[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

说明书

本发明提出了一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验装置及方法,该装置可以构建含倾角的煤岩体组合结构，并限制上下岩块的侧向变形；其中试样固定系统由U型框架、侧向支撑部和弹簧组成，侧向支撑部包括通过弹簧连接的上下两组，U型框架右上侧设有开口，上部的右挡板设置有限位柱深入开口中，实现加载时侧向支撑部的滑移；垫块的长度与U型框架内框长度相匹配，同时弹簧的弹性系数与煤块弹性系数相同，矿压防止上部螺栓由于重力下滑，且平衡垫块左右的加载力；构造简单，操作便捷，安全性好。试验方法研究了煤岩接触面特性、加载方式、尺寸效应对含倾角组合煤岩体的强度与破坏机制的影响，基于研究结果指导了褶曲地层条件下的冲击矿压防治。

技术领域

本发明属于煤矿冲击地压防治领域，具体涉及一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验装置及方法。

背景技术

煤炭是我国主体能源之一，然而随着煤炭开采年限的增加，矿井将进入深部开发阶段。随着采深的增加，以冲击地压为代表的地下动力灾害发生的频率和强度逐渐增加。煤矿冲击地压是煤岩体在开采过程中发生失稳破坏，使积聚的弹性能瞬间释放的动力灾害现象，这种动力现象往往伴随着煤体向临空侧的挤压位移。经过研究认为，顶底板对煤层的夹持作用能够形成能量积聚，煤岩体在水平应力作用下发生局部纵向变形不协调，进而造成煤岩体冲击破坏。但是现有的对于煤岩体的物理力学性质和冲击地压破坏研究的物理模型试验装置往往忽略煤岩体在自然状态下开采过程中的赋存情况，无法对不同倾角和不同尺寸的试样进行试验；且实际工程中煤岩体所受扰动力十分复杂，以往多数试验装置的加载方式为静载，忽略了动载对于煤岩体破坏的影响，无法研究动静荷载作用下煤岩体的冲击地压发生过程。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验装置及方法，该试验装置及方法可以模拟冲击地压煤层及顶底板的一般受力情况，有针对性的研究煤层倾角和动载作用力对冲击地压灾害的作用机制。

具体的，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；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；

优选的，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。

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；

优选的，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。

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。

一种模拟含倾角煤岩组合的动静载致冲试验方法，采用上述试验装置，研究煤岩接触面特性、加载方式、尺寸效应对含倾角组合煤岩体的强度与破坏机制的影响，包括如下步骤：

S1、设计和加工组合试样；