[发明专利]三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置

说明书

技术领域

本发明属于深部岩体工程技术领域，涉及一种实验用设备，特别是一种三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置。

背景技术

冲击地压，是一种煤(岩)体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致煤(岩)爆裂并弹射出来的现象，并在破坏过程中受到围岩的进一步快速挤压作用，瞬时释放巨大能量。常伴有巨大声响和岩体震动，经常造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡，对安全生产威胁巨大。

随着我国煤矿开采深度不断增加，开采强度不断加大，冲击地压矿井分布越来越广，深部开采过程中，围岩处于高应力条件下，受到采场上覆岩层断裂扰动，回采巷道很容易发生冲击地压灾害。研究冲击地压发生规律，不仅要通过理论分析、现场观测，更要通过模拟实验来探索其本质规律。

而根据现理论分析认为，为了在室内模拟冲击地压现象，需满足以下四个条件：①通过加载，使煤(岩)试件处于高应力状态下；②煤(岩)试件受到的三轴高应力大小可控，互不影响，以模拟真实冲击地压发生时多变的应力场；③对煤(岩)试件施加冲击荷载，以模拟采场覆岩突然断裂导致的应力波对巷道的冲击；④在煤(岩)试件受到冲击破坏的过程中围压能够继续保持，以模拟外部围岩对煤(岩)体的进一步挤压做功。但是，目前还没有设备能够同时满足上述四个条件，考虑在不同轴压状态下能够补充加载的冲击地压实验室模拟，一直以来都是岩体工程领域探索的前沿课题之一。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可以使煤(岩)等试件在可控轴压状态下承受冲击荷载，并能够及时得到补充加载的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，包括压力盒，所述压力盒内具有压力腔，还包括刚性加载单元和冲击加载单元，所述压力腔的内周围设柔性围压加载外套，所述柔性围压加载外套具有X向、Y向和Z向的弹性可变形量，所述刚性加载单元包括在压力盒的X向、Y向和Z向上设置的加载油缸，所述加载油缸的伸缩轴穿过压力盒的外壁，所述伸缩轴的内端固连有加载垫板，所述加载垫板的内侧面贴靠在上述柔性围压加载外套的外面上，所述冲击加载单元包括位于Z向的提升装置，所述提升装置下方吊接冲击重块。

本三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置，通过X向、Y向和Z向的加载油缸对煤、岩等试件进行前后、左右及上下的加压操作。压力通过试件外的柔性围压加载外套均匀的加载在试件上，该柔性围压加载外套具体为刚柔混合型外套，其区别于直接的刚性压力加载。因可在X、Y和Z三方向发生弹性变形，故在受到X、Y和Z三方向加压时，柔性围压加载外套随试件一同发生压缩或膨胀变化。由此避免了刚性压力与试件的直接接触，有效防止试件在一个方向压缩变形时，还受到另外两个方向上加载的压力干扰影响。通过冲击加载单元对试件施加竖直方向的重力冲击荷载，以模拟采空区覆岩断裂导致的应力波对巷道的冲击。由于柔性围压加载外套能随同进行弹性变形，进而不会像刚性接触一样对冲击荷载造成支撑效应的影响，实现了让试件在特定的三轴荷载条件下进一步承受冲击荷载的目的。由于柔性围压加载外套存在垂直于试件表面方向上的弹性变形量，故试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，在试件发生破坏并产生一定位移的同时，垂直于试件表面的弹性变形量对试件迅速进行补充加载，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。本装置既较好的解决了试件在三个方向上变形的互相影响，又避免了常规刚性加压对冲击荷载造成支撑效应的影响，故较逼真的模拟了采场巷道中发生的冲击地压。

在上述的三向刚性加载冲击地压真三轴模拟试验装置中，所述柔性围压加载外套包括若干层弹性压片，每层弹性压片上呈矩阵排列若干刚性块，刚性块之间通过强力弹簧连接，每相邻两层弹性压片的刚性块之间也通过强力弹簧连接。

通过柔性围压加载外套上的刚性块将加压荷载传递至试件上，从而减少了试件表面与加压板的接触面积。整体柔性围压加载外套上所有的强力弹簧分为三个方向设置，分别为X向、Y向和Z向。当柔性围压加载外套与试件受到X向加压荷载时，所有X向设置的强力弹簧均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套与试件受到Y向加压荷载时，所有Y向设置的强力弹簧均产生弹性压缩；当柔性围压加载外套与试件受到Z向加压荷载时，所有Z向设置的强力弹簧均产生弹性压缩。由此在同时受到X、Y和Z三方向加压时，均有强力弹簧的压缩变形量，从而有效防止试件在一个方向压缩变形时，还受到另外两个方向上加载的压力干扰影响。