CN103745646A - 一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，包括心轴、钢珠、传力管和支护管；所述传力管在横向上为若干片传力管片拼接而成的传力管圈，所述传力管在纵向是由多段传力管圈首尾串接组成；所述传力管套设在心轴的外围，在所述心轴与传力管之间设有钢珠；在所述传力管的外圈设有支护管，所述支护管在横向上为整体闭合的支护管片，所述支护管在纵向上是由多段支护管片搭接组成。本发明既能模拟多种断面形状巷道的多步开挖与支护过程，又能最大限度地减小施工对围岩的附加扰动，有利于针对开挖卸载及支护对围岩稳定性的影响进行准确研究。

Description

一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置

技术领域

本发明涉及一种地下岩土工程模拟试验技术，尤其适用于煤矿巷道等地下空间模型开挖与支护的模拟试验装置。

背景技术

在地下岩土工程模拟试验研究中，不仅要对巷道等地下空间进行建模，而且要合理模拟其开挖与支护过程。

目前模拟巷道工程的方法主要有两种：预埋法和非预埋法。预埋法是指用非相似材料制作巷道模型，用相似材料模拟巷道围岩，铺设模型时首先在巷道开挖位置固定好预制的巷道模型，然后用相似材料充满巷道周围的剩余空间以模拟围岩，采用取出巷道模型的方法来模拟巷道开挖。非预埋法是首先用相似材料将整个试验模型铺设好，然后用人工或机械方法在巷道位置进行模拟开挖。

非预埋法在形式上更符合工程实际，但也存在明显不足。由于国家对爆破器材的严格管制，而且常见的爆破器材在尺寸和做功能力方面都很难满足模拟试验的相似条件，难以实现对巷道爆破开挖过程的模拟；此外，由于开挖过程会对围岩造成明显的附加扰动（由爆破震动等非卸载因素引起的扰动），因而难以专门针对开挖卸载效应进行研究。预埋法虽然在形式上与工程实际存在一定差异，但相对于非预埋法它具有显著优点。首先，无论哪种巷道形状，“开挖”出的断面形状和尺寸都较规整和精确；其次，通过调整巷道模型取出的速度可以模拟不同开挖方式，比如采用较低的取出速度模拟机械开挖，而采用较高的取出速度模拟爆破开挖并能避免爆炸震动对围岩的附加作用。

然而，目前的预埋法往往只能模拟单次开挖而不能模拟多步开挖过程；而且由于巷道模型与围岩之间的摩擦力较大，在撤去巷道模型的过程中必然对围岩造成较大的附加扰动，不利于研究单纯卸载对围岩稳定性的影响。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，既能模拟多种断面形状巷道的多步开挖与支护过程，又能最大限度地减小施工对围岩的附加扰动，有利于针对开挖卸载及支护对围岩稳定性的影响进行准确研究。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，包括心轴、钢珠、传力管和支护管；所述传力管在横向上为若干片传力管片拼接而成的传力管圈，所述传力管在纵向是由多段传力管圈首尾串接组成，且每段传力管圈的长度为一个循环进尺的距离；所述传力管套设在心轴的外围，在所述心轴与传力管之间设有钢珠；紧贴所述传力管的外圈设有支护管，所述支护管在横向上为整体闭合的支护管片，所述支护管在纵向上是由多段支护管片搭接组成，且每段支护管片的长度为一个循环进尺的距离；所述心轴的右端套接在挡环上，所述心轴的左端固定安装有挡块，使钢珠静止位于心轴与传力管之间。

所述传力管和支护管沿巷道轴向分为多个管段，每一段的长度等于开挖循环进尺，当心轴每次沿巷道掘进方向撤出一个管段的距离时，由于该段传力管在横向上为若干片传力管片拼接而成的传力管圈，所以该传力管圈随即解体，此时该段支护管对围岩发挥支护作用，实现一次开挖与支护循环的模拟。如此重复即可很好地再现巷道的多步开挖与及时支护过程。

更进一步的，所述钢珠由套圈连成若干组呈环状的钢珠圈设置在所述心轴与传力管之间；在心轴的四周开设若干沿轴向延展的弧形凹槽，所述每个钢珠圈沿轴向排列安放在弧形凹槽上，既能保证钢珠能沿轴向顺畅滚动又有利于径向传力的稳定。

更进一步的，所述传力管和支护管在横向上的形状为圆形、半圆拱形或矩形，便于模拟多种断面形状的巷道。无需更换心轴、钢珠及其套圈，只需改变传力管片和支护管片的结构即可制成不同断面形状的巷道模型。

更进一步的，所述挡块通过螺钉固定于心轴的左端。

有益效果：（1）本发明很好地再现多种断面形状巷道的开挖与及时支护过程；（2）通过多段传力管圈的分步解体和多段支护管片的分步支护，再现了巷道的多步开挖与及时支护的试验过程；（3）心轴与传力管之间的钢珠运动，可以大大减小开挖过程对围岩的附加扰动，使得开挖卸载过程对围岩的附加扰动小，便于针对开挖的卸载效应进行专门研究。

附图说明

附图1为本发明的主视图。

附图2为本发明的左视图。

附图3为本发明的I-I剖视图。

附图4为本发明的Ⅱ-Ⅱ剖视图。

附图5为本发明设计的三种断面形状的巷道模型横断面图。

附图6为本发明多步开挖与支护过程的模拟试验示意图。

具体实施例

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1、2、3和4所示，一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，包括心轴4、钢珠3、传力管和支护管；所述传力管在横向上为若干片传力管片2拼接而成的传力管圈，本发明中优选每个传力管圈由五片传力管片2构成，所述传力管在纵向是由多段传力管圈首尾串接组成的，且每段传力管圈的长度为一个循环进尺的距离；所述传力管套设在心轴4的外围，在所述心轴4与传力管之间设有钢珠3；紧贴所述传力管的外圈设有支护管，所述支护管在横向上为整体闭合的支护管片1，所述支护管在纵向上是由多段支护管片1搭接组成，且每段支护管片1的长度为一个循环进尺的距离。

所述心轴4的右端套接固定在挡环5上，所述心轴4的左端固定安装有挡块7。右端挡环5与心轴4之间为螺纹连接，左端挡块7通过螺钉8固定于心轴4的左端，右端挡环5和左端挡块7的作用是在模拟巷道开挖之前将钢珠3静止限定于心轴4与传力管之间。模拟巷道开挖时，先拆去左端挡块7，然后以一定速度将心轴4从右端抽出一个开挖循环进尺的距离，相应范围内由传力管片2拼接成的传力管由于失去内部钢珠的支撑而随即解体，同时对应位置的支护管片1开始凭借其自身强度发挥支护作用，从而实现一步开挖与支护过程的模拟试验。

为研究开挖卸载对围岩力学特性及其演化规律的影响，往往需要消除卸载以外的因素（如爆破振动）对围岩的影响。所述钢珠3由套圈6连成若干组呈环状的钢珠圈，整齐设置在所述心轴4与传力管之间，相邻两钢珠圈之间相互独立。在心轴4的四周开设若干沿轴向延展的弧形凹槽，所述每个钢珠圈沿轴向排列安放在弧形凹槽上，并可以在弧形凹槽上轻易的滚动。由于本发明在撤去巷道模型的过程中，心轴4与传力管之间的相对运动是由钢珠3的滚动引起的，所以相对于滑动运动可以大大减小开挖过程对围岩的附加扰动，从而便于针对开挖的卸载效应进行专门研究。

如附图5所示，图中给出了所述传力管和支护管在横向上的形状为圆形、半圆拱形和矩形三种典型形状的巷道，据此图原理可以模拟多种断面形状的巷道。在无需更换心轴4、钢珠3及其套圈6，只需改变传力管片2和支护管片1的结构的情况下，即可制成不同断面形状的巷道模型。所述传力管和支护管在横向上的形状还可以为其他形状。

利用本发明装置制作试验模型时，将本试验装置固定于试验台架的预定开挖部位，并用岩体相似材料充满本巷道模型试验装置周围剩余的台架空间并按设计要求进行夯实与加载。进行模拟开挖与支护的试验过程如图6所示，首先在开挖前卸下本巷道模型试验装置左端的螺钉8和挡块7，然后通过牵引装置使心轴4以一定速度往右移动一个开挖循环进尺的距离，完成第一步开挖卸载与支护的试验，之后根据时间相似比间隔一定时间再次使心轴4往右移动相同距离，完成第二步开挖与支护、第三步……，不断循环重复该过程直至心轴4被完全拔出，实现多步开挖卸载与支护的试验。在此过程中，可从试验装置的左端及时取出解体的传力管片2和失去支撑的钢珠3，以避免其对数据采集造成干扰。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，其特征在于：包括心轴（4）、钢珠（3）、传力管和支护管；所述传力管在横向上为若干片传力管片（2）拼接而成的传力管圈，所述传力管在纵向是由多段传力管圈首尾串接组成，且每段传力管圈的长度为一个循环进尺的距离；所述传力管套设在心轴（4）的外围，在所述心轴（4）与传力管之间设有钢珠（3）；紧贴所述传力管的外圈设有支护管，所述支护管在横向上为整体闭合的支护管片（1），所述支护管在纵向上是由多段支护管片（1）搭接组成，且每段支护管片（1）的长度为一个循环进尺的距离；所述心轴（4）的右端套接在挡环（5）上，所述心轴（4）的左端固定安装有挡块（7），使钢珠（3）静止位于心轴（4）与传力管之间。

2.根据权利要求1所述一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，其特征在于：所述钢珠（3）由套圈（6）连成若干组呈环状的钢珠圈设置在所述心轴（4）与传力管之间。

3.根据权利要求2所述一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，其特征在于：在心轴（4）的四周开设若干沿轴向延展的弧形凹槽，所述每个钢珠圈轴向排列安放在弧形凹槽上。

4.根据权利要求1所述一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，其特征在于：所述传力管和支护管在横向上的形状为圆形、半圆拱形或矩形。

5.根据权利要求1所述一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，其特征在于：所述挡块（7）通过螺钉（8）固定于心轴（4）的左端。

Images