技术摘要：
本发明公开了一种煤岩试样内部任意角度裂缝预制装置及方法，装置包括位置控制模块、角度调整模块、机械‑水力联合切割模块和激光测距模块，所述位置控制模块通过螺纹连接在角度调整模块的上端，所述机械‑水力联合切割模块通过螺纹接轴座与角度调整模块固定连接，所述  全部
背景技术：
近年来，随着深部地下工程的快速发展，对岩石力学、岩体力学、岩体动力学等研 究提出了更高的要求。现场实际中，煤岩体内部存在很多错综复杂的节理裂隙；此外，深部 地下工程中的冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出、突水等煤岩体动力灾害大多数都发生在断层 构造带附近。煤岩体力学实验研究已经从最初的不关心或较少关心煤岩试样内部结构与现 场实际吻合性逐渐发展并重视煤岩试样内部结构与现场实际的吻合性，即如何制备与现场 裂隙煤岩一致的试样已经成为煤岩试验力学的重要内容。 近年来，国内外大量学者开展了含预制裂缝的煤岩力学试验研究，例如，中国专利 CN202956300U公开了一种岩样裂纹预制装置，利用弧形夹具壁面上的预制裂纹型槽，通过 钻孔设备和钢丝绳在岩样上制造裂缝，但该装置仅适应于圆柱体试样，且预制的裂纹贯穿 到了试样表面，不是绝对的试样内部裂缝。中国专利CN209014352U公开了一种预制裂纹的 类岩石的制备模具，中国专利  CN206057056U公开了一种用于制作混凝土试块预制裂缝的 工具，中国专利  CN206812175U公开了一种预制矩形裂缝试块的模具装置，上述公开的一类 预制裂缝方法，是将钢板固定在模具上再浇筑混凝土，取出钢板后从而形成人造裂缝，裂缝 位置和角度不能任意控制。中国专利CN208133233U公开了一种角度可调的预制裂缝试块模 具，该模具通过限位块与不同卡槽的配合构成不同角度，一方面试块受到模具的限制只能 实现特定角度的调节，更重要的是该模具只能在现浇的混凝土等岩石模拟试样过程中预制 裂缝，不能在原岩试样上预制裂缝。上述各类预制裂缝方法很大程度上都受到试块模具的 限制，不能满足任意角度调节；最重要的是上述各类装置或方法都是在煤岩试样某一外侧 面或者贯通某一外侧面上制造裂缝，都不是绝对的在煤岩试样内部预制裂缝，只是针对特 定形状的试块制造特定角度和特定大小或范围的裂缝。 现有预制裂缝技术基本强调在制造模具时或在试块侧表面加工裂缝，既不能保证 裂缝成型为理想裂缝，也不能有效的结合现场实际模拟内部裂缝形态；弱化了对现有试块 从内部加工理想裂缝的问题。因此如何在煤岩试样内部预制特定位置、角度、方向和长度的 裂缝已经成为煤岩试验力学研究中急需解决的难题之一。
技术实现要素：
本发明的目的之一是提供一种煤岩试样内部任意角度裂缝预制装置，能在煤岩试 样内部预制特定位置、角度、方向和长度的裂缝。 本发明的目的之二是提供一种基于上述预制装置的煤岩试样内部任意角度裂缝 预制方法，操作简单。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种煤岩试样内部任意角度裂缝 4 CN 111595646 A 说　明　书 2/6 页 预制装置，包括位置控制模块、角度调整模块、机械-水力联合切割模块和激光测距模块； 所述位置控制模块通过螺纹连接在角度调整模块的上端，所述位置控制模块内周 向均匀间隔设置三个螺纹孔，每个螺纹孔下部分别连通一个滑动槽，所述滑动槽内安装有 稳固器，螺纹孔内转动配合有预紧螺栓，且预紧螺栓的下端与稳固器的上端固定，所述位置 控制模块外壁设置高度刻标，位置控制模块内部设置主动转轴，所述主动转轴内部轴向开 设有一贯穿的通液穿孔； 所述角度调整模块外部固定有转向底托和角度挡板，角度调整模块内部为球形空 腔，所述球形空腔加工出内外贯通的弧形滑道，所述球形空腔内部设置相互啮合的主动锥 形齿轮、独立锥形齿轮、被动锥形齿轮，所述角度调整模块内底部设置被动转轴，所述主动 锥形齿轮固定在所述主动转轴下端，所述独立锥形齿轮利用轴承构件固定在球形空腔内 部，所述被动锥形齿轮固定在所述被动转轴上端，所述被动转轴下端分别穿过弧形滑道和 转向底托后通过螺纹接轴座与所述机械-水力联合切割模块连接，所述角度调整模块外部 固定有转向底托，所述角度调整模块外壁设置角度刻标，所述主动锥形齿轮内部设置上部 导水通道，所述被动锥形齿轮和被动转轴内部设置下部导水通道，上部导水通道和下部导 水通道通过导水高压软管连接，且上部导水通道与所述通液穿孔连通； 所述机械-水力联合切割模块内部设置有两个一端开口的储水憋压腔，两个储水 憋压腔相互连通且开口方向相反，两个所述储水憋压腔的连通处开设有入水口，所述入水 口与所述下部导水通道连通，所述储水憋压腔内部设有复位弹簧和高压喷水刀齿，所述复 位弹簧的劲度系数为K1，所述高压喷水刀齿插入复位弹簧中并由开口伸出储水憋压腔，所 述高压喷水刀齿底部设有耐高压水射流型槽，所述耐高压水射流型槽内部设置顶塞弹簧、T 形挡水塞，所述挡水塞插入所述顶塞弹簧中，所述顶塞弹簧的劲度系数为K2，且K2大于K1，所 述耐高压水射流型槽连通高压喷水刀齿顶端的射流喷嘴，所述储水憋压腔靠近开口处的内 壁上还设有限位环； 所述激光测距模块包括激光测距传感器和激光测距接收器，所述激光测距传感器 设置在所述机械-水力联合切割模块内部，激光测距传感器与激光测距接收器电性连接。 优选的，所述稳固器包括连杆器、轴向位移杆、上部径向位移杆、下部径向位移杆 和抓壁方齿，所述连杆器上端插接所述预紧螺栓，连杆器下端插接所述轴向位移杆，所述轴 向位移杆的另一端与上部径向位移杆的一端通过活动铰接件连接，所述下部径向位移杆的 一端与滑动槽的底端通过固定铰接件连接，所述上部径向位移杆与下部径向位移杆共同活 动铰接所述抓壁方齿。 优选的，所述转向底托通过紧固螺丝固定在角度调整模块外侧。 优选的，所述螺纹接轴座内部设置密封垫一，所述耐高压水射流型槽内底部设置 密封垫二。 优选的，所述高压喷水刀齿底部外侧设置密封圈。 优选的，所述高压喷水刀齿顶部为半圆形刀头。 更优选的，所述刀头为硬质合金材料。 一种用于煤岩试样内部裂缝预制装置及方法，采用上述裂缝预制装置在煤岩内部 切割裂缝，其裂缝预制方法包括以下步骤： (a)明确所需裂缝预制长度、角度以及在煤岩试样的内部位置等信息，根据上述信 5 CN 111595646 A 说　明　书 3/6 页 息在煤岩试样上确定合适的钻孔位置、钻孔直径和深度，并利用钻机进行钻孔； (b)根据所要制作预制裂缝的角度，利用角度刻标调整转向底托使机械-  水力联 合切割模块至所需的角度，然后固定旋转底托； (c)将所述煤岩试样内部任意角度裂缝预制装置放入钻孔中，通过位置控制模块 外壁的高度刻标，调整预制装置在钻孔中的高度，使机械-水力联合切割模块满足预制裂缝 在试样内部的高度位置；旋拧预紧螺栓使抓壁方齿紧固抓靠钻孔内壁，将预制装置固定于 钻孔中； (d)利用水泵及耐高压水管连接通液穿孔，用电机连接主动转轴； (e)开启激光测距传感器与激光测距接收器，再依次开启电机和水泵，缓慢增加泵 水压力； (f)激光测距接收器实时接收激光测距传感器监测的裂缝长度数据，当裂缝长度 到达要求后，依次关闭水泵和电机，旋转预紧螺栓，使抓壁方齿收折，然后取出整体装置； (g)封堵钻孔壁上的预制裂缝，再对整个钻孔进行注浆填充封堵，经过养护使其与 煤岩试样形成统一整体。 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： (1)在转轴与齿轮内部设置水流通道，节约空间，导水高压软管与上下部导水通道 连接处可以实现密封且可转动，可防止拧结堵水。 (2)根据高度刻标可定位不同深度位置的预制裂纹，同时稳固器可将该深度位置 的裂缝预制装置固定于钻孔之中；所述稳固器可进行收折，通过调节安装在螺纹孔内的预 紧螺栓的拧进深度进而控制抓壁方齿的径向位移长度，以此来适应不同直径的钻孔，稳固 器中的连杆器可实现上部与螺栓插接且同步转动，下部插接轴向位移杆同步上升与下降， 有旋转连接的作用。 (3)角度调整模块中被动锥形齿轮与独立锥形齿轮之间活动啮合，被动转轴在转 向底托的带动下可沿弧形滑道移动，且以紧固螺丝为圆心，以角度刻标为度量进行90°范围 内的任意角度调节，通过旋拧紧固螺丝将转向底托固定于角度调整模块外侧，保持工作时 角度的稳定。 (4)在机械-水力联合切割模块中，采用的顶塞弹簧的劲度系数K2大于复位弹簧的 劲度系数K1，进而高压喷水刀齿在水力的作用下首先实现滑动外伸，此时高压喷水刀齿在 该模块旋转带动下进行裂缝预制切割作业，当岩石强度较大，刀齿无法进一步伸展，或刀齿 已经达到最大位移时，通过增加泵水压力，使水压力高于顶塞弹簧对挡水塞的压力，此时顶 塞弹簧被水力下压，进而挡水塞被打开，高压水通过射流喷嘴射出，此时水力切割开始工 作，因此该装置可以实现机械切割和水力切割联合作用。 (5)激光测距传感器与高压喷水刀齿同步转动，激光测距传感器监测方向为预制 裂缝的径向方向，属于同一平面，其旋转作用可实时监测裂缝的长度，遥控激光测距接收器 进行精确显示。 附图说明 图1为本发明所述煤岩内部任意角度裂缝预制装置部分剖面结构主视图； 图2为本发明所述位置控制模块俯视图； 6 CN 111595646 A 说　明　书 4/6 页 图3为本发明所述煤岩内部任意角度裂缝预制装置部分结构右视图； 图4为本发明所机械-水力联合切割模块剖面俯视图； 图5为本发明操作方法流程图； 图6为本发明所述预制裂缝方向与钻孔底部水平面30°夹角的实施图； 图中，1-位置控制模块，2-角度调整模块，3-机械-水力联合切割模块，4-螺纹孔， 5-滑动槽，6-稳固器，7-高度刻标，8-球形空腔，9-螺纹接轴座，10-主动转轴，11-通液穿孔， 12-主动锥形齿轮，13-独立锥形齿轮，14-被动锥形齿轮，  15-被动转轴，16-弧形滑道，17- 转向底托，18-紧固螺丝，19-上部导水通道，20-  下部导水通道，21-导水高压软管，22-储水 憋压腔，23-入水口，24-限位环，25- 复位弹簧，26-高压喷水刀齿，27-密封垫一，28-密封垫 二，29-顶塞弹簧，30-挡水塞，31-角度挡板，32-预紧螺栓，33-连杆器，34-轴向位移杆，35- 活动铰接件，  36-上部径向位移杆，37-下部径向位移杆，38-抓壁方齿，39-固定铰接件，40- 耐高压水射流型槽，41-射流喷嘴，42-刀头，43-激光测距传感器，44-激光测距接收器，45- 角度刻标，46-密封圈，47-轴承构件。