CN105486835A

CN105486835A - 一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置及试验方法

Info

Publication number: CN105486835A
Application number: CN201510263783.7A
Authority: CN
Inventors: 李青海; 史卫平; 秦忠诚; 黄冬梅; 刘勇; 焦鲁刚
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: CN105486835B

Abstract

本发明提供了一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置及试验方法，它包括基本框架结构、模型巷道和连接螺栓三部分。基本框架结构具体包括上下、前后、左右共6侧框架，每侧框架由厚、薄两块有机玻璃板加工而成；模型巷道是由薄层有机玻璃板加工而成的、中空的直墙半圆拱巷道模型；结合模型巷道具体尺寸及形状，可以在开挖口位置实现巷道的精确开挖。六侧框架通过插槽连接、螺栓固定的方式实现该相似模拟试验装置的组装。该装置可以精确监测围岩膨胀压力大小，可以形象模拟围岩膨胀变形过程。

Description

一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于隧道工程、地下工程、采矿工程围岩控制技术领域，具体涉及一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置及试验方法。

背景技术

随着煤炭开采程度加剧，东部资源日渐枯竭，中部受资源与环境约束的矛盾日益加剧，资源开发加速向西部转移。西部资源丰富，开发潜力大，预计到2015年底，西部地区煤炭产量将达到20.9亿吨，将占全国煤炭产量的53％，西部地区矿井持续健康发展对保障国家能源安全具有重要作用。

巷道控制问题一直是困扰我国煤矿安全高效开采的关键问题之一。长期以来，巷道支护理论和技术作为采矿工程领域的研究重点，已对多种复杂条件巷道围岩变形机理及控制技术进行了系列研究，取得了丰硕成果，包括破碎围岩巷道支护技术、大断面巷道支护技术、深井高应力软岩巷道支护技术、沿空巷道支护技术等，获得了多种组合支护方式，如锚网喷+锚索+架棚+注浆联合支护方式，有效解决了大量复杂条件巷道支护难题。

内蒙古自治区是西部主要产煤省份之一，其蒙东褐煤主产区遭遇膨胀软岩巷道支护难题，该类巷道变形呈现持续的非线性大变形特征，现已尝试采用锚网喷+U36型钢联合支护、锚网喷+12#矿用工字钢对棚联合支护，均未取得预期效果。在内蒙古自治区上海庙矿区，以及陕西、甘肃、宁夏、新疆境内亦存在严重的膨胀软岩巷道支护难题，该难题已成为当前煤矿安全生产面临的重要课题。

膨胀软岩中含有较高比例的膨胀性粘土矿物，岩层胶结程度差，属于力学强度较低的极软岩层，现有支护方式以及相关支护方式的组合根本无法取得预期效果。在该特殊地质条件下，大部分巷道陷入前掘后修的困境，这大大增加预算投资，同时严重威胁矿井安全生产。

膨胀软岩巷道支护问题已成为制约煤炭企业发展，甚至制约西部煤炭新区顺利建设的一大瓶颈。突破该瓶颈，研究膨胀软岩巷道围岩损伤演化机理，对保证该特殊条件矿井安全生产具有重要意义，同时将为我国煤炭企业持续健康发展提供有力保障。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有膨胀软岩损伤演化相似模拟研究中试验装置的缺陷，提供了一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置及试验方法，所述装置具有简单便捷、操作方便、围岩膨胀条件与现场一致、围岩膨胀过程形象再现、围岩膨胀压力精确测定等优点。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，所述装置包括基本框架结构、模型巷道、连接螺栓；所述基本框架结构包括上侧框架、下侧框架、左侧框架、右侧框架、前侧框架和后侧框架；所述6侧框架的每侧框架均由厚板和薄板两块有机玻璃板组成；所述厚板厚度为20～30mm，所述厚板位于框架外侧；所述薄板厚度为10～20mm，薄板位于框架内侧。

与现有相似模拟试验装置相比，本发明的优点和积极效果是：本发明所述装置可以有效克服现有装置对围岩膨胀变形条件难以精确控制，以及对围岩膨胀变形中的膨胀压力难以精确测定等缺陷，该装置密封性好，可以有效隔绝空气，最大限度降低外部条件对围岩膨胀变形的影响。试验过程中可以根据围岩重量，定时、定量、均匀对围岩加水，从而进行不同含水率下围岩膨胀损伤演化试验。试验过程中传感器与装置表面接触好，可以有效提高压力测试精度。结合模型巷道具体形状及尺寸，可以实现巷道开挖精确控制。该围岩损伤相似模拟试验装置将为膨胀软岩巷道围岩损伤机理研究提供新的思路和方法。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置三向视图。

图2为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置左右两侧框架示意图。其中(a)为左侧框架图，(b)为右侧框架图。

图3为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置左右框架两板结构示意图。其中(a)为厚板结构图，(b)为薄板结构图。

图4为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置前后两侧框架示意图。其中(a)为后侧框架图，(b)为前侧框架图。

图5为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置前后框架两板结构示意图。其中(a)为厚板结构图，(b)为薄板结构图。

图6为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置下侧框架示意图。

图7为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置下侧框架两板结构示意图。其中(a)为厚板结构图，(b)为薄板结构图。

图8为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置上侧框架示意图。

图9为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置上侧框架两板结构示意图。其中(a)为厚板结构图，(b)为薄板结构图。

图10为本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置模型巷道示意图。

图中，1、上侧框架厚板；2、上侧框架薄板；3、左侧框架厚板；4、左侧框架薄板；5、下侧框架厚板；6、下侧框架薄板；7、右侧框架厚板；8、右侧框架薄板；9、后侧框架厚板；10、后侧框架薄板；11、前侧框架厚板；12、前侧框架薄板；13、压力传感器安装槽；14、预加水孔；15、螺孔；16、连接螺栓；17、上侧凹槽；18、下侧凹槽；19、左侧凹槽；20、右侧凹槽；21、矩形开挖口；22、模型巷道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置包括基本框架结构、连接螺栓16和模型巷道22三部分。

如图1所示，基本框架结构包括上侧框架、下侧框架、左侧框架、右侧框架、前侧框架和后侧框架，所述6侧框架的每侧框架均由厚板和薄板两块有机玻璃板组成；具体为上侧框架的厚板1和薄板2、下侧框架的厚板5和薄板6、左侧框架的厚板3和薄板4、右侧框架的厚板7和薄板8、前侧框架的厚板11和薄板12、后侧框架的厚板9和薄板10。所述厚板和薄板在其中央位置、以及中央位置向上、下、左、右四个方向每隔200～300mm加工有压力传感器安装槽13，压力传感器安装槽13凹向厚板和薄板。

如图2所示，基本框架结构的左侧框架的厚板3和右侧框架的厚板7长度、宽度尺寸均一致，左侧框架的薄板4和右侧框架的薄板8长度、宽度尺寸一致。

如图3所示，基本框架结构的左右两侧框架的厚板3和厚板7的边缘分别加工有上侧凹槽17、下侧凹槽18、左侧凹槽19、右侧凹槽20。在所述厚板3、7和薄板4、8的四角位置分别加工有四个螺孔15。

如图4所示，基本框架结构的前侧框架的厚板11、后侧框架的厚板9、前侧框架的薄板12和后侧框架的薄板10长度、宽度尺寸一致。

如图5所示，基本框架结构的前后两侧框架的厚板11、9和薄板12、10的中间位置加工有矩形开挖口21。

如图6所示，基本框架结构的下侧框架的厚板5和薄板6长度、宽度尺寸一致。

如图8所示，基本框架结构的上侧框架的厚板1和薄板2长度、宽度尺寸一致。

如图9所示，基本框架结构的上侧框架的厚板1和薄板2均匀布置预加水孔15。

如图10所示，模型巷道22为中空的直墙半圆拱形式。

本发明所述膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置的制作及组装方法如下：将有机玻璃板根据要求，制作上侧框架厚板1和薄板2、下侧框架厚板5和薄板6、左侧框架厚板3和薄板4、右侧框架厚板7和薄板8、前侧框架厚板11和薄板12、后侧框架厚板9和薄板10。组装时，首先将左右两侧有机玻璃板3、4、7、8采用连接螺栓16穿过螺孔15进行连接。连接时，连接螺栓16保持松弛状态，薄板4、8位于内侧，厚板3、7位于外侧，两厚板凹槽均朝向内侧，同时在厚板、薄板接触面传感器安装槽13位置安装压力传感器。连接完毕，在下侧框架有机玻璃板5、6的安装槽13位置安装压力传感器，并将有机玻璃板5、6以厚板在下、薄板在上的顺序插入左右两侧厚板的下侧凹槽18；在前侧框架有机玻璃板11、12的安装槽13位置安装压力传感器，并将有机玻璃板11、12以厚板在前、薄板在后的顺序插入左右两侧厚板的左侧凹槽19；在后侧框架有机玻璃板9、10的安装槽13位置安装压力传感器，并将有机玻璃板9、10以薄板在前、厚板在后的顺序插入左右两侧厚板的右侧凹槽20；在上侧框架有机玻璃板1、2的安装槽13位置安装压力传感器，并将有机玻璃板1、2以厚板在上、薄板在下的顺序插入左右两侧厚板的上侧凹槽17。拧紧连接螺栓16即完成相似模拟试验装置的组装工作。

使用本发明所述装置的试验方法具体包括以下步骤：

(1)对组装完成的相似模拟试验箱称重，获得其质量m₁，取下上侧框架的厚板1和薄板2，将膨胀岩层在试验箱内逐层铺砌。铺砌过程中将布满均匀小孔的细软管线预埋入岩层内。待相似岩层铺砌至试验箱顶端，将细软管线穿过上侧有机玻璃板预加水孔14，然后将引出管线的上侧有机玻璃板1、2插入上侧凹槽17，完成模型的铺砌工作。

(2)模型铺砌完毕将压力传感器引线连接至数据采集仪，校准后进行数据连续采集工作，同时架设摄像机和三维激光扫描仪进行试验现象和变形位移的记录工作，随后进行巷道开挖工作。

(3)巷道开挖时，将模型巷道22置于矩形开挖口21的外侧，采用细长开挖工具穿过模型巷道22，依据模型巷道22的轮廓尺寸进行模型的开挖工作，挖出岩层通过模型巷道22排出试验装置。当相似模型前后贯穿即完成开挖工作，此时缓慢、轻微抽出模型巷道22。

(4)取相似岩层试块进行称重，获得其质量m₂，然后放入110℃恒温烘箱24h，将试块烘干后再次称重，获得其质量m₃，则获得相似岩层的含水率w₁为：

w_{1} = \frac{m_{2} - m_{3}}{m_{3}} \times 100 %

将开挖完成的相似模型称重，获得其质量为m₄，则相似模型中的岩层质量为(m₄–m₁)。结合相似岩层的含水率w₁，则将相似岩层含水率提高至w₂所需的水量m₅为：

m_{5} = \frac{(m_{4} - m_{1}) (w_{2} - w_{1})}{1 + w_{1}}

将计算获得的所需水量m₅均分至每一细软管线，采用滴管或输液器进行定量施加，同时连续采集应力、位移等数据，对应获得含水率w₂状态下围岩膨胀变形结果。

采用同样方法将围岩含水率逐步提高至w₃、w₄、w₅…，直至巷道失稳破坏，即完成试验工作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述装置包括基本框架结构、模型巷道、连接螺栓；所述基本框架结构包括上侧框架、下侧框架、左侧框架、右侧框架、前侧框架和后侧框架；所述6侧框架的每侧框架均由厚板和薄板两块有机玻璃板组成；所述厚板厚度为20～30mm，所述厚板位于框架外侧；所述薄板厚度为10～20mm，薄板位于框架内侧。

2.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述厚板和薄板在其中央位置、以及中央位置向上、下、左、右四个方向每隔200～300mm加工有压力传感器安装槽，所述压力传感器安装槽位于厚板和薄板的接触面，其形状为同心的、直径15～20mm、深3～5mm的凹槽。

3.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述左侧框架和右侧框架中的厚板尺寸长700～740mm、宽700～740mm，薄板尺寸长560～600mm、宽540～600mm；左右两侧框架中的厚板四周端部均加工有宽30～50mm、深10～15mm的凹槽；左右两侧框架中的厚板和薄板在其四角位置加工有直径10～12mm的螺栓孔。

4.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述前侧框架和后侧框架中的厚板、薄板尺寸均长630～670mm、宽560～600mm；前后两侧框架中的厚板和薄板的中间位置加工有宽120～150mm、高120～150mm的矩形开挖口。

5.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述基本框架结构的上侧框架中的厚板、薄板尺寸均长700～740mm、宽630～670mm；所述上侧框架中的厚板和薄板均匀布置3～5排、3～5列，直径10～12mm的预加水孔。

6.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述基本框架结构的下侧框架中的厚板、薄板尺寸均长700～740mm、宽630～670mm。

7.根据权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置，其特征在于，所述模型巷道由厚2～3mm的薄层有机玻璃板加工而成；所述模型巷道是中空的直墙半圆拱形式。

8.利用权利要求1所述的膨胀软岩巷道围岩损伤相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于它包括以下试验步骤：

(1)对所述相似模拟试验箱称重，获得其质量m₁，取下上侧框架的厚板和薄板，将膨胀岩层在试验箱内逐层铺砌，铺砌过程中将布满均匀小孔的细软管线预埋入岩层内，待相似岩层铺砌至试验箱顶端，将细软管线穿过上侧有机玻璃板预加水孔，然后将引出管线的上侧厚板和薄板插入上侧凹槽，完成模型的铺砌工作；

(2)模型铺砌完毕将压力传感器引线连接至数据采集仪，同时架设摄像机和三维激光扫描仪进行试验现象记录工作，随后进行巷道开挖工作；

(3)巷道开挖时，将模型巷道置于矩形开挖口的外侧，依据模型巷道的轮廓尺寸进行模型的开挖工作，挖出岩层通过模型巷道排出试验装置，当相似模型前后贯穿即完成开挖工作，此时缓慢、轻微抽出模型巷道；

w_{1} = \frac{m_{2} - m_{3}}{m_{3}} \times 100 %

m_{5} = \frac{(m_{4} - m_{1}) (w_{2} - w_{1})}{1 + w_{1}}

将计算获得的所需水量m₅均分至每一细软管线，采用滴管或输液器进行定量施加，同时连续进行应力采集、三维激光扫描仪监测，对应获得含水率w₂状态下围岩膨胀变形结果。

(5)采用同样方法将围岩含水率逐步提高直至巷道失稳破坏，即完成试验工作。