[发明专利]一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验装置，包括加载系统、试样固定系统和监测系统；

其特征在于，加载系统包括静载系统/动载系统和垫块，垫块起到连接静载系统/动载系统与试样的作用；

试样固定系统由U型框架、侧向支撑部和弹簧组成，U型框架内部左侧用于放置试样，右侧为侧向支撑部，包括通过弹簧连接的上下两组，分别对上岩块、下岩块施加侧向支撑力，侧向支撑部由自左而右的左挡板、螺栓和右挡板组成，螺栓与左挡板、右挡板采用螺接方式连接，左挡板与试样中岩块接触；垫块的长度与U型框架内框长度相匹配，在U型框架壁右上侧设有开口，上部的右挡板右侧设置有限位柱，限位柱深入开口中；

监测系统包括应变测量系统、声发射监测系统和高速相机采集系统，应变监测系统采用应变片，声发射监测系统为声发射传感器，高速相机采集系统用于记录煤岩体破坏的过程，此外还设置有监测数据收集装置，与应变测量系统、声发射监测系统和高速相机采集系统连接；

试样从上至下为上岩块、煤块、下岩块的含倾角组合，上岩块和下岩块有侧向约束，但没有侧向摩擦力，从而模拟矿井开采情况下的上顶板与下底板，中间煤块一侧没有侧向约束，用于研究煤岩体的动静载致冲破坏；试样岩体和煤块之间有粘结剂连结使试样为整体。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，静载应力加载试验采用TAW-2000单轴试验机加载，试验时采用位移加载模式；动载应力加载试验采用动静载疲劳试验机，可进行应力加载模式和位移加载模式切换，可设置不同动载频率及幅值。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，弹簧的弹性系数与煤块弹性系数相同，防止上部螺栓由于重力下滑，且平衡垫块左右的加载力；U型框架内侧壁需尽可能光滑，从而起到对岩块侧向位移进行约束而不约束竖向位移的作用，达到让荷载传递到煤块而不被试样与装置间侧向摩擦力影响的目的。

4.一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验方法，采用权利要求1-3任意一项所述的试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设计和加工组合试样；

组合试样从上至下为上岩块、煤块、下岩块，选择具有冲击倾向性的煤岩体制作试样，设计煤块与岩块尺寸，并按照不同接触面倾角与接触面性质，静载和动载试验需求分别设置试样，设计不同尺寸的煤岩组合体以研究尺寸效应；在煤块和岩块之间选取不同材料为粘结剂，提供不同接触面性质，即不同接触面的剪切强度；

S2、进行静载应力作用下不同倾角煤岩组合试样失稳特征试验；

选取煤岩体组合试样进行静载试验，研究静载应力作用下试样失稳特征，应力加载采用位移控制模式；

S3、进行动载应力作用下不同倾角煤岩组合试样失稳特征试验；

选取组合试样进行动载试验，研究动载应力作用下试样失稳特征，整个加载过程分为初始静载应力加载和循环动载应力加载两个阶段，在初始静载应力加载过程中，应力加载采用位移控制模式，然后进入动力加载过程，应力加载改为采用应力控制模式，然后继续进行动载循环加载至组合试样失稳；

S4、进行不同接触面剪切强度、不同加载速度、不同尺寸的作用下组合试样失稳特征试验；采用岩块与煤块间不同粘结剂的试样，设置不同加载速度、不同加载频率、不同试样尺寸进行试验，研究动载/静载作用下不同接触面剪切强度、不同加载速度、加载频率和试样尺寸的试样失稳特征，试验过程采用控制变量法。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，试样整体尺寸为边长100mm的立方体,按照不同接触面倾角与接触面性质，静载试验和动载试验各设置10组试样，分别为S1-S10和D1-D10，采用白乳胶作粘结剂，提供不同接触面剪切强度，涂抹厚度为1mm；还设置2组宽为200mm试样SS1-SS2/SD1-SD2进行静载/动载实验,接触面性质参考试样S1-S2/D1-D2；试样切割完毕后进行双面打磨，控制不平整度及垂直度；S1/D1至S10/D10的接触面倾角φ/°分别为10、15、20、30、15、15、15、15、15、15；剪切强度/MPa分别为5、5、5、5、2、8、10、15、5、5。