一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板

1.一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，主要包括承载柱(1)、承载环(2)、垂直应变片(4)、水平应变片(6)、导线(8)和底座(10)，其特征是：承载柱(1)位于正中部，沿着承载柱(1)外部的径向方向套有多个高度相等的承载环(2)，承载环（2）的上下端面都在同一水平面上，并且承载柱(1)和承载环(2)的中心轴线重合，承载环(2)的数目能够根据所测量岩石试样的尺寸而相应增减，相邻的承载环(2)之间有补偿空隙(3)，承载柱(1)和承载环(2)的中下部开有环向槽(5)，承载柱(1)和承载环(2)的环向槽(5)内均分布有水平应变片(6)和垂直应变片(4)，水平应变片(6)和垂直应变片(4)均成对分布，应变片均连接有导线(8)，承载环(2)的下部一侧开设有集线槽(7)，承载环(2)的最下端开有水平切槽(9)，集线槽(7)和水平切槽(9)在同一垂直面上，能够相互吻合将导线(8)输出，承载柱(1)和承载环(2)的底端安装有底座(10)。
2.根据权利要求1所述的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，其特征在于：所述的承载柱(1)的端面直径为0.5～3 cm，高度为10～15 cm，所述的承载环(2)的数量为6～10个，承载环(2)的环向端面厚度为0.7～1.5 cm，高度为10～15 cm，所述的补偿空隙(3)的宽度为2～4 mm，所述的底座(10)的直径为14～24 cm，高度为1～2 cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，其特征在于：所述的承载柱(1)和承载环(2)的外壁上开设的环向槽(5)深度为2 mm，用以布置全桥应变采集系统，所述的垂直应变片(4)和水平应变片(6)等间距的分布在环向槽(5)上，并且应变片均连接有导线(8)，将数据传出，所述的环向槽(5)的开槽高度为2～3 cm，集线槽(7)的开槽宽度和高度分别为5 mm和1～1.5 cm，水平切槽(9)的长度和高度分别为2～4 cm和
0.5～1 cm。
4.根据权利要求1所述的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，其特征在于：所述的导线(8)按照每个承载环(2)的标号依次连接在静态电阻应变采集系统上。

一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板\n技术领域\n[0001] 本发明涉及煤岩体端面应力的测试装置，特别涉及一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板。\n背景技术\n[0002] 在岩土工程和采矿工程领域，了解岩石或煤体的力学性能是进行后续工程的大前提之一，只有在充分掌握岩石各项力学参数之后，才能充分评估工程实施的可能性并对其进行指导。总所周知，岩石是具备天然缺陷的非均质物质，其各项力学指标需要将现场和实验室评估测试结合起来才能得到准确科学的界定。当前技术条件下对其力学性能的测试多在实验室开展进行，根据国际岩石力学学会达成的统一标准，其常见的测试方法有单轴压缩法、三轴压缩法、以及巴西劈裂法。其中单轴压缩试验多用于测定岩石试件在单轴压力条件下的轴向及径向（横向）应变值，并进一步计算出岩石的弹性模量和泊松比，操作简单，结果可靠，耗时较短，故单轴压缩试验在岩石力学性能测定方面的应用极为广泛并被国际同行认可。\n[0003] 近年来，声发射测试技术在岩石力学性能测定方面也扮演了重要的角色，声发射技术能较好地探测并反演岩石破坏过程中内部裂隙扩展、延伸、交汇的规律，其得出的规律可与单轴压缩实验得出的规律相互配合以提高测试结果的准确性，这些应用在岩石试件的内部损伤机制方面显得尤为重要和广泛。声发射测试技术和单轴压缩实验相互结合可以获知岩石试件破坏过程中的裂纹闭合应力阈值、起裂应力阈值、损伤扩容应力阈值以及峰值应力阈值，同时基于声发射具备损伤源定位的特点，这项技术可精准定位岩石试件内部破坏的起源位置和扩展轨迹。\n[0004] 然而，声发射技术和单轴压缩试验也受到一定的局限性。这种局限性主要表现在两方面：一是单轴压缩造成的应力集中，这种应力集中在岩石试件整个端面上都有所体现，但是主要集中在岩石试件的中心轴附件，从而造成端部应力的不均匀分布情形，而且在逼近峰值应力时，此处的应力甚至会高于试样原始单轴抗压强度，这大大干扰了岩石试样力学参数输出的精确性。主要原因是岩石试件的横向变形在很大程度上受试验机上下承压台的影响，尤其是上下端面。端面和承压台之间的轴向压力和横向摩阻力效应致使试件原本应体现出来的横向变形被限制，从而引发应力集中，这种应力集中越靠近试件轴部则体现地越为明显。第二个方面是对声发射的干扰，事实上合理的情形是：在单轴压缩实验的前期是很少有声发射试件被检测出来的。但是正是由于端面摩擦效应，端面上的岩石微颗粒与承压台之间将发生滚动、旋转和破碎，这些微小事件将被认为是岩石自身声发射信号并被捕获，从而在无形中严重干扰声发射检测的精确度。尤其是当有声发射定位需要时，前期探测的声发射源可能集中分布在上下端面位置，这对最终整体的声发射源定位将产生极大的误差干扰。\n[0005] 因此急需一种适应性强、技术效果好，能适应不同强度的岩石或者煤体，对试样尺寸要求比较宽泛，能够消除单轴压缩过程中试件端面效应并能够实现试件端面垂直应力的承压板\n发明内容\n[0006] 为了克服已有技术中存在的单轴压缩造成的应力集中，从而造成端部应力的不均匀分布情形，进而干扰了岩石试样力学参数输出的精确性，以及对声发射的干扰的不足，本发明提供了一种适应性强、技术效果好，能适应不同强度的岩石或者煤体，对试样尺寸要求比较宽泛，消除了单轴压缩过程中试件端面效应，并能够实现试件端面垂直应力的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板。\n[0007] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，主要包括承载柱、承载环、垂直应变片、水平应变片、导线和底座，承载柱位于正中部，沿着承载柱外部的径向方向套有多个高度相等的承载环，承载环的上下端面都在同一水平面上，并且承载柱和承载环的中心轴线重合，承载环的数目能够根据所测量岩石试样的尺寸而相应增减，相邻的承载环之间有补偿空隙，以适应试样端面在压缩过程中的横向变形，承载柱和承载环的中下部开有环向槽，承载柱和承载环的环向槽内均分布有水平应变片和垂直应变片，水平应变片和垂直应变片均成对分布，并且能够安装拆卸，便于更换，以保证每个应变片的有效性，应变片均连接有导线，能够将数据传出，承载环的下部一侧开设有集线槽，用于集中输出的导线，承载环的最下端开有水平切槽，集线槽和水平切槽在同一垂直面上，能够相互吻合将导线输出，承载柱和承载环的底端安装有底座；所述的承载柱的端面直径为0.5～3 cm，高度为10～15 cm，所述的承载环的数量为6～10个，承载环的环向端面厚度为0.7～1.5 cm，高度为10～15 cm，所述的补偿空隙的宽度为2～4 mm，所述的底座的直径为14～24 cm，高度为1～2 cm；所述的承载柱和承载环的外壁上开设的环向槽深度为2 mm，用以布置全桥应变采集系统，所述的垂直应变片和水平应变片等间距的分布在环向槽上，并且应变片均连接有导线，将数据传出，所述的环向槽的开槽高度为2～3 cm，集线槽的开槽宽度和高度分别为5 mm和1～1.5 cm，水平切槽的长度和高度分别为\n2～4 cm和0.5～1 cm；导线按照每个承载环的标号依次连接在静态电阻应变采集系统上。\n[0008] 本发明的有益效果：与传统单轴压缩实验中所采用的封闭式承压板相比较，本发明提出的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板具有诸多的优点：第一，本发明提出的承压板避免了端面效应，传统岩石试样受压过程中受到的端面摩阻效应被消除，由于各承载环之间补偿空隙对横向应变的补偿作用，试样上各个位置的横向变形将不再被束缚而变得较为自由；第二，岩石试样受压过程中端面各个位置的垂直应力都可以得到有效采集，基于此并可绘制出端面垂直应力分布云图，这在传统单轴压缩实验中是不可能实现的，这种端面垂直应力的绘制对于煤矿现场中遗留的各种煤柱或沿空留巷充填墙体的应力研究有着极为重要的指导性意义；第三，由于消除了端面的摩阻效应，在岩石试验中使得高精度同步采集声发射信号得以实现，尤其是在在初始裂隙萌发、扩展阶段，虽然各个承载环在空间布置上彼此独立，但是在适应岩石试样横向变形方面彼此协调，有效避免了由于端面摩擦而引发的干扰性声发射信号。\n[0009] 总体而言，本发明提出的一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板适应性强、技术效果好，能适应不同强度的岩石或者煤体，对试样尺寸要求比较宽泛，可以为标准圆柱形试样，也可以为立方体试样，消除了单轴压缩过程中试件端面效应，并能够实现试件端面垂直应力，能够提供一种更为精准的岩石力学测试方案，从而为现场工程实践做出指导性评价。\n附图说明\n[0010] 图1为本发明纵剖面示意图；\n[0011] 图中1.承载柱，2.承载环，3.补偿空隙，4.垂直应变片，5.环向槽，6.水平应变片，\n7.集线槽，8.导线，9.水平切槽，10.底座。\n具体实施方式\n[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：一种实时采集煤岩体端面各点垂直应力的承压板，主要包括承载柱1、承载环2、垂直应变片4、水平应变片6、导线8和底座10，承载柱\n1位于正中部，沿着承载柱1外部的径向方向套有多个高度相等的承载环2，承载环2的上下端面都在同一水平面上，并且承载柱1和承载环2的中心轴线重合，承载环2的数目能够根据所测量岩石试样的尺寸而相应增减，相邻的承载环2之间有补偿空隙3，以适应试样端面在压缩过程中的横向变形，承载柱1和承载环2的中下部开有环向槽5，承载柱1和承载环2的环向槽5内均分布有水平应变片6和垂直应变片4，水平应变片6和垂直应变片4均成对分布，并且能够安装拆卸，便于更换，以保证每个应变片的有效性，应变片均连接有导线8，能够将数据传出，承载环2的下部一侧开设有集线槽7，用于集中输出的导线8，承载环2的最下端开有水平切槽9，集线槽7和水平切槽9在同一垂直面上，能够相互吻合将导线8输出，承载柱1和承载环2的底端安装有底座10；\n[0013] 所述的承载柱1的端面直径为0.5～3 cm，高度为10～15 cm，所述的承载环2的数量为6～10个，承载环2的环向端面厚度为0.7～1.5 cm，高度为10～15 cm，所述的补偿空隙\n3的宽度为2～4 mm，所述的底座10的直径为14～24 cm，高度为1～2 cm；\n[0014] 所述的承载柱1和承载环2的外壁上开设的环向槽5深度为2 mm，用以布置全桥应变采集系统，所述的垂直应变片4和水平应变片6等间距的分布在环向槽5上，并且应变片均连接有导线8，将数据传出，所述的环向槽5的开槽高度为2～3 cm，集线槽7的开槽宽度和高度分别为5 mm和1～1.5 cm，水平切槽9的长度和高度分别为2～4 cm和0.5～1 cm；\n[0015] 导线8按照每个承载环2的标号依次连接在静态电阻应变采集系统上。\n[0016] 使用方法：将完成连线后的承压板放置在伺服试验机原始承压板上，而后在本发明提出的承压板上端面上放置一块铝制薄片以防止试样压碎后的碎屑洒落进补偿空隙3中；放置岩石试样于本发明提出的承压板之上，同时在岩石试样上端面涂抹凡士林和硬脂酸混合物（质量比1:1）以消除试样上端面和试验机上承压台端面之间的摩阻效应；针对静态电阻应变采集系统采集到的数据和伺服试验机处理系统采集到的数据进行校正分析，主要是为了消除本发明承压板的竖向应变干扰。岩石试样端面的任一处的端面垂直应力等同于与该处接触的承载环2上的应力，即：σ=Eε0 0，其中E0为本发明承压板的弹性模量，ε0由应变采集系统得出。但是岩石试样的应变则不等同于伺服试验机处理系统采集到的应变，伺服试验机侦测到的位移变化由两个部分构成，第一个的来自与岩石试样，第二个是来自本发明承压板上应变片采集到的位移变化，则岩石试样的应变算例为：\n[0017]  （其中∆h为伺服试验机侦测到的位移变化，h0为承载柱1或承载环2的高度，h为岩石试样的高度）。