地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验系统及方法

技术领域

本发明涉及深部煤矿等地下工程支护技术领域，尤其涉及地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验系统及方法。

背景技术

由锚杆或锚索与防护网、岩体等构件组成的锚固支护体系是深部煤矿等地下工程普遍采用的支护形式，由于在地下工程建设中经常面临高应力、极软岩、强采动等复杂条件，极易出现软岩缓慢大变形、岩爆与冲击地压瞬时大变形等破坏现象。同时，在施工过程中常对锚杆与锚索分别以扭转和张拉的方式施加预应力，破碎岩体节理、岩层界面等对锚杆或锚索、网、梁等支护体系构件产生剪切作用，使构件处于静力与动力共存的应力环境中，并受到拉剪扭等复合形式的力。因此，为深入研究深部煤矿等地下工程支护体系力学性能，实现模拟现场真实应力环境至关重要。

传统地下工程支护体系动力冲击试验系统与方法中主要存在以下不足：

①传统支护体系测试的试验装置，可以进行锚杆、锚索的静力拉伸、动力冲击拉伸，其他支护材料的动力冲击，但由于各试验装置之间的差异性，导致不能进行地下工程支护体系的综合测试试验，例如锚杆、锚索的高能级剪切试验、锚固岩体的多向冲击试验等。

②传统支护体系测试方法的加载方式多为单一的静力或动力加载，由于不具备静力和动力共存的条件，无法真实模拟现场环境，因此不能实现支护构件在恒定静力条件下的高能级能量动力冲击。

③传统支护体系测试方法的动力加载装置多为单个方向上的低能级动力加载，如落锤、摆锤等，没有考虑锚固岩体在工程中处于多向应力的复杂环境，因此不能实现在多个方向上高能级多模式的动力冲击测试。

④传统支护体系的动力学性能评价多从强度方面考虑，分析锚杆、锚索的极限承载力，另外现有技术中提及到了对单一支护构件如锚杆、锚索进行吸能评价方案，分析了单位长度吸收能量，但并不能对锚固岩体等地下工程支护体系吸收冲击能量性能进行研究。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验系统及方法，能够进行多种模式动力冲击试验，以更有效测试地下工程支护体系的力学性能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验系统，包括：

子弹发射装置，包括依次设置的初始发射部件和二次调速部件；

轴向拉伸冲击试验装置，包括冲击杆件，所述冲击杆件一端与二次调速部件相对，且冲击杆件穿过若干第一导向支架，冲击杆件另一端与综合试验台上的第二导向支架设有冲击挡板；所述冲击杆件下侧设有用于连接支护构件一端的端部固定部件，所述冲击挡板与综合试验台上的第二导向支架之间连接有气液复合式油缸；

综合试验台，包括可旋转的试验台主体，试验台主体内设有旋转平台，且旋转平台的旋转轴线与试验台主体的旋转轴线垂直；所述试验台主体顶部滑动连接有电磁落锤，旋转平台一侧设置多向加载装置。

作为进一步的实现方式，所述初始发射部件包括子弹滑道和摆锤，摆锤转动连接于子弹滑道两侧的支撑架上。

作为进一步的实现方式，所述支撑架滑动安装有固定锁具，所述固定锁具用于调节摆锤下落高度。

作为进一步的实现方式，所述二次调速部件包括调速支座和连接于调速支座顶部的调速筒，所述调速筒采用电磁导轨实现恒定加速度，或利用高速风洞实现恒定加速度。

作为进一步的实现方式，所述冲击杆件下侧开设有导向槽，端部固定部件伸入所述导向槽并与锚杆或锚索固定，以完成在预应力条件下的高能级轴向冲击试验。

作为进一步的实现方式，所述第一导向支架和第二导向支架均开设有通孔，通孔内布置有若干万向球。

作为进一步的实现方式，所述旋转平台开设有凹槽，旋转平台上侧设有多个用于锚杆或锚索穿过的剪切块，锚杆或锚索的一端从试验台主体侧壁穿过，并连接张拉装置。

作为进一步的实现方式，所述落锤通过滑块与试验台主体顶部的水平滑轨配合，所述电磁落锤用于在释放时进行低能级防护网的冲击试验，其中，防护网设置于旋转平台的凹槽内。

作为进一步的实现方式，所述多向加载装置包括多向加载平台以及位于多向加载平台周侧的多个油缸，用于配合电磁落锤或子弹发射装置完成不同模式的锚固试件冲击试验。

第二方面，本发明的实施例还提供了地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验方法，包括：

采用所述的试验系统对支护构件进行动力学性能试验，获取支护构件在复合应力作用下的多模式动态冲击力学性能参数；

获取支护构件的冲击力时变曲线和位移时变曲线；对冲击力时变曲线和位移时变曲线进行拟合处理，得到力-位移曲线；对力-位移曲线进行滤波处理，以获取光滑的力-位移曲线；

通过力-位移曲线获取支护构件在高能级动力冲击作用下的延伸率和吸收能量。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明通过初始发射部件的摆锤装置将摆锤的重力势能转换为子弹的冲击动能，推动子弹在滑道上快速运动，再经过二次调速部件，使子弹实现二次调速，冲击传力装置，实现高能级冲击试验。

（2）本发明通过可施加轴向预紧力的轴向拉伸冲击试验装置，对多种支护构件进行动力学性能试验，获取单位长度或单位面积支护构件在高能级动态冲击作用下的力学性能参数。

（3）本发明通过综合试验台结合轴向拉伸冲击试验装置，对多种支护构件进行在复合应力条件下的动力学性能测试，获取支护构件在高能级多模式动态冲击作用下的力学性能参数；结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价，保证地下工程围岩的安全稳定。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的立体图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的俯视图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的轴向拉伸冲击试验装置和综合试验台立体图一；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的轴向拉伸冲击试验装置和综合试验台立体图二；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的综合试验台结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的子弹发射装置和轴向拉伸冲击试验装置立体图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的子弹结构示意图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的万向球布置示意图。

其中，1、子弹发射装置，11、初始发射部件，111、固定锁具，112、摆锤，113、子弹滑道，114、支撑架，115、滑槽，12、二次调速部件，121、调速筒，122、调速支座，13、子弹；2、轴向拉伸冲击试验装置，21、冲击杆件，211、导向槽，22、第一导向支架，221、通孔，222、万向球，23、冲击挡板，24、气液复合式油缸，25、端部固定部件；3、综合试验台，31、旋转承台，32、旋转平台，321、凹槽，33、旋转杆，34、第二导向支架，35、滑轨组件，351、滑轨，352、滑块，36、电磁落锤，37、多向加载装置，371、油缸，372、多向加载平台，38、剪切块，39、张拉装置；4、基座；5、油槽，6、支护构件。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验系统，如图1和图2所示，本实施例的试验系统包括依次设置的子弹发射装置1、轴向拉伸冲击试验装置2和综合试验台3，子弹发射装置1包括初始发射部件11、二次调速部件12和子弹13，初始发射部件11和二次调速部件12沿发射方向依次设置；为了保证子弹13发射过程中结构的稳定性，初始发射部件11、二次调速部件12安装于同一基座4上。

如图6所示，初始发射部件11包括子弹滑道113和摆锤112，子弹13设置在子弹滑道113内，通过摆锤112作用提供子弹13的初始动力。如图7所示，子弹13周围开有油槽5，用于减小与子弹滑道113和调速筒121的接触面积，同时在子弹滑道113和调速筒121内壁涂有润滑油，减少能量的损耗。

子弹滑道113具有一定长度，其上表面开设有滑道槽，该滑道槽用于子弹13沿其移动，因此滑道槽横截面与子弹13截面形状相适应。在本实施例中，滑道槽的移动轨迹为圆弧形。

为了安装摆锤112，在子弹滑道113的入口端两侧设置支撑架114；在本实施例中，两支撑架114相对设置，二者之间留有一定的间隙，该间隙内安装有与摆锤112相连接的转动部件，通过转动部件实现摆锤112的摆动。转动部件可以通过连接轴、套设于连接轴的轴套实现。

可以理解的，在其他实施例中，支撑架114也可以设置为一个整体，摆锤112与支撑架114转动连接。

摆锤112包括锤头和与锤头连接的直杆段，支撑架114还安装有固定锁具111，固定锁具111支撑于摆锤112的直杆段，使摆锤112与竖向形成一定的角度。如图1所示，固定锁具111安装于滑槽115，通过滑槽115调节固定锁具111的安装高度，从而通过固定锁具111调整摆锤112的下落高度。通过抽掉固定锁具111的插杆，即可实现摆锤112的下落，使摆锤112由速度为零开始做加速圆周运动，撞击到子弹13后停止摆动，进而将摆锤112的重力势能转化为子弹13的动能。

需要说明的是，固定锁具111为现有技术，此处对固定锁具111的具体结构不再赘述。

子弹13通过初始发射部件11提供初速度，进入二次调速部件12进而实现精准调速以达到预期的冲击速度。二次调速部件12设置于子弹滑道113的出口端，在子弹13穿过二次调速部件12时，二次调速部件12提供向前或向后的动力，使得子弹13获得二次加速度，以达到预期冲击速度，并实现更高更可控的冲击能量。

二次调速部件12包括调速支座122和调速筒121，调速筒121连接于调速支座122顶部；具体地，可以通过以下方式实现：

（1）通过电磁导轨实现恒定加速度，电磁导轨设置于调速筒121内，可通过调节电流大小来控制加速度大小，以实现精准控制子弹13撞击速度。

（2）利用高速风洞实现恒定加速度，调速支座122底部设置多个进气口，进气口处利用电动马达带动扇叶高速旋转，形成空气低压区，快速将大量空气吸入调速支座122，调速支座122内部设置空气加速装置（如空气倍增机），将空气加速至预设速度，随后高速空气涌入调速支座122上部圆环之内，圆环内壁开设环状小缝隙，高速空气从缝隙内吹出，得到恒定高速风力，以实现子弹13二次调速。

轴向拉伸冲击试验装置2包括冲击杆件21、冲击挡板23、气液复合式油缸24、端部固定部件25、多个第一导向支架22，冲击杆件21内部为贯穿的空腔，第一导向支架22沿水平方向间隔分布，冲击杆件21呈水平贯穿各第一导向支架22，第一导向支架22的数目可以根据实际需求设置。例如：设置两个第一导向支架22。

第一导向支架22开设有用于冲击杆件21穿过的通孔221，如图8所示，通孔221内壁设有万向球222，万向球222分布于整个圆周，通过设置万向球222减小冲击杆件21穿过第一导向支架22的能量损耗。

第一导向支架22同样设置于基座4上，为了保证冲击杆件21在滑动过程中不会撞到第一导向支架22，即对冲击杆件21起到移动导向作用，同时为了配合固定支护构件6，支护构件6为锚杆或锚索。本实施例在基座4上还设置端部固定部件25，具体地，冲击杆件21底部沿其运动方向开设有一定长度的导向槽211，端部固定部件25顶部该导向槽211配合，同时，导向槽211的宽度略大于端部固定部件25的宽度，以满足上述避免撞击的要求。

端部固定部件25的整体结构可根据实际安装空间大小等具体设置，例如可以设置为倒T型结构。

如图4所示，导向槽211的设置长度小于两个第一导向支架22间距，即导向槽211位于两个第一导向支架22之间。端部固定部件25顶部伸入导向槽211内，并与支护构件6相连。

轴向拉伸冲击试验装置2还包括与综合试验台3共用的部分，如图2和图3所示，轴向拉伸冲击试验装置2还包括第二导向支架34，将需要测试的支护构件6依次穿过冲击杆件21、冲击挡板23和第二导向支架34，支护构件6一端与端部固定部件25固定连接，使其不能向任意方向移动，另一端利用锁具与冲击挡板23固定，冲击挡板23设置于第二导向支架34与冲击杆件21相对的一侧，支护构件6与冲击挡板23的连接端可以随着冲击挡板23移动拉伸支护构件6。

冲击挡板23和第二导向支架34之间设置多个气液复合式油缸24，例如设置两个，第二导向支架34固定在综合试验台3的开口处，在试验开始时，控制气液复合式油缸24向冲击挡板23提供静荷载，冲击挡板23受到荷载后轴向移动，进而将支护构件6轴向拉伸，以对支护构件6施加一定的预应力。

本实施例设置两个第二导向支架34，且两个第二导向支架34位于同一直线上；旋转承台31的作用下综合试验台3的试验台主体可以旋转，如图3所示位置，冲击杆件21冲击旋转平台32上的构件，旋转180°后冲击杆件21穿过另一个导向支架34冲击多向加载装置37上的锚固试件。

在本实施例中，初始发射部件11和二次调速部件12提供动力将子弹13调节到预定速度，穿过调速筒121最终撞击到冲击杆件21上，冲击杆件21受到冲击动荷载后在第一导向支架22内滑动，穿过第二导向支架34的通孔221后撞击在冲击挡板23上，实现对支护构件6在预应力情况下的高能级轴向拉伸动力冲击性能测试试验。

同样的，第二导向支架34的通孔221中设置有万向球222，以尽可能减小冲击杆件21与第二导向支架34的摩擦力，减少能量的损耗。

如图5所示，综合试验台3除第二导向支架34外，还包括试验台主体、旋转承台31、旋转平台32、电磁落锤36、多向加载装置37、张拉装置39等，以便进行对多种支护构件6组合体系的性能测试。

需要说明的是，冲击杆件21可更换为加长杆，以保证冲击杆件21可冲进综合试验台3内，加长杆可依据试验需求更换不同形状的冲击头。

具体地，试验台主体内部设置安装腔，试验台主体两端具有供第二导向支架34安装的开口，为了适应各部件的安装，本实施例中，试验台主体设置为U型结构。

试验台主体顶部设置滑轨组件35，滑轨组件35包括两条滑轨351，两滑轨351之间滑动连接有滑块352，电磁落锤36连接于滑块352下侧，电磁落锤36在滑轨351与滑块352的导向作用下水平移动，可以在锚杆或锚索冲击剪切试验、防护网冲击试验以及多种锚固试件冲击试验间任意切换。

试验台主体底部安装旋转承台31，二者之间转动连接，以实现试验台主体可以360°旋转，便于在多种支护构件6的冲击试验间切换。在图1、图2所示位置时，可以进行锚杆或锚索的冲击剪切试验和防护网的冲击试验，在试验台主体旋转180°时的位置，可以配置成进行锚固试件的多模式动力冲击试验。

进一步地，试验台主体内设有旋转平台32，旋转平台32通过旋转杆33与试验台主体连接，且旋转杆33的轴线方向与冲击杆件21轴线垂直，旋转平台32可以绕旋转杆33进行90°的翻转。旋转平台32开设有凹槽321，该凹槽321用于固定防护网试验模块，在图1和图2所示位置时，利用上述电磁落锤36进行低能级锚杆或锚索冲击剪切试验和防护网的冲击试验，在翻转90°并且凹槽321开口朝向冲击杆件21时，进行高能级锚杆或锚索冲击剪切试验和防护网冲击试验。

具体地试验原理为：将防护网放置固定在旋转平台32内部的凹槽321，电磁落锤36沿滑轨351滑至旋转平台32的凹槽321中心正上方，释放电磁落锤36进行低能级防护网的冲击试验，冲击完成后，利用电磁铁将落锤收回，该过程可以重复多次直至防护网破裂，完成低能级防护网冲击试验。

如图5所示，旋转平台32上侧固定有剪切块38，在本实施例中，剪切块38在凹槽321两侧各有一个，同时，在凹槽321上方还设置一个剪切块38（图中未画出），该剪切块38用于进行剪切试验的直接接触面；剪切块38中间开孔，将锚杆或锚索依次横穿各剪切块38。锚杆或锚索穿过剪切块38后，其中一端利用锁具固定在试验台主体侧面，另一端利用张拉装置39进行静力拉伸，用于对锚杆或锚索施加轴向预应力。在预应力条件下，电磁落锤36固定在第二个剪切块38正上方，释放电磁落锤36，完成低能级锚杆或锚索双面冲击剪切试验。

其中，张拉装置39采用现有技术实现，此处不再赘述。

在本实施例中，初始发射部件11和二次调速部件12提供动力将子弹13加速到预定速度，最终撞击到冲击杆件21上，冲击杆件21受到冲击动荷载后在第一导向支架22和第二导向支架34内滑动，施加动荷载。旋转平台32翻转90°后凹槽321朝向冲击杆件21，如上述同样操作流程，完成防护网高能级动力冲击试验和预应力条件下对锚杆或锚索的高能级双面抗冲剪性能测试试验。

在本实施例中，靠近试验台主体另一端开口处还设置有多向加载装置37，多向加载装置37包括多向加载平台372和多个油缸371，多向加载平台372固定于试验台主体内部底面，多向加载平台372两侧对称安装有油缸371，通过油缸371提供锚固试件侧向的约束力，控制电磁落锤36在多向加载平台372正上方时，进行锚固试件低能级冲击试验；如上述方法旋转承台31经过旋转180°后，同样原理，子弹13撞击到冲击杆件21上，通过第一导向支架22、第二导向支架34后撞击到锚固试件上，完成锚固试件高能级冲击试验。

在本实施例中，多向加载装置37也可同时配置电磁落锤36和由冲击杆件21等部件构成的高能级冲击系统，即在竖直方向上落锤低能级冲击，侧向方向冲击杆件21进行高能级冲击，完成锚固试件双向冲击试验，以模拟真实复杂应力环境下地下工程体系所受的应力。

旋转平台32的凹槽321内还可设置缓冲装置，包括缓冲块、气囊、网兜，用于缓冲不同类型的测试试样。

本实施例通过初始发射部件11的摆锤112将重力势能转换为子弹13的冲击动能，推动子弹13在子弹滑道113上快速运动，再经过二次调速部件12使子弹13二次调速，从而冲击传力装置（冲击杆件21），实现高能级冲击试验。通过可施加轴向预紧力的轴向拉伸冲击试验装置2，对多种支护构件6进行动力学性能试验，获取单位长度或单位面积支护构件在高能级动态冲击作用下的力学性能参数。

本实施例通过综合试验台3结合轴向拉伸冲击试验装置2，对多种支护构件6进行在复合应力条件下的动力学性能测试，获取支护构件在高能级多模式动态冲击作用下的力学性能参数；结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价，保证地下工程围岩的安全稳定。

实施例二：

本实施例提供了一种地下工程支护体系高能级多模式动力冲击试验方法，采用实施例一所述的试验系统，包括：

对支护构件6进行动力学性能试验，获取支护构件6在复合应力作用下的高能级多模式动态冲击力学性能参数；

结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系组合应力条件下的动力抗冲击性能进行评价。

本实施例可基于锚杆或锚索、网、梁等构件以及联合支护体系在预应力条件下高能级轴向拉伸冲击测试，锚杆或锚索预应力条件下高能级多模式侧向动力冲击剪切测试，锚固试件高能级多模式动力冲击测试，防护网高能级多模式动力冲击测试；对锚杆或锚索的材料类型、锚杆或锚索的直径、锚杆或锚索在预应力作用下的轴向抗冲性能、锚杆或锚索在预应力作用下的侧向抗冲剪性能、锚固试件的多向抗冲性能、锚固试件的锚固形式、防护网的抗冲性能、防护网的类型、防护网的网丝直径、防护网的网孔大小、防护网的结构（例如连接方式）等进行综合测试，并对支护构件6的刚度、强度和吸收冲击能性能做出相应的评价，进行现场应用与监测，依据监测结果选取具有更好力学性能的支护构件6。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。