一种模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤岩冲击地压测试领域，尤其涉及一种霍普金森压杆中模拟临空侧巷道煤岩冲击地压现象的装置和方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，煤炭资源开采规模和深度日益增加。当采矿活动向更大的规模和深度发展时，冲击地压、顶板垮塌、煤与瓦斯突出等各种动力灾害频繁发生，严重威胁煤矿安全和高效生产。其中，冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象，常伴随煤岩体的瞬间位移与抛出、巨响及气浪，严重时会造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而导致局部地震。

国内外现有通过室内实验模拟冲击地压研究，主要集中在静态或准静态加载条件下，加载应变率范围为10

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可用于研究动态荷载(应变率介于10

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置，基于霍普金森压杆系统，包括入射杆、透射杆、基台、基板、底板、上板、背板、垫块和加载块，所述基台的底部设置有用于与霍普金森压杆系统配合连接的凹槽，所述基台的四个顶角处设置有基台连接孔，每个基台连接孔处放置有空心圆柱体，四个所述空心圆柱体的顶部放置有所述基板，基板的顶角处设有与所述基台连接孔相对应的基板连接孔，所述基台和基板通过螺丝依次穿过所述基板连接孔、空心圆柱体、基台连接孔实现相互连接；所述基板的上表面通过螺丝固定有所述底板，所述底板的一侧固定有所述背板，所述背板为凸形结构，上板的一侧设有凹槽，所述背板两侧的肩部平台与上板的凹槽侧固定，上板的另一侧通过螺丝与底板相连；所述底板、背板和上板之间形成有空腔，所述空腔内用于放置煤岩组合体试件，所述煤岩组合体试件的两侧分别设置有加载块，两个加载块的外侧分别与入射杆和透射杆接触，煤岩组合体试件与上板之间设置有垫块；所述背板的一侧和上板之间安装有上板加强筋，背板的另一侧与底板之间安装有底板加强筋。

本发明还提供一种模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置的制作方法，包括：

(101)将底板加强筋放置于底板上表面，确保背板、底板加强筋底部的非贯通螺丝孔与底板的沉头螺丝孔同轴心；使用外六角螺丝旋入上述沉头螺丝孔和非贯通螺丝孔中，实现底板与背板、底板加强筋的固定；

(102)将底板放置于基板上，确保底板沉头螺丝孔与基板上的贯通螺丝孔同轴心，使用外六角螺丝将底板与基板紧固；

(103)将上板加强筋放置于上板上，并确保上板的沉头螺丝孔与上板加强筋底部的非贯通螺丝孔同轴心，使用外六角螺丝将上板与上板加强筋紧固；

(104)将上板一侧放置于背板左右两侧的肩部平台上，并通过外六角螺丝穿过上板和背板与底板连接，上板另一侧通过螺丝与底板连接；

(105)通过螺丝将背板与上板加强筋进一步紧固，通过螺丝将背板与底板加强筋进一步紧固；

(106)在每个基台连接孔处放置有空心圆柱体，空心圆柱体上方放置基板，通过螺丝依次穿过基板连接孔、空心圆柱体、基台连接孔将基板和基台紧固；螺丝的螺母厚度低于底板高度，确保高速相机能够记录煤岩组合体试件发生冲击破坏的过程。

(107)制作2个加载块，加载块宽度和高度与煤岩组合体试件的宽度和高度一致；制作一个四棱台结构的垫块，定义垫块与述煤岩组合体试件接触的平面为底面，垫块底面与两侧面均设有倒角；

本发明还提供一种模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置的使用方法，包括：

(201)将组装好的煤岩组合体试件与左右加载块夹持在入射杆与和透射杆之间，同时，将高速摄影仪摄镜头对准煤岩组合体试件临空一侧，调整高速摄影仪分辨率和帧数，并设置成中心触发模式；

(202)开启气缸内压缩气体驱动霍普金森压杆系统的冲击圆柱杆撞击入射杆撞击端面，对煤岩组合体试件施加冲击荷载，冲击完成后，根据粘贴在霍普金森压杆系统中入射杆和透射杆的应变片记录到的数据，计算煤岩组合体试件的动态强度σ(t)与应变ε(t)：

式中：E

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明提供的装置和方法在纯动载和动静组合加载实验中均可以使用。配合使用的测试试件为常规立方体试件，加工简单，测试方法简便，减少了加工时间和成本，解决了传统测试方法无法在动态荷载(应变率介于10

2.通过调节加载块、垫块、上板与底板连接螺丝，可以精准控制各方向压板与煤岩试件的完全均匀接触，提高了测试结果的精度；另外，试验结束后不需要每次都拆卸夹具，提高了试验效率。

3.使用本发明提供的装置和方法，可以利用高速摄影仪观测顶底板岩石和煤体变形破坏和裂纹扩展，利用数字图像处理技术获取煤岩组合体试件应变场演化，这将对深入研究动态荷载作用下临空侧巷道煤岩冲击地压表现特征、发生机制具有重要意义。

附图说明

图1a为本发明装置的立体结构示意图；

图1b为图1a的前视图；

图1c为图1a的后视图；

图2为基台的立体结构示意图；

图3为基板的立体结构示意图；

图4为空心圆柱的立体结构示意图；

图5a为底板的立体结构示意图；

图5b为底板的俯视图；

图6a为背板的立体结构示意图；

图6b为背板的前视图；

图7a为上板的立体结构示意图；

图7b为上板的俯视图；

图8a为上板加强筋的立体结构示意图；

图8b为上板加强筋的前视图；

图9a为底板加强筋的立体结构示意图；

图9b为底板加强筋的前视图；

图10为垫块的立体结构示意图；

图11a为右加载块的立体结构示意图；

图11b为左加载块的立体结构示意图；

图12为煤岩组合体试件的立体结构示意图；

图13a-d为利用该发明装置和方法模拟动态荷载下临空侧煤岩组合体试件冲击破坏图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1a至图1c所示，本实施例提供一种模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置，基于霍普金森压杆系统，包括基台1、基板4、底板5、上板11、背板8、入射杆3和透射杆10，基台1的底部设置有用于与霍普金森压杆系统配合连接的凹槽，基台1的四个顶角处设置有基台连接孔，每个基台连接孔处放置有空心圆柱体2，四个空心圆柱体2的顶部放置有基板4，基板4的顶角处设有与基台连接孔相对应的基板连接孔，基台1和基板4通过外六角螺丝6依次穿过基板连接孔、空心圆柱体2、基台连接孔实现相互连接；基板4的上表面固定有底板5，底板5的一侧固定有背板8，背板8为凸形结构，上板11的一侧设有凹槽，背板8两侧的肩部平台与上板11的凹槽侧固定，上板11的另一侧通过螺丝与底板5相连；底板4和上板11之间形成有间隙，间隙内用于放置煤岩组合体试件14，煤岩组合体试件14的两侧分别设置有左加载块12和右加载块7，左加载块12的外侧设有透射杆10，右加载块7的外侧设有入射杆3，煤岩组合体试件14与上板11之间设置有垫块16；背板8的一侧和上板11之间安装有上板加强筋9，背板8的另一侧与底板4之间安装有底板加强筋18。

实施例2

本实施例提供模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置的制作方法，具体如下：

步骤i、见图2，制作基台1一个，基台1与霍普金森压杆的材料相同，基台1主体为长方体，底部设有适配于霍普金森压杆系统平台的凹槽，基台靠近四个边角处有尺寸相同的4个非贯通螺丝孔20；

步骤ii、见图3，制作基板4一个，基板4长度、宽度与基台1长度、宽度一致，基板4靠近四个边角处设有与螺丝孔20相同规格的4个贯通螺丝孔21，基板4设有6个相同规格的贯通螺丝孔22；

步骤iii、见图5a和图5b，制作底板5一个，底板5设有与螺丝孔22规格相同的6个沉头螺丝孔25，沉头方向背离基板4，底板设有4个规格相同的贯穿螺纹孔23，底板还设有5个规格相同的沉头螺丝孔24，沉头方向朝向基板4；

步骤iv、见图6a和图6b，制作背板8一个，背板8主体为“凸”字形棱柱，背板设有2个贯通螺丝孔28，适配于贯通螺丝孔23，背板底部还设有3个非贯通螺丝孔31，适配于沉头螺丝孔24，背板设有2个规格相同的沉头螺丝孔29和2个规格相同的非贯通螺丝孔30，沉头螺丝孔29沉头方向背离试件；

步骤v、见图7a和图7b，制作上板11一个，上板11主体为一侧设有U形槽的长方体，U形槽适配于背板8，上板11设有4个规格相同的沉头螺丝孔32，沉头方向背离试件，沉头螺丝孔32适配于贯穿螺丝孔23和背板底部2个贯通螺丝孔28，用于连接底板5、背板8和上板11。上板11设有2个规格相同的沉头螺丝孔33，沉头方向朝向试件；

步骤vi、见图9a和图9b，制作2个相同规格的底板加强筋18，底板加强筋18主体为三棱柱，底板加强筋18底部设有1个非贯通螺丝孔38，适配于沉头螺丝孔24，底板加强筋设有1个沉头螺丝孔37，沉头方向背离背板；底板加强筋用于加强底板和背板的连接强度；

步骤vii、见图8a和图8b，制作2个相同规格的上板加强筋9，上板加强筋9主体为三棱柱，上板加强筋9底部设有1个非贯通螺丝孔36，适配于上板沉头方向朝向试件的沉头螺丝孔33，上板加强筋设有1个贯通螺丝孔35，适配于背板沉头方向背离试件的沉头螺丝孔29；上板加强筋用于加强背板和上板的连接强度；

步骤viii、见图12，制作煤岩组合体试件14，煤岩组合体试件14主体为长方体，且试件受静、动荷载的界面面积小于霍普金森入射杆和透射杆的界面面积，入射杆和透射杆的直径相同且材质相同；

步骤ix、见图11a和图11b，制作加载块2个，加载块宽度和高度与煤岩组合体试件的宽度和高度一致；

步骤x、见图10，制作垫块一个，垫块主体为四棱台，垫块与煤岩组合体试件接触的平面定义为底面，四棱台底面与两侧面均设有倒角，这将保证施加动力扰动时加载块能够将动载完全传导至煤岩组合体试件；

步骤xi、制作4根尺寸相同的外六角螺丝6，螺丝规格与4个非贯通螺丝孔20和4个贯通螺丝孔21规格相同；

步骤xii、制作6根尺寸相同的外六角螺丝26，螺杆的直径与6个贯通螺丝孔22、6个沉头螺丝孔25尺寸一致；

步骤xiii、制作5根尺寸相同的外六角螺丝27，螺杆的直径与3个非贯通螺丝孔31、底板加强筋的非贯通螺丝孔38尺寸一致；

步骤xiv、制作4根尺寸相同的外六角螺丝13，螺杆的直径与贯穿螺丝孔23、背板2个贯通螺丝孔28尺寸一致；

步骤xv、制作2根尺寸相同的外六角螺丝34，螺杆的直径与沉头螺丝孔33、上板加强筋底部非贯通螺丝孔36尺寸一致；

步骤xvi、制作2根尺寸相同的外六角螺丝17，螺杆的直径与沉头螺丝孔29、上板加强筋贯通螺丝孔35尺寸一致；

步骤xvii、制作2根尺寸相同的外六角螺丝19，螺杆的直径与非贯通螺丝孔30、底板加强筋沉头螺丝孔尺寸37一致；

步骤xviii、见图4，制作4个规格相同的空心圆柱体2，空心圆柱体高度等于霍普金森压杆系统入射杆中心到霍普金森压杆系统平台的垂直距离减去煤岩组合体试件1/2高度、基台高度、基板高度和底板高度，这将有助于保证基台和基板的稳固性；

步骤xix、将5根外六角螺丝27旋入背板底部3个非贯通螺丝孔31、底板加强筋底部非贯通螺丝孔38，外六角螺丝螺母的厚度略小于底板沉头螺丝孔(沉头方向朝向步基板)的沉头距离，这将保证安装外六角螺丝后的底板能够顺利放置于基板上；

步骤xx、将6根外六角螺丝26旋入底板6个沉头螺丝孔(沉头方向背离基板)中，然后继续旋入基板6个贯通螺丝孔中，用于连接固定基本、底板；

步骤xxi、将2根外六角螺丝34旋入上板2个规格相同的沉头螺丝孔33，然后继续旋入上板加强筋底部非贯通螺丝孔36，用于连接和固定板、上板加强筋，外六角螺丝螺母的厚度略小于上板沉头螺丝孔(沉头方向朝向煤岩组合体试件)的沉头距离，这将保证安装外六角螺丝后的上板能够与垫块完全接触；

步骤xxii、将4根外六角螺丝13中的2根旋入背板2个贯通螺丝孔28，然后继续旋入底板2个贯穿螺丝孔23，另外2根外六角螺丝旋入底板另外2个贯穿螺丝孔23，用于连接和固定底板、背板、上板；

步骤xxiii、将2根外六角螺丝17旋入背板2个沉头螺丝孔29，然后继续旋入上板加强筋贯通螺丝孔35；

步骤xxiv、将2根外六角螺丝19旋入底板加强筋沉头螺丝孔37，然后继续旋入背板非贯通螺丝孔30；

步骤xxv、将尺寸相同的4根外六角螺丝6旋入基板4个贯通螺丝孔21中，将规格相同的4个空心圆柱体2套入相同规格的4根螺丝，然后将上述4根相同规格的螺丝继续旋入基台的4个非贯通螺丝孔20，将基台、基板和空心圆柱体固定，外六角螺丝螺母的厚度略小于底板高度，这将保证高速相机可以记录煤岩组合体试件发生冲击破坏的过程；

步骤xxvi、将煤岩组合体试件居中放置于底板、背板、上板组装形成的空间，然后将垫块放置于煤岩组合体上部，进一步调整上述垫块与尺寸相同的4根外六角螺丝的位置使其与煤岩组合体上侧面完全接触，将厚度为0.05的薄片放置于上板与垫块之间，在本实验中其刚好放置进去代表垫块与煤岩组合体上侧面完全接触，这将精准控制煤岩组合体单面临空状态，将2个加载块分别放置于煤岩组合体的左右两侧，至此，本实施例装置组装完成。

实施例3

本实施例提供模拟临空侧巷道煤岩冲击地压的装置的使用方法，具体包括：

步骤101、如图1a至图1c所示，将本发明装置进行组装，将如图6b所示背板8、如图9b所示底板加强筋18放置于如图5b所示底板5上表面，并保证背板8底部3个非贯通螺丝孔31与底板5沉头螺丝孔24(其中圆心位于同一水平线上的三个螺丝孔)同轴心，保证底板加强筋18底部2个非贯通螺丝孔38与底板5沉头螺丝孔24(其中圆心位于同一水平线上的两个螺丝孔)同轴心；然后将五根外六角螺丝27旋入上述沉头螺丝孔24中，并继续旋入非贯通螺丝孔31和非贯通螺丝孔38中，旋至外六角螺丝头部低于所述底板5螺丝孔24沉头距离，保证上述组装零件可以放置于如图3所示基板4上表面；

步骤102、将底板5放置于如图3所示基板4上，保证底板5沉头螺丝孔25与如图3所示基板4贯通螺丝孔22同轴心，将六根外六角螺丝26旋入沉头螺丝孔25中，并继续旋入贯通螺丝孔22中，旋至外六角螺丝头部低于所述底板5螺丝孔25沉头距离；

步骤103、将如图8a所示上板加强筋9放置于如图7a所示上板11上，并保证如图7b所示上板11沉头螺丝孔33与如图8b所示上板加强筋9底部非贯通螺丝孔36同轴心，将两根外六角螺丝34旋入沉头螺丝孔33，并继续旋入非贯通螺丝孔36中，旋至外六角螺丝头部低于所述上板11螺丝孔33沉头距离，保证上述组装零件可以放置于如图10所示垫块16上；

步骤104、将步骤iii组装好的上板11和上板加强筋9放置于背板8左右两侧凸台上，保证如图7a所示上板11沉头螺丝孔32(位于凹槽一侧的两个螺丝孔)与如图6b所示背板8贯通螺丝孔29、底板5贯通螺丝孔23(位于中间部位的两个螺丝孔)同轴心，将两根外六角螺丝13旋入沉头螺丝孔32，并继续旋入贯通螺丝孔28、贯通螺丝孔23中，将另外两根外六角螺丝11旋入沉头螺丝孔32，并继续旋入贯通螺丝孔23中；

步骤105、将如图1c所示两根外六角螺丝17旋入如图6b所示背板8沉头螺丝孔29中，并继续旋入如图8b所示上板加强筋8贯通螺丝孔35中，进一步固定上板加强筋9、背板8与上板11；

步骤106、将如图1c所示两根外六角螺丝19旋入如图9b所示底板加强筋18沉头螺丝孔37中，并继续旋入如图6b所示背板8螺丝孔30中，进一步固定底板加强筋18、背板8与底板5；

步骤107、将四根外六角螺丝6旋入上述组装好的零件中如图3所示基板4贯通螺丝孔21中，然后将如图4所示空心圆柱2从外六角螺丝6底部套入，然后将四根外六角螺丝6继续旋入如图2所示基台1非贯通螺丝孔20中，保证组装好的四根外六角螺丝6螺母的厚度略低于底板5高度，保证高速相机可以记录煤岩组合体试件发生冲击破坏的过程；

步骤108、将煤岩组合体试件放置于底板5正中间，将如图11a所示右加载块7和如图11b所示左加载块12分别放置于如图12所示煤岩组合体试件14的左右两侧，然后将如图10所示垫块16放置于煤岩组合体试件14上，并调整垫块16的位置、微调四根外六角螺丝6，保证煤岩组合体试件除临空一侧的其余侧面均与装置完全接触；

步骤109、完成上述步骤后，将组装好的煤岩组合体试件14与左右加载块12、7夹持在如图1a所示入射杆3与和透射杆10之间，同时，将高速摄影仪摄镜头对准煤岩组合体试件临空一侧，调整高速摄影仪至合适的分辨率和帧数，并将其设置成中心触发模式；

步骤110、此时开启气缸内压缩气体驱动霍普金森压杆系统的冲击圆柱杆撞击入射杆3撞击端面，对煤岩组合体试件14施加冲击荷载，试验完成后，根据粘贴在霍普金森压杆系统中入射杆3和透射杆10的应变片记录到的数据，可以计算煤岩组合体试件的动态强度与应变：

式中：E

为验证该发明装置与测试方法的可行性和合理性，本实施例利用该发明装置和测试方法展开动态荷载下临空侧巷道煤岩组合体冲击破坏试验。如图13a-d所示为利用高速摄影系统记录到的煤岩组合体冲击破坏过程，可明显看到煤岩组合体试件中岩石部分裂纹起裂、扩展，煤体部分发生弹射、喷出现象。

最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。