[发明专利]一种煤岩样真三轴竖向动静加载试验机

说明书

发明涉及一种煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，适用于再现地下矿井开采过程中冲击矿压、岩爆等煤岩动力灾害现象。试验系统由三轴加载系统、测量控制系统、动力加载系统组成。X、Y轴分别设有四柱和两柱单活塞缸的双高频响伺服缸，并安装在可由升降伺服机构沿Z轴方向驱动的同一水平平台上，其中Y轴一方向设有卸载缸，实现一面应力快速卸载，Z轴设有四柱中空式双活塞杆单伺服缸，并配置回弹式位移传感器，测量数据反馈于升降伺服机构，保证水平X、Y轴加载中心始终交于一点且中心点不变。高速伺服缸安装在Z轴上，提供动力加载源。试验机可模拟煤岩试样的真三轴静态加载状态、Z轴冲击动力加载状态、Y轴固定速率或快速应力卸载状态。

技术领域

本发明专利涉及煤岩样真三轴竖向动静加载试验机，主要使用于矿井冲击动力灾害机理研究及实验室模拟再现。

背景技术

随着煤炭资源的不断开采，开采深度不断加大，保证高深度下的矿井安全开采是为我国能源安全供给，社会经济稳定发展的必要条件。然而，进入深部开采，矿山压力规律与浅部明显不同，其中以冲击矿压为代表的煤岩动力灾害给矿井安全开采带来了新的挑战。深部开采条件下冲击矿压发生的频率与强度远高于浅部开采，所造成的人员伤亡与经济损失也呈现重大恶性事故特点，因此必须引起科学界的关注。目前与冲击矿压实验研究相关的大部分研究内容都是在静态力学试验机上完成的，在静态力学实验中有MTS材料力学试验机，该试验机可完成静力学试验、常温常压试验、高温高压试验、破坏力学试验、全过程试验，但振动频率最大只能到5Hz左右，这与煤矿矿震发生的高频率震动相差较远，不能够满足冲击矿压机理研究水平的要求。在动态实验设备方面先后发展了落锤、轻气炮和霍普金森压杆。但无论那种设备，都只能单纯完成静载和动载载实验，而事实上驱动煤岩体发生冲击矿压的载荷为动静组合载荷。为此，研究发明煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，以重现煤岩动力灾害发生时应力环境特征与演化过程，为冲击矿压机理研究提供依据。

发明内容

目前存在的单独的动载（疲劳试验机或霍普金森压杆）、静载（伺服刚性压力机）和假三轴动静组合试验系统限制了对冲击矿压现象、机理及参数的研究，因此本发明就是针对以上现有技术的不足，提供了一种可进行静态三轴试验、动态冲击试验和快速卸载试验的真三轴动静组合加卸载冲击显现试验机。

为了实现上述发明目的，本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：三轴加载系统、测量控制系统、动力加载源系统、保护系统。其中，三轴加载系统、测量控制系统和动力加载源系统固定在底座上。三轴加载系统用于实现静态三轴试验和快速卸载试验，静态三轴试验可完成单轴、双轴、三轴分别或同时加卸载，不等应力加载、卸载。快速卸载试验完成对试样实施双轴、三轴不等应力作用下的Y轴单方向突然卸载试验。动力加载源系统在试样处于稳定应力状态下，在Z轴方向上施加一冲击动载荷。测量控制系统用于测量力和位移大小，从而用于控制整个设备的运转和记录试验数据。保护系统用于保护人员及设备安全。

所述三轴加载系统包括：刚性框架、水平平台、卸载缸、单活塞高频响伺服缸、中空式双活塞杆伺服缸、升降伺服机构、立柱、跌落杆、气动催力装置、底座，连接关系为：X轴采用从两个刚性框架中分别穿过的两个单活塞高频响伺服缸和与刚性框架相连的四个立柱的结构形式。Y轴采用从两个刚性框架中分别穿过的一个单活塞高频响伺服缸和一个卸载缸，及与刚性框架相连的2个立柱的结构形式。X、Y轴安装在水平平台上，并与升降伺服机构相连。Y轴卸载缸突然卸载后，跌落杆在气动催力装置作用下快速跌落，让出高速摄像所需的空间和时间；所述气动催力装置包括卸载缸、杠杆装置；跌落杆与杠杆装置一端连接，卸载缸与杠杆装置的另一端联动，杠杆装置一端与杠杆装置的另一端移动方向相反，杠杆装置上设有支点，卸载缸与杠杆装置的另一端连接的位置为第一点，杠杆装置与跌落杆连接的位置为第二点，支点与第一点之间的距离明显小于支点与第二点之间的距离，故卸载缸的卸载带动跌落杆快速移动；当需要跌落杆升起时，卸载缸通过气泵管道给杠杆装置加压，杠杆装置的另一端下移，通过杠杆作用将跌落杆升起；Y轴加载系统的卸载缸突然卸载后，杠杆装置的另一端上移，跌落杆在气动催力装置作用下快速跌落，跌落杆以接近自由落体方式下降，让出高速摄像所需的空间和时间。