[發明專利]一種變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機及試驗方法

有效

• 申請號: 202110361577.5
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113075049B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 范德源;劉學生;譚云亮;李學斌;王新;武允昊
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 趙龍群;段毅凡

本發明涉及一種變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機及試驗方法，屬于巖石力學試驗技術領域。試驗機包括頂梁、立柱、動載施加裝置、靜載施加裝置、監測裝置、底座、加載控制系統和信號采集裝置，其中，頂梁通過立柱連接至底座，底座上設置靜載施加裝置，靜載施加裝置上方的頂梁上設置動載施加裝置，靜載施加裝置和動載施加裝置均連接至加載控制系統，試驗機上還設置有監測裝置，監測裝置連接至信號采集裝置。本發明結構簡單，設計合理，實現靜載以及不同頻率、強度動載的施加，為煤巖石在動靜組合載荷下的破壞機理提供理論依據。

技術領域

本發明涉及一種變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機及試驗方法，屬于巖石力學試驗技術領域。

背景技術

當前，我國深部煤炭資源儲量約占煤炭資源總儲量的53％，深部煤層必將成為我國煤炭開采的主戰場，在深部開采過程中，由于動載擾動所引起的沖擊地壓現象的發生頻率、強度及復雜性顯著增加，片幫、冒頂等事故以及沖擊地壓等動力災害明顯增多，嚴重制約著深部煤炭資源的安全高效開采。

室內巖石力學試驗是揭示煤巖石試樣在動靜組合載荷下的破壞特征及力學特性的重要手段，現有巖石試驗機通過動靜組合加載獲得不同靜載和動載條件下煤巖石的瞬時破壞特征，這對于揭示深部開采條件下沖擊地壓誘發機理具有重要意義，然而，現有巖石試驗機在加載過程中缺乏對動載條件的有效調整，特別是不能改變動載荷頻率，無法進一步獲得深部“高靜載+循環動載”條件下煤巖石的力學特性。

中國專利文件CN106198227A公開了一種蓄能落錘式動靜組合加載試驗裝置，該試驗裝置用來研究沖擊動載作用下巖石瞬時破壞特征，無法獲得煤巖石試件在多次動載擾動條件下的力學演化特性。中國專利文件CN110031321B公開了一種動靜載疊加式巖石力學試驗機及試驗方法，該試驗機只能施加沖擊動載載荷，無法改變動載頻率的大?。涣硗猓姶盆F控制受電壓影響較大且要求有較大功率的直流電源，需要額外配置與之相應的試驗條件。中國專利文件CN102116720B公開了一種變頻變幅動態加載巖石力學試驗系統，該試驗機只能實現不同動載條件的施加，無法施加靜載荷；另外，該試驗機結構復雜，操作困難，所需配置成本較高。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機，結構簡單，設計合理，實現靜載以及不同頻率、強度動載的施加，為煤巖石在動靜組合載荷下的破壞機理提供理論依據。

本發明還提供上述變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機的試驗方法。

本發明的技術方案如下：

一種變頻變強度動靜組合加載巖石力學試驗機，包括頂梁、立柱、動載施加裝置、靜載施加裝置、監測裝置、底座、加載控制系統和信號采集裝置，其中，

頂梁通過立柱連接至底座，底座上設置靜載施加裝置，靜載施加裝置上方的頂梁上設置動載施加裝置，靜載施加裝置和動載施加裝置均連接至加載控制系統，試驗機上還設置有監測裝置，監測裝置連接至信號采集裝置。

優選的，動載施加裝置包括外殼、蓄能油缸、沖擊螺桿、引發裝置和旋轉控制器，蓄能油缸連接至頂梁，蓄能油缸輸出端外側設置外殼，外殼為鋼制筒狀結構，蓄能油缸輸出端連接沖擊螺桿，沖擊螺桿置于外殼內，沖擊螺桿連接引發裝置，引發裝置穿過外殼連接旋轉控制器，旋轉控制器連接至加載控制系統。

旋轉控制器可根據需求為傳動桿提供不同大小的轉動圓頻率，并通過傳動桿和齒輪作用在桿體上，實現加載底盤的軸向簡諧運動，軸向簡諧運動頻率f為：

f＝2π/ω

式中：ω為傳動桿的轉動圓頻率，單位為rad/s；

進一步優選的，沖擊螺桿包括蓄能彈簧、桿體和加載底盤，蓄能彈簧一端連接至蓄能油缸輸出端，蓄能彈簧另一端連接桿體，桿體連接至加載底盤，桿體表面豎向設置傳動螺紋，桿體通過傳動螺紋連接至引發裝置，蓄能油缸連接至加載控制系統。