[发明专利]空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法

说明书

一种空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法。多个平行的驱动轴依次间隔反向布置在箱体两侧，驱动轴上有沿轴向间隔布置的多个斜面。载荷输出轴的上端接触驱动轴上的斜面、下端连接加载块形成载荷加载点。空间阵列布置的载荷输出轴和加载块在煤岩试样上形成空间阵列加载。精确控制各个阶梯轴运动至不同的位置、以及对各个阶梯轴的多个斜面设计不同的倾斜角度，在各个加载块接触的煤岩试样上的局部位置施加不同应力，形成一系列不同的空间梯度应力加载。本发明能够在实验室煤岩试样上再造空间梯度应力加载，且可以精准控制及监测每个载荷输出轴的输出载荷，研究不同梯度应力场下的煤岩的力学特性和变形破坏特征。

技术领域

本发明涉及一种空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法，属于岩石力学实验领域。

背景技术

目前，许多地下工程逐渐走向深部，高强度煤岩动力灾害频繁发生。实验室研究煤岩动力灾害机理是研究相应监测和防治方法的前提工作。而实验室对应力的模拟往往是对煤岩样进行均匀压缩加载。而在地下空间工程中，煤岩体中的应力分布往往是空间非均匀、有梯度的，空间应力分布形态与煤岩动力载荷能否发生、发生模式有着密切的关系。复杂、不利的应力分布形态往往更容易诱发煤岩失稳产生冲击地压，其能量释放更易呈现灾变式的破坏。

目前，煤岩试样多为圆柱形或立方形试样，通过单轴岩石力学试验机、双轴岩石力学试验机或三轴岩石力学试验机进行煤岩的力学实验，但是该种方法只能对煤岩试样的某个方向上进行均匀加载实验，而在实验室对煤岩试样实现阵列式梯度应力加载面临很多难题。对于小尺寸的煤岩试样，尤其对于小尺寸煤岩样，如：100mm×100mm×100mm左右的煤岩试样，要在空间上实现一系列不同形态的梯度应力加载场进行加载实验，至少在每一排和每一列方向上均布置5个独立的加载单元，但是如此细小的伺服作动器制作困难，且在微小的面积上实现数十至上百兆帕的加载应力难以实现。而对于大尺寸相似模拟试样，配备数十个独立伺服作动器的整套加载系统成本高、研制困难，且实验工程量大，很难开展一系列不同梯度应力的静动组合加载。

发明内容

本发明的目的是针对现有的煤岩力学特性实验装置结构复杂，无法地小面积试验上加载梯度应力的问题，设计一种空间梯度应力再造装置，同时提供相应的再造方法及煤岩力学特性实验方法，通过本装置及方法，能够在实验室针对小尺寸煤岩试样，尤其是针对尺寸为100mm×100mm×100mm左右的煤岩试样，再造空间上非均匀、有梯度的应力加载，且可以精准控制及监测每个载荷输出轴的输出载荷，研究不同梯度应力场下的煤岩力学特性和变形破坏特征。

本发明的技术方案之一是：

一种空间梯度应力再造装置，其特征在于：它包括箱体1、载荷调节装置、载荷输出轴3和导向板4；所述载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴2，驱动轴2位于箱体1内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面22，每根驱动轴2上的斜面22的倾斜角度相同或呈凸弧曲线布置，相邻驱动轴2上的倾斜角度相同或也呈凸弧曲线布置，斜面22与载荷输出轴3活动接触，载荷输出轴3底部穿过箱体底部及与箱体底部相连的导向板4后与加载块31相连，载荷输出轴3侧面设有用于安装薄片传感器33的凹槽32，薄片传感器33与信号采集装置电气相连。

多个驱动轴2依次间隔反向布置在箱体1两侧；所述驱动轴2截面包括矩形和圆形，驱动轴2顶部与箱盖6下表面接触。

所述导向板4底部安装有可拆卸的凸台5，凸台5安装在阵列加载块31区域四条边缘部位中的一部分或全部并用于形成梯度载荷的基值。

所述驱动轴2通过液压、电力、手动机械三种方式中的任意一种方式驱动。

所述的驱动轴2连接独立的驱动连接装置7，驱动连接装置7为加长推杆或齿轮或齿条结构。

本发明的技术方案之二是：