CN105865820B - 一种用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置及方法。本发明外框架包括左承载板、右承载板、承载底板，左承载板与右承载板顶部之间连接槽钢顶梁；内框架包括固连于承载底板上的左支挡板和右支挡板，左支挡板和右支挡板的前、后端连接有高强钢化玻璃板，左支挡板和右支挡板的上部之间设有加载板，在加载板与槽钢顶梁之间设有若干垂向加载油缸；内框架空腔内装放有试验材料，试验材料中央预设有巷道开挖单元；巷道开挖单元通过羊角抓钩与轴向开挖油缸连接；轴向开挖油缸安装于油缸固定钢架上；轴向开挖油缸和垂向加载油缸通过液压管与液压源相连。本发明模拟不同断面形状、尺寸的深部巷道自动开挖，操作简单、观测便捷、试验效率高。

Description

一种用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置及方法

技术领域

本发明属于深部矿井巷道工程围岩开挖与支护领域，具体涉及一种用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国浅部矿产资源的逐步减少，矿井的开采深度在不断的增加，国内出现了大批千米级的深部矿井，可以预见，我国将有更多的矿井进入深部或超深部开采。随着采深的增大，矿井巷道围岩所赋存的工程地质条件也愈为复杂，巷道开挖及服务期间的大变形、垮冒、冲击地压、岩爆等问题十分突出，对矿井的正常安全生产产生了巨大的威胁。因此，研究深部矿井巷道围岩在开挖时及开挖后的变形、破坏与稳定性具有重要的现实意义和理论意义。

由于深部开采工程地质条件的复杂性、多变性，因而，采用室内物理模拟试验仍然是目前研究深部巷道围岩的变形、破裂演化机理、稳定性等的主要手段之一。然而，针对大型深部巷道，现有的物理模型试验装置存在以下缺点与不足：一是试验装置提供的加载压力偏小，且模型受力为双向状态，无法模拟深部高应力巷道的力学环境；二是巷道开挖需采用专门的开挖钻进系统，使得整个模型试验系统更为复杂；三是扰动影响大，采用小型铲、小型锹手动凿挖或者利用专门的巷道开挖系统掘进都可能对围岩产生过大的扰动影响；四是在三维应力环境下，试验模型表面的变形、位移情况等无法直观观测，不利于试验现象分析及试验数据采集。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对目前常规巷道模型试验系统存在的以上技术问题，提供一种操作简单、观测便捷、试验效率高，能够模拟不同断面形状、尺寸的深部巷道开挖的室内试验装置。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，它包括凹槽形的外框架和套于其内的内框架；所述外框架包括竖立的左承载板、右承载板以及与之底部固连的水平承载底板，左承载板顶部与右承载板顶部之间水平连接有若干根横向的槽钢顶梁；所述内框架包括固连于承载底板上、竖立的左支挡板和右支挡板，左支挡板和右支挡板的前、后端连接有高强钢化玻璃板，左支挡板和右支挡板的上部之间设有水平的加载板，加载板水平高度低于槽钢顶梁的高度，在加载板与槽钢顶梁之间均匀设有若干垂向加载油缸；所述内框架空腔内装放有试验材料，试验材料中央预设有用于模拟巷道的、若干首尾连接的巷道开挖单元；靠近高强钢化玻璃板一侧的巷道开挖单元通过羊角抓钩与轴向开挖油缸连接；轴向开挖油缸安装于油缸固定钢架上，油缸固定钢架固定于外框架一端外，靠近轴向开挖油缸的高强钢化玻璃板上中央开设有一个与巷道开挖单元断面尺寸相同的开挖观测窗；所述轴向开挖油缸一端和垂向加载油缸的一端通过液压管与液压源相连。

进一步，所述左承载板与左支挡板之间、右承载板与右支挡板之间均匀设有若干横向钢支撑。

具体的，所述巷道开挖单元为一个中空的筒状构件，其一端设有凸起的连接头，另一端设有与连接头嵌合的凹形连接槽，连接头和连接槽嵌合后的上、下对应处设有销钉孔，销钉孔中插入销钉，使各巷道开挖单元首尾连接；靠近连接头一端的巷道开挖单元内壁上焊接有抓杆，作为与轴向开挖油缸连接的羊角抓钩的着力点。

进一步，所述巷道开挖单元的截面或者是圆形，或者是正方形，或者是矩形，或者是直墙半圆拱形。

具体的，所述槽钢顶梁与左承载板顶部和右承载板顶部通过螺栓连接。

具体的，所述油缸固定钢架包括上、下两根水平横梁和一根垂向直梁，其上部横梁与槽钢顶梁螺栓连接，其下部横梁与承载底板焊接，其垂向直梁固定轴向开挖油缸。

具体的，所述高强钢化玻璃板与左支挡板和右支挡板的前、后端螺栓连接。

本发明的用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，实现了大型深部矿井巷道高压三维应力地质环境的模拟，解决了常规巷道模型试验装置开挖设备复杂、开挖扰动大等问题。

本发明的第二个目的在于提供基于上述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置的试验方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据试验方案配制相似模型试验材料，将模型试验材料均匀填入已固定好的内框架中，逐层压实；

(2)待填筑试验材料至模拟巷道的预设高度时，将若干巷道开挖单元首尾连接好置于填筑试验材料上，并在巷道开挖单元表面涂上减摩材料，布设其它相关监测元件，继续填筑试验材料至设计尺寸线；其中，巷道开挖单元连接方法为：将前一巷道开挖单元的连接槽套入下一巷道开挖单元的连接头，并插入销钉连接好；

(3)待试件即填筑的试验材料养护至设计强度后，启动液压源，向垂向加载油缸提供动力，使加载板逐渐往下移动直至接触到试件表面；

(4)按照试验方案设计的边界高压力数值及加载速率，调节液压源的阀门，逐步进行加载直至设计压力；

(5)稳压一段时间，使边界压力充分传递至试件内部；控制轴向开挖油缸，使活塞杆伸出，并将羊角抓钩挂到靠近试件一侧表面的巷道开挖单元内部的抓杆上；

(6)控制轴向开挖油缸，根据试验设计的开挖速度，使活塞杆慢慢回缩，直至第一段巷道开挖单元完全被拉出，然后取下该巷道开挖单元，从而实现了深部巷道的第一步自动低扰全断面开挖；

(7)按照步骤(5)、(6)的方法，继续进行深部巷道的第二步、第三步及之后的循环开挖，直至全部巷道开挖单元从试件中被拉出，进而完成整个深部巷道的开挖过程；

(8)操作液压源的阀门，卸掉各垂向加载油缸的压力，取下试件前面的高强钢化玻璃，将试验后的试件清理好；

(9)收集整理试验数据，分析深部巷道围岩的变形、破裂特征及演化规律，确定深部围岩稳定性的影响因素。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明通过高压油缸、油源及结构简洁、刚度大的内外框架为巷道模型施加高压边界力，且模型的各个边界面均受到约束，实现了深部巷道高应力三维状态环境的模拟。

(2)试验中模拟巷道开挖无需专门的开挖钻进系统，采用设计灵活、体积小巧的分段巷道开挖单元拼接形成模拟巷道，配合轴向开挖油缸，即可便捷地完成深部巷道的自动开挖模拟。

(3)常规的人工开挖或专门的巷道开挖系统开挖扰动影响较大，而本发明通过在巷道开挖单元表面涂抹润滑油、粘贴薄膜等减摩措施，控制好开挖速率，可消除开挖施工对围岩的扰动影响。

(4)透过高强钢化玻璃板可以清楚、直观地观察到模拟巷道表面岩体的变形、位移情况等，克服了常规模拟试验在三维应力环境下试件表面变化难以观测的缺点。

(5)巷道开挖单元预埋入试件中，其断面形状、尺寸可以根据试验要求的不同进行定制，因而适用不同断面巷道的开挖试验，而且可以模拟深部巷道分步全断面开挖，开挖边界与模型试验设计边界比较符合，增加了巷道模型试验的准确性。

(6)本发明提供的试验装置结构合理、操作简单、试验效率高、观察方便、准确性高，较好地实现了高压三维应力环境下深部巷道自动、简单及低扰开挖的模拟。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的主视图。

图4是图1中巷道开挖单元的立体结构示意图。

图5是图4的左端立体结构视图。

图6是本发明的巷道开挖单元断面形状为圆形时的主视图。

图7是本发明的巷道开挖单元断面形状为正方形时的主视图。

图8是本发明的巷道开挖单元断面形状为直墙半圆拱形时的主视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1至图3，本实施例的室内试验装置，包括凹槽形的外框架和套于其内的内框架。从图中可见，外框架包括竖立的左承载板1、右承载板2，以及与左承载板1底部和右承载板2底部固连的水平承载底板3，左承载板1顶部与右承载板2顶部之间通过螺栓14水平连接有3根横向的槽钢顶梁4。内框架包括固连于承载底板3上、竖立的左支挡板7和右支挡板8，左支挡板7和右支挡板8的前、后端通过螺栓连接有高强钢化玻璃板10，左支挡板7和右支挡板8的上部之间设有水平的加载板6，加载板6水平高度低于槽钢顶梁4的高度，在加载板6与槽钢顶梁4之间均匀设有6个垂向加载油缸5；垂向加载油缸5为高压油缸，上端固定于槽钢顶梁4底面，下端固定于加载板6顶面。在左承载板1与左支挡板7之间、右承载板2与右支挡板8之间分别均匀设有上、下三排横向钢支撑18。由左支挡板7、右支挡板8、加载板6、高强钢化玻璃板10及承载底板3围合而成的内框架空腔内装放有试验材料即试件9，试验材料中央预设有用于模拟巷道的、若干首尾连接的巷道开挖单元13；垂向加载油缸5可为试件9表面提供10～15MPa的高边界压力。靠近前端高强钢化玻璃板10一侧的巷道开挖单元13通过羊角抓钩12与轴向开挖油缸11连接。轴向开挖油缸11安装于油缸固定钢架15上，从图中可见，油缸固定钢架15包括上、下两根水平横梁和一根垂向直梁，其上部横梁与槽钢顶梁4通过螺栓连接，其下部横梁与承载底板3焊接，其垂向直梁固定轴向开挖油缸11。靠近轴向开挖油缸11的高强钢化玻璃板10上中央开设有一个与巷道开挖单元13断面尺寸相同的开挖观测窗；轴向开挖油缸11一端和垂向加载油缸5的一端通过液压管17与液压源16相连。

参见图4至图8，巷道开挖单元13为一个中空的筒状构件131，其右端设有凸起的连接头132，其左端设有与连接头132嵌合的凹形连接槽136，连接头132和连接槽136嵌合后的上、下对应处设有销钉孔135，销钉孔135中插入销钉133，使各巷道开挖单元13首尾连接；靠近连接头132一端的巷道开挖单元13的内壁上焊接有抓杆134，作为与轴向开挖油缸11连接的羊角抓钩12的着力点。从图6至图8中可见，巷道开挖单元13的截面或者是圆形，或者是正方形，或者是直墙半圆拱形等，可根据试验需要定制。

上述左承载板1、右承载板2、承载底板3均采用双层厚钢板中间焊接斜向与垂向钢带制作而成。左支挡板7、右支挡板8采用网格式钢架焊接上下层钢板制作而成。槽钢顶梁4为大型高强槽钢，数量依据所述试件的长度而定。加载板6采用合金结构钢制作，表面硬度高，经久耐磨，将垂向加载油缸5施加的高压载荷均匀传递到试件9表面。轴向开挖油缸11的行程大于巷道开挖单元13的长度。液压源16为大型泵站，由若干台电机油泵组成，可同时供垂向加载油缸5及轴向开挖油缸11工作。试件9根据试验方案和要求采用相似材料按一定的配比制成。

基于上述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，本发明提供的试验方法具体步骤如下：

(1)依据试验方案配制相似模型试验材料，将模型试验材料均匀填入事先已固定好的内部框架中，逐层压实。

(2)待试验材料填筑至模拟巷道的预设高度时，将若干巷道开挖单元13拼接好置于填筑试验材料上，并在巷道开挖单元13表面涂上润滑剂等减摩材料，布设其它相关监测元件，继续填筑试验材料至设计尺寸线。其中巷道开挖单元13拼接方法为：将前一巷道开挖单元13的连接槽136套入下一巷道开挖单元13的连接头132，并插入销钉133连接好。

(3)待试件9即试验材料养护至设计强度后，启动液压源16，向垂向加载油缸5提供动力，使加载板6逐渐往下移动直至接触到试件9表面。

(4)按照试验方案设计的边界高压力数值及加载速率，调节液压源16的阀门，逐步进行加载直至设计压力。

(5)稳压一段时间使边界压力充分传递至试件9内部；控制轴向开挖油缸11，使活塞杆伸出，并将羊角抓钩12挂到靠近试件9表面的巷道开挖单元13内部的抓杆134。

(6)控制轴向开挖油缸11，根据试验设计的开挖速度，使活塞杆慢慢回缩，直至第一段巷道开挖单元13完全被拉出，然后取下该巷道开挖单元13，从而实现了深部巷道的第一步自动低扰全断面开挖。

(7)依据(5)(6)的方法，继续进行深部巷道的第二步、第三步......循环开挖，直至全部巷道开挖单元13从试件9中被拉出，进而完成整个深部巷道的开挖过程。

(8)操作液压源16的阀门，卸掉各垂向加载油缸5的压力，取下模型前面的高强钢化玻璃10，将试验后的试件9清理好。

(9)收集整理试验数据，分析深部巷道围岩的变形、破裂特征及演化规律，确定深部围岩稳定性的影响因素。

Claims (8)

1.一种用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：它包括凹槽形的外框架和套于其内的内框架；所述外框架包括竖立的左承载板、右承载板以及与之底部固连的水平承载底板，左承载板顶部与右承载板顶部之间水平连接有若干根横向的槽钢顶梁；所述内框架包括固连于承载底板上、竖立的左支挡板和右支挡板，左支挡板和右支挡板的前、后端连接有高强钢化玻璃板，左支挡板和右支挡板的上部之间设有水平的加载板，加载板水平高度低于槽钢顶梁的高度，在加载板与槽钢顶梁之间均匀设有若干垂向加载油缸；所述内框架空腔内装放有试验材料，试验材料中央预设有用于模拟巷道的、若干首尾连接的巷道开挖单元；靠近高强钢化玻璃板一侧的巷道开挖单元通过羊角抓钩与轴向开挖油缸连接；轴向开挖油缸安装于油缸固定钢架上，油缸固定钢架固定于外框架一端外，靠近轴向开挖油缸的高强钢化玻璃板上中央开设有一个与巷道开挖单元断面尺寸相同的开挖观测窗；所述轴向开挖油缸一端和垂向加载油缸的一端通过液压管与液压源相连。

2.根据权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述左承载板与左支挡板之间、右承载板与右支挡板之间均匀设有若干横向钢支撑。

3.根据权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述巷道开挖单元为一个中空的筒状构件，其一端设有凸起的连接头，另一端设有与连接头嵌合的凹形连接槽，连接头和连接槽嵌合后的上、下对应处设有销钉孔，销钉孔中插入销钉，使各巷道开挖单元首尾连接；靠近连接头一端的巷道开挖单元内壁上焊接有抓杆，作为与轴向开挖油缸连接的羊角抓钩的着力点。

4.根据权利要求3所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述巷道开挖单元的截面或者是圆形，或者是正方形，或者是矩形，或者是直墙半圆拱形。

5.根据权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述槽钢顶梁与左承载板顶部和右承载板顶部通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述油缸固定钢架包括上、下两根水平横梁和一根垂向直梁，其上部横梁与槽钢顶梁螺栓连接，其下部横梁与承载底板焊接，其垂向直梁固定轴向开挖油缸。

7.根据权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置，其特征在于：所述高强钢化玻璃板与左支挡板和右支挡板的前、后端螺栓连接。

8.一种基于权利要求1所述用于模拟深部巷道开挖的室内试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据试验方案配制相似模型试验材料，将模型试验材料均匀填入已固定好的内框架中，逐层压实；

(2)待填筑试验材料至模拟巷道的预设高度时，将若干巷道开挖单元首尾连接好置于填筑试验材料上，并在巷道开挖单元表面涂上减摩材料，布设其它相关监测元件，继续填筑试验材料至设计尺寸线；其中，巷道开挖单元连接方法为：将前一巷道开挖单元的连接槽套入下一巷道开挖单元的连接头，并插入销钉连接好；

(3)待试件即填筑的试验材料养护至设计强度后，启动液压源，向垂向加载油缸提供动力，使加载板逐渐往下移动直至接触到试件表面；

(4)按照试验方案设计的边界高压力数值及加载速率，调节液压源的阀门，逐步进行加载直至设计压力；

(5)稳压一段时间，使边界压力充分传递至试件内部；控制轴向开挖油缸，使活塞杆伸出，并将羊角抓钩挂到靠近试件一侧表面的巷道开挖单元内部的抓杆上；

(6)控制轴向开挖油缸，根据试验设计的开挖速度，使活塞杆慢慢回缩，直至第一段巷道开挖单元完全被拉出，然后取下该巷道开挖单元，从而实现了深部巷道的第一步自动低扰全断面开挖；

(7)按照步骤(5)、(6)的方法，继续进行深部巷道的第二步、第三步及之后的循环开挖，直至全部巷道开挖单元从试件中被拉出，进而完成整个深部巷道的开挖过程；

(8)操作液压源的阀门，卸掉各垂向加载油缸的压力，取下试件前面的高强钢化玻璃，将试验后的试件清理好；

(9)收集整理试验数据，分析深部巷道围岩的变形、破裂特征及演化规律，确定深部围岩稳定性的影响因素。