CN103698149A - 由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置 - Google Patents

Abstract

一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置属采矿技术领域。由气源泵、高压管、断流止回阀、高压四通管件、气压芯模、卸压排气阀可调压气压表组成，其中气源泵通过高压管与断流止回阀相连，断流止回阀的另一端与通过高压管与高压四通管连接，气压芯模、可调压气压表、排气卸压阀分别通过高压管与高压四通管另外三端连接；气源泵通过高压管向气压芯模供压，气流由断流止回阀控制进入，支护压力大小由可调压气压表控制，让压到一定压力值时，也可由调压气压表控制调节。本发明的装置可实现矿山压力及岩层控制的三维及平面相似材料模拟实验中巷道开挖后支护体的模拟，可对模拟的巷道围岩实施均压支护。

Description

由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置

技术领域

本发明属采矿技术领域，特别涉及一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置。

背景技术

相似材料模拟实验作为研究岩层移动变形规律、巷道支护效果的一种手段，它以相似理论为依据，用与煤岩、支护材料的力学性质相似的材料，按原型与模型间所需的相似准则做成模型，然后在模拟中开掘巷道或围岩支护，观察顶板岩层及围岩的变形、位移及破坏情况以及地表的沉陷情况，据此分析原型中所发生的情况，具有成本低、周期短、效率高、操作简便，直观性强，可以得利进行试验、观测方便以及可以人为控制研究因素，已发展成为岩层移动的围岩支护研究的一种重要、有效手段。

传统的相似模拟实验中的不能实现均压支护（均布载荷）和让压支护，特别是对于深部开采中圆形巷道的施加均压支护后的围岩破坏现象分析，受巷道形状，开掘空间的限制，往往采用在开展实验前装置在模型内部施加铅丝（或铁丝）+固体胶模拟均压支护体的方式，不能实现让压支护，不能准确反映实际巷道开挖过程中的先开挖后支护的工序，更不能模拟出深部开采条件下的圆形巷道围岩破坏变形规律。

发明内容

针对上述问题，本发明在开展深部开采条件下圆形巷道相似材料模拟实验的基础上，适合立体维相似材料模拟实验台及平面相似材料模拟实验台，针对圆形巷道如何施加均压（可让压）支护体、以及在均压支护及让压支护条件下巷道围岩变形破坏的问题而创造性地提出一种均压（可让压）支护相似材料模拟支护体结构。

本发明一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置，由气源泵、高压管、断流止回阀、高压四通管件、气压芯模、卸压排气阀可调压气压表组成，其中气源泵通过高压管与断流止回阀相连，断流止回阀的另一端与通过高压管与高压四通管连接，气压芯模、可调压气压表、排气卸压阀分别通过高压管与高压四通管另外三端连接；气源泵通过高压管向气压芯模供压，气流由断流止回阀控制进入，支护压力大小由可调压气压表控制，让压到一定压力值时，也可由调压气压表控制调节。

所述气压芯模主要是由橡胶与纤维加强层硫化而制成，即工程上所用的充气芯模，承受压力不小于0.5MPa，其形状和尺寸需要根据相似材料模拟实验台及模拟开挖的巷道的形状和尺寸而定。

工作时，将气压芯模放入开挖后的圆形巷道中，即可开展均压支护或让压支护实验工作。

均压支护工作时，由气源泵提供高压气源，装置开始工作前，开通断流止回阀、关闭卸压排气阀。高压气流通过高压和断流止回阀进入四通管后进入气压芯模、可调压气压表显示压力，达到或超过设计压力值后，停止气源泵，按气压芯模拟提供的均压支护压力，调节气压表调控阀门进行压力调节，达到设计压值即可开展相应的监测等工作。当实验完成后，通过卸压排气阀将气压芯模中的废气排出，完成实验工作内容。

让压支护工作时，按均压支护工作原理，调节气压表调控阀门，使气压芯模中的压力降低到所需的让压大小，即可开展相应监测工作。

本发明的装置可实现矿山压力及岩层控制的三维及平面相似材料模拟实验中巷道开挖后支护体的模拟，可对模拟的巷道围岩实施均压支护，可模拟支护阻力在0.5MPa以下的支护体。同时也可模拟支护体让压支护技术，即在现有支护阻力值下，降低支护阻力大小，观测研究支护体对围岩的支护效果。还具有使用简便，经济耐用，可以多次重复使用，未充气能柔软收缩，任意折叠、卷曲。

附图说明

图1为由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置主体结构图，其中1气源泵，2高压管，3断流止回阀，4高压四通管件，5气压芯模，6卸压排气阀，7可调压气压表；

图2为采用气压芯模支护模拟试验台，

图3 气压芯模支护下模型剖面图，

图4 顶板主应力变化曲线图，

图5底板主应力变化曲线。

具体实施方式

本发明实施例中所用所用气压芯模均在常熟市虞山镇东南橡胶制品厂定制，其中模体进气管采用2分铜标准件。

高压管采用台湾山耐斯PU气管，高压管两端接头采用2分铜标准件接头。

气源泵采用上海鼎威 V-0.12/8电动气泵。

断流止回阀采用空压机专用2分止回阀。

四通管采用2分铜标准件四通管。

卸压阀采用山耐斯QE-01型气动快排阀。

本发明一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置由气源泵1、高压管2、断流止回阀3、高压四通管件4、气压芯模5、卸压排气阀6可调压气压表7组成，其中气源泵1通过高压管2与断流止回阀3相连，断流止回阀3的另一端与通过高压管2与高压四通管4连接，气压芯模5、可调压气压表7、排气卸压阀6分别通过高压管2与高压四通管4另外三端连接；气源泵1通过高压管2向气压芯模5供压，气流由断流止回阀3控制进入，支护压力大小由可调压气压表7控制，让压到一定压力值时，也可由调压气压表7控制调节。

所述气压芯模主要是由橡胶与纤维加强层硫化而制成，即工程上所用的充气芯模，承受压力不小于0.5MPa，其形状和尺寸需要根据相似材料模拟实验台及模拟开挖的巷道的形状和尺寸而定。

工作时，将气压芯模5放入开挖后的圆形巷道中，即可开展均压支护或让压支护实验工作。

均压支护工作时，由气源泵1提供高压气源，装置开始工作前，开通断流止回阀3、关闭卸压排气阀6。高压气流通过高压管2和断流止回阀3进入高压四通管4后进入气压芯模5、可调压气压7表显示压力，达到或超过设计压力值后，停止气源泵1，按气压芯模5拟提供的均压支护压力，调节可调气压表7调控阀门进行压力调节，达到设计压值即可开展相应的监测等工作。当实验完成后，通过卸压排气阀6将气压芯模5中的废气排出，完成实验工作内容。

让压支护工作时，按均压支护工作原理，调节可调压气压表7调控阀门，使气压芯模5中的压力降低到所需的让压大小，即可开展相应监测工作。

本发明在地下工程综合模拟试验系统中进行了多台相似材料模拟试验，采用本装置进行了圆形巷道围岩支护体的均压支护及让压支护后围岩稳定性及支护效果研究。本装置在地下工程综合模拟试验系统中进行了多台相似材料模拟试验，采用本装置进行了圆形巷道围岩支护体的均压支护及让压支护后围岩稳定性及支护效果研究。

实施例1

在煤矿深部高应力巷道围岩破坏机理及其控制技术研究中，依据矿井的原始应力场特征、巷道所处的岩层赋存层理特征以及根据相似材料试验条件设计试验方案对三维模型进行分级加载，构建初始原岩应力场，分析巷道围岩的破坏特征及形态；分析巷道开挖过程及开挖后围岩应力分布特征及规律；分析不同支护压力及让压支护作用下巷道稳定状态。研究结果符合矿井实际情况，得到了预期效果。

均压支护实验：

    试验采用先加载后开挖的试验方法，同时考虑相似材料的压实压密需要一定的时间过程以及加载板的受力状态，以免出现测试元件及导线损坏，采用分级加载达到设计载荷。

初始应力场为水平应力大于垂直应力条件                                                

（模拟试验中规定巷道的开挖方向为X轴方向，即试验台前后加载面，左右方向为Y轴方向，即试验台左右加载面，上下方向为Z轴方向，即试验台上下加载面），水平应力为33.75 MPa，垂直应力为22.5MPa（开采深度为900m）。应力相似比为1：70，实际支护体的初始支护阻力为0.3 MPa，则气压芯模设置支护阻力为0.004 MPa。采用气压芯模支护模拟试验如图2所示，模拟剖面如图3所示。

以顶板测点的主应力变化曲线为例如图4所示，相应测点的主应力变化特征见表1。

表1 顶板测点主应力变化特征表

让压支护实验：

让压支护实验初始条件及相关参数与均压支护实验一致，区别在于改变支护体的支护阻力， 观测巷道围岩变形破坏情况。底板主应力变化曲线如图5所示，相应测点的主应力变化特征见表2。

表2 底板测点主应力变化特征表

    由试验结果可知：

    （1）巷道围岩的变形破坏是一个渐进的过程，是非连续的，初始的顶板破坏是后期围岩产生剪切滑移裂缝的前提，整个破坏过程同样可描述为：局部失稳破坏—产生剪切裂缝—裂缝急剧扩展交叉—巷道失稳破坏。

（2）不同的部位表现出不同的变形特征，差异显著。变形的起点始于顶底板位置处，随着应力的不断调整变化，裂缝数量增加，并巷道围岩深处不断扩展延伸。

（3）剪切滑移裂缝的位置在巷道距表面10cm（相当于实际范围3m）的范围内，并且裂缝呈对称形态分布，形态为与岩层覆存平行的椭圆状，每条剪切裂缝的间距平均在2cm左右，将围岩分割成明显的破裂区域，说明水平应力对巷道的变形破坏起了主导作用。

（4）巷道开挖后，施加及时支护能使围岩表面的应力状态得到有效改善，增加了深部围岩中的径向应力，减小了切向应力，从而减缓了应力集中程度，缩小了主应力差，从而使围岩最大限度的表现出三向受压状态下的围岩强度特征，有利于围岩自身承载结构的形成。

依据矿井的原始应力场特征、巷道所处的岩层赋存层理特征以及根据相似材料试验条件设计试验方案对三维模型进行分级加载，构建初始原岩应力场，分析巷道围岩的破坏特征及形态；分析巷道开挖过程及开挖后围岩应力分布特征及规律；分析不同支护压力及让压支护作用下巷道稳定状态。研究结果符合矿井实际情况，得到了预期效果。 

Claims (3)

1.一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置，其特征在于由气源泵、高压管、断流止回阀、高压四通管件、气压芯模、卸压排气阀可调压气压表组成，其中气源泵通过高压管与断流止回阀相连，断流止回阀的另一端与通过高压管与高压四通管连接，气压芯模、可调压气压表、排气卸压阀分别通过高压管与高压四通管另外三端连接；气源泵通过高压管向气压芯模供压，气流由断流止回阀控制进入，支护压力大小由可调压气压表控制，让压到一定压力值时，也可由调压气压表控制调节。

2.一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置，其特征在于所述气压芯模主要是由橡胶与纤维加强层硫化而制成，即工程上所用的充气芯模，承受压力不小于1MPa，其形状和尺寸需要根据相似材料模拟实验台及模拟开挖的巷道的形状和尺寸而定。

3.一种由气压芯模实现的均压和让压相似材料模拟支护体装置，其特征在于工作时，将气压芯模放入开挖后的圆形巷道中，即可开展均压支护或让压支护实验工作。

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