CN105044311B - 一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，属于岩石力学、采矿工程、煤矿安全生产、光测力学等领域。其装置由巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统。巷道开挖系统由预先充填于巷道内的散体、含孔洞的推进头、液压缸、开停阀、节流阀、手动换向阀、溢流阀、液压泵、过滤器、透明平板和可伸缩套管等组成，在重力作用下，散体通过推进头上的孔洞下落，同时液压缸立柱带动推进头向上匀速移动，实现巷道开挖模拟。围岩侧压加载系统由侧囊、外壳、垫箱等组成，将对巷道围岩模型施加侧向压力。本发明可为深部巷道围岩分区破裂化机理及过程研究以及灾害防治提供大量可靠数据。本发明的装置结构紧凑，操作方便，造价低廉。

Description

一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，属于岩石力学、采矿工程、煤矿安全生产、光测力学等领域。

背景技术

随着经济建设与国防建设的不断发展，地下空间开发和资源开采不断走向深部。在深部，岩体工程面临一系列新的岩体力学问题，这与浅部岩体工程相比具有较大的差异。例如，在深部开挖巷道时，在围岩中常会出现破裂区与非破裂区交替出现的奇怪现象，这种现象称之为分区破裂化。分区破裂化的出现给传统岩体力学理论和巷道支护的传统观念和技术体系提出了新的挑战。众多的科技人员普遍认识到分区破裂化研究的重要性和紧迫性，近年来，提出了不少理论模型和分析方法，例如，波动模型、滑移线模型、非欧模型、梯度模型、相变模型、流变模型、断裂力学模型、空间局部化模型（Wang X, Pan Y, Zhang Z. A spatial strain localization mechanism of zonal disintegration through numerical simulation. Journal of Mining Science, 2013, 49(3): 357-367）、基于连续介质的颗粒体模型（Wang X, Pan Y, Wu X. A continuum grain-interface-matrix model for slabbing and zonal disintegration of the circular tunnel surrounding rock, Journal of Mining Science, 2013, 49(2): 220-232）等。但是，目前，关于分区破裂化的机理及过程尚未形成定论，任何一种模型因其局限性，还不能解释所有的分区破裂化现象，亟待深入开展研究。

在分区破裂化室内实验研究方面，通常采用下列两种模型：（1）巷道轴线方向不受力的双向或单向加载模型，这种模型便于观测，但一般难于模拟出分区破裂化现象；（2）巷道轴线方向受力的三维模型，这种模型不便于观测，不容易模拟巷道开挖，有时能模拟出分区破裂化现象。另外，在有些三维模型中，将模型置于金属筒中，金属筒对于模型的侧向或径向的变形具有一定的限制作用，但模型受到约束力的大小并不清楚。

现有的分区破裂化物理模拟实验存在的主要问题在于：巷道开挖模拟费时费力；无法实现分区破裂化形成过程的实时观测，一旦在巷道的轴线方向上施加力的作用，与这个方向垂直的面上的变形及破坏规律难以采用应变片、位移计、热红外技术、数字图像相关方法等现有的大多数手段实现测量。大量的观测结果都是通过对加载破坏后的模型进行切片后凭肉眼观察获得的，费时费力，精度低。据此，仅知道一个最终的结果，并不清楚分区破裂化的萌生及发展规律。

本发明为一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，其装置由巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统组成。本发明通过控制含孔洞的推进头的匀速推进，伴随预先充填于巷道之内散体的下落，实现巷道逐渐开挖的模拟；通过侧囊对巷道围岩模型施加侧向压力；通过试验机对该模型施加垂直压力（巷道轴线方向）；通过在过巷道轴线的平面内设置透明平板，使采用光测方法观测分区破裂化现象成为可能。在地应力（垂直应力和两个方向的侧向应力）、巷道开挖及支护的作用下，本发明可为深部巷道围岩分区破裂化研究提供大量的可靠数据，这对于深部巷道围岩的破坏及失稳机理研究以及防灾减灾措施制定具有重要的意义。

发明内容

针对现有的深部巷道围岩分区破裂化室内实验观测数据有限且难于模拟巷道逐渐开挖的局限性，本发明提供了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法；利用该装置和方法能获取巷道围岩模型在地应力、开挖卸荷及支护作用下的变形、破坏及失稳规律，可为煤矿深部巷道围岩破坏规律研究和灾害防治研究提供基础数据和技术参考；该装置具有结构紧凑、操作方便、造价低廉的优势。

为了研究深部巷道围岩分区破裂化的萌生及发展规律，本发明提供了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，包括：巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统。巷道开挖系统由预先充填于巷道内的散体、含孔洞的推进头、立柱、活塞、液压缸缸体、开停阀、节流阀、手动换向阀、溢流阀、液压泵、液压管线、油箱、过滤器和透明平板等组成；围岩侧压加载系统由侧囊、侧压加载板、气压调压阀、气压减压阀、气压管线、侧压加载气瓶、顶盖、外壳、气压压力表、垫板和垫箱等组成；通常，垂直于巷道轴线的两个方向的侧压并不相同，为此至少需要两个气瓶分别对巷道围岩模型后方的一个侧囊和其左、右两侧的两个侧囊供气；对左、右两侧囊充气的气瓶与第一气压减压阀相连通，第一气压减压阀与第一气压调压阀相连通，第一气压调压阀与第一六通阀门和第一气压压力表相连通，第一六通阀门与两个支路相连通，每个支路与左、右两侧囊中的一个相连通；对后方侧囊充气的气瓶与第二气压减压阀相连通，第二气压减压阀与第二气压调压阀相连通，第二气压调压阀与第二六通阀门和第二气压压力表相连通，第二六通阀门与后方侧囊相连通；各侧囊均设置于外壳与巷道围岩模型之间，各侧囊充气后，对巷道围岩模型施加侧压；各侧囊和巷道围岩模型下方设置有垫箱；垫箱由凸起和凹陷的两部分平台组成；垫箱上凸起的平台用于承载侧囊、侧压加载板和巷道围岩模型；侧囊的上方设置有顶盖，顶盖上设置有将顶盖固定于外壳的圆孔及允许侧囊气嘴通过的孔洞和滑道；外壳上端面相应位置上设置有螺栓孔，以便于顶盖的固定；垫箱的凹陷平台设置于巷道的下方；垫箱的凹陷平台用于承载巷道开挖系统和承接从推进头孔洞下落的散体；巷道围岩模型的上方设置有垫板；垫板上方设置有垂直应力加载垫块，垂直应力加载垫块设置在试验机上压头与巷道围岩模型之间；外壳和垫箱的下端面均设置在试验机平台上；巷道围岩模型的前方设置有一块透明平板，透明平板将巷道围岩模型刚好遮挡，通过螺栓将透明平板固定在外壳的前表面上。

所述巷道开挖系统的含孔洞的推进头固定在液压缸的立柱上；推进头的上表面包括两部分：凸起的头部和其外围的平台。凸起的头部起到降低推进阻力的作用，有利于位于头部的散体滑向平台；平台上设置有允许散体下落的垂直方向的贯通孔；贯通孔的数量、尺寸和形状决定了散体的流量，随着散体的下落，在液压缸立柱的作用下推进头向上推进，这样，散体的流量将决定巷道开挖的速度。

所述推进头匀速向上推进，其速度和散体的流量相适应，若推进头推进过快，将使散体受到较大的平行于巷道轴线的压力作用，这不符合巷道开挖的本质（是轴向卸荷，而非加荷）；若推进头推进过慢，将使远离推进头的散体发生松动，这也不符合巷道开挖时影响区域应位于开挖面附近的实际情况。

所述推进头设置有贯通孔，贯通孔在巷道开挖之前应封闭。

所述巷道围岩模型在巷道逐渐开挖过程中，由于垂直方向压力、侧向压力的作用，围岩将向开挖后的巷道涌入，这将妨碍立柱和推进头的上升以及散体的下落；为此，在推进头的侧向设置有可伸缩的套管，该套管仅为常规套管的一半，即将常规套管沿其轴线一分为二，任意一个均可使用，套管的最大伸长量取决于其级数和每级的长度，可根据开挖巷道的长度决定，随着立柱和推进头的上升，套管逐渐伸长，套管还能对巷道围岩起到一定的支护作用；最外侧套管固定在垫箱上，最内侧套管固定在推进头上；液压缸设置于套管内部，并固定在垫箱的凹陷平台上；液压元件的连接关系是：过滤器与液压泵相连通，液压泵分别与溢流阀和开停阀相连通，开停阀与节流阀相连通，节流阀与手动换向阀相连通，手动换向阀分别与液压缸相连通，过滤器、溢流阀和手动换向阀分别与油箱相连通。

所述透明平板通过螺栓和外壳固定，为了避免透明平板的应力集中，可在透明平板与螺栓之间设置垫片。

所述透明平板应具有一定的厚度，以保证强度；透明平板的作用在于：（1）限制巷道围岩模型发生垂直于过巷道轴线的平面的变形，使其处于平面应变状态；（2）限制充填于巷道内部的散体溢出；（3）便于采用光学方法测量过巷道轴线的平面内的变形。

所述侧囊由橡胶膜、气嘴、禁锢卡环、密封螺栓、密封小球组成；侧囊的橡胶膜口部内表面与气嘴的外表面固定，气嘴中设置有内螺纹和贯通孔，密封螺栓通过上述螺纹与气嘴固定，密封螺栓中设置有贯通孔，在气嘴和密封螺栓之间设置有密封小球，密封小球上设置有贯通孔，气压管线通过密封螺栓、气嘴和密封小球的贯通孔，伸展到橡胶膜所围区域之内；橡胶膜的口部外围设置有禁锢卡环。

所述侧囊的口部的内表面与气嘴的外表面之间用强力胶密封。

所述巷道围岩模型左、右两侧和后方侧囊的压力一般并不相同，为了避免不同方向侧囊之间的相互影响，可在侧囊之间设置隔离板，隔离板固定在外壳的内表面上。

所述光学观测系统由拍摄设备（数码相机或CCD摄像头）、三角架、光源、计算机、数字图像相关方法程序或软件组成；拍摄设备固定在三角架平台上，拍摄设备及三角架设置在巷道围岩模型的正前方，并保证拍摄设备的镜头的轴线方向与巷道围岩模型的轴线方向垂直；数字图像相关方法程序或软件由前处理、计算和后处理模块组成；前处理模块用于选择由拍摄设备记录的大量图像中的一部分和计算参数的设定（例如，子区尺寸）以及计算模式的选择；计算模块用于被选择图像的应变场和位移场的计算；后处理模块用于奇异点校正和各种结果显示；对于位移场可以有多种显示方式：位移矢量图和等值线图，既可以显示其总量，也可以显示其增量，既可以显示其全量，也可以显示其分量。

所述子区尺寸应根据具体情况进行选择；子区尺寸不能过大，也不能过小；既要保证子区之间的正确匹配，又要能刻画应变场的细节。

所述奇异点是指位移、应变或相关系数明显与其周围的点有差异的计算错误的点；通常，奇异点可根据相关系数进行判别；有时，仅凭相关系数不足以识别出奇异点，就需对位移场和应变场进行全面检查。

所述巷道围岩模型若由相对较软的相似材料制成，其测点的位移可能较大，而应变一般不会太大；在此条件下，可将智能优化算法和Newton-Raphson迭代方法有机结合，充分发挥各自的优势：位移的计算结果具有亚像素精度，迭代的初值容易确定，不易陷入局部最优；申请人提出的基于粒子群优化算法及Newton-Raphson迭代方法的数字图像相关方法（王学滨, 杜亚志, 潘一山. 基于DIC粗-细搜索方法的单轴压缩砂样的应变分布及应变梯度的实验研究. 岩土工程学报, 2012, 34(11): 2050-2057; 王学滨, 杜亚志, 潘一山. 考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较. 工程力学, 2013, 30(7): 282-287; 王学滨, 杜亚志, 潘一山. 单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测. 岩土工程学报, 2014, 36(9): 1648-1656）可以满足上述要求；当测点的应变较大时，建议采用增量的计算方式，即以选择的前1张图像作为参考图像，选择后1张图像作为目标图像，以此类推，全量的结果由增量计算方式的结果相加得到。

所述巷道围岩模型通常应为长方体，且含孔洞；若将其形状制成含孔洞的半圆柱体，则仅适于垂直于巷道轴线的侧压相等的情形；在此情况下，不必制作3个侧囊，只需制作1个表面呈半圆形的侧囊即可；相应地，与之连通的气瓶和各种阀门的数量均可减少至一套，此时，外壳的形状需要和巷道围岩模型的形状相适应；为了提高系统的适用性和降低成本，可在适于长方体巷道围岩模型的外壳内部设置一个半圆柱形的衬套，即可满足要求。

所述垫板的水平方向尺寸应与巷道围岩模型的水平方向尺寸相同或稍小；在各侧囊上方的顶盖与垫板之间应留有孔隙，以防止二者的干涉。

所述垫板上方设置有垂直应力加载垫块，垫块应具有足够的高度，以避免试验机上压头在运动过程中与从各侧囊气嘴中伸出的气压管线发生干涉而造成漏气。

一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的方法，采用一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，包括如下步骤：

步骤一：巷道围岩模型加载之前的准备工作；

具体包括：将上述装置的外壳置于试验机的平台上，同时调整外壳在平台上的位置，使试验机上压头的纵向对称线刚好通过即将放入外壳的巷道围岩模型上表面的形心；将垫箱置于试验机平台上，且置于外壳中，将巷道围岩模型置于垫箱的凸起平台上，且使巷道围岩模型的前表面与外壳的前表面在一个平面上；将液压缸缸体固定在垫箱凹陷的平台上，将可伸缩套管的最外侧套管固定在垫箱凹陷的平台上或凹陷与凸起平台之间的侧壁上，将推进头固定在液压缸的立柱上，使推进头位于巷道的下方；启动液压泵，将开停阀、手动换向阀的阀芯均置于左位，使立柱带动推进头匀速向上推进，待立柱的高度适当时，即推进头刚好堵住巷道围岩模型下端面上的孔洞时，将手动换向阀的阀芯置于中位，将开停阀的阀芯置于右位，将推进头上的贯通孔封闭；将透明平板置于巷道围岩模型前方且固定在外壳的前表面上；将散体注入巷道围岩模型的巷道中，压实；将垫板置于巷道围岩模型的上方且使该垫板的前表面与外壳的前表面在一个平面上；在垫板上设置垂直应力加载垫块；启动试验机，使试验机上压头与垂直应力加载垫块略微接触，停止试验机；将与气压管线、各种气压阀门和气瓶连通的各侧囊置于外壳与巷道围岩模型之间，在侧囊与巷道围岩模型之间设置侧压加载板，将顶盖固定在外壳的上端面上，并使侧囊的气嘴通过顶盖上的贯通孔；将拍摄设备固定在三角架上，三角架置于巷道围岩模型表面的前方；

所述开停阀和手动换向阀的阀芯在实验之初应分别位于右位和中位；

所述巷道围岩模型的前观测面一般应喷涂散斑；

步骤二：巷道围岩模型侧压及垂直方向压力的施加过程；

具体包括：打开与各气压加载气瓶连通的气压减压阀，打开与上述气压减压阀连通的六通阀门，调节气压调压阀，使各气压压力表的压力读数达到预定值；同时打开与各侧囊连接的阀门，使各侧囊同时被充气；启动试验机，使试验机上压头向下运动，当试验机施加的垂直压力达到预定值时，使试验机维持该压力；启动拍摄设备，对巷道开挖之前的巷道围岩模型的前表面的图像进行拍摄；

所述试验机施加的垂直应力的方向平行于巷道轴线的方向；

所述各侧囊应同时被充气，以避免巷道围岩模型在受力不均匀条件下发生损坏；

步骤三：巷道的逐渐开挖及散斑场记录；

具体包括：根据需要，将推进头上的孔洞部分或全部打开，使充填于巷道内部的散体下落，同时，启动液压泵，将开停阀、手动换向阀的阀芯均置于左位，使立柱带动推进头匀速向上推进；在这一过程中，拍摄设备始终对巷道围岩模型的前表面的散斑场进行记录，直至巷道围岩模型出现明显宏观裂纹或发生整体坍塌或充填于巷道内部的散体全部泻出；将手动换向阀的阀芯置于右位，待推进头下降复原后，将手动换向阀的阀芯置于中位，将开停阀的阀芯置于右位，停止液压泵；

步骤四：巷道围岩模型受到的各种力的解除、破坏后巷道围岩模型的取出及碎块清理；

将试验机卸载，操纵试验机上压头向上运动，取出垂直应力加载垫块和垫板；关闭拍摄设备，打开与各侧囊连通的六通阀门的剩余阀门中的一个阀门，释放侧囊中的气体；将巷道围岩模型前方的透明平板取下，取出破坏后的巷道围岩模型，清理全部碎块和与巷道围岩模型发生接触的表面的杂质，关闭全部气压阀门；回收落入垫箱凹陷平台处的散体，以备下次利用；

步骤五：重复步骤一至四，并在此过程中改变各侧囊的压力；

步骤六：重复步骤一至四，并在此过程中改变试验机的垂直压力；

步骤七：重复步骤一至四，并在此过程中通过调节推进头上贯通孔打开的数量或更换孔的形状和尺寸不同的推进头以改变巷道开挖的速度；

步骤八：当所有实验完成之后，采用数字图像相关方法或软件计算被选择图像的位移场和应变场，同时校正奇异点和显示各种结果；

所述的数字图像相关方法或软件的位移计算结果应具有亚像素精度；

在进行所述步骤二之前检查围岩侧压加载系统的气密性。

在进行所述步骤八之前，为了提高计算精度，应进行图像滤波和镜头畸变校正。

在进行所述步骤八时，奇异点校正的方法包括：更换计算参数重新计算和利用奇异点周围非奇异点的信息对奇异点的信息进行插值并覆盖；根据平行于巷道轴线平面内的变形场和巷道围岩模型的轴对称变形特性，推出垂直于巷道轴线平面内的分区破裂化图案。

本发明的有益效果：与其他模拟巷道围岩分区破裂化的实验手段相比，本发明利用侧囊对巷道围岩模型施加侧向压力，两个方向的侧向压力可相同，也可不同，施加的压力可调控；本发明预先利用散体充填巷道，利用重力使散体从推进头平台上的孔洞泄出，同时控制推进头向上匀速推进，实现巷道匀速开挖模拟；本发明在过巷道轴线的平台上设置一块透明平板，为采用光学方法观测分区破裂化现象提供了可能，通过分析记录的图像的位移场和应变场，在巷道轴线方向应力（由试验机提供）、两个方向的侧向压力、巷道开挖及支护作用下，可为深部巷道围岩分区破裂化研究提供大量的可靠数据，这对于深部巷道围岩的破坏及失稳机理研究以及防灾减灾措施制定具有重要的意义；本发明的装置结构紧凑，操作方便，造价低廉。

附图说明

图1-a是本发明的巷道开挖系统和围岩侧压加载系统结构主视图。

图1-b是图1-a中沿A-A向的结构剖视图。

图2是图1中围岩侧压加载系统的侧囊结构剖视图。

图3是一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置示意图。

图4-a、图4-b及图4-c分别是巷道开挖之前、巷道开挖距离为巷道总长度的1/3及2/3时围岩的散斑场。

图5-a是巷道开挖距离为巷道总长度的1/3时围岩的最大剪切应变云图；图5-b和图5-c分别是巷道开挖距离为巷道总长度的1/3时沿B-B、C-C剖面的围岩的分区破裂化素描图。

图6-a是巷道开挖距离为巷道总长度的2/3时围岩的最大剪切应变云图；图6-b和图6-c分别是巷道开挖距离为巷道总长度的2/3时沿D-D、E-E剖面的围岩的分区破裂化素描图。

图中符号说明如下：1巷道开挖系统；2散体；3推进头；4立柱；5活塞；6液压缸缸体；7开停阀；8节流阀；9溢流阀；10液压泵；11液压管线；12油箱；13可伸缩套管；14围岩侧压加载系统；15侧囊；16侧压加载板；17第一气压减压阀；18第一气压调压阀；19第一六通阀门；20气压管线；21第一气压加载气瓶；22第一气压压力表；23第二气压减压阀；24第二气压调压阀；25第二气压压力表；26第二六通阀门；27第二气压加载气瓶；28顶盖；29外壳；30垫箱；31巷道围岩模型；32垫板；33垂直应力加载垫块；34透明平板；35拍摄设备；36三角架；37照明光源；38计算机；39数字图像相关方法程序或软件；40光学观测系统；41手动换向阀；42剪切带；43破裂区；44过滤器；15-1密封螺栓；15-2密封小球；15-3气嘴；15-4禁锢卡环；15-5橡胶膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：图1给出了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置的巷道开挖系统1和围岩侧压加载系统14；巷道开挖系统1由预先充填于巷道内的散体2、含孔洞的推进头3、立柱4、活塞5、液压缸缸体6、开停阀7、节流阀8、手动换向阀41、溢流阀9、液压泵10、液压管线11、油箱12、过滤器44和透明平板34组成；围岩侧压加载系统14由侧囊15、侧压加载板16、第一气压减压阀17、第一气压调压阀18、第一六通阀门19、气压管线20、第一气压加载气瓶21、顶盖28、外壳29、第一气压压力表22、第二气压减压阀23、第二气压调压阀24、第二气压压力表25、第二六通阀门26、第二气压加载气瓶27、垫板32和垫箱30组成；通常，垂直于巷道轴线的两个方向的侧压并不相同，为此至少需要两个气瓶分别对巷道围岩模型31后方的一个侧囊和其左、右两侧的两个侧囊供气；对左、右两侧囊充气的第一气压加载气瓶21与第一气压减压阀17相连通，第一气压减压阀17与第一气压调压阀18相连通，第一气压调压阀18与第一六通阀门19和第一气压压力表22相连通，第一六通阀门19与两个支路相连通，每个支路与左、右两侧囊中的一个相连通；对后方侧囊充气的第二气压加载气瓶27与第二气压减压阀24相连通，第二气压减压阀24与第二气压调压阀25相连通，第二气压调压阀25与第二六通阀门26和第二气压压力表25相连通，第二六通阀门26与后方侧囊相连通；各侧囊均设置于外壳29与巷道围岩模型31之间，各侧囊充气后，对巷道围岩模型31施加侧压；各侧囊和巷道围岩模型31下方设置有垫箱30；垫箱30由凸起和凹陷的两部分平台组成；垫箱30上凸起的平台用于承载侧囊15、侧压加载板16和巷道围岩模型31；侧囊15的上方设置有顶盖28，顶盖28上设置有将顶盖固定于外壳的圆孔及允许侧囊气嘴15-3通过的孔洞和滑道；外壳上端面相应位置上设置有螺栓孔，以便于顶盖28的固定；垫箱30的凹陷平台设置于巷道的下方；垫箱30的凹陷平台用于承载巷道开挖系统1，另外，还用于承接从推进头3孔洞下落的散体2，以便于散体2的收集和循环使用；巷道围岩模型30的上方设置有垫板32；垫板32上方设置有垂直应力加载垫块33，垫块33设置在试验机上压头与巷道围岩模型31之间；外壳29和垫箱30的下端面均设置在试验机平台上；巷道围岩模型31的前方设置有一块透明平板34，透明平板34将巷道围岩模型31刚好遮挡，通过螺栓将透明平板34固定在外壳29的前表面上。

所述巷道开挖系统1的含孔洞的推进头3固定在液压缸的立柱4上；推进头3的上表面包括两部分：凸起的头部和其外围的平台。凸起的头部起到降低推进阻力的作用，有利于位于头部的散体2滑向平台，类似于子弹形的凸起的头部能起到上述作用；平台上设置有允许散体下落的垂直方向的贯通孔；贯通孔的数量、尺寸和形状决定了散体2的流量，随着散体2的下落，在液压缸的立柱4的作用下推进头3向上推进，这样，散体的流量将决定巷道开挖的速度。

所述推进头3匀速向上推进，其速度和散体2的流量相适应，若推进头3推进过快，将使散体2受到较大的平行于巷道轴线的压力作用，这不符合巷道开挖的本质（是轴向卸荷，而非加荷）；若推进头3推进过慢，将使远离推进头3的散体2发生松动，这也不符合巷道开挖时影响区域应位于开挖面附近的实际情况。

所述推进头3设置有贯通孔，贯通孔在巷道开挖之前应封闭。

所述巷道围岩模型31在巷道逐渐开挖过程中，由于垂直方向压力、侧向压力始终存在，由于巷道的开挖，围岩将向开挖后的巷道涌入，这将妨碍立柱4和推进头3的上升以及散体2的下落；为此，在推进头3的侧向设置有可伸缩套管13，该套管13仅为常规套管的一半，即将常规套管沿其轴线一分为二，任意一个均可使用，套管13的最大伸长量取决于其级数和每级的长度，可根据开挖巷道的长度决定，随着立柱4和推进头3的上升，套管13逐渐伸长，套管13还能对巷道围岩起到一定的支护作用；最外侧套管固定在垫箱30上，最内侧套管固定在推进头3上；液压缸设置于套管13内部，液压缸缸体6固定在垫箱30的凹陷平台上；液压元件的连接关系是：过滤器44与液压泵10相连通，液压泵10分别与溢流阀9和开停阀7相连通，开停阀7与节流阀8相连通，节流阀8与手动换向阀41相连通，手动换向阀41与液压缸相连通，过滤器44、溢流阀9和手动换向阀41分别与油箱12相连通。

所述透明平板34通过螺栓和外壳29固定，为了避免透明平板34的应力集中，可在透明平板34与螺栓之间设置长条形垫片。

所述透明平板34应具有一定的厚度，以保证强度；透明平板的作用在于：（1）限制巷道围岩模型31发生垂直于过巷道轴线的平面的变形，使其处于平面应变状态；（2）限制充填于巷道内部的散体2溢出；（3）便于采用光学方法测量过巷道轴线的平面内的变形；实际上，透明平板34亦可作为光学观测系统40的组成部分。

如图2所示，侧囊15由橡胶膜15-5、气嘴15-3、禁锢卡环15-4、密封螺栓15-1、密封小球15-2组成；侧囊15的橡胶膜15-5口部内表面与气嘴15-3的外表面固定，气嘴15-3中设置有内螺纹和贯通孔，密封螺栓15-1通过上述螺纹与气嘴15-3固定，密封螺栓15-1中设置有贯通孔，在气嘴15-3和密封螺栓15-1之间设置有密封小球15-2，密封小球15-2上设置有贯通孔，气压管线20通过密封螺栓15-1、气嘴15-3和密封小球150-2的贯通孔，伸展到橡胶膜15-5所围区域之内；橡胶膜15-5的口部外围设置有禁锢卡环15-4。

所述侧囊15的口部的内表面与气嘴15-3的外表面之间用强力胶密封。

所述巷道围岩模型31左、右两侧和后方侧囊15的压力一般并不相同，为了避免不同方向侧囊15之间的相互影响，可在侧囊15之间设置隔离板，隔离板固定在外壳的内表面上。

如图3所示，光学观测系统40由拍摄设备35（数码相机或CCD摄像头）、三角架36、照明光源37、计算机38、数字图像相关方法程序或软件39组成；拍摄设备35固定在三角架36平台上，拍摄设备35及三角架36设置在巷道围岩模型31的正前方，拍摄设备35的镜头的轴线方向与巷道围岩模型31的轴线方向垂直，以保证图像完全显示于拍摄设备35的屏幕中；数字图像相关方法程序或软件39由前处理、计算和后处理模块组成；前处理模块用于选择由拍摄设备35记录的大量图像中的一部分和计算参数的设定（例如，子区尺寸）以及计算模式的选择；计算模块用于被选择图像的应变场和位移场的计算；后处理模块用于奇异点校正和各种结果显示；对于位移场可以有多种显示方式：位移矢量图和等值线图，既可以显示其总量，也可以显示其增量，既可以显示其全量，也可以显示其分量。

所述子区尺寸应根据具体情况进行选择；子区尺寸不能过大，也不能过小；既要保证子区之间的正确匹配，又要能刻画应变场的细节。

所述奇异点是指位移、应变或相关系数明显与其周围的点有差异的计算错误的点；通常，奇异点可根据相关系数进行判别；有时，仅凭相关系数不足以识别出奇异点，就需对位移场和应变场进行全面检查。

所述巷道围岩模型31若由相对较软的相似材料制成，其测点的位移可能较大，而应变一般不会太大；在此条件下，可将智能优化算法（粒子群优化算法、遗传算法和差分进化算法等）和Newton-Raphson迭代方法有机结合，充分发挥各自的优势：位移的计算结果具有亚像素精度，迭代的初值容易确定，不易陷入局部最优；申请人提出的基于粒子群优化算法及Newton-Raphson迭代方法的数字图像相关方法（王学滨, 杜亚志, 潘一山. 基于DIC粗-细搜索方法的单轴压缩砂样的应变分布及应变梯度的实验研究. 岩土工程学报, 2012, 34(11): 2050-2057; 王学滨, 杜亚志, 潘一山. 考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较. 工程力学, 2013, 30(7): 282-287; 王学滨, 杜亚志, 潘一山. 单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测. 岩土工程学报, 2014, 36(9): 1648-1656）可以满足上述要求；当测点的应变较大时，建议采用增量计算方式，即以选择的前1张图像作为参考图像，选择后1张图像作为目标图像，以此类推，全量的结果由增量计算方式的结果相加得到。

所述巷道围岩模型31通常应为长方体，且含孔洞，孔洞的形状可为半圆柱面或棱柱面；若将其形状制成含孔洞的半圆柱体，则仅适于垂直于巷道轴线的侧压相等的情形；在此情况下，不必制作3个侧囊，只需制作1个表面呈半圆形的侧囊即可；相应地，气瓶和与之连通的各种阀门的数量均可减少至一套，此时，外壳的形状需要和巷道围岩模型的形状相适应；为了提高系统的适用性和降低成本，可在适于长方体巷道围岩模型的外壳内部设置一个半圆柱形的衬套，即可满足要求。

所述垫板32的水平方向尺寸应与巷道围岩模型31的水平方向尺寸相同或稍小；在各侧囊上方的顶盖28与垫板32之间应留有孔隙，以防止二者的干涉。

所述垫板32上方设置有垂直应力加载垫块33，垂直应力加载垫块33应具有足够的高度，以避免试验机上压头在运动过程中与从各侧囊15气嘴中伸出的气压管线发生干涉而造成漏气。

一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的方法，采用一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，包括如下步骤：

步骤一：巷道围岩模型加载之前的准备工作；

具体包括：将上述装置的外壳29置于试验机的平台上，同时调整外壳29在平台上的位置，使试验机上压头的纵向对称线刚好通过即将放入外壳29的巷道围岩模型31上表面的形心，以保证加载对中的要求；将垫箱30置于试验机平台上，且置于外壳29中，将巷道围岩模型31置于垫箱30的凸起平台上，且使巷道围岩模型31的前表面与外壳29的前表面在一个平面上；将液压缸缸体6固定在垫箱30凹陷的平台上，将可伸缩套管13的最外侧套管固定在垫箱30凹陷的平台上或凹陷平台与凸起平台之间的侧壁上，将推进头3固定在液压缸的立柱4上，启动液压泵10，将开停阀7的阀芯置于左位（液压油流经节流阀8）、手动换向阀41的阀芯置于左位（液压缸下腔进油，上腔回油，立柱4上升），使立柱4带动推进头3匀速向上推进，待立柱4的高度适当时，即推进头3刚好堵住巷道围岩模型31下端面上的孔洞时，将手动换向阀41的阀芯置于中位（液压缸上、下油箱均不进油，立柱4不动），将开停阀7的阀芯置于右位（液压油流经开停阀7后直接流回油箱），将推进头3上的贯通孔封闭；将透明平板34置于巷道围岩模型31前方，且固定在外壳29的前表面上；将散体2注入巷道围岩模型31的巷道中，压实；将垫板32置于巷道围岩模型31的上方，且使该垫板32的前表面与外壳29的前表面在一个平面上；在垫板32上设置垂直应力加载垫块33；启动试验机，使试验机上压头与垂直应力加载垫33块略微接触，停止试验机；将与气压管线20、各种气压阀门和气瓶连通的各侧囊15置于外壳29与巷道围岩模型31之间，在侧囊15与巷道围岩模型31之间设置侧压加载板16，将顶盖28固定在外壳29的上端面上，并使侧囊15的气嘴15-3通过顶盖28上的贯通孔；

所述巷道围岩模型31的前观测面一般应喷涂散斑，将拍摄设备35固定在三角架上36，三角架36置于巷道围岩模型31表面的前方；

步骤二：巷道围岩模型侧压及垂直方向压力的施加过程；

具体包括：打开与各气压加载气瓶连通的气压减压阀，打开与上述气压减压阀连通的六通阀门，调节气压调压阀，使各气压压力表的压力读数达到预定值；同时打开与各侧囊15连接的阀门，使各侧囊15同时被充气；启动试验机，使试验机上压头向下运动，当试验机施加的垂直压力达到预定值时，使试验机维持该压力；启动拍摄设备35，对巷道开挖之前的巷道围岩模型31的前表面的图像进行拍摄；

所述试验机施加的垂直应力的方向平行于巷道轴线的方向；

所述各侧囊15应同时被充气，以避免巷道围岩模型31在受力不均匀条件下发生损坏；

步骤三：巷道的逐渐开挖及散斑场记录；

具体包括：根据需要，将推进头3上的孔洞部分或全部打开，使充填于巷道内部的散体2下落，同时，启动液压泵10，将开停阀7、手动换向阀41的阀芯均置于左位，使立柱4带动推进头3匀速向上推进；在这一过程中，拍摄设备35始终对巷道围岩模型31的前表面的散斑场进行记录，直至巷道围岩模型31出现明显宏观裂纹或发生整体坍塌或充填于巷道内部的散体全部泻出；将手动换向阀41的阀芯置于右位（液压缸上腔进油，下腔回油，立柱4下降），待推进头下降复原后，将手动换向阀41的阀芯置于中位，将开停阀7的阀芯置于右位，停止液压泵10；

步骤四：巷道围岩模型受到的各种力的解除、破坏后巷道围岩模型的取出及碎块清理；

将试验机卸载，操纵试验机上压头向上运动，取出垂直应力加载垫块33和垫板32；关闭拍摄设备35，打开与各侧囊15连通的六通阀门的剩余阀门中的一个阀门，释放侧囊15中的气体；考虑到经济性、安全性和环保，气压加载气瓶内充空气即可，这样，可将侧囊中的气体直接排向空气；将巷道围岩模型31前方的透明平板34取下，取出破坏后的巷道围岩模型31，清理全部碎块和与巷道围岩模型31发生接触的表面的杂质，关闭全部气压阀门；回收落入垫箱30凹陷平台处的散体，以备下次利用；

步骤五：重复步骤一至四，并在此过程中改变各侧囊15的压力；

步骤六：重复步骤一至四，并在此过程中改变试验机的垂直压力；

步骤七：重复步骤一至四，并在此过程中通过调节推进头上贯通孔打开的数量或更换孔的形状和尺寸不同的推进头以改变巷道开挖的速度；

步骤八：当所有实验完成之后，采用数字图像相关方法或软件39计算被选择图像的位移场和应变场，同时校正奇异点和显示各种结果。

所述的数字图像相关方法或软件39应具有亚像素精度。

在进行所述步骤二之前检查围岩侧压加载系统14的气密性。

在进行所述步骤八之前，为了提高计算精度，应进行图像滤波和镜头畸变校正。

在进行所述步骤八时，奇异点校正的方法包括：更换计算参数重新计算和利用奇异点周围非奇异点的信息对奇异点的信息进行插值并覆盖。

图4-a、图4-b及图4-c给出了巷道开挖之前和巷道开挖距离分别为巷道总长度的1/3以及2/3时的围岩的散斑场。围岩受到的垂直方向应力与侧向应力比值σ ₁/σ ₃=3，随着推进头3向上推进，充填于巷道内部的散体2逐渐下落，围岩不断发生变形，并涌向开挖后的巷道空间。

图5-a和图6-a分别给出了巷道开挖距离为巷道总长度的1/3和2/3时围岩的最大剪切应变云图；图5-b和图5-c分别给出了巷道开挖距离为巷道总长度的1/3时沿B-B、C-C剖面的围岩的分区破裂化素描图，该素描图是根据图5-a给出的。图6-b和图6-c分别给出了巷道开挖距离为巷道总长度的2/3时沿D-D、E-E剖面的围岩的分区破裂化素描图，该素描图是根据图6-a给出的。在图5-a中，可观察到大约5-6条倾斜的剪切带42，在图6-a中，可观察到大约5-6条较长的剪切带42，这说明随着巷道的开挖，围岩中的剪切带不断发展。由此推演出垂直于巷道轴线的平面内的分区破裂化图像（图5-b、图5-c、图6-b和图6-c），图中的阴影区域代表破裂区43或最大剪切应变高值区，除了巷道之外的非阴影区域代表弹性区或未破裂区。在过巷道轴线的平面内如果剪切带42左、右对称，则在垂直于巷道轴线的平面内，破裂区43将连接成一个半圆环。如果在过巷道轴线的平面内剪切带42左、右不对称，破裂区43的尖端将认为消失于左、右对称线上。由此可见，不同剖面上的分区破裂化图像不同；随着巷道的开挖，远离巷道表面的破裂区43不断出现，离巷道表面越近，任意两个破裂区43的间隔就越近。

Claims (6)

1.一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，其特征在于：该装置由巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统组成；巷道开挖系统由预先充填于巷道内的散体、含孔洞的推进头、立柱、活塞、液压缸缸体、开停阀、节流阀、手动换向阀、溢流阀、液压泵、液压管线、油箱、过滤器、透明平板和可伸缩套管组成；巷道开挖系统的连接关系是：过滤器与液压泵相连通，液压泵分别与溢流阀和开停阀相连通，开停阀与节流阀相连通，节流阀与手动换向阀相连通，手动换向阀与液压缸相连通，过滤器、溢流阀和手动换向阀分别与油箱相连通，液压缸缸体被固定在垫箱的凹陷的平台上，可伸缩套管的最内侧套管被固定在推进头的侧向上，可伸缩套管的最外侧套管固定在垫箱上，巷道开挖系统的推进头最初被设置在巷道的下方，起到封堵巷道围岩模型下端面上孔洞的作用；所述围岩侧压加载系统由侧囊、侧压加载板、气压调压阀、气压减压阀、六通阀门、气压管线、气压加载气瓶、顶盖、外壳、气压压力表和垫箱组成；当要求巷道围岩模型受到的两个侧向应力不同时，侧囊采用平面形，数量为3个；当要求巷道围岩模型受到的两个侧向压力相同时，可以采用3个平面形侧囊，也可采用1个半圆弧形侧囊；所述侧压加载板及各侧囊均设置在垫箱凸起的平台上，垫板设置在巷道围岩模型的上表面上，垂直应力加载垫块设置在垫板的上方及试验机上压头下方，垫箱置于试验机平台上；垫板的前表面、巷道围岩模型的前表面、可伸缩套管的前表面、外壳的前表面与透明平板的后表面贴合；所述围岩侧压加载系统的连接关系是：对左、右两侧囊充气的气瓶与第一气压减压阀相连通，第一气压减压阀与第一气压调压阀相连通，第一气压调压阀与第一六通阀门和第一气压压力表相连通，第一六通阀门与两个支路相连通，每个支路与左、右两侧囊中的一个相连通；对后方侧囊充气的气瓶与第二气压减压阀相连通，第二气压减压阀与第二气压调压阀相连通，第二气压调压阀与第二六通阀门和第二气压压力表相连通，第二六通阀门与后方侧囊相连通；各侧囊均设置于外壳与巷道围岩模型之间，各侧囊充气后，对巷道围岩模型施加侧压；侧囊设置在外壳与巷道围岩模型之间，侧囊与巷道围岩模型之间设置有侧压加载板；所述光学观测系统由拍摄设备、三角架、照明光源、计算机、数字图像相关方法程序或软件组成；拍摄设备固定在三角架平台上，拍摄设备及三角架设置在巷道围岩模型的正前方；所述巷道围岩模型的轴线方向与水平面垂直；所述拍摄设备的镜头的轴线方向与巷道围岩模型的轴线方向垂直。

2.根据权利要求1所述的模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，其特征在于所述推进头上设置有贯通孔，贯通孔的形状、数量和尺寸决定了散体下落的速度，推进头匀速向上推进的速度应与此速度相适应；推进头侧向的可伸缩套管的作用体现在以下3点：（1）为立柱和推进头的上升提供空间；（2）为散体的下落提供通道；（3）对巷道围岩起到支护作用。

3.根据权利要求1所述的模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，其特征在于所述透明平板的高度与巷道围岩模型的高度相适应，其作用体现在以下3点：（1）保证过巷道轴线的平面处于平面应力状态；（2）限制充填于巷道内部的散体溢出；（3）便于光学观测。

4.根据权利要求1所述的模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，其特征在于所述可伸缩套管的最大伸长量取决于其级数和每级的长度，根据开挖巷道的长度决定，随着立柱和推进头的上升，套管逐渐伸长，套管可对巷道围岩起到支护作用。

5.一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的方法，其特征在于采用权利要求1所述的一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，包括如下步骤：

步骤一：巷道围岩模型加载之前的准备工作；

具体包括：将上述装置的外壳置于试验机的平台上，同时调整外壳在平台上的位置，使试验机上压头的纵向对称线刚好通过即将放入外壳的巷道围岩模型上表面的形心；将垫箱置于试验机平台上，且置于外壳中，将巷道围岩模型置于垫箱的凸起平台上，且使巷道围岩模型的前表面与外壳的前表面在一个平面上；将液压缸缸体固定在垫箱凹陷的平台上，将可伸缩套管的最外侧套管固定在垫箱上，将推进头固定在液压缸的立柱上，使推进头位于巷道的下方；启动液压泵，将开停阀、手动换向阀的阀芯均置于左位，使立柱带动推进头匀速向上推进，待立柱的高度适当时，即推进头刚好堵住巷道围岩模型下端面上的孔洞时，将手动换向阀的阀芯置于中位，将开停阀的阀芯置于右位，将推进头上的贯通孔封闭；将透明平板置于巷道围岩模型前方且固定在外壳的前表面上；将散体注入巷道围岩模型的巷道中，压实；将垫板置于巷道围岩模型的上方且使该垫板的前表面与外壳的前表面在一个平面上；在垫板上设置垂直应力加载垫块；启动试验机，使试验机上压头与垂直应力加载垫块略微接触，停止试验机；将与气压管线、各种气压阀门和气瓶连通的各侧囊置于外壳与巷道围岩模型之间，在侧囊与巷道围岩模型之间设置侧压加载板，将顶盖固定在外壳的上端面上，并使侧囊的气嘴通过顶盖上的贯通孔；将拍摄设备固定在三角架上，三角架置于巷道围岩模型表面的前方；

所述巷道围岩模型的前观测面应喷涂散斑；

步骤二：巷道围岩模型侧压及垂直方向压力的施加过程；

具体包括：打开与气压加载气瓶连通的气压减压阀，打开与上述气压减压阀连通的六通阀门上的阀门，调节气压调压阀，使各气压压力表的压力读数达到预定值；同时打开与各侧囊连接的六通阀门上的阀门，使各侧囊同时被充气；启动试验机，使试验机上压头向下运动，当试验机施加的垂直压力达到预定值时，使试验机维持该压力；启动拍摄设备，对巷道开挖之前的巷道围岩模型的前表面的图像进行拍摄；

所述试验机施加的垂直应力的方向平行于巷道轴线的方向；

所述各侧囊应同时被充气，以避免巷道围岩模型在受力不均匀条件下发生损坏；

步骤三：巷道的逐渐开挖及散斑场记录；

具体包括：根据需要，将推进头上的孔洞部分或全部打开，使充填于巷道内部的散体下落，同时，启动液压泵，将开停阀、手动换向阀的阀芯均置于左位，使立柱带动推进头匀速向上推进；在这一过程中，拍摄设备始终对巷道围岩模型的前表面的散斑场进行记录，直至巷道围岩模型出现明显宏观裂纹或发生整体坍塌或充填于巷道内部的散体全部泻出；将手动换向阀的阀芯置于右位，待推进头下降复原后，将手动换向阀置的阀芯于中位，将开停阀的阀芯置于右位，停止液压泵；

步骤四：巷道围岩模型受到的各种力的解除、破坏后巷道围岩模型的取出及碎块清理；

将试验机卸载，操纵试验机上压头向上运动，取出垂直应力加载垫块和垫板；关闭拍摄设备，打开与各侧囊连通的六通阀门的剩余阀门中的一个阀门，释放侧囊中的气体；将巷道围岩模型前方的透明平板取下，取出破坏后的巷道围岩模型，清理全部碎块和与巷道围岩模型发生接触的表面的杂质，关闭全部气压阀门；回收落入垫箱凹陷平台上的散体，以备下次利用；

步骤五：重复步骤一至四，并在此过程中改变各侧囊的压力；

步骤六：重复步骤一至四，并在此过程中改变试验机的垂直压力；

步骤七：重复步骤一至四，并在此过程中通过调节推进头上贯通孔打开的数量或更换孔的形状和尺寸不同的推进头以改变巷道开挖的速度；

步骤八：当所有实验完成之后，采用数字图像相关方法或软件计算被选择图像的位移场和应变场，同时校正奇异点和显示各种结果；所述数字图像相关方法的位移计算结果应具有亚像素精度，对于测点位移较大情形仍然适用，易于确定迭代的初值，不易陷入局部最优。

6.根据权利要求5所述的模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的方法，根据平行于巷道轴线平面内的变形场和巷道围岩模型的轴对称变形特性，推出垂直于巷道轴线平面内的分区破裂化图案：若在过巷道轴线的平面内剪切带左、右对称，则在垂直于巷道轴线的平面内，破裂区将连接成一个半圆环；若在过巷道轴线的平面内剪切带左、右不对称，破裂区的尖端将消失于左、右对称线上。