CN103983756A - 深部巷道围岩破裂模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种深部巷道围岩破裂模拟装置，该装置包括：纵向加载系统、水平加载系统、模型承载框架；其中，模型承载框架用于放置待测模型；纵向加载系统包括：纵控加载器、纵控下压板、纵控下传力板；其中，待测模型位于所述纵控下传力板的上表面上；纵向加载器用于通过所述纵控下传力板向所述待测模型施加竖直方向的作用力；水平加载系统包括：多个侧向均布加载器、多个侧向传力板；其中，侧向均布加载器用于通过所述侧向传力板向所述待测模型施加水平方向的作用力；多个侧向传力板依次围设在待测模型的多个侧面外侧。本发明提供的装置，通过模拟地下的地质应力环境，获取数据进行分析，从而实现对深部巷道围岩破裂机理进行研究分析。

Description

深部巷道围岩破裂模拟装置

技术领域

本发明涉及采矿技术，尤其涉及一种深部巷道围岩破裂模拟装置。

背景技术

随着煤炭的开采，浅层煤层的存储量和开采量越来越少，当前正在加速向深部煤层进行开采。类似地，大型水利枢纽工程、大规模的交通类工程都涉及到深埋巷道和隧道，深部巷道开挖已成为现实。随着开挖深度的增大，巷道围岩破坏失稳等工程事故不断增多，遇到了高地应力条件下岩体稳定性等难题，为了研究这些难题以避免事故，需要对深部巷道围岩破裂机理进行研究。

现有技术中，对深部巷道围岩破裂机理的研究主要采用理论分析、数值模拟等方法。

但是，采用现有技术这些基于理论数据进行分析的很难与实际工程结合。

发明内容

本发明提供一种深部巷道围岩破裂模拟装置，用于对深部巷道围岩破裂机理进行研究。

第一方面，本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置，包括：纵向加载系统、水平加载系统、模型承载框架；其中，所述模型承载框架用于放置待测模型；

所述纵向加载系统包括：纵控加载器、纵控下压板、纵控下传力板；其中，所述待测模型位于所述纵控下传力板的上表面上；所述纵向加载器用于通过所述纵控下传力板向所述待测模型施加竖直方向的作用力；所述纵控下压板位于所述纵控加载器的上方，所述纵控加载器在向待测模型施加竖直方向的作用力时与所述纵控下压板的下表面接触；

所述水平加载系统包括：多个侧向均布加载器、多个侧向传力板；其中，所述侧向均布加载器用于通过所述侧向传力板向所述待测模型施加水平方向的作用力；所述多个侧向传力板依次围设在所述待测模型的多个侧面外侧。

本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置，通过纵向加载系统向待测模型施加竖直方向作用力，通过水平加载系统向待测模型施加水平方向作用力，来模拟地下的地质应力环境，通过模拟获取的数据进行分析，来实现对深部巷道围岩破裂机理进行研究，尽量避免事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置实施例一的侧视结构示意图；

图2为本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置实施例二的俯视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置实施例一的侧视结构示意图；图2为本发明提供的深部巷道围岩破裂模拟装置实施例二的俯视结构示意图。如图1所示，该示意图左侧为透视显示，即可以看到装置的内部结构，右侧则是外部结构示意图，左侧和右侧为对称结构；类似地，图2中左侧为透视显示，可以看到装置的内部结构，右侧则是外部结构示意图，左侧和右侧为对称结构。

该深部巷道围岩破裂模拟装置包括：纵向加载系统、水平加载系统以及模型承载框架。其中模型承载框架用于放置待测模型12。

如图1所示，纵向加载系统具体包括：纵控加载器26、纵控下压板23、纵控下传力板17。

其中，上述待测模型12位于纵控下传力板17的上表面上，纵控加载器26用于通过纵控下传力板17向待测模型12施加竖直方向的作用力。

纵控下压板23卡合在模型承载框架上，位于纵控加载器26的上方，纵控加载器26在向待测模型12施加竖直方向的作用力时与纵控下压板的下表面接触。整个装置中，纵控下压板23的个数与纵控加载器26的个数相同，相应地，纵控下压板23面积与对应的纵控加载器26的上表面面积相同。该纵控下传力板17与上述待测模型12的下表面接触，该纵控加载器26可以为油缸，通过油缸来提供作用力，并通过纵控下传力板17将作用力作用在待测模型12上，使待测模型12收到纵向作用力。一般地，待测模型12为长方体或正方体，该装置可以包含4个纵控加载器26，分别作用于待测模型12下表面的4个角。当纵控加载器26为油缸时，纵控下压板23面积与油缸的活塞上表面的面积相同，具体实现时，油缸的活塞上表面可以为凸面，纵控下压板23可以为与油缸活塞上表面切合的凹面。

具体地，上述水平加载系统包括：多个侧向均布加载器15、多个侧向传力板14。侧向均布加载器15，用于通过侧向传力板14向上述待测模型12施加水平方向的作用力。另外，上述多个侧向传力板14依次围设在上述待测模型的多个侧面外侧，侧向传力板14的个数与上述待测模型12的侧面数量一样，一般地，待测模型12可以为长方体，则有4个侧向传力板依次围设在长方体待测模型12的4个侧面上。每个侧面可以设置多个侧向均布加载器15，该侧向均布加载器15可以是油缸或千斤顶，例如可以在每个侧面设置24个千斤顶，通过对应的侧向传力板14向待测模型施加水平方向的作用力。

具体地，如图1所示，上述模型承载框架包括：模型就位板21、模型托板19和就位板支撑柱28。其中，模型托板19卡合在模型就位板21的凹槽中，调整好位置后通过模型定位板18卡紧，并采用模型托板支撑螺钉25进行固定支撑。模型托板19位于上述纵控下传力板17的下方，用于支撑待测模型12，待测模型12位于模型托板19上方，具体连接时，上述纵控下压板23卡合在模型托板19的凹槽内。就位板支撑柱28连接在模型就位板21下方，用于支撑模型就位板21；具体地，该装置一共有4个就位支撑柱28，分布在所述模型就位板21的4个角。就位支撑柱28通过就位支撑柱调整杆24与模型就位板21进行连接，该就位支撑柱调整杆24可以是一个螺栓，螺栓的一端与就位支撑柱28连接，螺栓的另一端插入模型就位板21上带螺纹的通孔中，可以根据需要转动就位支撑柱调整杆24来调整就位支撑柱28的长短。

另外，根据具体模拟需求，该待测模型12可以由水泥或其他材质构成。

进一步地，该模型承载框架还可以包括：废料导出管29，该废料导出管29为空心通管，穿过模型托板19以及纵控下传力板17上预留的通孔，用于将模拟实验过程中产生的废料导出。即实验中通过施加作用力使待测模型破裂后产生的废料可以通过废料导出管29导出。

具体实现过程中，上述装置还包括纵向承载系统，用于承载上述纵向加载系统产生的反作用力。参照图1，该纵向承载系统包括：纵向拉杆1、第一上承载梁6、第二上承载梁7、第一下承载梁31、第二下承载梁32、纵控加载器座板27、纵控下中心支柱30、纵控下中心支座33、底板34。

纵向拉杆1依次竖直穿过上述第一上承载梁6、第二上承载梁7、第一下承载梁31、第二下承载梁32上对应的通孔。具体地，上述装置中，第一上承载梁6的4个角上有4个通孔，第二上承载梁7的4个角上有4个通孔，第一下承载梁31的4个角上有4个通孔，第二下承载梁32的4个角上也有4个通孔，且第一上承载梁6、第二上承载梁7、第一下承载梁31、第二下承载梁32上的4个通孔相对应。如图2所示，该装置有4个对称的纵向拉杆1，这4个纵向拉杆1依次竖直穿过第一上承载梁6、第二上承载梁7、第一下承载梁31、第二下承载梁32上对应的4个通孔，并使用螺母36、螺母38、螺母2进行固定。其中螺母2和第一上承载梁6之间包括垫板3，螺母38和第二下承载梁32之间包括垫板39。螺母38与螺母2是同型号螺母。

纵控加载器座板27通过螺钉固定在第一下承载梁31上，纵控加载器26固定在纵控加载器座板27上；纵控下中心支柱30固定在纵控下中心支座33上，用于和第一下承载梁31一起支撑纵控加载器26；纵控下中心支座33固定在底板34上，第一下承载梁31和纵控下中心支柱30一起承受纵控加载器26产生的反作用力。具体实验过程中，可以将地脚螺栓35穿过底板34上的通孔，将底板34固定在地面上，从而将整个深部巷道围岩破裂模拟装置固定在地面上。

参照图1、图2，上述纵向承载系统还可以包括：纵控上中心压块5、纵控芯板9、第一纵控芯压板4、第二纵控芯压板8、纵控上压板10、纵控减摩板11。

进一步地，上述纵控上压板10、纵控芯板9、纵控上中心压块5安装在纵控减摩板11的上表面上，纵控减摩板11位于待测模型12的上表面上，纵控减摩板11用于减少待测模型和其它部件之间的摩擦，以便模拟结果更加准确。第二纵控芯压板8通过螺钉固定在上述纵控上压板10上，第一纵控芯压板4通过螺钉固定在上述第二纵控芯压板8和纵控上中心压块5上，参照图2，具体模拟过程中，第一纵控芯压板4相当于一个盖子，可以通过拆卸固定螺钉将第一纵控芯压板4打开，这样就可以通过并采用工具对待测模型12进行钻孔，然后采用纵向加载系统和水平加载系统对钻孔后的待测模型施加作用力，可以分别测出钻孔前和钻孔后的相关数据进行对比。

更进一步地，上述装置还可以包括水平承载系统，用于承受上述水平加载系统产生的反作用力。参照图1、图2，水平承载系统具体包括：水平承载框架20、承载框架支撑柱16，该承载框架支撑柱16穿过水平承载框架20上的通孔，并通过螺母22固定在水平承载框架20上。如图2所示，该水平承载框架20为整个装置的空心圆柱外壳，参照图1，上述侧向均布加载器15的底座通过螺钉固定在水平承载框架20的内壁上。螺母22与螺母36为同型号螺母。

水平承载系统还可以包括：侧向减摩板13，该侧向减摩板13位于上述侧向传力板14的内侧，与待测模型12接触，用于减少待测模型和其它部件之间的摩擦，以便模拟结果更加准确。

具体模拟过程中，可以通过纵向加载系统向待测模型12施加竖直方向的作用力，并获取待测模型12破裂时所施加的竖直方向作用力的大小；可以通过水平加载系统向待测模型12施加水平作用力，并获取待测模型破裂时所施加的水平方向作用力的大小；还可以同时施加竖直方向和水平方向的作用力，并获取待测模型12破裂时竖直方向作用力的大小以及水平方向作用力的大小，并根据这些数据进行分析。还可以通过拆卸固定螺钉将第一纵控芯压板4打开，并采用工具对待测模型12进行钻孔，然后通过纵向加载系统向钻孔后的待测模型12施加竖直方向的作用力、通过水平加载系统对钻孔后的待测模型12施加水平方向的作用力，以测出待测模型破裂时水平方向作用力的大小和/或竖直方向作用力的大小，再进一步根据钻孔前和钻孔后的相关数据进行对比分析。需要说明的是，本发明提供的装置中，纵向加载系统和水平加载系统相互独立。

进行模拟实验前竖直方向上需要将4个纵向拉杆的力矩调整为一致，以使模拟实验过程中纵向承载系统受力均匀。

另外，参照图1，优选地，该装置的高为2600mm，直径为2500mm。

本发明提供的装置产生的作用力压强可以达到20MPa，可以用于模拟地下1000米附近的地质应力环境。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种深部巷道围岩破裂模拟装置，其特征在于，包括：纵向加载系统、水平加载系统、模型承载框架；其中，所述模型承载框架用于放置待测模型；

所述纵向加载系统包括：纵控加载器、纵控下压板、纵控下传力板；其中，所述待测模型位于所述纵控下传力板的上表面上；所述纵向加载器用于通过所述纵控下传力板向所述待测模型施加竖直方向的作用力；所述纵控下压板位于所述纵控加载器的上方，所述纵控加载器在向待测模型施加竖直方向的作用力时与所述纵控下压板的下表面接触；

所述水平加载系统包括：多个侧向均布加载器、多个侧向传力板；其中，所述侧向均布加载器用于通过所述侧向传力板向所述待测模型施加水平方向的作用力；所述多个侧向传力板依次围设在所述待测模型的多个侧面外侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型承载框架包括：

模型就位板、模型托板、就位板支撑柱、就位支撑柱调整杆；

所述模型托板卡合在所述模型就位板的凹槽中，用于支撑所述待测模型；

所述就位板支撑柱通过就位支撑柱调整杆与所述模型就位板连接，用于支撑所述模型就位板。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述模型承载框架还包括：废料导出管；

所述废料导出管穿过所述模型托板以及纵控下传力板上的通孔。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纵控下压板的面积与对应的所述纵控加载器上表面面积相同。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

纵向承载系统，用于承受所述纵向加载系统产生的反作用力；

所述纵向承载系统包括：纵向拉杆、第一上承载梁、第二上承载梁、第一下承载梁、第二下承载梁、纵控加载器坐板、纵控下中心支柱、纵控下中心支座、底板；

所述纵向拉杆依次竖直穿过所述第一上承载梁、所述第二上承载梁、所述第一下承载梁、所述第二下承载梁上对应的通孔；

所述纵控加载器固定在所述第一下承载梁上；

所述纵控下中心支柱固定在所述纵控下中心支座上，用于和所述第一下承载梁一起支撑所述纵控加载器；

所述纵控下中心支座固定在所述底板上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述纵向承载系统还包括：纵控上中心压块、纵控芯板、第一纵控芯压板、第二纵控芯压板、纵控上压板、纵控减摩板；

所述纵控上压板、所述纵控芯板、所述纵控上中心压块安装在所述纵控减摩板的上表面上，所述纵控减摩板位于所述待测模型的上表面上；

所述第二纵控芯压板固定在所述纵控上压板上；

所述第一纵控芯压板固定在所述第二纵控芯压板和所述纵控上中心压块上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

水平承载系统，用于承受所述水平加载系统产生的反作用力；

所述水平承载系统包括：水平承载框架、承载框架支撑柱；

所述承载框架支撑柱穿过所述水平承载框架上的通孔，并通过螺母固定在所述水平承载框架上；

所述侧向均布加载器的底座固定在所述水平承载框架的内壁上。