CN108195689A - 一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法，包括如下步骤：1、建立圆柱模型材料：将模拟材料放置于厚壁圆筒体内，当加载到预定载荷后，模拟材料重新固结咬合；2、模拟巷道成型：通过取芯装置，使模拟材料形成巷道模拟空间；3、布置支护体：4、模型加载：将步骤3布置支护体后的装置，移动至反力架内，进行逐级或连续加载，与此同时，随时通过气压系统改变支护气囊内部应力，模拟不同支护应力；5、应变、声发射监测及破坏状态观测，该方法能够模拟最大主应力与巷道轴线平行时的巷道破坏状态，解决了加载方向与巷道空间形态关系的实验弊端，并能够用来模拟不同支护与巷道围岩破坏特征的关系。

Description

一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿模拟实验装置领域，尤其涉及一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法及利用该方法的装置。

背景技术

随着目前采掘深度的不断加深，地应力逐渐加大，巷道受到高地应力的影响造成围岩出现大变形、流变显著等工程软岩特点，导致巷道围岩出现显著矿压显现现象，对矿井的安全、高效生产产生巨大负面影响。

实验室模拟手段是巷道围岩控制方法研究的重要手段，采用不同材料如相似材料、混凝土材料、破碎矸石压密材料等可以进行巷道围岩破坏状态的模拟。然而，目前大多巷道模拟试验系统均为平面应力或平面应变状态，模型加载方向与巷道掘进方向垂直。然后最大主应力方向与巷道的夹角对巷道的围岩破坏状态具有显著影响，目前，鲜有能够快速、便捷模拟最大主应力方向与巷道轴向平行时巷道围岩破坏状态的实验装置。

同时，目前的巷道支护模拟实验装置，大多采用固体支护实现，实验过程中难以调节支护强度，使之与围岩变形相适应，难以实现支护强度与巷道围岩失稳的耦合作用关系的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法，该方法能够模拟最大主应力与巷道轴线平行时的巷道破坏状态，解决了加载方向与巷道空间形态关系的实验弊端，并能够用来模拟不同支护与巷道围岩破坏特征的关系。

提供适用于本方法的装置，是本发明的另一个目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法，包括如下步骤：

1、建立圆柱模型材料：将一个厚壁圆筒体安装在一个带有与厚壁圆筒体配合的凸台的底座上，将模拟材料放置于厚壁圆筒体内，达到特定标高后，将透明观测压头放置与模型材料上部，将厚壁圆筒体放置于反力架内，将反力架上的千斤顶与观测压头固定连接，进行轴向加载，当加载到预定载荷后，模拟材料重新固结咬合；

2、模拟巷道成型：打开观测压头，将包含底座和模拟材料体的厚壁圆筒体移动至取芯装置，按照实验参数要求，采用厚壁金刚石钻头在厚壁圆筒体中央钻取模拟材料芯体，当芯体取出后，自然形成稳定的巷道模拟空间；

3、布置支护体：将圆柱形的加载气囊放置于模拟巷道空间内，并与底座上的进气管路、出气管路连接，在厚壁圆筒模拟材料体上加盖观测压头，打开气压系统设定充气压力，进行预充气，保证充气载荷不能造成模拟材料体的破坏；

4、模型加载：将步骤3布置支护体后的装置，移动至反力架内，将观测压头与反力架上的液压千斤顶固定连接，通过控制液压系统的压力值，进行逐级或连续加载，与此同时，随时通过气压系统改变支护气囊内部应力，模拟不同支护应力；

5、应变、声发射监测及破坏状态观测：步骤4加载过程中，采用高速静态应变仪监测筒壁应变，采用声发射监测仪实时监测岩层模拟材料的AE事件，通过上部观测透明观测压头，采用数码照相或摄像的方式，拍摄并记录不同轴向加载和支护应力条件下巷道围岩的破坏状态。

通过本发明的方法，可以简单快捷的模拟最大主应力与巷道轴线平行时的巷道破坏状态，解决了加载方向与巷道空间形态关系的实验弊端，并能够用来模拟不同支护与巷道围岩破坏特征的关系。

适用于本发明方法的实验装置的技术方案：一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验装置，包括厚壁圆筒体、底座、观测压头、柔性加载气囊、反力架、取芯装置、高速静态应变仪、声发射监测仪，

所述底座上设置有圆形凸台，底座内部设置有进气管路、出气管路，所述进气管路的出气口、出气管路的进气口设置在圆形凸台顶面中心部，所述进气管路的进气口、出气管路的出气口设置在底座外缘面上，进气管路进气口通过管道与气压系统连接，所述出气管路出气口上设置有排气阀，

所述厚壁圆筒体通过凸台安装在底座上，厚壁圆筒体位于反力架下部，反力架上安装有液压千斤顶，

所述观测压头，为一个钢化玻璃圆盘，圆盘与厚壁圆筒体配合，圆盘上部与反力架液压千斤顶活塞固定连接，

所述柔性加载气囊，放置于厚壁圆筒体内部，柔性加载气囊下部的气囊进气口、气囊出气口，分别通过管道与进气管路出气口、出气管路进气口连接，

所述取芯装置，用于在模拟材料中取芯，形成模拟巷道，

所述高速静态应变仪，用于监测厚壁圆筒体筒壁应变，高速静态应变仪的应变片安装在筒壁上，

所述声发射监测仪，用于监测模拟材料的AE时间，声发射监测仪的传感器设置在厚壁圆筒体的筒壁上。

本发明实用装置结构简单，使用方便，具备如下优点：

1、该实验装置能够有效模拟最大主应力与巷道掘进轴向相同条件下的巷道破坏特征；

2、该试验装置能够有效地通过改变气囊中的气体压力实现不同支护应力的模拟；

3、该实现装置体积小巧、气（液）路可随时拆卸、模拟材料量小并容易获取，试验速度快，能够快速、简易地实现最大主应力与巷道掘进轴向相同时的巷道破坏特征的模拟实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验装置，包括厚壁圆筒体1、底座2、观测压头3、柔性加载气囊4、反力架5、取芯装置、高速静态应变仪、声发射监测仪，

底座2上设置有圆形凸台21，底座内部设置有进气管路22、出气管路23，进气管路22的出气口、出气管路23的进气口设置在凸台顶面中心部，进气管路22的进气口、出气管路23的出气口设置在底座2外缘面上，进气管路22进气口通过管道与气压系统连接，出气管路23出气口上设置有排气阀231，

厚壁圆筒体1通过凸台21安装在底座2上，厚壁圆筒体1位于反力架5下部，反力架5上安装有液压千斤顶51，

观测压头3，为一个钢化玻璃圆盘，圆盘与厚壁圆筒体1配合，圆盘上部与反力架液压千斤顶51活塞固定连接，

柔性加载气囊4，放置于厚壁圆筒体内部，柔性加载气囊下部的气囊进气口、气囊出气口，分别通过管道与进气管路出气口、出气管路进气口连接，

取芯装置，用于在模拟材料中取芯，形成模拟巷道，

高速静态应变仪，用于监测厚壁圆筒体筒壁应变，高速静态应变仪的应变片安装在筒壁上，

声发射监测仪，用于监测模拟材料的AE时间，声发射监测仪的传感器设置在厚壁圆筒体的筒壁上。

使用时，

1、建立圆柱模型材料：将底座与厚壁圆筒体组装好，将作为模拟材料的细颗粒破碎矸石放置于厚壁圆筒体内，达到特定标高后，将透明观测压头放置与模型材料上部，将厚壁圆筒整体放置于反力支架内，然后安装加载千斤顶，进行轴向加载。当加载到预定载荷后，细颗粒破碎矸石重新固结咬合；

2、巷道成型：将上部观测压头打开，将包含底座和模拟材料体的厚壁圆筒移动至取芯装置，按照不同边界条件、巷道尺寸、厚壁圆筒尺寸、几何相似比等参数有效选择厚壁金刚石钻头尺寸，采用厚壁金刚石钻头在厚壁圆筒中央钻取模拟材料芯体，当芯体取出后，自然形成稳定的巷道模拟空间；

3、布置支护体：将圆柱形的加载气囊放置于模拟巷道空间内。在厚壁圆筒模拟材料体上加盖透明观测压头，打开气瓶阀门，开启气压伺服装置，设定充气压力，并进行预充气，保证充气载荷不能过大，不能造成模拟材料体的破坏；

4、模型加载：将新型厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验装置整体移动至反力架内，采用加载机构的伺服液压加载千斤顶，通过控制液压伺服加载机构的压力值，进行逐级或连续加载。与此同时，可随时通过出气口减压阀和进气气路气压伺服控制调节和改变支护气囊内部应力，模拟不同支护应力；

5、应变、声发射监测及破坏状态观测：加载过程中，采用高速静态应变仪监测筒壁应变，采用声发射监测系统实时监测岩层模拟材料的AE事件。通过上部观测透明观测压头，采用数码照相或摄像的方式，拍摄并记录不同轴向加载和支护应力条件下巷道围岩的破坏状态。

Claims (2)

1.一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）、建立圆柱模型材料：将一个厚壁圆筒体安装在一个带有与厚壁圆筒体配合的凸台的底座上，将模拟材料放置于厚壁圆筒体内，达到特定标高后，将透明观测压头放置与模型材料上部，将厚壁圆筒体放置于反力架内，将反力架上的千斤顶与观测压头固定连接，进行轴向加载，当加载到预定载荷后，模拟材料重新固结咬合；

2）、模拟巷道成型：打开观测压头，将包含底座和模拟材料体的厚壁圆筒体移动至取芯装置，按照实验参数要求，采用厚壁金刚石钻头在厚壁圆筒体中央钻取模拟材料芯体，当芯体取出后，自然形成稳定的巷道模拟空间；

3）、布置支护体：将圆柱形的加载气囊放置于模拟巷道空间内，并与底座上的进气管路、出气管路连接，在厚壁圆筒模拟材料体上加盖观测压头，打开气压系统设定充气压力，进行预充气，保证充气载荷不能造成模拟材料体的破坏；

4）、模型加载：将步骤3布置支护体后的装置，移动至反力架内，将观测压头与反力架上的液压千斤顶固定连接，通过控制液压系统的压力值，进行逐级或连续加载，与此同时，随时通过气压系统改变支护气囊内部应力，模拟不同支护应力；

5）、应变、声发射监测及破坏状态观测：步骤4加载过程中，采用高速静态应变仪监测筒壁应变，采用声发射监测仪实时监测岩层模拟材料的AE事件，通过上部观测透明观测压头，采用数码照相或摄像的方式，拍摄并记录不同轴向加载和支护应力条件下巷道围岩的破坏状态。

2.一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验装置，包括厚壁圆筒体、底座、观测压头、柔性加载气囊、反力架、取芯装置、高速静态应变仪、声发射监测仪，

所述底座上设置有圆形凸台，底座内部设置有进气管路、出气管路，所述进气管路的出气口、出气管路的进气口设置在圆形凸台顶面中心部，所述进气管路的进气口、出气管路的出气口设置在底座外缘面上，进气管路进气口通过管道与气压系统连接，所述出气管路出气口上设置有排气阀，

所述厚壁圆筒体通过凸台安装在底座上，厚壁圆筒体位于反力架下部，反力架上安装有液压千斤顶，

所述观测压头，为一个钢化玻璃圆盘，圆盘与厚壁圆筒体配合，圆盘上部与反力架液压千斤顶活塞固定连接，

所述柔性加载气囊，放置于厚壁圆筒体内部，柔性加载气囊下部的气囊进气口、气囊出气口，分别通过管道与进气管路出气口、出气管路进气口连接，

所述取芯装置，用于在模拟材料中取芯，形成模拟巷道，

所述高速静态应变仪，用于监测厚壁圆筒体筒壁应变，高速静态应变仪的应变片安装在筒壁上，

所述声发射监测仪，用于监测模拟材料的AE时间，声发射监测仪的传感器设置在厚壁圆筒体的筒壁上。