CN115452620A - 一种多方位落锤式动载冲击试验方法 - Google Patents

Abstract

一种多方位落锤式动载冲击试验方法，包括以下步骤：（一）、设计组装一种多方位落锤式动载冲击试验机，其包括试件测试装置、竖向重锤冲击装置、侧向重锤冲击装置和计算机控制***；（二）、采集巷道围岩不同范围内的煤块、岩块；（三）、制作煤岩试件；（四）、调整竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置的试验初始状态；（五）、将煤岩试件放入试件测试装置中；（六）、分别操控竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置进行动载冲击试验。本发明能够对不同煤岩组合的煤岩试件进行冲击能扰动试验，模拟不同煤岩组合结构在深部环境中受扰动后的变形破坏特征及吸能耗能程度，可以缩短试验周期、缩小试验对象范围、提高试验研究精度。

Description

一种多方位落锤式动载冲击试验方法

技术领域

本发明涉及地下工程动载冲击试验领域，具体的说，涉及一种多方位落锤式动载冲击试验方法。

背景技术

目前我国正逐步向深地发展，无论是煤矿开采还是隧道开挖，都面临着高地压、高地温、高渗透压及强烈扰动等因素影响。而在深部开采过程中，除极大静压载荷作用下，还存在危险系数较大的动压载荷。动载不仅可以降低巷道（隧道）围岩稳定性，还能够对巷道（隧道）造成冲击破坏，引发重大伤亡事故，因此对于深部开采环境，动压载荷是影响地下空间工程的主要原因之一。目前针对深部开采环境，对动压载荷发生机理、扰动因素、防治方法等方面已经进行了大量的研究和试验，并取得了一定的成果，但由于动载发生机理复杂，扰动形式多样，因此还需要进行深层次的理论分析和试验研究，才能设计出更有效的防治方法，进一步保证地下工程建筑的稳定性和完整性。

在对动载扰动冲击的研究过程中，实验室实验是主要的研究方法之一。目前在已有的动载冲击试验中，大部分都是以巷道为最小单元，模拟巷道单元在实际地层中受到动载扰动后的位移、应力及能量变化趋势，并从中探索变化规律从而找到相应的防治方法，这一类试验方法具有高还原度、高符合度等优势，但存在试验周期长、研究对象不明确、动载耗散机理因素众多等不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种多方位落锤式动载冲击试验方法，本发明能够对不同煤岩组合的煤岩试件进行冲击能扰动试验，模拟不同煤岩组合结构在深部环境中受扰动后的变形破坏特征及吸能耗能程度，可以缩短试验周期、缩小试验对象范围、提高试验研究精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多方位落锤式动载冲击试验方法，包括以下步骤：

（一）、设计组装一种多方位落锤式动载冲击试验机，该多方位落锤式动载冲击试验机包括试件测试装置、竖向重锤冲击装置、侧向重锤冲击装置和计算机控制***；

（二）、采集巷道围岩不同范围内的煤块、岩块；

（三）、制作煤岩试件；

（四）、根据试验条件确定试验参数，并对应调整竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置的试验初始状态；

（五）、将试件测试装置按照试验要求进行固定，将煤岩试件放入试件测试装置中；

（六）、分别操控竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置进行动载冲击试验，通过计算机控制***记录动载冲击试验的参数并计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度。

该多方位落锤式动载冲击试验机还包括底座和试验架，试验架固定安装在底座上，试验架在底座上的投影面积小于底座的面积，试件测试装置左右滑动设置在底座的上表面中部，竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置均安装在试验架上，计算机控制***分别与试件测试装置、竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置信号连接。

试验架包括四根竖直支柱，底座为刚性钢板，竖直支柱为刚性工字钢，四根竖直支柱的下端焊接固定在底座的上表面四周，位于前侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于后侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿左右方向水平设置的第一支撑梁，位于左侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于右侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿前后方向水平设置的第二支撑梁，第一支撑梁和第二支撑梁均为钢梁，两根第一支撑梁的相对侧面中部均沿左右方向开设有第一长槽滑道。

试件测试装置包括试件放置器、移动平台和冲击能量传导杆，试件放置器为由钢性材质制成且上侧敞口的圆筒结构，煤岩试件为圆柱形标准试件，煤岩试件的外径与试件放置器的内径相同，煤岩试件的高度小于试件放置器的高度，试件放置器内底部设置有传感监测单元，传感监测单元内置有应力传感器、能量传感器和位移传感器，煤岩试件同中心放置在试件放置器内，煤岩试件的底部与传感监测单元紧压接触，底座的上表面中部设置有两条前后间隔的第二长槽滑道，第二长槽滑道沿左右方向设置，移动平台的底部四周设置有滚动在两条第二长槽滑道中且带刹车机构的滚轮，试件放置器放置在移动平台的上部，移动平台的前侧面和后侧面的右侧部均设有螺纹盲孔，试件放置器放置在移动平台的上部，冲击能量传导杆竖向设置，冲击能量传导杆的下端固定连接有传导块，传导块为圆盘结构或上细下粗的圆台结构，传导块同中心***到试件放置器内，冲击能量传导杆的上端伸出试件放置器，传导块的最大外径与试件放置器的内径相同，传导块的底部与煤岩试件的顶部贴合接触，其中一根竖直立柱的下侧部固定设置有与试件放置器顶部同高的重锤测速仪，计算机控制***分别与应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪信号连接。

竖向重锤冲击装置包括第一水平滑板、限高固定杆、第一重锤、起吊钢丝和起吊电机，第一水平滑板水平滑动连接在两根第一支撑梁之间，第一水平滑板的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道中，第一水平滑板的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道中且带轴承限位器的第一轴承，限高固定杆为竖向设置且类似于伞杆结构的中空伸缩杆，限高固定杆的上端固定连接在第一水平滑板的下表面中部，第一水平滑板的中部沿左右方向开设有L型钢丝通道孔，L型钢丝通道孔的水平孔沿左右方向水平设置，L型钢丝通道孔的水平孔左端与其竖直孔的上端连通，L型钢丝通道孔的水平孔右端位于第一水平滑板的右侧面中部，L型钢丝通道孔的竖直孔与限高固定杆上下正对应，L型钢丝通道孔的竖直孔下端位于第一水平滑板的下表面中部并与限高固定杆的上端口正对应，第一重锤设置在限高固定杆的正下方，第一重锤的上表面设置有吊环，起吊电机通过电机支架固定安装在右侧的两根竖直立柱的中间右上侧且低于第一水平滑板，右侧的两根竖直立柱的之间还通过轮架转动安装有位于起吊电机上方的定滑轮，起吊钢丝的一端缠绕固定连接在起吊电机的卷线盘上，起吊钢丝的另一端从起吊电机的卷线盘上放出向上绕过定滑轮的上部水平向左折弯，起吊钢丝的另一端再依次穿过L型钢丝通道孔和限高固定杆的中心孔后与吊环固定连接，计算机控制***与起吊电机信号连接。

侧向重锤冲击装置包括第二水平滑板、铰支杆、侧向摆动冲击连杆和第二重锤，第二水平滑板水平滑动连接在两根第一支撑梁之间且位于第一水平滑板的左侧，第二水平滑板的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道中，第二水平滑板的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道中且带轴承限位器的第二轴承，铰支杆竖向设置，铰支杆的上端固定连接在第二水平滑板的下表面中部，侧向摆动冲击连杆为长条中空杆，侧向摆动冲击连杆的上端通过一根沿前后方向水平设置的螺栓/销轴与铰支杆的下端铰接，侧向摆动冲击连杆的下端与第二重锤的上表面中部铰接，侧向摆动冲击连杆与铰支杆的长度之和大于试件放置器与第二水平滑板之间的距离并小于移动平台与第二水平滑板之间的距离，侧向摆动冲击连杆上铰接有搭扣，左侧的第二支撑梁中部下侧固定设置有与搭扣匹配卡接的卡勾，侧向摆动冲击连杆向左上摆动至水平时，搭扣可匹配卡接在卡勾上。

步骤（三）具体为：利用岩石取芯机、磨平机等实验室基本设备，制作煤岩试件，煤岩试件为尺寸大小为50mm×100mm的圆柱形标准试件，煤岩试件可以为纯煤、纯岩、煤岩组合等不同形式的圆柱形标准试件。

步骤（四）具体为：试验条件分为竖向动载冲击条件和侧向动载冲击条件，当进行竖向动载冲击试验时，根据竖向动载冲击条件，通过计算机控制***控制起吊电机转动，起吊电机通过起吊钢丝将第一重锤升降至合适高度，第一重锤的最高高度由限高固定杆确定，第一重锤提升至目标高度后起吊电机停止并锁死，进而使第一重锤高度固定，达到合适竖向冲击载荷的目的；当进行侧向动载冲击试验时，将第二重锤向左上摆动升起至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆和第二重锤固定，根据侧向动载冲击条件更换不同质量的第二重锤以达到合适侧向冲击载荷的目的；

其中，第一重锤、第二重锤提供的冲击力可以根据重锤质量、下落高度等计算得出。

步骤（五）具体为：确定好第一重锤、第二重锤的高度后，将第一水平滑板、第二水平滑板分别移动至中间合适位置，并通过轴承限位器使各个第一轴承和各个第二轴承固定在相应第一长槽滑道中，使第一水平滑板和第二水平滑板固定，再将移动平台带动试件放置器沿着两条第二长槽滑道移动至第一重锤、第二重锤下落处后通过刹车机构进行固定，保持第一重锤、第二重锤中心与试件放置器中心保持在一条直线上，再将煤岩试件放入试件放置器中，煤岩试件底部与传感监测单元紧压接触，之后，将冲击能量传导杆的下端的传导块对应***到试件放置器内，传导块的底部与煤岩试件的顶部贴合接触。

步骤（六）具体为：当进行竖向冲击载荷试验时，启动计算机控制***，保证整个试验设备性能完好，保证第一重锤、冲击能量传导杆和煤岩试件在上下同一直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪，通过计算机控制***启动起吊电机，使起吊电机的卷线盘释放起吊钢丝，使第一重锤自由下落，则第一重锤向下冲击撞击冲击能量传导杆的上端，第一重锤产生的竖向冲击载荷便经冲击能量传导杆传递至煤岩试件，不同煤岩试件耗散的冲击能量不同，计算机控制***通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度；当进行侧向冲击载荷试验时，手动将第二重锤向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆和第二重锤固定，转换试件放置器的方向，使煤岩试件及试件放置器横放，使试件放置器的敞口侧朝左设置，再将一块挡板沿前后方向竖直设置在移动平台上右侧部，挡板的底部前侧和后侧均设有带螺纹孔的底板，使用螺栓穿过螺纹孔拧入对应的螺纹盲孔中进而将挡板固定连接在移动平台上，再将试件放置器的底部与挡板抵压接触，保持铰支杆、冲击能量传导杆在一条直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪，手动松开第二重锤，使第二重锤向右下摆动自由下落，第二重锤撞击冲击能量传导杆的左端，第二重锤产生的侧向冲击载荷经冲击能量传导杆传递至煤岩试件，不同煤岩试件耗散的冲击能量不同，计算机控制***通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度；试验完成后，启动起吊电机，使起吊电机的卷线盘收卷起吊钢丝，使起吊钢丝将第一重锤提升至最高位置，起吊电机停止将卷线盘锁死固定，手动将第二重锤向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置并固定，更换不同煤岩试件即可进行多组不同的落锤动载冲击试验；通过应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪记录的数据对不同煤岩试件的能量耗散程度进行分析对比，为在实验室实现利用复合煤岩差异特征耗散冲击地压提供研究方法。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明通过第一重锤和第二重锤自由下落提供的冲击力分别对煤岩试件进行竖向动载冲击试验和侧向动载冲击试验，不同煤岩组合的煤岩试件会产生不同程度的能量耗散，因此可以通过本发明对比分析不同煤岩试件的能量耗散情况，达到利用煤岩差异性耗散冲击地压进而实现防治冲击地压的目的。进行竖向冲击载荷试验或侧向冲击载荷试验时，首先根据动载冲击能量大小分别对应调节第一重锤、第二重锤的高度，将煤岩试件放入试件放置器中，再将冲击能量传导杆***试件放置器中并顶压煤岩试件上部，保证第一重锤或第二重锤的中心、冲击能量传导杆及煤岩试件中心位于同一直线上，通过计算机控制***开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪，使第一重锤或第二重锤自由下落，分别记录第一重锤或第二重锤接触冲击能量传导杆前的临界速度、冲击能量经煤岩试件耗散后得到的剩余应力、剩余能量等相关参数，通过分析这些参数的差异从而对比分析不同煤岩组合结构对冲击载荷的耗散程度，为利用煤岩结构差异性防治冲击地压提供试验数据及研究手段。

本发明优势在于，可以在同一试验机上进行竖向冲击载荷和侧向冲击载荷试验，试验准备周期短、无需耗费大量人力物力进行铺设实验模型，以制作成圆柱形标准试件的煤岩试件即可进行试验，可以缩小研究范围，缩短试验研究周期，并提高对煤岩体耗能的研究精度和研究效率。在实验过程中，根据模拟条件只需将第一重锤、第二重锤提升至合适高度或更换不同质量第一重锤、第二重锤，启动计算机控制***，即可完成不同煤岩试件的动载冲击试验，试验操作简单，能够完成动载冲击试验的大多数试验项目。

附图说明

图1是本发明的多方位落锤式动载冲击试验机的主视图。

图2是本发明的多方位落锤式动载冲击试验机的右视图。

图3是本发明的多方位落锤式动载冲击试验机的俯视图。

图4是本发明的试件测试装置的结构示意图。

图5是本发明的竖向重锤冲击装置与试件测试装置装配示意图。

图6是本发明的侧向重锤冲击装置与试件测试装置装配示意图。

图7是本发明的试件测试装置的右视图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-7所示，一种多方位落锤式动载冲击试验方法，包括以下步骤：

（一）、设计组装一种多方位落锤式动载冲击试验机，该多方位落锤式动载冲击试验机包括试件测试装置、竖向重锤冲击装置、侧向重锤冲击装置和计算机控制***1；

（二）、采集巷道围岩不同范围内的煤块、岩块；

（三）、制作煤岩试件2；

（四）、根据试验条件确定试验参数，并对应调整竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置的试验初始状态；

（五）、将试件测试装置按照试验要求进行固定，将煤岩试件2放入试件测试装置中；

（六）、分别操控竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置进行动载冲击试验，通过计算机控制***1记录动载冲击试验的参数并计算得出不同煤岩试件2的能量耗散情况和程度。

该多方位落锤式动载冲击试验机还包括底座3和试验架，试验架固定安装在底座3上，试验架在底座3上的投影面积小于底座3的面积，试件测试装置左右滑动设置在底座3的上表面中部，竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置均安装在试验架上，计算机控制***1分别与试件测试装置、竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置信号连接。

试验架包括四根竖直支柱4，底座3为刚性钢板，竖直支柱4为刚性工字钢，四根竖直支柱4的下端焊接固定在底座3的上表面四周，位于前侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于后侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿左右方向水平设置的第一支撑梁5，位于左侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于右侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿前后方向水平设置的第二支撑梁6，第一支撑梁5和第二支撑梁6均为钢梁，两根第一支撑梁5的相对侧面中部均沿左右方向开设有第一长槽滑道7。

试件测试装置包括试件放置器8、移动平台9和冲击能量传导杆10，试件放置器8为由钢性材质制成且上侧敞口的圆筒结构，煤岩试件2为圆柱形标准试件，煤岩试件2的外径与试件放置器8的内径相同，煤岩试件2的高度小于试件放置器8的高度，试件放置器8内底部设置有传感监测单元11，传感监测单元11内置有应力传感器、能量传感器和位移传感器，煤岩试件2同中心放置在试件放置器8内，煤岩试件2的底部与传感监测单元11紧压接触底座3的上表面中部设置有两条前后间隔的第二长槽滑道，第二长槽滑道沿左右方向设置，移动平台9的底部四周设置有滚动在两条第二长槽滑道中且带刹车机构（现有技术）的滚轮（图未示），试件放置器8放置在移动平台9的上部，移动平台的上表面右侧部设有两个前后间隔的螺纹盲孔（图未示），冲击能量传导杆10竖向设置，冲击能量传导杆10的下端固定连接有传导块25，传导块25为圆盘结构或上细下粗的圆台结构，传导块25同中心***到试件放置器8内，冲击能量传导杆10的上端伸出试件放置器8，传导块25的最大外径与试件放置器8的内径相同，传导块25的底部与煤岩试件2的顶部贴合接触，其中一根竖直立柱的下侧部固定设置有与试件放置器8顶部同高的重锤测速仪12，计算机控制***1分别与应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12信号连接。

竖向重锤冲击装置包括第一水平滑板13、限高固定杆14、第一重锤15、起吊钢丝16和起吊电机17，第一水平滑板13水平滑动连接在两根第一支撑梁5之间，第一水平滑板13的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道7中，第一水平滑板13的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道7中且带轴承限位器26（现有技术）的第一轴承18，限高固定杆14为竖向设置且类似于伞杆结构的中空伸缩杆，限高固定杆14的上端固定连接在第一水平滑板13的下表面中部，第一水平滑板13的中部沿左右方向开设有L型钢丝通道孔，L型钢丝通道孔的水平孔沿左右方向水平设置，L型钢丝通道孔的水平孔左端与其竖直孔的上端连通，L型钢丝通道孔的水平孔右端位于第一水平滑板13的右侧面中部，L型钢丝通道孔的竖直孔与限高固定杆14上下正对应，L型钢丝通道孔的竖直孔下端位于第一水平滑板13的下表面中部并与限高固定杆14的上端口正对应，第一重锤15设置在限高固定杆14的正下方，第一重锤15的上表面设置有吊环，起吊电机17通过电机支架（图未示）固定安装在右侧的两根竖直立柱的中间右上侧且低于第一水平滑板13，右侧的两根竖直立柱的之间还通过轮架（图未示）转动安装有位于起吊电机17上方的定滑轮19，起吊钢丝16的一端缠绕固定连接在起吊电机17的卷线盘上，起吊钢丝16的另一端从起吊电机17的卷线盘上放出向上绕过定滑轮19的上部水平向左折弯，起吊钢丝16的另一端再依次穿过L型钢丝通道孔和限高固定杆14的中心孔后与吊环固定连接，计算机控制***1与起吊电机17信号连接。

侧向重锤冲击装置包括第二水平滑板20、铰支杆21、侧向摆动冲击连杆22和第二重锤23，第二水平滑板20水平滑动连接在两根第一支撑梁5之间且位于第一水平滑板13的左侧，第二水平滑板20的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道7中，第二水平滑板20的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道7中且带轴承限位器26的第二轴承24，铰支杆21竖向设置，铰支杆21的上端固定连接在第二水平滑板20的下表面中部，侧向摆动冲击连杆22为长条中空杆，侧向摆动冲击连杆22的上端通过一根沿前后方向水平设置的螺栓/销轴与铰支杆21的下端铰接，侧向摆动冲击连杆22的下端与第二重锤23的上表面中部铰接，侧向摆动冲击连杆22与铰支杆21的长度之和大于试件放置器8与第二水平滑板20之间的距离并小于移动平台9与第二水平滑板20之间的距离，侧向摆动冲击连杆22上铰接有搭扣，左侧的第二支撑梁6中部下侧固定设置有与搭扣匹配卡接的卡勾，侧向摆动冲击连杆22向左上摆动至水平时，搭扣可匹配卡接在卡勾上。搭扣和卡勾均是常规设置，图未示出。

步骤（三）具体为：利用岩石取芯机、磨平机等实验室基本设备，制作煤岩试件2，煤岩试件2为尺寸大小为50mm×100mm的圆柱形标准试件，煤岩试件2可以为纯煤、纯岩、煤岩组合等不同形式的圆柱形标准试件。

步骤（四）具体为：试验条件分为竖向动载冲击条件和侧向动载冲击条件，当进行竖向动载冲击试验时，根据竖向动载冲击条件，通过计算机控制***1控制起吊电机17转动，起吊电机17通过起吊钢丝16将第一重锤15升降至合适高度，第一重锤15的最高高度由限高固定杆14确定，第一重锤15提升至目标高度后起吊电机17停止并锁死，进而使第一重锤15高度固定，达到合适竖向冲击载荷的目的；当进行侧向动载冲击试验时，将第二重锤23向左上摆动升起至侧向摆动冲击连杆22与第一支撑梁5平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆22和第二重锤23固定，根据侧向动载冲击条件更换不同质量的第二重锤23以达到合适侧向冲击载荷的目的；

其中，第一重锤15、第二重锤23提供的冲击力可以根据重锤质量、下落高度等计算得出。

步骤（五）具体为：确定好第一重锤15、第二重锤23的高度后，将第一水平滑板13、第二水平滑板20分别移动至中间合适位置，并通过轴承限位器26使各个第一轴承18和各个第二轴承24固定在相应第一长槽滑道7中，使第一水平滑板13和第二水平滑板20固定，再将移动平台9带动试件放置器8沿着两条第二长槽滑道移动至第一重锤15、第二重锤23下落处后通过刹车机构进行固定，保持第一重锤15、第二重锤23中心与试件放置器8中心保持在一条直线上，再将煤岩试件2放入试件放置器8中，煤岩试件2底部与传感监测单元11紧压接触，之后，将冲击能量传导杆10的下端的传导块25对应***到试件放置器8内，传导块25的底部与煤岩试件2的顶部贴合接触。

步骤（六）具体为：当进行竖向冲击载荷试验时，启动计算机控制***1，保证整个试验设备性能完好，保证第一重锤15、冲击能量传导杆10和煤岩试件2在上下同一直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12，通过计算机控制***1启动起吊电机17，使起吊电机17的卷线盘释放起吊钢丝16，使第一重锤15自由下落，则第一重锤15向下冲击撞击冲击能量传导杆10的上端，第一重锤15产生的竖向冲击载荷便经冲击能量传导杆10传递至煤岩试件2，不同煤岩试件2耗散的冲击能量不同，计算机控制***1通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件2的能量耗散情况和程度；当进行侧向冲击载荷试验时，手动将第二重锤23向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆22与第一支撑梁5平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆22和第二重锤23固定，转换试件放置器8的方向，使煤岩试件2及试件放置器8横放，使试件放置器8的敞口侧朝左设置，再将一块挡板55沿前后方向竖直设置在移动平台9上右侧部，挡板55的底部前侧和后侧均设有带螺纹孔的底板，使用螺栓穿过螺纹孔拧入对应的螺纹盲孔中进而将挡板55固定连接在移动平台9上，再将试件放置器8的底部与挡板抵压接触，保持铰支杆21、冲击能量传导杆10在一条直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12，手动松开第二重锤23，使第二重锤23向右下摆动自由下落，第二重锤23撞击冲击能量传导杆10的左端，第二重锤23产生的侧向冲击载荷经冲击能量传导杆10传递至煤岩试件2，不同煤岩试件2耗散的冲击能量不同，计算机控制***1通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件2的能量耗散情况和程度；试验完成后，启动起吊电机17，使起吊电机17的卷线盘收卷起吊钢丝16，使起吊钢丝16将第一重锤15提升至最高位置，起吊电机17停止将卷线盘锁死固定，手动将第二重锤23向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆22与第一支撑梁5平行位置并固定，更换不同煤岩试件2即可进行多组不同的落锤动载冲击试验；通过应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12记录的数据对不同煤岩试件2的能量耗散程度进行分析对比，为在实验室实现利用复合煤岩差异特征耗散冲击地压提供研究方法。

计算机控制***1、起吊电机17、应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12均是常规技术，具体构造和工作原理不再赘述，其中，计算机控制***1为实验室所用的电脑，内置有动载冲击试验所用的常规试验***（常规的参数处理软件），不涉及新的计算机程序，属于本领域常规技术。

本发明通过第一重锤15和第二重锤23自由下落提供的冲击力分别对煤岩试件2进行竖向动载冲击试验和侧向动载冲击试验，不同煤岩组合的煤岩试件2会产生不同程度的能量耗散，因此可以通过本发明对比分析不同煤岩试件2的能量耗散情况，达到利用煤岩差异性耗散冲击地压进而实现防治冲击地压的目的。进行竖向冲击载荷试验或侧向冲击载荷试验时，首先根据动载冲击能量大小分别对应调节第一重锤15、第二重锤23的高度，将煤岩试件2放入试件放置器8中，再将冲击能量传导杆10***试件放置器8中并顶压煤岩试件2上部，保证第一重锤15或第二重锤23的中心、冲击能量传导杆10及煤岩试件2中心位于同一直线上，通过计算机控制***1开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪12，使第一重锤15或第二重锤23自由下落，分别记录第一重锤15或第二重锤23接触冲击能量传导杆10前的临界速度、冲击能量经煤岩试件2耗散后得到的剩余应力、剩余能量等相关参数，通过分析这些参数的差异从而对比分析不同煤岩组合结构对冲击载荷的耗散程度，为利用煤岩结构差异性防治冲击地压提供试验数据及研究手段。

本发明优势在于，可以在同一试验机上进行竖向冲击载荷和侧向冲击载荷试验，试验准备周期短、无需耗费大量人力物力进行铺设实验模型，以制作成圆柱形标准试件的煤岩试件2即可进行试验，可以缩小研究范围，缩短试验研究周期，并提高对煤岩体耗能的研究精度和研究效率。在实验过程中，根据模拟条件只需将第一重锤15、第二重锤23提升至合适高度或更换不同质量第一重锤15、第二重锤23，启动计算机控制***1，即可完成不同煤岩试件2的动载冲击试验，试验操作简单，能够完成动载冲击试验的大多数试验项目。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（一）、设计组装一种多方位落锤式动载冲击试验机，该多方位落锤式动载冲击试验机包括试件测试装置、竖向重锤冲击装置、侧向重锤冲击装置和计算机控制***；

（二）、采集巷道围岩不同范围内的煤块、岩块；

（三）、制作煤岩试件；

（四）、根据试验条件确定试验参数，并对应调整竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置的试验初始状态；

（五）、将试件测试装置按照试验要求进行固定，将煤岩试件放入试件测试装置中；

（六）、分别操控竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置进行动载冲击试验，通过计算机控制***记录动载冲击试验的参数并计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度。

2.根据权利要求1所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：该多方位落锤式动载冲击试验机还包括底座和试验架，试验架固定安装在底座上，试验架在底座上的投影面积小于底座的面积，试件测试装置左右滑动设置在底座的上表面中部，竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置均安装在试验架上，计算机控制***分别与试件测试装置、竖向重锤冲击装置和侧向重锤冲击装置信号连接。

3.根据权利要求2所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：试验架包括四根竖直支柱，底座为刚性钢板，竖直支柱为刚性工字钢，四根竖直支柱的下端焊接固定在底座的上表面四周，位于前侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于后侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿左右方向水平设置的第一支撑梁，位于左侧的两根竖直立柱的上侧部之间以及位于右侧的两根竖直立柱的上侧部之间均固定连接有一根沿前后方向水平设置的第二支撑梁，第一支撑梁和第二支撑梁均为钢梁，两根第一支撑梁的相对侧面中部均沿左右方向开设有第一长槽滑道。

4.根据权利要求3所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：试件测试装置包括试件放置器、移动平台和冲击能量传导杆，试件放置器为由钢性材质制成且上侧敞口的圆筒结构，煤岩试件为圆柱形标准试件，煤岩试件的外径与试件放置器的内径相同，煤岩试件的高度小于试件放置器的高度，试件放置器内底部设置有传感监测单元，传感监测单元内置有应力传感器、能量传感器和位移传感器，煤岩试件同中心放置在试件放置器内，煤岩试件的底部与传感监测单元紧压接触，底座的上表面中部设置有两条前后间隔的第二长槽滑道，第二长槽滑道沿左右方向设置，移动平台的底部四周设置有滚动在两条第二长槽滑道中且带刹车机构的滚轮，试件放置器放置在移动平台的上部，移动平台的前侧面和后侧面的右侧部均设有螺纹盲孔，试件放置器放置在移动平台的上部，冲击能量传导杆竖向设置，冲击能量传导杆的下端固定连接有传导块，传导块为圆盘结构或上细下粗的圆台结构，传导块同中心***到试件放置器内，冲击能量传导杆的上端伸出试件放置器，传导块的最大外径与试件放置器的内径相同，传导块的底部与煤岩试件的顶部贴合接触，其中一根竖直立柱的下侧部固定设置有与试件放置器顶部同高的重锤测速仪，计算机控制***分别与应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪信号连接。

5.根据权利要求4所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：竖向重锤冲击装置包括第一水平滑板、限高固定杆、第一重锤、起吊钢丝和起吊电机，第一水平滑板水平滑动连接在两根第一支撑梁之间，第一水平滑板的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道中，第一水平滑板的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道中且带轴承限位器的第一轴承，限高固定杆为竖向设置且类似于伞杆结构的中空伸缩杆，限高固定杆的上端固定连接在第一水平滑板的下表面中部，第一水平滑板的中部沿左右方向开设有L型钢丝通道孔，L型钢丝通道孔的水平孔沿左右方向水平设置，L型钢丝通道孔的水平孔左端与其竖直孔的上端连通，L型钢丝通道孔的水平孔右端位于第一水平滑板的右侧面中部，L型钢丝通道孔的竖直孔与限高固定杆上下正对应，L型钢丝通道孔的竖直孔下端位于第一水平滑板的下表面中部并与限高固定杆的上端口正对应，第一重锤设置在限高固定杆的正下方，第一重锤的上表面设置有吊环，起吊电机通过电机支架固定安装在右侧的两根竖直立柱的中间右上侧且低于第一水平滑板，右侧的两根竖直立柱的之间还通过轮架转动安装有位于起吊电机上方的定滑轮，起吊钢丝的一端缠绕固定连接在起吊电机的卷线盘上，起吊钢丝的另一端从起吊电机的卷线盘上放出向上绕过定滑轮的上部水平向左折弯，起吊钢丝的另一端再依次穿过L型钢丝通道孔和限高固定杆的中心孔后与吊环固定连接，计算机控制***与起吊电机信号连接。

6.根据权利要求5所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：侧向重锤冲击装置包括第二水平滑板、铰支杆、侧向摆动冲击连杆和第二重锤，第二水平滑板水平滑动连接在两根第一支撑梁之间且位于第一水平滑板的左侧，第二水平滑板的左右两侧分别对应滑动设置在两个第一长槽滑道中，第二水平滑板的四角均固定设置有滑动嵌设在相应第一长槽滑道中且带轴承限位器的第二轴承，铰支杆竖向设置，铰支杆的上端固定连接在第二水平滑板的下表面中部，侧向摆动冲击连杆为长条中空杆，侧向摆动冲击连杆的上端通过一根沿前后方向水平设置的螺栓/销轴与铰支杆的下端铰接，侧向摆动冲击连杆的下端与第二重锤的上表面中部铰接，侧向摆动冲击连杆与铰支杆的长度之和大于试件放置器与第二水平滑板之间的距离并小于移动平台与第二水平滑板之间的距离，侧向摆动冲击连杆上铰接有搭扣，左侧的第二支撑梁中部下侧固定设置有与搭扣匹配卡接的卡勾，侧向摆动冲击连杆向左上摆动至水平时，搭扣可匹配卡接在卡勾上。

7.根据权利要求6所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：步骤（三）具体为：利用岩石取芯机、磨平机等实验室基本设备，制作煤岩试件，煤岩试件为尺寸大小为50mm×100mm的圆柱形标准试件，煤岩试件可以为纯煤、纯岩、煤岩组合等不同形式的圆柱形标准试件。

8.根据权利要求7所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：步骤（四）具体为：试验条件分为竖向动载冲击条件和侧向动载冲击条件，当进行竖向动载冲击试验时，根据竖向动载冲击条件，通过计算机控制***控制起吊电机转动，起吊电机通过起吊钢丝将第一重锤升降至合适高度，第一重锤的最高高度由限高固定杆确定，第一重锤提升至目标高度后起吊电机停止并锁死，进而使第一重锤高度固定，达到合适竖向冲击载荷的目的；当进行侧向动载冲击试验时，将第二重锤向左上摆动升起至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆和第二重锤固定，根据侧向动载冲击条件更换不同质量的第二重锤以达到合适侧向冲击载荷的目的；

其中，第一重锤、第二重锤提供的冲击力可以根据重锤质量、下落高度等计算得出。

9.根据权利要求8所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：步骤（五）具体为：确定好第一重锤、第二重锤的高度后，将第一水平滑板、第二水平滑板分别移动至中间合适位置，并通过轴承限位器使各个第一轴承和各个第二轴承固定在相应第一长槽滑道中，使第一水平滑板和第二水平滑板固定，再将移动平台带动试件放置器沿着两条第二长槽滑道移动至第一重锤、第二重锤下落处后通过刹车机构进行固定，保持第一重锤、第二重锤中心与试件放置器中心保持在一条直线上，再将煤岩试件放入试件放置器中，煤岩试件底部与传感监测单元紧压接触，之后，将冲击能量传导杆的下端的传导块对应***到试件放置器内，传导块的底部与煤岩试件的顶部贴合接触。

10.根据权利要求9所述的多方位落锤式动载冲击试验方法，其特征在于：步骤（六）具体为：当进行竖向冲击载荷试验时，启动计算机控制***，保证整个试验设备性能完好，保证第一重锤、冲击能量传导杆和煤岩试件在上下同一直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪，通过计算机控制***启动起吊电机，使起吊电机的卷线盘释放起吊钢丝，使第一重锤自由下落，则第一重锤向下冲击撞击冲击能量传导杆的上端，第一重锤产生的竖向冲击载荷便经冲击能量传导杆传递至煤岩试件，不同煤岩试件耗散的冲击能量不同，计算机控制***通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度；当进行侧向冲击载荷试验时，手动将第二重锤向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置，将搭扣匹配卡接在卡勾上，使侧向摆动冲击连杆和第二重锤固定，转换试件放置器的方向，使煤岩试件及试件放置器横放，使试件放置器的敞口侧朝左设置，再将一块挡板沿前后方向竖直设置在移动平台上右侧部，挡板的底部前侧和后侧均设有带螺纹孔的底板，使用螺栓穿过螺纹孔拧入对应的螺纹盲孔中进而将挡板固定连接在移动平台上，再将试件放置器的底部与挡板抵压接触，保持铰支杆、冲击能量传导杆在一条直线上，开启应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪，手动松开第二重锤，使第二重锤向右下摆动自由下落，第二重锤撞击冲击能量传导杆的左端，第二重锤产生的侧向冲击载荷经冲击能量传导杆传递至煤岩试件，不同煤岩试件耗散的冲击能量不同，计算机控制***通过应力传感器、能量传感器和位移传感器记录冲击能量剩余情况，从而可以计算得出不同煤岩试件的能量耗散情况和程度；试验完成后，启动起吊电机，使起吊电机的卷线盘收卷起吊钢丝，使起吊钢丝将第一重锤提升至最高位置，起吊电机停止将卷线盘锁死固定，手动将第二重锤向左上摆动提升至侧向摆动冲击连杆与第一支撑梁平行位置并固定，更换不同煤岩试件即可进行多组不同的落锤动载冲击试验；通过应力传感器、能量传感器、位移传感器和重锤测速仪记录的数据对不同煤岩试件的能量耗散程度进行分析对比，为在实验室实现利用复合煤岩差异特征耗散冲击地压提供研究方法。

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