WO2013143152A1

WO2013143152A1 - 模拟冲击型岩爆实验设备

Info

Publication number: WO2013143152A1
Application number: PCT/CN2012/073440
Authority: WO
Inventors: 何满潮; 贾雪娜; 刘冬桥
Original assignee: China University of Mining and Technology; China University of Mining and Technology Beijing
Current assignee: China University of Mining and Technology; China University of Mining and Technology Beijing
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: US9410874B2; JP2015511711A; EP2833118A1; JP5932130B2; PL2833118T3; US20150168282A1; EP2833118B1; EP2833118A4

Abstract

一种模拟冲击型岩爆实验设备，包括机架（100）、试件盒总成、安装在机架（100）上的X轴方向加载机构、Y轴方向加载机构、Z轴方向加载机构以及控制系统。每个方向的加载机构包括：布置成矩形的4根支撑柱（11、21、31）、对正布置并分别固定于4根支撑柱两端的第一框架（12、22、32）和第二框架（13、23、33）、分别安装于两个框架上的加载液压缸（14、24、34）和丝杠（15、25、35）。该设备能在三维空间中相互垂直的三个方向向岩样试件加载静应力以及扰动载荷，能用于模拟冲击型岩爆实验；并且，三套加载机构的结构大致相同，具有良好的对称性，对于岩样试件在这三个方向的加载静应力或扰动载荷的操作控制更加容易和精确。

Description

模拟冲击型岩爆实验设备技术领域

本发明涉及深部矿山工程岩体力学和岩土工程研究领域，特别涉及一种模拟冲击型岩爆实验设备。背景技术

随着矿山、水利水电、铁路 (公路)交通隧道等岩土工程向深部发展，岩爆作为一种深部矿井中一种非常危险的灾害现象，其发生越来越频繁。岩爆具有突发性、猛烈性，破坏时弹射出的岩石碎块携带着大量的能量，会对设备和人员造成威胁，严重的还会危及生命。

众所周知，爆破是目前大型水利、隧道、矿山工程、核电工程岩体开挖必不可少的施工手段。炸药在岩体中爆炸瞬时释放出大量的爆炸能，产生爆炸冲击波和应力波，以动载荷的形式作用于周围岩体，使周围岩体产生破碎和损伤，甚至发生岩爆。目前用于岩样试件实验的实验设备大都刚性不好，实验过程中不能精确保证 X 方向、 Y 方向、 Z方向作用力的垂直加载，从而难以诱发岩爆现象产生，并且影响对岩爆机理的分析、研究。发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种刚性好的模拟冲击型岩爆实验设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明模拟冲击型岩爆实验设备，包括机架、试件盒总成、安装在所述机架上的 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构和 Z轴方向加载机构，以及用于分别控制所述 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构和 z轴方向加载机构的三套控制系统。其中，所述 X轴方向加载机构包括： 4根 X向支撑柱、第一 X向框架、第二 X向框架、 X 向加载液压缸和 X向丝杠。 4根 X向支撑柱布置成矩形；第一 X向框架安装在所述机架上，并固定在所述 4根 X向支撑柱的一端；第二 X向框架安装在所述机架上，并固定在所述 4根 X向支撑柱的另一端，且与所述第一 X向框架对正； X向加载液压缸固定安装在所述第一 X向框架中央位置； X向丝杠安装在所述第二 X向框架中央位置，其中心线与所述 X向加载液压缸的活塞杆中心线位于同一条直线上，所述 X 向丝杠的外端部安装有 X向调节手轮，内端部安装有 X向传感器。所述 Y轴方向加载机构包括： 4根 Y向支撑柱、第一 Y向框架、第二 Y向框架、 Y向加载液压缸和 Y向丝杠。 4根 Y向支撑柱布置成矩形，并安装在所述机架上；第一 Y向框架固定在所述 4根 Y向支撑柱的一端；第二 Y向框架固定在所述 4根 Y向支撑柱的另一端，并与所述第一 Y向框架对正； Y向加载液压缸固定安装在所述第一 Y向框架中央位置； Y向丝杠安装在所述第二 Y向框架中央位置，其中心线与所述 Y向加载液压缸的活塞杆中心线位于同一条直接上，所述 Y 向丝杠的外端部安装有操作轮，内端部安装有 Y向传感器。所述 Z轴方向加载机构包括： 4根 Z向支撑柱、第一 Z向框架、第二 Z向框架、 Z向加载液压缸和 Z向丝杠。 4根 Z向支撑柱布置成矩形；第一 Z向框架安装在所述机架上，并固定在所述 4根 Z向支撑柱的一端；第二 Z向框架安装在所述机架上，并固定在所述 4根 Z向支撑柱的另一端，并与所述第一 Z向框架对正； Z向加载液压缸固定安装在所述第一 Z向框架中央位置； Z向丝杠安装在所述第二 z向框架中央位置，其中心线与所述 z向加载液压缸的活塞杆中心线位于同一条直接上，所述 z向丝杠的外端部安装有 Z向调节手轮，内端部安装有 Z向传感器。所述 X向加载液压缸的活塞杆中心线线延长线、所述 Y向加载液压缸的活塞杆中心线线延长线与所述 z 向加载液压缸的活塞杆中心线延长线相交于同一中心点，所述试件盒总成放置在所述机架上，其中心与所述中心点重合。

所述机架上设有两对 X向导轨，所述第一 X向框架下面设有一对第一 X向支脚，每个所述第一 X向支脚下面安装有一个第一 X向滚轮，所述第二 X向框架下面设有一对第二 X向支脚，每个所述第二 X向支脚下面安装有一个第二 X向滚轮，两个所述第一 X向滚轮、两个第二 X向滚轮分别与所述两对 X向导轨配合工作。

所述机架上设有两对 z向导轨，所述第一 Z向框架下面设有一对第一 Z向支脚，每个所述第一 z向支脚下面安装有一个第一 z向滚轮，所述第二 z向框架下面设有一对第二 Z向支脚，每个所述第二 Z向支脚下面安装有一个第二 Z向滚轮，两个所述第一 X向滚轮、两个第二 Z向滚轮分别与所述两对 Z向导轨配合工作。

所述机架包括底座、通过立柱支撑在所述底座上的水平的工作台，所述第一 X 向框架、第二 X向框架、 4根 Y向支撑柱、第一 Z向框架、第二 Z向框架均安装在所述工作台上，所述第二 Y向框架设置在所述工作台与底座之间的空间内。所述 Y向支撑柱沿着竖直方向布置，并且所述 Υ向支撑柱的下端部穿过所述机架，每根所述 Υ向支撑柱下部配合有一个螺母，每根所述 Υ向支撑柱的下部套装有一个压缩弹簧，所述压缩弹簧的上端抵顶在所述螺母上，下端抵顶在所述机架上。

所述第二 Υ向框架侧面安装有 Υ向调节手轮，该 Υ向调节手轮与所述操作轮之间配合有传动链条。

所述控制系统包括：多个所述传感器、液压源和控制器，其中，多个所述传感器分别用于采集岩样试件的所受到的力、位移或变形量；液压源包括泵站和伺服阀，所述泵站用于向所述 X向加载液压缸和 /或 Υ向加载液压缸和 /或 Ζ向加载液压缸提供液压油，所述伺服阀包括至少一个调节阀和至少一个换向阀；控制器用于接收多个所述传感器采集的信号，并与输入的扰动载荷信号进行比较得出差值，控制器根据该差值进行修正调节，控制所述调节阀的开度，进而控制所述 X向加载液压缸和 /或 Υ向加载液压缸和 /或 ζ向加载液压缸各自的进油量或者出油量以及进油速度或者出油速度，进一步控制所述 X向加载液压缸和 /或 Υ向加载液压缸和 /或 Ζ向加载液压缸各自的活塞杆所移动的位移长度和 /或各自所受的力的大小，同时所述控制器控制所述换向阀换向，最终使所述 X向加载液压缸和 /或 Υ向加载液压缸和 /或 Ζ向加载液压缸各自的活塞杆所伸缩的位移长度或各自所受的力的大小与所述输入的扰动载荷信号所表达的力、位移或变形量相一致。

所述试件盒总成包括由 12条棱组成的用于装载岩样试件的长方体形或者正方体形框架和 6块压板，其中 6个面所述 6块压板分别对应于框架的 6个窗口，每块压板包括压板本体，所述压板本体的朝向所述框架内部的平面为加载面，与所述加载面相反的另一面为抵接面，所述压板的加载面的尺寸小于所述框架的窗口尺寸，每块所述压板的四周中点位置各延伸有一个挂接耳柄，所述压板通过挂接耳柄及限位件挂接到所述框架上。

所述抵接面的尺寸大于或等于所述框架的窗口尺寸，所述压板本体上且在所述加载面四周具有过渡倾斜面。

所述试件盒总成还包括用于设置到所述每块压板与岩样试件之间的 6块 l〜2mm 厚的减摩板。

所述 6块压板中的一块具有中央通孔，所述中央通孔与岩样试件上的半截孔洞端口相对应。

其中，在具有中央通孔的压板的抵接面中央位置设有安装部，所述安装部具有透光槽，所述透光槽内安装有微型摄像头，该微型摄像头正对着所述压板的中央通孔。所述 6块压板中安装在同一方向上的一对压板各自具有一个中央通孔，两个所述中央通孔分别与岩样试件上的贯穿孔洞的两个端口相对应。

其中，在具有中央通孔的一对压板中的一块压板的抵接面中央位置设有安装部，所述安装部具有透光槽，所述透光槽内安装有微型摄像头；在具有中央通孔的一对压板中的一块压板的抵接面中央位置设有第二安装部，所述第二安装部具有第二透光槽，所述第二透光槽内安装有所述第二安装部内安装有聚焦灯，所述微型摄像头和聚焦灯均正对着所述压板的中央通孔。

所述试件盒总成还包括试件盒小车，该试件盒小车包括平板和安装在该平板两侧的两对车轮，两对车轮与所述 4根 X向支撑柱中的下面两根配合工作，或者与所述 4 根 Z向支撑柱中的下面两根配合工作。

所述试件盒小车的平板中央具有供竖直方向丝杠穿过的透孔。

所述试件盒小车的平板上的透孔呈圆形，且所述透孔的直径大于所述竖直方向丝杠的直径 l -10mm。

所述试件盒小车的平板上的透孔呈矩形，且所述透孔的其中一对对边之间的距离大于所述竖直方向丝杠的直径 l-10mm。

所述试件盒小车的平板上的透孔的内缘安装有限位框，所述限位框的其中一对对边之间的距离大于所述竖直方向丝杠的直径 l -10mm。

由上述技术方案可知，本发明的模拟冲击型岩爆实验设备的优点和积极效果在于：本发明的主要结构包括： X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构和 Z轴方向加载机构，能在三维空间中相互垂直的三个方向向岩样试件加载静应力以及扰动载荷，因此能用于模拟冲击型岩爆实验。而且， X轴方向、 Y轴方向、 z轴方向三套加载机构的结构大致相同，具有良好的对称性，所以对于岩样试件在这三个方向的加载静应力或扰动载荷的操作更加容易控制，并且容易实现精确控制，特别是，每一向加载机构包括布置成矩形的四根支撑柱，大大提高了设备的刚性，能够进一步提高三向加载的精度。

本发明中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。附图说明

图 1是本发明的模拟冲击型岩爆实验设备的结构示意图；图 2是图 1所示的模拟冲击型岩爆实验设备的俯视图；

图 3是本发明的模拟冲击型岩爆实验设备中的控制系统的原理图；

图 4是本发明的试件盒总成的结构示意图；

图 5是图 4所示的试件盒总成中的压板的结构示意图；

图 6是表示所述试件盒总成中压板与框架相配合的立体结构示意图;

图 7是本发明的试件盒总成中的试件盒小车的结构示意图。具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

本发明的模拟冲击型岩爆实验设备实施例中， X轴方向、 Y轴方向和 z轴方向相互垂直，构成三维空间， X轴方向、 Z轴方向为水平方向， Y轴方向为竖直方向。

如图 1和图 2所示，本发明的模拟冲击型岩爆实验设备，包括机架 100、试件盒总成、安装在机架 100上的 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构和 Z轴方向加载机构，以及用于控制 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构和 Z轴方向加载机构的控制系统和动力系统。

机架 100包括底座 102和工作台 103。其中底座 102安装于地面，工作台 103呈水平状态，其通过立柱或者支撑板固定安装在底座 102 上，工作台 103 与底座 102 之间具有一定高度空间。当然，机架 100并不限于该种结构，现有的其他结构的机架也可用于本发明。

X轴方向加载机构包括： 4根 X向支撑柱 1 1、第一 X向框架 12、第二 X向框架 13、 X向加载液压缸 14和 X向丝杠 15。其中， 4根 X向支撑柱 1 1在水平方向上互相平行，并且布置成矩形；第一 X向框架 12安装在机架 100的工作台 103上，并固定在 4根 X向支撑柱 1 1的一端；第二 X向框架 13安装在机架 100的工作台 103上，并固定在 4根 X向支撑柱 1 1的另一端，且与第一 X向框架 12对正； X向加载液压缸 14固定安装在第一 X向框架 12中央位置， X向加载液压缸 14的活塞杆朝向第二 X向框架 13 ; X向丝杠 15安装在第二 X向框架 13中央位置，其中心线与 X向加载液压缸 14的活塞杆中心线位于同一条直接上， X向丝杠 15的外端部安装有 X向调节手轮 16，用于驱动 X向丝杠 15， X向丝杠 15的内端部安装有 X向传感器 10，用于感测 X方向加载的应力（或者应变）值。 Y轴方向加载机构包括： 4根 Υ向支撑柱 21、第一 Υ向框架 22、第二 Υ向框架 23、 Υ向加载液压缸 24和 Υ向丝杠 25。其中， 4根 Υ向支撑柱 21布置成矩形，并安装在机架 100的工作台 103上；第一 Υ向框架 22固定在 4根 Υ向支撑柱 21的一端；第二 Υ向框架 23固定在 4根 Υ向支撑柱 21 的另一端，并与第一 Υ向框架 22 对正； Υ向加载液压缸 24固定安装在第一 Υ向框架 22中央位置， Υ向加载液压缸 24的活塞杆朝向第二 Υ向框架 23 ; Υ向丝杠 25安装在第二 Υ向框架 23中央位置，其中心线与 Υ向加载液压缸 24的活塞杆中心线位于同一条直接上， Υ向丝杠 25的外端部安装有操作轮 26，用于驱动 Υ向丝杠 25，由于操作轮 26安装在第二 Υ向框架 23下面，调节有所不便，因此，在第二 Υ向框架 23的一侧面安装有 Υ向调节手轮 27，该 Υ向调节手轮 27与操作轮 26之间配合有传动链条，通过 Υ向调节手轮 27、传动链条和操作轮 26来驱动 Υ向丝杠 25就非常方便了。 Υ向丝杠 25的内端部安装有 Υ向传感器 20，用于感测 Υ方向加载的应力（或者应变）值。

本发明优选的实施例中，第二 Υ向框架 23安装在工作台 103与底座 102之间的空间内，这样不但能减小整体设备的体积，而且有利于降低整体设备的重心，使其更加稳定。本实施例中， Υ向支撑柱 21的下端部与机架 100的工作台 103之间可以是焊接等固定连接，但二者之间优选的连接方式是：工作台 103上对应于每根 Υ向支撑柱 21设有开口供 Υ向支撑柱 21下端部穿过，在每根 Υ向支撑柱 21下部设有螺纹，并配合有一个螺母 212，螺母 212位于工作台 103上方，每根 Υ向支撑柱 21的下部套装有一个压缩弹簧 21 1，压缩弹簧 21 1的上端抵顶在螺母 212上，下端抵顶在机架 100上。压缩弹簧 21 1不但可以起到良好的缓冲减震作用，而且还可以通过调节螺母 212使第一 Υ向框架 22保持水平状态，从而确保 Υ向加载液压缸 24总是在垂直方向给岩样试件施加载荷。

Ζ轴方向加载机构包括： 4根 Ζ向支撑柱 31 、第一 Ζ向框架 32、第二 Ζ向框架 33、 Ζ向加载液压缸 34和 Ζ向丝杠 35。其中， 4根 Ζ向支撑柱 31布置成矩形；第一 Ζ向框架 32安装在机架 100的工作台 103上，并固定在 4根 Ζ向支撑柱 31的一端；第二 Ζ向框架 33安装在机架 100上，并固定在 4根 Ζ向支撑柱 31 的另一端，且与第一 Ζ向框架 32对正； Ζ向加载液压缸 34固定安装在第一 Ζ向框架 32中央位置， Ζ向加载液压缸 34的活塞杆朝向第二 Ζ向框架 33 ; Ζ向丝杠 35安装在第二 Ζ向框架 33中央位置，其中心线与 Ζ向加载液压缸 34的活塞杆中心线位于同一条直接上， Ζ向丝杠 35的外端部安装有 Ζ向调节手轮 36，用于驱动 Ζ向丝杠 35， Ζ向丝杠 35 的内端部安装有 Z向传感器 30，用于感测 Z方向加载的应力（或者应变）值。

本发明中 X向加载液压缸 14的活塞杆中心线线延长线、 Y向加载液压缸 24的活塞杆中心线线延长线与 Z向加载液压缸 34的活塞杆中心线延长线相交于同一中心点。实验时，试件盒总成放置在机架 100的工作台 101上，试件盒总成的中心与该中心点重合。

本发明优选的实施例中，在机架 100的工作台 103上沿 X轴方向设有两对 X向导轨 101，第一 X向框架 12下面设有一对第一 X向支脚 121，每个第一 X向支脚 121 下面安装有一个第一 X向滚轮 122，第二 X向框架 13下面设有一对第二 X向支脚 131，每个第二 X向支脚 13 1下面安装有一个第二 X向滚轮 132，一对第一 X向滚轮 122、一对第二 X向滚轮 132分别与两对 X向导轨 101配合工作，即第一 X向框架 12、第二 X向框架 13通过导轨滚轮副支撑在机架上，故第一 X向框架 12、第二 X 向框架 13以及 4根 X向支撑柱 1 1能够沿着 X轴方向移动一段距离，从而能够更方便、更灵活地调节 X向加载液压缸 14的活塞杆中心线延长线、 Y 向加载液压缸 24 的活塞杆中心线延长线及 Z向加载液压缸 34的活塞杆中心线延长线相当于同一中心点，换句话说，使试件盒能够更方便、更灵活地装卡于居中的位置。

本发明优选的实施例中，进一步地，机架 100上设有两对 Z向导轨 301，第一 Z 向框架 32下面设有一对第一 Z向支脚 321，每个第一 Z向支脚 321下面安装有一个第一 Z向滚轮 122 ; 第二 Z向框架 33下面设有一对第二 Z向支脚，每个第二 Z向支脚下面安装有一个第二 Z向滚轮，一对第一 X向滚轮 322、一对第二 Z向滚轮分别与两对 Z向导轨 301配合工作。即第一 Z向框架 32、第二 Z向框架 33通过导轨滚轮副支撑在机架上，故第一 Z向框架 32、第二 Z向框架 33以及 4根 Z向支撑柱 31能够沿着 Z轴方向移动一段距离。因此，进一步提高了试件盒居中装卡的灵活性。

本发明还包括即各自独立又相互协调的三套控制系统。每个控制系统都有力（应力）和作动器位移（应变）等控制参数，当其中之一被选择，就可构成被选择参数的控制回路，未被选择的参数（欲求取的试验结果）为被选择的参数（试验条件）的函数；控制系统全部数字化，由控制器控制，每个控制系统的组成和工作原理都相同。如图 3所示，控制系统包括：多个传感器、液压源和控制器，其中，多个传感器分别用于采集岩样试件的所受到的力、位移或者变形量；液压源包括泵站和伺服阀，泵站用于向 X向加载液压缸 14和 /或 Y向加载液压缸 14和 /或 Z向加载液压缸 14提供液压油，伺服阀包括至少一个调节阀和至少一个换向阀；控制器用于接收多个传感器采集的信号，并与输入的给定扰动载荷信号值进行比较得出差值，控制器根据该差值进行修正调节，控制调节阀的开度，进而控制 X向加载液压缸 14和 /或 Y向加载液压缸 14和 /或 Z向加载液压缸 14各自的进油量或者回油量以及进油速度或者回油速度，进一步控制 X向加载液压缸 14和 /或 Y向加载液压缸 14和 /或 Z向加载液压缸 14各自的活塞杆所移动的位移长度或各自所受的力的大小，同时控制器控制换向阀换向，最终使 X向加载液压缸 14和 /或 Y向加载液压缸 14和 /或 Z向加载液压缸 14各自的活塞杆所移动伸缩移的长度或各自所受的力的大小与输入的扰动载荷信号所表达的力、位移或者变形量相一致。

本发明中的控制系统还具有报警功能，当传感器测量到的值超过设定的极限控制值范围时报警，控制器控制伺服阀关闭，切断油路，撤出油压，保护岩样试件不被意外破坏，同时，将泵站停止工作；当给定扰动载荷信号值超过设定的极限控制值范围时也会报警。另外，本发明中的控制系统可以针对传感器所测量的数据进行数据处理：提取传感器测量到的信号值并推导出有价值、有意义的数据，例如生成力 -时间曲线、位移 -时间曲线、应力 -应变关系曲线等。

本发明中的控制系统，液压源输出大量的高压油进入伺服阀，操作者按试验目的选择控制参数（或试验力，或试件变形，或活塞行程）和给定扰动载荷信号，给定扰动载荷信号输入到比较器与传感器测量到的值比较后得到比较差值，经差值修正后驱动伺服阀，通过伺服阀（可采作现有结构）将电量变成油流量驱动液压缸活塞使岩样试件受力，通过传感器将非电物理量（力、变形和位移）变成电量，经放大后与给定信号在比较器里比较，输出差值通过调节器调节修正偏差使岩样试件受控的非电物理量以一定精度快而准地跟踪给定信号。

上述控制系统主要是用于控制向岩样试件加载扰动荷载，但不以此为限，现有结构中的其他类型的扰动载荷控制系统或者静应力加载控制系统也适用于本发明。

如图 4、图 5、图 6和图 7所示，本发明中的试件盒总成包括框架 4和 6块压板 5。

正方体形框架 4用于装载岩样试件 60，由 12条棱组成，具有 6个面， 6个面中每个面上具有一个窗口，以暴露出岩样试件 60。本发明中，框架 4不限于正方体形状，其也可以是长方体等其他形状。

6块压板 5分别对应于正方体形框架 4的 6个窗口。每块压板 5包括压板本体 50，压板本体 50的朝向正方体形框架 4内部的平面为加载面 51，与加载面 51相反的另一面为抵接面 52，压板 5的加载面 51的尺寸小于正方体形框架 4的窗口尺寸，以便于在施加载荷时压板 5 的加载面 51 能通过正方体形框架 4 的窗口而与岩样试件 60 贴合接触。为了确保压板 5与相应的窗口的对中性，以使载荷能够均匀施加到岩样试件 60上，在压板 5的四周中点位置各延伸有一个挂接耳柄 54，在正方体形框架 4的棱的中点位置相应地安装有定位螺栓等限位件 55，压板 5通过挂接耳柄 54及限位件 55即可挂接到正方体形框架 4上，定位螺栓等限位件 55只起到限制压板 5在垂直于加载方向上移动或者转动，而在给岩样试件 60施加载荷过程中不能干涉压板 5沿着加载方向的移动。为了减少压板 5与岩样试件之间的摩擦力，本发明中的试件盒还包括用于设置到每块压板 5与岩样试件之间的 6块 l〜2mm厚的减摩板，减摩板可以由 F4-青铜复合材料制成。

本发明中的试件盒总成中，包括了长方体形或者正方体形框架 4及 6块压板 5，正方体形框架 4具有底板，因此使用该试件盒总成能够进行三向静应力及扰动载荷的加载，能够完成针对岩样试件的多种实验。

本发明优选的实施例中，压板 5的抵接面 52的尺寸大于或等于正方体形框架 4 的窗口尺寸，压板 5的加载面 51的尺寸小于正方体形框架 4的窗口尺寸，压板本体 50上加载面 51四周具有过渡倾斜面 53，过渡倾斜面 53的倾斜角度要确保压板 5的加载动作具有足够的进给量，本发明中加载动作的进给量为 2-8mm，过渡倾斜面 53 的厚度与该进给量（2-8mm) 大致相当。岩样试件在加载过程中，本发明中的过渡倾斜面 53有利于防止压板 5与正方体形框架 4发生干涉，同时有利于防止加载应力偏离岩样试件中心。

在模拟岩爆实验中，由于模拟开挖巷道岩样试件 60上具有半截孔洞或者贯通孔洞，所以在对应于孔洞开口端的压板 5上也具有相应的中央通孔 56。如果实验中使用的是具有半截孔洞的岩样试件 60，则 6块压板 5中只有一块具有中央通孔 56 ; 如果实验中使用的是具有贯穿孔洞的岩样试件 60，则 6块压板 5中安装在同一方向（例如 X轴方向）上的一对压板 5具有中央通孔 56。

本发明优选的实施例中，还可以在具有中央通孔 56的压板 5的抵接面 52中央位置固定一个圆柱形的安装部 57，在该安装部 57中央开设一个透光槽 571，在透光槽 571 内安装有微型摄像头 6，该微型摄像头 6正对着压板 5的中央通孔 56。安装部 57 与压板 5可以是一体结构。该结构的试件盒适用于具有半截孔洞的岩样试件 60，微型摄像头 6可以对具有半截孔洞的岩样试件 60的岩爆过程进行摄像或者拍照。当岩样试件 60具有贯穿孔洞时，还可以在另一块具有中央通孔 56的压板 5的抵接面 52 中央位置固定圆柱形的第二安装部 58，在该第二安装部 58中央开设第二透光槽 581，在第二透光槽 581 内安装聚焦灯 7，用以给微型摄像头 6提供光照，微型摄像头 6、聚焦灯 7均正对着压板 5的中央通孔 56，微型摄像头 6可以对具有贯穿孔洞的岩样试件 60的岩爆过程进行摄像或者拍照。

本发明优选的实施例中，还包括试件盒小车，该试件盒小车包括平板 61和安装在该平板 61两侧的两对车轮 62，两对车轮 62与 4根 X向支撑柱 21中的下面两根配合工作，或者与 4根 Z向支撑柱 21中的下面两根配合工作，当然如果空间足够，试件盒小车也可以直接放置在机架 100的工作台 103上。测量前，将试件盒装载到试件盒小车，再将试件盒小车安装到整体设备上，推到居中位置，非常省力、方便。

另一方面，本发明优选实施例中，如果在竖直方向也进行加载实验，则还可以在平板 61中央开设用于供竖直方向的丝杠（例如 Y向丝杠 25 ) 设置透孔 611，该透孔 611可以是圆形，且透孔 61 1的直径大于 Y向丝杠 25的直径 l-10mm，既保证 Y向丝杠 25能够穿过透孔 611，又能保证被 Y向丝杠 25顶起的试件盒基于处于居中的位置，即起到竖直方向，例如 Y向的辅助定位作用。本实施例中，由于试件盒是沿着 X 方向推入到设备中的，主要关注的是 X方向的位置是否居中，而 z向的尺寸对于辅助定位的作用不大，因此，可以将透孔 61 1设计成矩形，且矩形透孔 61 1 的 X方向的一对对边之间的距离大于 Y向丝杠 25的直径 l-10mm即可，而对于矩形透孔 61 1 的 Z方向的一对对边之间的距离可以稍大些，以方便 Y向丝杠 25通过。另外，如果试件盒小车的平板 61上的透孔 611设计时是为了适应比较大的试件盒，例如试件盒为 160 X 160 X 160mm，平板 61上的透孔 61 1尺寸可以遵循上述结构原则，为了使该种规格的试件盒小车也能适应小尺寸的试件盒，例如 l lO X l lO X l lOmm的试件盒，这时，可以在平板 61上的透孔 611 内缘可拆卸连接或者固定连接一个限位框，并使限位框的 X方向的一对对边之间的距离大于 Y向丝杠 25的直径 l-10mm，同样可以起到辅助岩样试件居中装卡的作用，接下来将介绍岩样试件的装卡。

准备实验前，需要装卡岩样试件，具体操作为：将岩样试件装入试件盒中，将试件盒搬至两根 X向支撑柱 21上，并将试件盒小车推至居中位置；首先，转动 Y向调节手轮 27通过 Y向调节手轮 27、传动链条和操作轮 26来使 Y向丝杠 25向上移动，通过圆通孔 611将试件盒顶起，使试件盒脱离试件盒，当 Y向加载液压缸 24的活塞头通过刚好通过正方体形框架 4的顶面窗口而与岩样试件的顶面接触，但对岩样试件不产生力的作用时，停止 Y向丝杠 25的上升运动， Y轴方向即调节完毕。在此过程中，因为只有在试件盒小车行至居中位置时， Y向丝杠 25才能通过圆通孔 611顶起试件盒，否则不能顶起试件盒，因此本发明中试件盒小车对试件盒的装卡具有辅助定位作用。然后，沿 X轴方向推动第一 X向框架 12，使 X向加载液压缸的活塞杆端部的压头刚好通过正方体形框架 4的窗口而与岩样试件的前面接触，但对岩样试件不产生力的作用，这时转动 X向调节手轮 16使 X向丝杠 15向岩样试件移动，移动至 X 向丝杠 15端部的传感器压头与岩样试件的后面接触，同样对岩样试件不产生力的作用， X轴方向即调节完毕；最后沿 Z轴方向推动第一 Z向框架 32，使 Z向加载液压缸的活塞杆端部的压头刚好通过正方体形框架 4 左面的窗口而与岩样试件的前面接触，但对岩样试件不产生力的作用，这时转动 Z向调节手轮 36使 Z向丝杠 35 向岩样试件移动，移动至 Z向丝杠 35端部的传感器压头与岩样试件的右面接触，同样对岩样试件不产生力的作用， Z轴方向即调节完毕。上述装卡过程中， X轴方向和 Z轴方向的调节顺序也可以颠倒。以上为手动装卡过程，在手动装卡结束后，还可以进一步通过控制系统精确调节岩样试件与各个压头之间的相互关系，以精确保证各个压头与岩样试件的各个面之间即接触又不存在相互作用力。

本发明的模拟冲击型岩爆实验设备，由传统的动力系统提供动力，并可在控制系统的自动或者半自动控制下进行各种实验，如模拟岩爆实验、单轴压缩实验、张拉实验、剪切实验、振动引起煤层瓦斯渗出的实验、岩石低循环应变控制疲劳实验、静水压实验、真三轴实验，等等。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

权利要求

1、一种模拟冲击型岩爆实验设备，包括机架（100) 、试件盒总成、安装在所述机架（100) 上的 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构、 z轴方向加载机构以及分别用于控制所述 X轴方向加载机构、 Y轴方向加载机构、 z轴方向加载机构的三套相互独立的控制系统，其特征在于，

所述 X轴方向加载机构包括：

4根 X向支撑柱（11) ，其布置成矩形；

第一 X向框架（12) ，安装在所述机架（100) 上，并固定在所述 4根 X 向支撑柱（11) 的一端；

第二 X向框架（13) ，安装在所述机架（100) 上，并固定在所述 4根 X 向支撑柱（11) 的另一端，且与所述第一 X向框架（12) 对正；

X向加载液压缸（14) ，固定安装在所述第一 X向框架（12) 中央位置； X向丝杠（15) ，安装在所述第二 X向框架（13) 中央位置，其中心线与所述 X向加载液压缸（14) 的活塞杆中心线位于同一条直线上，所述 X向丝杠 (15)的外端部安装有 X向调节手轮（16) ，内端部安装有 X向传感器（10) ；所述 Y轴方向加载机构包括：

4根 Y向支撑柱（21) ，其布置成矩形，并安装在所述机架（100) 上；第一 Y向框架（22) ，固定在所述 4根 Y向支撑柱（21) 的一端；第二 Y向框架（23) ，固定在所述 4根 Y向支撑柱（21) 的另一端，并与所述第一 Y向框架（22) 对正；

Y向加载液压缸（24) ，固定安装在所述第一 Y向框架（22) 中央位置； Y向丝杠（25) ，安装在所述第二 Y向框架（23) 中央位置，其中心线与所述 Y向加载液压缸（24) 的活塞杆中心线位于同一条直接上，所述 Y向丝杠 (25) 的外端部安装有操作轮（26) ，内端部安装有 Y向传感器（20) ；所述 Z轴方向加载机构包括：

4根 Z向支撑柱（31) ，其布置成矩形；

第一 Z 向框架（32) ，安装在所述机架（100) 上，并固定在所述 4根 Z 向支撑柱（31) 的一端；

第二 Z 向框架（33) ，安装在所述机架（100) 上，并固定在所述 4根 Z 向支撑柱（31) 的另一端，并与所述第一 Z向框架（32) 对正； Z向加载液压缸（34) ，固定安装在所述第一 Z向框架（32) 中央位置； Z向丝杠（35) ，安装在所述第二 Z向框架（33) 中央位置，其中心线与所述 Z向加载液压缸（34) 的活塞杆中心线位于同一条直接上，所述 Z向丝杠 (35) 的外端部安装有 Z向调节手轮（36) ，内端部安装有 Z向传感器（30) ；所述 X向加载液压缸（14)的活塞杆中心线线延长线、所述 Y向加载液压缸（24) 的活塞杆中心线线延长线与所述 Z 向加载液压缸（34) 的活塞杆中心线延长线相交于同一中心点，所述试件盒总成放置在所述机架（100) 上，其中心与所述中心点重合

2、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述机架（ 100) 上设有两对 X向导轨（101) ，所述第一 X向框架（12) 下面设有一对第一 X向支脚（121) ，每个所述第一 X向支脚（121) 下面安装有一个第一 X向滚轮（122) ，所述第二 X向框架（13) 下面设有一对第二 X向支脚（131) ，每个所述第二 X向支脚（131)下面安装有一个第二 X向滚轮（132) ，两个所述第一 X向滚轮（122)、两个第二 X向滚轮（132) 分别与所述两对 X向导轨（101) 配合工作。

3、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述机架（ 100) 上设有两对 Z向导轨（301) ，所述第一 Z向框架（32) 下面设有一对第一 Z向支脚 (321) ，每个所述第一 Z向支脚（321) 下面安装有一个第一 Z向滚轮（122) ，所述第二 Z向框架（33) 下面设有一对第二 Z向支脚，每个所述第二 Z向支脚下面安装有一个第二 Z向滚轮，两个所述第一 X向滚轮（322) 、两个第二 Z向滚轮分别与所述两对 Z向导轨（301) 配合工作。

4、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述机架（ 100) 包括底座（102) 、通过立柱支撑在所述底座（102) 上的水平的工作台（103) ，所述第一 X向框架（12) 、第二 X向框架（13) 、 4根 Y向支撑柱（21) 、第一 Z向框架（32) 、第二 Z向框架（33) 均安装在所述工作台（103) 上，所述第二 Y向框架（23) 设置在所述工作台（103) 与底座（102) 之间的空间内。

5、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述 Y向支撑柱（21)沿着竖直方向布置，并且所述 Y向支撑柱（21)的下端部穿过所述机架（100)，每根所述 Y向支撑柱（21)下部配合有一个螺母（212)，每根所述 Y向支撑柱（21) 的下部套装有一个压缩弹簧（211) ，所述压缩弹簧（211) 的上端抵顶在所述螺母 (212) 上，下端抵顶在所述机架（100) 上。

6、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述第二 Y向框架（23) 侧面安装有 Y向调节手轮（27) ，该 Y向调节手轮（27) 与所述操作轮

(26) 之间配合有传动链条。

7、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述控制系统包括：

多个所述传感器，分别用于采集岩样试件的所受到的力、位移或变形量；液压源包括泵站和伺服阀，所述泵站用于向所述 X向加载液压缸（14) 和 /或 Y 向加载液压缸（14) 和 /或 Z向加载液压缸（14) 提供液压油，所述伺服阀包括至少一个调节阀和至少一个换向阀；

控制器，用于接收多个所述传感器采集的信号，并与输入的扰动载荷信号值进行比较得出差值，控制器根据该差值进行修正调节，控制所述调节阀的开度，进而控制所述 X向加载液压缸（14) 和 /或 Y向加载液压缸（14) 和 /或 Z向加载液压缸 (14) 各自的进油量或者出油量以及进油速度或者出油速度，进一步控制所述 X向加载液压缸（14) 和 /或 Y向加载液压缸（14) 和 /或 Z 向加载液压缸（14) 各自的活塞杆所移动的位移长度或各自所受的力的大小，同时所述控制器控制所述换向阀换向，最终使所述 X向加载液压缸（14) 和 /或 Y向加载液压缸（14) 和 /或 Z向加载液压缸（14) 各自的活塞杆所伸缩的位移长度或各自所受的力的大小与所述输入的扰动载荷信号所表达的力、位移或变形量相一致。

8、如权利要求 1所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒总成包括由 12条棱组成的用于装载岩样试件（60) 的长方体形或者正方体形框架（4) 和 6块压板（5) ，其中 6个面所述 6块压板（5) 分别对应于框架（4) 的 6个窗口，每块压板（5) 包括压板本体（50) ，所述压板本体（50) 的朝向所述框架（4) 内部的平面为加载面（51) ，与所述加载面（51) 相反的另一面为抵接面（52) ，所述压板（5) 的加载面（51) 的尺寸小于所述框架（4) 的窗口尺寸，每块所述压板 (5) 的四周中点位置各延伸有一个挂接耳柄（54) ，所述压板（5) 通过挂接耳柄 (54) 及限位件（55) 挂接到所述框架（4) 上。

9、如权利要求 8所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述抵接面（52) 的尺寸大于或等于所述框架（4) 的窗口尺寸，所述压板本体（50) 上且在所述加载面（51) 四周具有过渡倾斜面（53) 。

10、如权利要求 8 所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒总成还包括用于设置到所述每块压板（5) 与岩样试件（60) 之间的 6块 l〜2mm厚的减摩板。

11、如权利要求 8所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述 6块压板（5) 中的一块具有中央通孔（56) ，所述中央通孔（56) 与岩样试件（60) 上的半截孔洞端口相对应。

12、如权利要求 10所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，在具有中央通孔（56)的压板（5)的抵接面（52) 中央位置设有安装部（57)，所述安装部（57) 具有透光槽（571) ，所述透光槽（571) 内安装有微型摄像头（6) ，该微型摄像头

(6) 正对着所述压板（5) 的中央通孔（56) 。

13、如权利要求 8所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述 6块压板（5) 中安装在同一方向上的一对压板（5) 各自具有一个中央通孔（56) ，两个所述中央通孔（56) 分别与岩样试件（60) 上的贯穿孔洞的两个端口相对应。

14、如权利要求 13所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，在具有中央通孔（56)的一对压板中的一块压板（5)的抵接面（52)中央位置设有安装部（57) ，所述安装部（57)具有透光槽（58) ，所述透光槽（571) 内安装有微型摄像头（6) ；在具有中央通孔（56) 的一对压板中的一块压板（5) 的抵接面（52) 中央位置设有第二安装部（58) ，所述第二安装部（58) 具有第二透光槽（581) ，所述第二透光槽（581) 内安装有所述第二安装部内安装有聚焦灯（7) ，所述微型摄像头（6) 和聚焦灯（7) 均正对着所述压板（5) 的中央通孔（56) 。

15、如权利要求 8-14之任一项所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒总成还包括试件盒小车，该试件盒小车包括平板（61) 和安装在该平板 (61) 两侧的两对车轮（62) ，两对车轮（62) 与所述 4根 X向支撑柱（21) 中的下面两根配合工作，或者与所述 4根 Z向支撑柱（21) 中的下面两根配合工作。

16、如权利要求 15所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒小车的平板（61) 中央具有供竖直方向丝杠穿过的透孔（611) 。

17、如权利要求 16所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒小车的平板（61) 上的透孔（611) 呈圆形，且所述透孔（611) 的直径大于所述竖直方向丝杠的直径 l-10mm。

18、如权利要求 16所述的模拟冲击型岩爆实验设备，其特征在于，所述试件盒小车的平板（61) 上的透孔（611) 呈矩形，且所述透孔（611) 的其中一对对边之间的距离大于所述竖直方向丝杠的直径 l-10mm。

19、如权利要求 16所述的模拟冲击型岩爆实验设备其特征在于，所述试件盒小车的平板（61) 上的透孔（611) 的内缘安装有限位框所述限位框的其中一对对边之间的距离大于所述竖直方向丝杠的直径 l-10mm。