，设定围压卸载单元的卸载控制器的极限值；第三步、对试件施加轴向压力和围压，达到设定压力值后，对试件施加冲击载荷；第四步、卸载控制器接受来自第一压力传感器的信息，判断当前压力值是否大于设定的极限值，若否，则继续增加冲击载荷，若是，则围压卸载单元卸掉所述试件其中一侧面的围压；第五步、高速摄像机在一侧记录所述试件的变形破坏过程，数据分析单元通过处理分析来自监测单元的数据后得到所述试件的应力、应变曲线。进一步地，所述围压卸载单元的卸压过程包括：卸载控制器控制围压卸载油缸的活塞杆端部的滑槽内的挡板打开，使与第二侧向压头相连接的滑轮沿着滑槽滑动。本专利技术的有益效果在于：1)、本专利技术可以准确获得煤岩石在冲击载荷作用下突然卸掉一个方向围压时的力学响应，这一力学条件，与现场冲击地压发生时围岩支护结构突然失效基本一致，在实验室真实再现了冲击地压发生时围岩支护失效的破坏过程，并能对受力、变形及破坏过程进行准确监测，可为研究冲击动力灾害的作用机理、破坏特征及其防治提供了更加准确的试验数据支持；2)、本专利技术在试验过程中一个方向的围压可以突然、快速卸载，真实模拟巷道围岩支护失效现象，围压卸载压力可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石冲击加载‑卸围压力学试验系统，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，所述围压加载单元用于对试件施加水平面内的围压；围压卸载单元，用于对所述试件水平面内的其中一个侧壁方向的围压进行卸载；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卸载过程中受力、变形及破坏情况；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】
1.一种岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，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，所述围压加载单元用于对试件施加水平面内的围压；围压卸载单元，用于对所述试件水平面内的其中一个侧壁方向的围压进行卸载；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卸载过程中受力、变形及破坏情况；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所述的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，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轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与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试件的下表面相接触。3.如权利要求1所述的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，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横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加油箱相连接，所述承压柱的一端与冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与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。4.如权利要求1所述的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，其特征在于，所述围压加载单元包括压力室、三个围压加载油缸、围压加载油箱和三个第一侧向压头，试件设置在压力室中，所述围压加载油箱与围压加载油缸相连接，所述围压加载油缸的活塞杆与第一侧向压头相连接，三个第一侧向压头分别设置在压力室外部的三个侧壁上，三个第一侧向压头水平伸入压力室后与试件的三个侧壁相接触，所述围压卸载单元设置在压力室外部的第四个侧壁上。5.如权利要求4所述的岩石冲击加载-卸围压力学试验系统，其特征在于，所述围压卸载单元包括第二侧向压头、撑杆、围压卸载油缸、第一压力传感器和卸载控制器，所述第二侧向压头设在压力室外部的第四个侧壁上，第二侧向压头的一端水平伸入压力室后与试件的第四个侧壁相接触，所述第二侧向压头的另一端与撑杆的一端相铰接，撑杆的另一端设有滑轮，所述围压卸载油缸与围压加载油箱相连接，且所述围压卸载油缸的活塞杆端部设有滑槽，撑杆的滑轮与滑槽相配合，其中，所述滑槽的内部还设有可打开和关闭的挡板，当挡板打开时，滑轮可沿滑槽自由滑动，当挡板关闭时，滑轮锁紧在滑槽中；所述第一压力传感器设置在第二侧向压头与试件之间，所述卸载控制器分别与第一压力传感器和挡板相连接。6.如权利要求3所述的岩石冲击加...

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