一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法与流程

本发明涉及采矿工程，尤其涉及一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法。

背景技术：

1、深部煤层一般由典型的复合沉积岩组成，在开采过程中会遇到大量充填节理岩体。与光滑节理不同，充填岩石节理充填了具有一定强度和内聚力的充填物。在深部开采过程中，硐室和巷道内的充填岩体节理不仅要承受由重力和构造应力引起的静载荷，而且还要承受地震、机械开挖、爆破、钻孔等动载荷引起的动载扰动。在这种动静耦合加载条件下，岩石节理的力学特性和破坏机制与浅部岩石的力学特性和破坏机制存在显著差异，单纯依靠静力学和动力学理论进行解释是远远不够的。因此，了解岩石节理在动静载荷耦合作用下的力学行为，对地下岩体工程的稳定性评估和支护设计具有重要意义。

2、全断面隧道掘进机(tunneling boring machine，简称tbm)作为一种高度智能化的施工方法，在深部采矿工程中越来越多地应用于煤矿岩巷的施工。在tbm施工巷道过程中，刀盘破岩振动不可避免地对工作面前方受不同静荷载的节理岩体产生一定的振动扰动。现有实验装置通常是在动静组合加载状态下仅对岩石试样外部进行扰动，无法完全模拟真实工况，不能全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用。

3、为此，现在提出了一种能够完全模拟真实工况，全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法。

技术实现思路

1、为了克服现有实验装置无法完全模拟真实工况，不能全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的缺点，本发明提供一种能够完全模拟真实工况，全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法。

2、本发明的技术方案为：一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法，包括有底座、安装台、立架、静加载液压缸、加压盘、油路分配器、动加载液压缸、支撑盘、扰动机构和内加载机构，底座上连接有安装台，安装台上侧连接有立架，立架上连接有静加载液压缸，静加载液压缸的伸缩端上连接有加压盘，底座内底部连接有油路分配器，油路分配器上连接有多个动加载液压缸，动加载液压缸均与底座连接，动加载液压缸的伸缩端之间连接有支撑盘，将岩石试样置于支撑盘和加压盘之间，通过静加载液压缸控制加压盘对岩石试样施加静态载荷，并通过动加载液压缸控制支撑盘向上逐渐靠近加压盘，对岩石试样施加动态载荷，从而实现动静组合加载，安装台上侧设有扰动机构，安装台下侧设有内加载机构。

3、进一步的是，扰动机构包括有安装架、电动推杆、提升架、拨片、摆锤和扭簧，安装台上侧连接有安装架，安装架内顶部连接有电动推杆，电动推杆的伸缩端上连接有提升架，提升架上转动式连接有拨片，安装架上部转动式连接有摆锤，摆锤能够与拨片接触，摆锤与安装架之间连接有多个扭簧，通过电动推杆的伸缩端带动提升架向上进行移动，提升架移动带动拨片向上移动，从而通过拨片拨动摆锤进行转动，远离岩石试样，扭簧受力发生形变，拨片向上移动至极限并与摆锤脱离后，摆锤在惯性以及扭簧的作用下对岩石试样进行冲击扰动，通过电动推杆的伸缩端带动提升架和拨片向下进行移动过程中，在摆锤的挤压下使得拨片在提升架上进行转动，直至拨片与摆锤脱离，此时拨片位于摆锤下方。

4、进一步的是，内加载机构包括有吊架、槽板、电机、第一齿轮、安装框、第二齿轮、移动块、连接柱、加载柱和应力计，安装台下侧连接有吊架，吊架上连接有槽板，槽板下侧连接有电机，电机输出轴上连接有第一齿轮，槽板上连接有安装框，安装框内转动式连接有第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮相互啮合，槽板上滑动式连接有多个移动块，移动块上均连接有连接柱，连接柱均与安装框和第二齿轮滑动并转动式连接，连接柱上部均连接有加载柱，加载柱上均连接有应力计，加载柱均位于岩石试样内部，电机输出轴转动带动第一齿轮进行转动，第一齿轮转动带动第二齿轮进行转动，第二齿轮转动带动连接柱和移动块向相互远离的一侧进行张开，从而带动加载柱向相互远离的一侧进行张开，对岩石试样内部进行加载，并通过应力计检测压力大小。

5、进一步的是，还包括有定位机构，定位机构包括有固定架、定位件和弹簧，支撑盘上连接有多个固定架，固定架上均滑动式连接有定位件，定位件均与相邻的固定架之间连接有弹簧，使岩石试样位于定位件之间，在弹簧的压力作用下带动定位件对岩石试样进行夹紧固定，并将岩石试样固定在支撑盘中心位置。

6、进一步的是，定位件均为弧形结构，便于贴合岩石试样。

7、进一步的是，定位件上侧均为斜面结构，便于岩石试样向下挤压撑开定位件。

8、进一步的是，还包括有防护机构，防护机构包括有支撑座、防护门和把手，立架上连接有多个支撑座，支撑座之间连接有多个防护门，防护门上均连接有把手，在进行实验时，拉动把手使防护门在支撑座上进行转动闭合，对岩石试样进行隔离，避免实验过程中岩石试样碎片飞溅伤人。

9、进一步的是，还包括有如下步骤：

10、s1：先使标准岩石试样位于支撑盘和加压盘之间，再使其向下挤压撑开定位件，并在弹簧的压力作用下带动定位件对岩石试样进行夹紧固定；

11、s2：通过静加载液压缸控制加压盘对岩石试样施加静态载荷，并通过动加载液压缸控制支撑盘向上逐渐靠近加压盘，对岩石试样施加动态载荷，从而实现动静组合加载；

12、s3：通过电动推杆的伸缩端带动提升架向上进行移动，提升架移动带动拨片向上移动，从而通过拨片拨动摆锤进行转动，远离岩石试样，扭簧受力发生形变，拨片向上移动至极限并与摆锤脱离后，摆锤在惯性以及扭簧的作用下对岩石试样外部进行冲击扰动；

13、s4：通过电机输出轴转动带动第一齿轮进行转动，第一齿轮转动带动第二齿轮进行转动，第二齿轮转动带动连接柱和移动块向相互远离的一侧进行张开，从而带动加载柱向相互远离的一侧进行张开，对岩石试样内部进行加载，并通过应力计检测压力大小。

14、本发明的有益效果为：1、本发明通过静加载液压缸和动加载液压缸控制加压盘和支撑盘对岩石试样施加静态和动态载荷，并通过摆锤对岩石试样外部进行冲击扰动，再通过电机控制加载柱对岩石试样内部进行加载，能够达到完全模拟真实工况，全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的效果。

15、2、本发明通过将岩石试样置于支撑盘和加压盘之间，再使其向下挤压撑开定位件，使得定位件向相互远离的一侧进行滑动，在弹簧的压力作用下带动定位件向相互靠近的一侧进行滑动，能够达到对岩石试样进行夹紧固定，并将岩石试样固定在支撑盘中心位置的效果。

16、3、本发明通过拉动把手使防护门在支撑座上进行转动闭合，能够达到对岩石试样进行隔离，避免实验过程中岩石试样碎片飞溅伤人的效果。

技术特征：

1.一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：包括有底座(1)、安装台(11)、立架(12)、静加载液压缸(13)、加压盘(14)、油路分配器(15)、动加载液压缸(16)、支撑盘(17)、扰动机构(3)和内加载机构(4)，底座(1)上连接有安装台(11)，安装台(11)上侧连接有立架(12)，立架(12)上连接有静加载液压缸(13)，静加载液压缸(13)的伸缩端上连接有加压盘(14)，底座(1)内底部连接有油路分配器(15)，油路分配器(15)上连接有多个动加载液压缸(16)，动加载液压缸(16)均与底座(1)连接，动加载液压缸(16)的伸缩端之间连接有支撑盘(17)，安装台(11)上侧设有扰动机构(3)，安装台(11)下侧设有内加载机构(4)。

2.按照权利要求1所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：扰动机构(3)包括有安装架(30)、电动推杆(31)、提升架(32)、拨片(33)、摆锤(34)和扭簧(35)，安装台(11)上侧连接有安装架(30)，安装架(30)内顶部连接有电动推杆(31)，电动推杆(31)的伸缩端上连接有提升架(32)，提升架(32)上转动式连接有拨片(33)，安装架(30)上部转动式连接有摆锤(34)，摆锤(34)能够与拨片(33)接触，摆锤(34)与安装架(30)之间连接有多个扭簧(35)。

3.按照权利要求1所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：内加载机构(4)包括有吊架(40)、槽板(41)、电机(42)、第一齿轮(43)、安装框(44)、第二齿轮(45)、移动块(46)、连接柱(47)、加载柱(48)和应力计(49)，安装台(11)下侧连接有吊架(40)，吊架(40)上连接有槽板(41)，槽板(41)下侧连接有电机(42)，电机(42)输出轴上连接有第一齿轮(43)，槽板(41)上连接有安装框(44)，安装框(44)内转动式连接有第二齿轮(45)，第二齿轮(45)与第一齿轮(43)相互啮合，槽板(41)上滑动式连接有多个移动块(46)，移动块(46)上均连接有连接柱(47)，连接柱(47)均与安装框(44)和第二齿轮(45)滑动并转动式连接，连接柱(47)上部均连接有加载柱(48)，加载柱(48)上均连接有应力计(49)。

4.按照权利要求3所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：还包括有定位机构(2)，定位机构(2)包括有固定架(20)、定位件(21)和弹簧(22)，支撑盘(17)上连接有多个固定架(20)，固定架(20)上均滑动式连接有定位件(21)，定位件(21)均与相邻的固定架(20)之间连接有弹簧(22)。

5.按照权利要求4所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：定位件(21)均为弧形结构。

6.按照权利要求4所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：定位件(21)上侧均为斜面结构。

7.按照权利要求6所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置，其特征是：还包括有防护机构(5)，防护机构(5)包括有支撑座(50)、防护门(51)和把手(52)，立架(12)上连接有多个支撑座(50)，支撑座(50)之间连接有多个防护门(51)，防护门(51)上均连接有把手(52)。

8.按照权利要求1-7所述的一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验方法，其特征是：还包括有如下步骤：

技术总结本发明涉及采矿工程技术领域，尤其涉及一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法。本发明提供一种能够完全模拟真实工况，全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法。一种掘进扰动节理岩石动静组合加载实验装置及方法，包括有底座、安装台和立架等，底座上连接有安装台，安装台上侧连接有立架。本发明通过静加载液压缸和动加载液压缸控制加压盘和支撑盘对岩石试样施加静态和动态载荷，并通过摆锤对岩石试样外部进行冲击扰动，再通过电机控制加载柱对岩石试样内部进行加载，能够达到完全模拟真实工况，全面反映掘进过程中岩石所受的综合力学作用的效果。技术研发人员：石宏伟,刘涛,马光辉,朱性周,常立业,王殿国,朱浩然,张训龙,张凯,马百龙受保护的技术使用者：淮北矿业股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2