深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),屬于采場應(yīng)力演變試驗(yàn)系統(tǒng)領(lǐng)域。該系統(tǒng)可以依據(jù)煤體力學(xué)條件進(jìn)行大塊度煤體非均布動態(tài)加載,真實(shí)仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的力學(xué)條件。其包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件,試驗(yàn)加載組件包括煤樣、加載主框架、側(cè)壓加載單元和軸壓加載單元,其軸壓加載單元設(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn);側(cè)壓加載單元有兩個,分別設(shè)置在左、右立柱的兩側(cè),每側(cè)的側(cè)壓加載單元分別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn),可以通過調(diào)節(jié)頂板上方的加載點(diǎn)和左右兩側(cè)的加載點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的加載載荷,以實(shí)現(xiàn)煤體的非均布加載。
【專利說明】深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于采場應(yīng)力演變試驗(yàn)系統(tǒng)領(lǐng)域,具體涉及一種深部開采采動應(yīng)力場演變 過程試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,我國煤炭開采以每年10m左右的速度向深部延伸,未來10年內(nèi),我國將有 相當(dāng)數(shù)量的礦井將進(jìn)入深部開采。深部開采不同于淺部開采,煤巖的力學(xué)性質(zhì)在高溫和高 地應(yīng)力的作用下發(fā)生變化,使得煤炭開采的力學(xué)環(huán)境、煤巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為和 工程響應(yīng)與淺部明顯不同,同時大空間開采模式導(dǎo)致采動應(yīng)力場的時空關(guān)系和動力學(xué)特征 更加復(fù)雜,更易誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害,造成嚴(yán)重破壞和大量人員傷亡, 究其原因在于不了解或沒有完全掌握不同采動條件下采動應(yīng)力場分布時空演變規(guī)律,在錯 誤的時間和空間開掘、維護(hù)巷道和推進(jìn)工作面造成的。
[0003] 對于采動影響下的煤體損傷破裂發(fā)展過程及損傷破裂過程中作用在煤體上的采 動應(yīng)力場,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要利用彈塑性力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)對靜態(tài)應(yīng)力作用條件下的理想 煤體進(jìn)行研究分析,研究表明采場煤體處于上覆巖層逐次彎曲、裂斷形成的動力載荷作用 之下,導(dǎo)致其力學(xué)性能不斷劣化,引起采動應(yīng)力向煤體內(nèi)部不斷轉(zhuǎn)移。因此,科學(xué)定量研究 采動應(yīng)力場隨煤體力學(xué)性能劣化的時空演化機(jī)制和規(guī)律是非常必要的,這為進(jìn)行開掘、維 護(hù)巷道和推進(jìn)工作面確定合理的時間和空間位置,實(shí)現(xiàn)煤炭資源科學(xué)開采有著極為重要的 工程實(shí)際意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明提出了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大尺 度煤體非均布加載,實(shí)時采集應(yīng)力、位移等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可以同時對多組煤體或充填體進(jìn)行試 驗(yàn)。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案包括:
[0006] -種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控 制組件和聲波監(jiān)測組件,所述試驗(yàn)加載組件包括煤樣、加載主框架、側(cè)壓加載單元和軸壓加 載單元,所述加載主框架包括底座、橫梁和支撐框架,所述底座和支撐框架之間通過所述橫 梁連接,所述支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架,所述煤樣位于 所述支撐框架內(nèi),所述軸壓加載單元位于所述左立柱和右立柱之間,所述軸壓加載單元設(shè) 置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn);所述側(cè)壓加載單元有兩個,分別設(shè)置在左、右立柱的兩側(cè),每側(cè)的 側(cè)壓加載單元分別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn),所述上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和 右反力墻,所述每側(cè)的側(cè)壓加載單元均包括側(cè)向壓頭,側(cè)向負(fù)荷傳感器和側(cè)向加載油缸,所 述側(cè)向負(fù)荷傳感器位于所述側(cè)向壓頭和所述側(cè)向加載油缸中間,所述側(cè)向壓頭用于對煤樣 進(jìn)行加載,所述側(cè)向加載油缸連接在所述左、右反力墻上。
[0007] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案,所述軸壓加載單元包括堅(jiān)向壓頭、堅(jiān)向球角、堅(jiān)向負(fù) 荷傳感器、堅(jiān)向連接桿和堅(jiān)向加載油缸,所述堅(jiān)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載,所述堅(jiān)向球角 位于所述堅(jiān)向壓頭和所述堅(jiān)向負(fù)荷傳感器之間,所述堅(jiān)向負(fù)荷傳感器通過所述堅(jiān)向連接桿 連接所述堅(jiān)向加載油缸,所述堅(jiān)向加載油缸連接在所述支撐框架。
[0008] 作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選方案,所述軸壓加載單兀的最大加載載荷為4500kN, 位于兩側(cè)側(cè)壓加載單元上的加載點(diǎn)呈對稱設(shè)置,每側(cè)側(cè)壓加載單元的最大加載載荷為 1200kN。
[0009] 進(jìn)一步的,所述的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制,所述伺服組件包 括采動應(yīng)力伺服單元、伺服電機(jī)和EDC測控器;所述的采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、 噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組成,所述EDC測控器具有多個測量通道,每個測量通道可 以分別進(jìn)行荷載、位移、變形單獨(dú)控制或幾個測量通道的聯(lián)合控制,多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無 沖擊轉(zhuǎn)換。
[0010] 進(jìn)一步的,所述控制組件包括計(jì)算機(jī),所述計(jì)算機(jī)連接所述試驗(yàn)加載組件和所述 聲波監(jiān)測組件,用于控制所述試驗(yàn)加載組件的動作,并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢 測得到的試樣數(shù)據(jù)。
[0011] 進(jìn)一步的,所述聲波監(jiān)測組件包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器,所述 探頭設(shè)置在支撐框架的內(nèi)部,每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析 儀。
[0012] 本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果:
[0013] 本發(fā)明公開了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),與現(xiàn)有技術(shù)相比,該 系統(tǒng)在軸壓加載單元上布置有五個加載點(diǎn),在側(cè)壓加載單元分別布置有三個加載點(diǎn),每個 加載點(diǎn)都是獨(dú)立設(shè)計(jì),可以通過調(diào)節(jié)頂板上方的加載點(diǎn)和左右兩側(cè)的加載點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的 加載載荷,以實(shí)現(xiàn)大尺度煤體的非均布加載;依據(jù)煤體力學(xué)條件進(jìn)行非均布動態(tài)加載,同時 可以實(shí)施不同大小的圍壓,如圍壓范圍在〇?20MPa,真實(shí)仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的 力學(xué)條件;其最大加載強(qiáng)度為60MPa,圍壓為20MPa,可以實(shí)現(xiàn)不同硬度巖層的剪切試驗(yàn),在 實(shí)驗(yàn)室定量確定抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性;可以實(shí)現(xiàn)二維加載,實(shí)時采集應(yīng)力、位移等基礎(chǔ)數(shù) 據(jù),可以同時對多組煤體或充填體進(jìn)行試驗(yàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說明:
[0015] 圖1為本發(fā)明試驗(yàn)加載組件的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0016] 圖2為本發(fā)明軸壓加載單元、側(cè)壓加載單元的主視圖;
[0017] 圖3為本發(fā)明軸壓加載單元的正視圖;
[0018] 圖中,1、底座,2、橫梁,3、加載主框架,4、煤樣,5、側(cè)壓加載單元、6、軸壓加載單元, 7、側(cè)向壓頭,8、側(cè)向負(fù)荷傳感器,9、側(cè)向加載油缸,10、堅(jiān)向壓頭,11、堅(jiān)向球角,12、堅(jiān)向負(fù) 荷傳感器,13、堅(jiān)向連接桿,14、堅(jiān)向加載油缸。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 結(jié)合圖1所示,本發(fā)明深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),包括試驗(yàn)加載組 件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件,伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件配合試驗(yàn)加 載組件同步使用,聲波監(jiān)測組件是為了獲得更加清晰的裂隙擴(kuò)展演化過程,其中,伺服組 件、控制組件和聲波監(jiān)測組件與現(xiàn)有技術(shù)相同,在此僅作簡要說明;
[0020] 伺服組件,用于多級可控的恒定油液流量控制,其包括采動應(yīng)力伺服單元、伺服電 機(jī)和EDC測控器;采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組 成,EDC測控器具有多個測量通道,每個測量通道可以分別進(jìn)行荷載、位移、變形單獨(dú)控制或 幾個測量通道的聯(lián)合控制,多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無沖擊轉(zhuǎn)換,并在EDC控制系統(tǒng)軟件中設(shè) 置一個壓差控制通道,來測量進(jìn)油口壓力和出油口壓力的差值;
[0021] 控制組件,包括計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)連接上述試驗(yàn)加載組件和聲波監(jiān)測組件,選用計(jì)算 機(jī)來控制試驗(yàn)加載組件的動作,并接收、記錄檢測聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣或煤樣數(shù) 據(jù);
[0022] 聲波監(jiān)測組件,其包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器,探頭設(shè)置在支撐 框架的內(nèi)部,每個探頭分別通過聲波換能器連接聲波檢測分析儀;
[0023] 上述試驗(yàn)加載組件包括煤樣4、加載主框架3、側(cè)壓加載單元5和軸壓加載單元6, 其中,加載主框架3包括底座1、橫梁2和支撐框架,底座和支撐框架之間通過橫梁2連接, 支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架,其中,上橫梁、下橫梁、左立 柱和右立柱均是由高剛度鋼板制成看,煤樣4放置于支撐框架內(nèi),
[0024] 軸壓加載單兀6位于左立柱和右立柱之間,軸壓加載單兀的一端用于對煤樣4進(jìn) 行加載,另一端采用前法蘭式連接方式固定在加載主框架3上,結(jié)合圖2、圖3所示,軸壓加 載單元6包括堅(jiān)向壓頭10、堅(jiān)向球角11、堅(jiān)向負(fù)荷傳感器12、堅(jiān)向連接桿13和堅(jiān)向加載油 缸14,堅(jiān)向壓頭10用于對煤樣4進(jìn)行加載,堅(jiān)向球角11位于堅(jiān)向壓頭10和堅(jiān)向負(fù)荷傳感 器12之間,堅(jiān)向負(fù)荷傳感器12通過堅(jiān)向連接桿13連接堅(jiān)向加載油缸14,堅(jiān)向加載油缸14 采用前法蘭式連接方式連接在支撐框架上;
[0025] 軸壓加載單元設(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn),其每個加載點(diǎn)都可以獨(dú)立的對煤樣施加 載荷,五個加載點(diǎn)同時施加載荷時,載荷可以相同或者不同;
[0026] 側(cè)壓加載單元5有兩個,分別設(shè)置在左、右立柱的兩側(cè),每側(cè)的側(cè)壓加載單元5分 別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn),在上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和右反力墻,每側(cè)的 側(cè)壓加載單元均包括側(cè)向壓頭7,側(cè)向負(fù)荷傳感器8和側(cè)向加載油缸9,側(cè)向負(fù)荷傳感器8 位于側(cè)向壓頭7和側(cè)向加載油缸9中間,側(cè)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載,側(cè)向加載油缸連接 在左、右反力墻上,通過軸壓加載單元頂部受壓變形量的差異,實(shí)現(xiàn)巖塊裂隙左右兩部分的 剪切位移。
[0027] 上述軸壓加載單元的最大垂直荷載為4500kN,法向加載油缸作動器最大行程 100mm,精度±1% F. S ;左右反力墻處的的側(cè)壓加載單元包含6個加載點(diǎn),分別是左側(cè)壓 加載單元3個加載點(diǎn),右側(cè)壓加載單元3個加載點(diǎn),并且左、右兩側(cè)的加載點(diǎn)呈正交對稱布 置,每側(cè)的側(cè)壓加載單元最大水平荷載1200kN,側(cè)向加載油缸作動器最大行程200_,精度 ±1% F. S。
[0028] 本發(fā)明,深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法,具體包括以下步 驟:
[0029] a制作大尺度煤體,首先在工作面煤壁采集完整大煤塊,例如尺寸為 300mm X 300_X 600_,搬至室內(nèi),在搬運(yùn)過程要輕拿輕放,盡可能保持煤樣的原始狀態(tài);在 室內(nèi),沿煤塊層理方向切割成150mmXI50mmX500mm,作為大尺度煤體,煤體6個側(cè)面采用 雙面磨石機(jī)研磨,3個相鄰側(cè)面相互垂直,端面不平整程度小于0. 1mm ;
[0030] b將大尺度煤體放入本發(fā)明試驗(yàn)加載組件的加載主框架內(nèi),將上述液壓伺服組件、 控制組件和聲波監(jiān)測組件分別與試驗(yàn)加載組件連接;
[0031] c加載,啟動液壓伺服組件,通過所述液壓伺服組件控制側(cè)壓加載單元和軸壓加載 單元中的加載油缸,開始加載每個油缸,單獨(dú)控制加載力值和位移量;
[0032] d接步驟c,大尺度煤體受各加載點(diǎn)加載作用后,所受到的力和變形分別通過側(cè)壓 加載單元和軸壓加載單元球角上的壓力傳感器、位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測,并通過數(shù)據(jù)線傳遞 給所述控制組件,控制組件按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時試驗(yàn)曲線。
[〇〇33] 需要說明的是,在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式,或 明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控制 組件和聲波監(jiān)測組件,其特征在于:所述試驗(yàn)加載組件包括煤樣、加載主框架、側(cè)壓加載單 元和軸壓加載單元,所述加載主框架包括底座、橫梁和支撐框架,所述底座和支撐框架之間 通過所述橫梁連接,所述支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架,所 述煤樣位于所述支撐框架內(nèi),所述軸壓加載單元位于所述左立柱和右立柱之間,所述軸壓 加載單元設(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn);所述側(cè)壓加載單元有兩個,分別設(shè)置在左、右立柱的兩 偵牝每側(cè)的側(cè)壓加載單元分別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn),所述上橫梁和下橫梁之間連接有 左反力墻和右反力墻,所述每側(cè)的側(cè)壓加載單元均包括側(cè)向壓頭,側(cè)向負(fù)荷傳感器和側(cè)向 加載油缸,所述側(cè)向負(fù)荷傳感器位于所述側(cè)向壓頭和所述側(cè)向加載油缸中間,所述側(cè)向壓 頭用于對煤樣進(jìn)行加載,所述側(cè)向加載油缸連接在所述左、右反力墻上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于:所述 軸壓加載單元包括堅(jiān)向壓頭、堅(jiān)向球角、堅(jiān)向負(fù)荷傳感器、堅(jiān)向連接桿和堅(jiān)向加載油缸,所 述堅(jiān)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載,所述堅(jiān)向球角位于所述堅(jiān)向壓頭和所述堅(jiān)向負(fù)荷傳感器 之間,所述堅(jiān)向負(fù)荷傳感器通過所述堅(jiān)向連接桿連接所述堅(jiān)向加載油缸,所述堅(jiān)向加載油 缸連接在所述支撐框架上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于:所述 軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN,位于兩側(cè)側(cè)壓加載單元上的加載點(diǎn)呈對稱設(shè)置, 每側(cè)側(cè)壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于:所述 的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制,所述伺服組件包括采動應(yīng)力伺服單元、伺 服電機(jī)和EDC測控器;所述的采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和 控制腔組成,所述EDC測控器具有多個測量通道,每個測量通道可以分別進(jìn)行荷載、位移、 變形單獨(dú)控制或幾個測量通道的聯(lián)合控制,多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無沖擊轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于:所述 控制組件包括計(jì)算機(jī),所述計(jì)算機(jī)連接所述試驗(yàn)加載組件和所述聲波監(jiān)測組件,用于控制 所述試驗(yàn)加載組件的動作,并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣數(shù)據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于:所述 聲波監(jiān)測組件包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器,所述探頭設(shè)置在支撐框架的 內(nèi)部,每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析儀。
【文檔編號】G01N3/10GK104062182SQ201410206460
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】文志杰, 蔣宇靜, 韓作振, 賈傳洋, 曲廣龍, 文金浩, 高浩政, 王曉, 孟祥旭 申請人:山東科技大學(xué)