CN105675840A - 动压巷道支护物理模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动压巷道支护物理模型试验装置及方法，装置包含内、外框架两部分，内框架设有顶部静载油缸和顶部振动油缸，外框架设有底部振动油缸，内、外框架分别设有滚轮组和导轨，可以使内框架整体随底部振动油缸的作用在外框架内部上下振动；试验基本原理是将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加给模型巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸进行加载，动载荷为采区顶板断裂、垮落等因素产生的振动作用，通过顶、底部振动油缸进行加载。由于内框架整体可在外框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的振动台，减少了设备的占用空间；加之不需要通过工作面的推进来模拟采动压力，所以减少了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节约了实验成本，还可以定量地研究采动压力与巷道变形破坏之间的联系。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种物理模型试验装置及方法，尤其涉及一种进行动压巷道支护研究 的物理模型试验装置及方法。
背景技术
[0002] 以相似理论为基础的物理模型试验，能将在模型中得到的物理量之间的关系，反 推到所模拟的原型中，从而获得原型的内在规律。在岩土工程领域，因物理模型试验具有易 操作、低成本、高仿真的特点，同时还可以进行一些实际工程中无法实现的研究，在近些年 来得到了较为广泛的应用。相似材料模拟试验是物理模型试验中应用较多的分支，相关的 试验仪器也较多，且各具特色。
[0003] 动压巷道，即受采动压力影响的巷道，我国煤矿中绝大多数的巷道都会受到采动 压力的影响，以往人们为了研究动压巷道的支护技术，进行了一些相似材料模型试验。但现 有的试验仪器存在一个较大的矛盾，为了模拟出采动压力，需要对模型进行开挖以模拟回 采的过程，这样在有限的试验空间内、几何相似比一定的条件下，模型巷道的尺寸会很小， 不利于研究巷道的支护技术;为了研究巷道的支护技术，模型巷道尺寸需要做大，但同时又 需要通过工作面的推进来模拟采动压力，这样试验设备尺寸就会很大，试验设备占地面积、 试验成本增加、劳动强度较高，不利于进行试验。因此，对于动压巷道支护的研究，一直缺乏 针对性强、经济性好、占用空间少、劳动强度低的物理模型试验装置。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种操作简便、针对性强、占用空间少、经济性好、劳动强度 低的动压巷道支护物理模型试验装置及方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，试验装置包含外框架和内框架 两部分，所述外框架设有底部振动油缸和导轨，所述内框架设有顶部静载油缸、顶部振动油 缸和滚轮组;所述底部振动油缸用来模拟巷道远处采空区顶板周期性垮落产生的地震波， 传播至模型巷道区域时引起的振动，所述导轨和滚轮组可供底部振动油缸作用时，带动内 框架整体在外框架内部上下振动，所述顶部静载油缸用来模拟巷道所受超前支承压力的作 用，所述顶部振动油缸用来模拟巷道上部由采区顶板断裂释放能量等因素产生的振动；
[0007] 试验基本原理是将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加 给模型巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸进行加载，动载荷为采区顶 板断裂、垮落等因素产生的振动作用，通过顶部振动油缸、底部振动油缸进行加载。
[0008] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的动压巷道支护物理模型试 验装置及方法，由于内框架整体可在外框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的 振动台，减少了设备的占用空间；加之不需要通过工作面的推进来模拟采动压力，所以减少 了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节约了实验成本，还可以定量地研究采动压力与巷道 变形破坏之间的联系。
附图说明
[0009] 图1为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机整 体前立面图；
[0010] 图2为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机外 框架立面图；
[0011] 图3为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机内 框架前立面图；
[0012] 图4为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机内 框架后立面图；
[0013]图5为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的滚轮组局 部详图；
[0014] 图6为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机整 体侧向剖视图；
[0015] 图7为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的加载函数 曲线图；
[0016] 图8为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的振动荷载 施加时间图。
[0017] 图中：
[0018] 1、外框架，2、内框架，3、顶部静载油缸，4、顶部振动油缸，5、底部振动油缸，6、外框 架顶梁，7、外框架立柱，8、外框架底梁，9、外框架支腿，10、导轨，11、滚轮组，12、内框架顶 梁，13、内框架立柱，14、内框架底梁，15、前挡板，16、可视窗口，17、后挡板，18、滚轮，19、实 验材料，20、有机玻璃板，21、加载阶段，22、卸载阶段，23、振动荷载。
具体实施方式
[0019] 下面结合具体的实施例对本发明作进一步地详细描述。
[0020] 本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，如图1所示，装置由外框架1、内 框架2和顶部静载油缸3、顶部振动油缸4、底部振动油缸5组成。
[0021] 如图2所示，所述外框架1由外框架顶梁6、外框架立柱7、外框架底梁8和外框架支 腿9通过螺栓连接而成;所述外框架底梁8上端面设置有底部振动油缸5;所述外框架立柱7 内侧面设置有导轨10。
[0022] 如图3~4所示，所述内框架2由内框架顶梁12、内框架立柱13和内框架底梁14通过 螺栓连接而成;所述内框架顶梁12下端面设置有顶部静载油缸3和顶部振动油缸4;所述内 框架立柱13外侧面设置有滚轮组11。
[0023] 如图3~4所示，所述内框架2设置有前挡板15和后挡板17,通过螺栓与内框架立柱 13连接;所述前挡板15中心区域设置有可视窗口 16。
[0024]如图5所示，前挡板15和后挡板17中间为实验材料19的填筑空间，在实验材料19和 前挡板15中间设置有机玻璃板20。
[0025]本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，装置包含内框架、外框架两部 分，内框架设有顶部静载油缸和顶部振动油缸，外框架设有底部振动油缸，内框架、外框架 分别设有滚轮组和导轨，可以使内框架整体随底部振动油缸的作用在外框架内部上下振 动;试验基本原理是将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加给模型 巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸进行加载，动载荷为采区顶板断 裂、垮落等因素产生的振动作用，通过顶、底部振动油缸进行加载。由于内框架整体可在外 框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的振动台，减少了设备的占用空间；加之不 需要通过工作面的推进来模拟采动压力，所以减少了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节 约了实验成本，还可以定量地研究采动压力与巷道变形破坏之间的联系。
[0026] 具体实施例：
[0027]本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，试验过程主要由两个部分组 成，第一部分是模拟巷道所受超前支承压力变化的加载过程;第二部分是模拟巷道上部由 顶板断裂、垮落等因素产生的振动作用过程。
[0028] 所述第一部分，通过顶部静载油缸3实现，并贯穿试验始终，如图7所示，加载按照 超前支承压力变化规律进行，变化规律可通过函数表示，函数曲线由两段组成，分别为加载 阶段21和卸载阶段22,持续时间分别为TjPT 2。
[0029] 所述加载阶段21，函数基本形式为巧·^^汍> 0)，初始值为L，终值为Η;所述卸载阶 段22，函数基本形式为％ ·e¥(Zv< 0)，从加载阶段21的终值Η开始卸载至初始值L后，随即卸 载至〇;所述终值Η为初始值L的Κ倍，Κ即为超前支承压力集中系数，其值的大小需要通过现 场实测结合工程经验确定;所述持续时间TdPT 2,总和为Τ，即为超前支承压力的影响时间， 转化为距离即为超前支承压力的影响范围，可根据经验选择合理的超前支承压力影响范 围，换算出相应回采过程所需要的时间，再根据相似理论计算得到持续时间TdPT 2。
[0030] 所述第二部分，通过顶部振动油缸4、底部振动油缸5实现，如图8所示，在试验第一 部分进行的过程中多次施加振动荷载23,首次施加的时间为T 3,其后每次施加的时间间隔 为Ίη。
[0031 ]所述振动荷载23，当由顶部振动油缸4产生时，模拟振源位于模型巷道上方岩层， 模拟的对象是巷道上部由顶板断裂释放能量等因素产生的振动；当由底部振动油缸5产生 时，模拟振源位于远区采空区位置，模拟的对象为采空区顶板周期性垮落产生的地震波，传 播至模型巷道区域时引起的振动;振动荷载23的相关参数，可根据现场监测数据确定，也可 根据工程经验按照1~2级天然地震的参数选取。
[0032]所述振动荷载23,首次施加的时间Τ3可根据实验需求确定，其后每次施加的时间 间隔Ίη的确定，需要先选取合理的周期来压步距，再根据回采速率换算得到周期来压间隔 时间，最后通过相似比即可确定时间间隔Ίη ;在合理的范围内，Τη的选取也可以不拘泥于此， 而是根据实验的研究需求确定。
[0033]所述振动荷载23,应先由底部振动油缸5施加，内框架2在底部振动油缸5的作用下 通过滚轮组11沿着导轨10,相对于外框架1产生上下振动；随着试验的进行，到试验后期再 通过顶部振动油缸4产生振动荷载23,直接作用在实验材料19上;底部振动油缸5和顶部振 动油缸4的使用，应根据所要研究对象的实际工况、工程经验等合理安排施加时间和相关参 数。
[0034] 实验开始前，首先需要填筑实验材料19,如图6所示，达到预期强度后，开挖并支护 好模型巷道，然后在实验材料19的前方安装有机玻璃板20，前方继续安装前挡板15，与此同 时安装后挡板17,完成实验准备工作。
[0035] 所述实验材料19 一般选用水泥、砂、石膏等混合料加水搅拌制成，并在试验机内分 层浇筑、压实，各层材料的力学参数与原型中各岩层的力学参数之间满足相似理论。
[0036] 所述前挡板15、后挡板17可选用工字钢作骨架，在两侧腹板位置焊接钢板制作而 成，并钻有螺栓孔，可以与内框架立柱13通过高强螺栓连接。
[0037] 所述模型巷道，应布置在可视窗口 16的范围内，便于试验过程中观察模型巷道的 变形破坏;模型巷道的尺寸、支护材料的选择，应根据研究对象巷道的实际情况，结合相似 理论来确定和选材。
[0038] 完成实验的准备工作后，利用顶部静载油缸3对实验材料19进行加载，加载至初始 值L，并稳定一段时间。
[0039] 所述初始值L，为实验材料19上表面所需要补偿的自重应力值，其值的确定需要计 算原型中对应位置的自重应力，再通过相似比换算得到。
[0040] 随后开始进行试验第一部分，通过顶部静载油缸3对实验材料19施加超前支承压 力作用;在试验第一部分进行的过程中，按照试验设计进行试验第二部分，通过底部振动油 缸5和顶部振动油缸4施加振动荷载23。
[0041] 待顶部静载油缸3卸载至0后，完成试验。
[0042] 在试验过程中，可通过提前布设的测点，观察记录模型巷道区域的变形和内部压 力的变化。
[0043] 若要更为真实的反映巷道开挖过程中，巷道的围岩变形和压力变化，则可以通过 改装后挡板17,预留开挖窗口，在实验材料19填筑并达到预期强度后，先安装前挡板15、后 挡板17、有机玻璃板20，通过顶部静载油缸3加载至初始值L后，通过预留的开挖窗口对实验 材料19进行模型巷道的开挖与支护，在此过程中观察记录模型巷道区域的围岩变形和压力 变化。
[0044] 通过试验表明，应用该种方法及装置进行物理模型试验后，能有效地减小工作量， 提高试验效率，能较为针对性地研究采动压力与巷道变形破坏特征的关系。
[0045] 本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，优点在于：内框架整体可在外 框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的振动台，减少了设备的占用空间；不需要 通过工作面的推进来模拟采动压力，将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分 直接施加给模型巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸3进行模拟加载， 动载荷为采区顶板断裂、垮落等因素对巷道产生的振动作用，通过顶部振动油缸4、底部振 动油缸5进行加载，能定量地研究采动压力与模型巷道变形破坏之间的联系。容易操作、占 用空间少、劳动强度低、经济性好，适宜在有关动压巷道的物理模型实验中推广应用。
[0046] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
Claims (5)
1. 一种动压巷道支护物理模型试验装置及方法，其特征在于，装置包含内框架、外框架 两部分，内框架顶梁设有顶部静载油缸和顶部振动油缸，外框架底梁设有底部振动油缸，内 框架、外框架分别设有滚轮组和导轨，可以使内框架整体随底部振动油缸的作用在外框架 内部上下振动。由于内框架整体可在外框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的 振动台，减少了设备的占用空间。
2. -种动压巷道支护物理模型试验装置及方法，其特征在于，试验基本原理是将巷道 所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加给模型巷道，静载荷为超前支承压 力的影响，通过顶部静载油缸进行模拟加载，动载荷为采区顶板断裂、垮落等因素对巷道产 生的振动作用，通过顶部振动油缸、底部振动油缸进行加载。由于不需要通过工作面的推进 来模拟采动压力，所以减少了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节约了实验成本，还可以 定量地研究采动压力与巷道变形破坏之间的联系。
3. 根据权利要求1~2所述的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，其特征在于，所 述顶部静载油缸，模拟超前支承压力的作用，按照超前支承压力变化规律进行加载，变化规 律可通过函数表示，函数曲线分为加载和卸载两阶段，加载阶段函数的基本形式为 %-£^01>〇)，初始值为1^，终值为!1;卸载阶段函数的基本形式为《:2_#(4<〇)，从加载阶 段的终值Η开始卸载至初始值L后，随即卸载至0; 所述初始值L，为实验材料上表面所需要补偿的自重应力值，其值的确定需要计算原型 中对应位置的自重应力，再通过相似比换算得到； 所述终值Η为初始值L的Κ倍，Κ即为超前支承压力集中系数;所述超前支承压力集中系 数Κ，需要通过现场实测结合工程经验确定。
4. 根据权利要求1~2所述的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，其特征在于，所 述底部振动油缸，施加振动作用时，可以带动内框架整体，利用滚轮组沿着导轨相对于外框 架产生上下振动，以模拟采空区顶板周期性垮落产生的地震波，传播至巷道区域时引起的 振动。
5. 根据权利要求1~2所述的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，其特征在于，所 述顶部振动油缸，直接作用于模型材料顶部，以模拟巷道上部由采区顶板断裂释放能量等 因素产生的振动。
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