CN104614244B - 一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。其技术方案是：框架(1)由4根水平梁(10)与2个竖直支架(9)对应的四个角固定连接而成，2个竖直支架(9)内侧对称地固定有0或4根斜梁(7)。加压圆筒(2)水平地安装在框架(1)的中心位置处，加压圆筒(2)的活动部分通过导柱(4)和千斤顶(3)与框架(1)的一半活动连接，加压圆筒(2)的固定部分通过固定架(6)与框架(1)的另一半固定连接。加压圆筒(2)的活动部分与固定部分呈中心对称设置，活动部分由n个活动加压瓦片(5)构成，固定部分由n个固定加压瓦片(8)构成，n为2、或为3、或为4。本发明具有结构简单、成本低廉、符合实际和试验结果准确可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于相似模拟试验装置技术领域。具体涉及一种用于矿山及地下工程高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。
背景技术
经济社会的快速发展，使得矿产资源开采规模和强度不断增大，不少矿山已经由露天或者浅部开采逐步转为深部开采。随着开采深度的增加，矿山发生工程灾害的频率也在逐渐加大。较浅部巷道而言，深部巷道受“高温、高围压和高孔隙压力”的影响，呈现出围岩变形量加大、变形速度加快、翻修量增加和维护困难等特性。因此，开展深部高应力巷道稳定性研究尤为重要。
在巷道稳定性研究中，相似模拟试验是一种直观、经济、便捷和有效的方法，它以材料、几何、力学等相似原理为依据，通过材料配比、模型制作、巷道开挖、实时监测等试验方案的设定，达到对工程实际的模拟。为研究高应力巷道受压、变形、破坏、支护等与其稳定性的相关关系，通常采用巷道稳定性模拟试验装置来模拟高应力巷道所处的环境。因此，相似模拟试验装置是高应力巷道稳定性研究的关键。
目前，巷道稳定性相似模拟试验，大多是通过刚性约束，将三维加载转化为平面应力应变控制的方式进行的。已有模拟试验装置虽各有优点，但也存在如下缺陷：一是不能达到高应力巷道四周受压的现实模拟，所受压力方向无法改变；二是可加载压力大小有限，难以实现高应力模拟；三是巷道模型的浇筑和开挖过程，造成了应力的重新分布，改变了巷道初始受力状态。
发明内容
本发明旨在克服已有技术的不足，目的是提供一种结构简单、成本低廉、符合实际和试验结果准确可靠的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述模拟试验装置包括框架、加压圆筒、千斤顶、导柱和固定架。加压圆筒水平地安装在框架的中心位置处，加压圆筒的活动部分通过导柱和千斤顶与框架的一半活动连接，加压圆筒的固定部分通过固定架与框架的另一半固定连接。
框架包括2个竖直支架和4根水平梁，竖直支架呈矩形，4根水平梁的两端分别与2个竖直支架对应的四个角固定连接，每个竖直支架内侧对称地固定有0或4根斜梁，4根斜梁分别与竖直支架对应的立柱呈45°或30°夹角。
加压圆筒由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置。活动部分由n个活动加压瓦片构成，固定部分由n个固定加压瓦片构成，n为2、或为3、或为4。
所述框架的一半由1根上横梁、2根上斜梁和1根立柱构成，或由1根上横梁和2根上斜梁构成，或由2根上斜梁构成，或由1根上横梁和1根立柱构成；所述框架的另一半由1根下横梁、2根下斜梁和另1根立柱构成，或由1根下横梁和2根下斜梁构成，或由2根下斜梁构成，或由1根下横梁和另1根立柱构成。
所述的活动加压瓦片的外壁为矩形平面，活动加压瓦片的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/n，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等，活动加压瓦片的内壁设有橡胶垫；所述固定加压瓦片与所述活动加压瓦片的形状和结构相同。
所述导柱由导筒、导杆和弹簧组成；导筒的内径名义尺寸和导杆的外径名义尺寸相同，导杆的一端置入导筒内，导杆的另一端与导筒间装有弹簧；导柱的行程为8~12mm。
所述固定架由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
所述活动部分通过导柱和千斤顶与框架的一半活动连接是指，活动加压瓦片通过2个导柱和1个千斤顶与框架中的上横梁、2根上斜梁和1根立柱对应连接，或与框架中的上横梁和2根上斜梁对应连接，或与框架中的2根上斜梁对应连接，或与框架中的上横梁和1根立柱对应连接；千斤顶位于2个导柱的中间位置处。
所述固定部分通过固定架与框架的另一半固定连接是指，固定加压瓦片(8)通过固定架与框架的下横梁、2根下斜梁和另1根立柱对应连接，或与框架的下横梁和2根下斜梁对应连接，或与框架的2根下斜梁对应连接、或与框架的下横梁和另1根立柱对应连接。
所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置的使用方法包括以下步骤：
步骤一、在加压圆筒两端装上挡板，将水、胶结料、砂和石子混合均匀，浇筑模型，浇筑时预埋圆管，所述圆管的直径即为模拟试件巷道的直径；
步骤二、浇筑完成后，自然放置7~10天；移开挡板，取出圆管，即得模拟试件；
步骤三、根据模拟地质条件，设定模拟试件的受力方向、受力大小和时间，开启油压加压装置，通过千斤顶对加压圆筒的活动部分施加径向力，实时读取数据；
步骤四、监测模拟试件巷道的变形或破坏情况，若发生变形或破坏则采取支护措施，继续通过千斤顶对加压圆筒的活动部分施加径向力，实时读取数据；
步骤五、重复步骤四，直至模拟试件巷道完全破坏；
步骤六、拆除模型试件，实验结束。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明将加压圆筒水平地安装在框架的中心位置处，加压圆筒的活动部分通过导柱和千斤顶与框架的一半活动连接，加压圆筒的固定部分通过固定架与框架的另一半固定连接；故本装置结构简单和成本低廉。
本发明不仅用于相似模拟试验，且用于模拟试件的浇筑，最大限度的减小了模拟试件初始应力状态的改变，更加接近现实；本发明不仅易于模拟试件的制作，而且试验结果符合实际和准确可靠。
本发明能开展不同采深、不同围岩、不同应力等多种条件下的巷道稳定性相似模拟试验；还能进行巷道变形破坏与受压方向、受压大小、受压时间之间的相关关系以及巷道支护等多种巷道稳定性相似模拟试验。
因此，本发明具有结构简单、成本低廉、符合实际和试验结果准确可靠的特点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明的第二种结构示意图；
图3为本发明的第三种结构示意图；
图4为本发明的第四种结构示意图；
图5为图1的侧视半剖示意图；
图6为图1的俯视示意图；
图7为图1至图4中导柱4的一种结构示意图；
图8为图1至图4中活动加压瓦片5的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。如图1、图5和图6所示，所述模拟试验装置包括框架1、加压圆筒2、千斤顶3、导柱4和固定架6。加压圆筒2水平地安装在框架1的中心位置处，加压圆筒2的活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接，加压圆筒2的固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接。
如图1、图5和图6所示，框架1包括2个竖直支架9和4根水平梁10，竖直支架9呈正方形，4根水平梁10的两端分别与2个竖直支架9对应的四个角固定连接，每个竖直支架9内侧对称地固定有4根斜梁7，4根斜梁7分别与竖直支架9对应的立柱呈45°夹角。
如图1所示，加压圆筒2由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置。活动部分由4个活动加压瓦片5构成，固定部分由4个固定加压瓦片8构成。
如图1所示，所述框架1的一半由1根上横梁、2根上斜梁和1根立柱构成，所述框架1的另一半由1根下横梁、2根下斜梁和另1根立柱构成。
如图7所示，所述导柱4由导筒11、导杆12和弹簧13组成；导筒11的内径名义尺寸和导杆12的外径名义尺寸相同，导杆12的一端置入导筒11内，导杆12的另一端与导筒11间装有弹簧13；导柱4的行程为8~12mm。
如图8所示，所述的活动加压瓦片5的外壁为矩形平面，活动加压瓦片5的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/4，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等，活动加压瓦片5的内壁设有橡胶垫14；所述固定加压瓦片8与所述活动加压瓦片5的形状和结构相同。
所述固定架6由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
所述活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接是指，活动加压瓦片5通过2个导柱4和1个千斤顶3与框架1中的上横梁、2根上斜梁和1根立柱对应连接，千斤顶3位于2个导柱4的中间位置处。
所述固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接是指，固定加压瓦片8通过固定架6与框架1的下横梁、2根下斜梁和另1根立柱对应连接。
所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置的使用方法包括以下步骤：
步骤一、在加压圆筒2两端装上挡板，将水、胶结料、砂和石子混合均匀，浇筑模型，浇筑时预埋圆管，所述圆管的直径即为模拟试件巷道的直径；
步骤二、浇筑完成后，自然放置7~10天；移开挡板，取出圆管，即得模拟试件；
步骤三、根据模拟地质条件，设定模拟试件的受力方向、受力大小和时间，开启油压加压装置，通过千斤顶3对加压圆筒2的活动部分施加径向力，实时读取数据；
步骤四、监测模拟试件巷道的变形或破坏情况，若发生变形或破坏则采取支护措施，继续通过千斤顶3对加压圆筒2的活动部分施加径向力，实时读取数据；
步骤五、重复步骤四，直至模拟试件巷道完全破坏；
步骤六、拆除模型试件，实验结束。
实施例2
一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。如图2所示，所述模拟试验装置包括框架1、加压圆筒2、千斤顶3、导柱4和固定架6。加压圆筒2水平地安装在框架1的中心位置处，加压圆筒2的活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接，加压圆筒2的固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接。
如图2所示，框架1包括2个竖直支架9和4根水平梁10，竖直支架9呈矩形，4根水平梁10的两端分别与2个竖直支架9对应的四个角固定连接，每个竖直支架9内侧对称地固定有4根斜梁7，4根斜梁7分别与竖直支架9对应的立柱呈30°夹角。
加压圆筒2由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置。活动部分由3个活动加压瓦片5构成，固定部分由3个固定加压瓦片8构成。
所述框架1的一半由1根上横梁和2根上斜梁构成；所述框架1的另一半由1根下横梁和2根下斜梁构成。
如图7所示，所述导柱4由导筒11、导杆12和弹簧13组成；导筒11的内径名义尺寸和导杆12的外径名义尺寸相同，导杆12的一端置入导筒11内，导杆12的另一端与导筒11间装有弹簧13；导柱4的行程为8~12mm。
如图8所示，所述的活动加压瓦片5的外壁为矩形平面，活动加压瓦片5的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/3，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等，活动加压瓦片5的内壁设有橡胶垫14；所述固定加压瓦片8与所述活动加压瓦片5的形状和结构相同。
所述固定架6由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
所述活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接是指，活动加压瓦片5通过2个导柱4和1个千斤顶3与框架1中的上横梁和2根上斜梁对应连接，千斤顶3位于2个导柱4的中间位置处。
所述固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接是指，固定加压瓦片8通过固定架6与框架1的下横梁和2根下斜梁对应连接。
本实施例的使用方法同实施例1。
实施例3
一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。如图3所示，所述模拟试验装置包括框架1、加压圆筒2、千斤顶3、导柱4和固定架6。加压圆筒2水平地安装在框架1的中心位置处，加压圆筒2的活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接，加压圆筒2的固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接。
框架1包括2个竖直支架9和4根水平梁10，竖直支架9呈正方形，4根水平梁10的两端分别与2个竖直支架9对应的四个角固定连接，每个竖直支架9内侧对称地固定有4根斜梁7，4根斜梁7分别与竖直支架9对应的立柱呈45°夹角。
加压圆筒2由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置。活动部分由2个活动加压瓦片5构成，固定部分由2个固定加压瓦片8构成。
所述框架1的一半由2根上斜梁构成；所述框架1的另一半由2根下斜梁构成。
如图7所示，所述导柱4由导筒11、导杆12和弹簧13组成；导筒11的内径名义尺寸和导杆12的外径名义尺寸相同，导杆12的一端置入导筒11内，导杆12的另一端与导筒11间装有弹簧13；导柱4的行程为8~12mm。
如图8所示，所述的活动加压瓦片5的外壁为矩形平面，活动加压瓦片5的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/2，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等，活动加压瓦片5的内壁设有橡胶垫14；所述固定加压瓦片8与所述活动加压瓦片5的形状和结构相同。
所述固定架6由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
所述活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接是指，活动加压瓦片5通过2个导柱4和1个千斤顶3与框架1中的2根上斜梁对应连接，千斤顶3位于2个导柱4的中间位置处。
所述固定部分通过固定架6与框架1的2根下斜梁对应连接。
本实施例的使用方法同实施例1。
实施例4
一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置及试验方法。如图4所示，所述模拟试验装置包括框架1、加压圆筒2、千斤顶3、导柱4和固定架6。加压圆筒2水平地安装在框架1的中心位置处，加压圆筒2的活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接，加压圆筒2的固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接。
框架1包括2个竖直支架9和4根水平梁10，竖直支架9呈矩形，4根水平梁10的两端分别与2个竖直支架9对应的四个角固定连接。
加压圆筒2由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置。活动部分由2个活动加压瓦片5构成，固定部分由2个固定加压瓦片8构成。
所述框架1的一半由1根上横梁和1根立柱构成；所述框架1的另一半由1根下横梁和另1根立柱构成。
如图7所示，所述导柱4由导筒11、导杆12和弹簧13组成；导筒11的内径名义尺寸和导杆12的外径名义尺寸相同，导杆12的一端置入导筒11内，导杆12的另一端与导筒11间装有弹簧13；导柱4的行程为8~12mm。
如图8所示，所述的活动加压瓦片5的外壁为矩形平面，活动加压瓦片5的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/2，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等,活动加压瓦片5的内壁设有橡胶垫14；所述固定加压瓦片8与所述活动加压瓦片5的形状和结构相同。
所述固定架6由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
所述活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接是指，活动加压瓦片5通过2个导柱4和1个千斤顶3与框架1中的上横梁和1根立柱对应连接；千斤顶3位于2个导柱4的中间位置处。
所述固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接是指，固定加压瓦片8通过固定架6与框架1的下横梁和另1根立柱对应连接。
本实施例的使用方法同实施例1。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式将加压圆筒2水平地安装在框架1的中心位置处，加压圆筒2的活动部分通过导柱4和千斤顶3与框架1的一半活动连接，加压圆筒2的固定部分通过固定架6与框架1的另一半固定连接；故本装置结构简单和成本低廉。
本具体实施方式不仅用于相似模拟试验，且用于模拟试件的浇筑，最大限度的减小了模拟试件初始应力状态的改变，更加接近现实；本具体实施方式不仅易于模拟试件的制作，而且试验结果符合实际和准确可靠。
本具体实施方式能开展不同采深、不同围岩、不同应力等多种条件下的巷道稳定性相似模拟试验；还能进行巷道变形破坏与受压方向、受压大小、受压时间之间的相关关系以及巷道支护等多种巷道稳定性相似模拟试验。
因此，本具体实施方式具有结构简单、成本低廉、符合实际和试验结果准确可靠的特点。
Claims (7)
1.一种高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述模拟试验装置包括框架(1)、加压圆筒(2)、千斤顶(3)、导柱(4)和固定架(6)；加压圆筒(2)水平地安装在框架(1)的中心位置处，加压圆筒(2)的活动部分通过导柱(4)和千斤顶(3)与框架(1)的一半活动连接，加压圆筒(2)的固定部分通过固定架(6)与框架(1)的另一半固定连接；
框架(1)包括2个竖直支架(9)和4根水平梁(10)，竖直支架(9)呈矩形，4根水平梁(10)的两端分别与2个竖直支架(9)对应的四个角固定连接，每个竖直支架(9)内侧对称地固定有0或4根斜梁(7)，4根斜梁(7)分别与竖直支架(9)对应的立柱呈45°或30°夹角；
加压圆筒(2)由活动部分与固定部分组成，活动部分与固定部分呈中心对称设置；活动部分由n个活动加压瓦片(5)构成，固定部分由n个固定加压瓦片(8)构成，n为2、或为3、或为4；
所述框架(1)的一半由1根上横梁、2根上斜梁和1根立柱构成，或由1根上横梁和2根上斜梁构成，或由2根上斜梁构成，或由1根上横梁和1根立柱构成；所述框架(1)的另一半由1根下横梁、2根下斜梁和另1根立柱构成，或由1根下横梁和2根下斜梁构成，或由2根下斜梁构成，或由1根下横梁和另1根立柱构成。
2.根据权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述的活动加压瓦片(5)的外壁为矩形平面，活动加压瓦片(5)的内壁为圆弧面，所述圆弧面的横截面所对应的圆心角α为π/n，所述圆弧面的横截面所对应的半径R相等，活动加压瓦片(5)的内壁设有橡胶垫(14)；所述固定加压瓦片(8)与所述活动加压瓦片(5)的形状和结构相同。
3.根据权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述导柱(4)由导筒(11)、导杆(12)和弹簧(13)组成；导筒(11)的内径名义尺寸和导杆(12)的外径名义尺寸相同，导杆(12)的一端置入导筒(11)内，导杆(12)的另一端与导筒(11)间装有弹簧(13)；导柱(4)的行程为8~12mm。
4.根据权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述固定架(6)由2根固定杆和2块条形固定片组成，条形固定片对称地固定在2根固定杆的两端。
5.根据权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述活动部分通过导柱(4)和千斤顶(3)与框架(1)的一半活动连接是指，活动加压瓦片(5)通过2个导柱(4)和1个千斤顶(3)与框架(1)中的上横梁、2根上斜梁和1根立柱对应连接，或与框架(1)中的上横梁和2根上斜梁对应连接，或与框架(1)中的2根上斜梁对应连接，或与框架(1)中的上横梁和1根立柱对应连接；千斤顶(3)位于2个导柱(4)的中间位置处。
6.根据权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置，其特征在于所述固定部分通过固定架(6)与框架(1)的另一半固定连接是指，固定加压瓦片(8)通过固定架(6)与框架(1)的下横梁、2根下斜梁和另1根立柱对应连接，或与框架(1)的下横梁和2根下斜梁对应连接，或与框架(1)的2根下斜梁对应连接、或与框架(1)的下横梁和另1根立柱对应连接。
7.如权利要求1所述的高应力巷道稳定性相似模拟试验装置的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤：
步骤一、在加压圆筒(2)两端装上挡板，将水、胶结料、砂和石子混合均匀，浇筑模型，浇筑时预埋圆管，所述圆管的直径即为模拟试件巷道的直径；
步骤二、浇筑完成后，自然放置7~10天；移开挡板，取出圆管，即得模拟试件；
步骤三、根据模拟地质条件，设定模拟试件的受力方向、受力大小和时间，开启油压加压装置，通过千斤顶(3)对加压圆筒(2)的活动部分施加径向力，实时读取数据；
步骤四、监测模拟试件巷道的变形或破坏情况，若发生变形或破坏则采取支护措施，继续通过千斤顶(3)对加压圆筒(2)的活动部分施加径向力，实时读
取数据；
步骤五、重复步骤四，直至模拟试件巷道完全破坏；
步骤六、拆除模型试件，实验结束。
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