CN108593449A - 一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，主要包括：小型巷道三维物理模拟试验箱组件选择与安装；相似模拟材料体选择与装填；小型巷道三维物理模拟试验箱与刚性伺服试验机组合；小型巷道三维物理模拟试验箱煤岩层蠕变伺服控制；加荷状态下相似模拟巷道断面出露；带压状态下相似模拟巷道开挖、支护及锚固围岩蠕变数据采集与处理；按不同蠕变试验方式进行下一级应力水平的加载蠕变循环；相似模拟巷道围岩失稳及数据处理。本发明试验方法具有操作步骤简单、数据自动采集、载荷伺服控制的特点，较好地实现了伺服载荷作用下相似模拟巷道围岩稳定性力学试验。

Description

一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法
技术领域
本发明涉及一种巷道围岩蠕变试验方法，是将小型巷道三维物理模拟试验箱放置在轴向伺服刚性试验机上进行轴向伺服加载的力学试验方法，属相似模拟力学试验方法，具体涉及到实验室试验仪器的试验方法。
背景技术
随着我国发展建设的需要，大量基建工程、能源工程纷纷破土动工，很多重大施工技术难题浮出水面。而煤层开采深度的增加，会带来巷道围岩应力升高，使得软岩流变特性显现，造成深部巷道出现大变形甚至冒落失稳。受限于现场环境无法对深部巷道围岩破坏机理进行深入研究，只能借助相似模拟进行观测，以期寻求合理的巷道围岩控制技术。
目前，相似材料模拟实验是一种直观、经济、便捷和有效的方法，它以材料、几何、力学等相似原理为依据，通过材料配比、模型制作、巷道开挖、实时监测等试验方案设定，达到对实际工程模拟的要求。但传统相似模拟实验加载装置一般采用叠加铁块的方式来模拟上覆载荷，高应力环境使用铁块叠加受限，劳动强度大；而传统油缸加载也易产生模拟煤岩层移动后的应力的漂移与丧失，传统相似模拟实验方法严重制约了相似模拟实验技术的发展。
现有的相似模拟实验装置大部分加载方式无法实现载荷施加精确、压力伺服控制，更无法克服试验周期长、试验效率低的弊端。因此，本发明基于小型巷道三维物理模拟试验箱与刚性伺服试验机配合，提出一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，通过对刚性伺服试验机上的小型巷道三维物理模拟试验箱模拟煤岩层顶部伺服加载与巷道开挖、支护，计算机自动采集监测数据与分析，实现基于相似模拟的轴向伺服加载巷道围岩稳定性试验，试验结果可为深部巷道围岩变形破坏机理研究提供参考。
发明内容
针对自行设计的小型巷道三维物理模拟试验箱在刚性伺服试验机上操作复杂、且步骤迥异的问题，本发明提出了一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，旨在通过小型巷道三维物理模拟试验箱与刚性伺服试验机配合，进行相似模拟巷道围岩稳定性力学试验，该试验方法具有操作步骤简单、数据自动采集、载荷伺服控制的特点，实现了伺服载荷作用下相似模拟巷道围岩稳定性力学试验的目的。
本发明提供一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，主要包括：小型巷道三维物理模拟试验箱组件选择与安装；相似模拟材料体选择与分层装填；小型巷道三维物理模拟试验箱与刚性伺服试验机组合；小型巷道三维物理模拟试验箱煤岩层蠕变伺服控制；加荷状态下相似模拟巷道断面出露；带压状态下相似模拟巷道开挖、支护及锚固围岩蠕变数据采集与处理；按不同蠕变试验方式进行下一级应力水平的加载蠕变循环；相似模拟巷道围岩失稳及数据处理。本发明试验方法具有操作步骤简单、数据自动采集、载荷伺服控制的特点，较好地实现了伺服载荷作用下相似模拟巷道围岩稳定性力学试验。
具体步骤如下：
步骤一，根据模拟巷道断面尺寸，选择承载底座、左侧板、右侧板、开口横板、后横板、前支撑体、后支撑体、导向横轴、紧固螺母、紧固螺栓与合适的一组调配挡板、巷道挡板进行小型巷道三维物理模拟试验箱安装成型；
步骤二，将上压横杆与下压横杆通过安装螺栓固定在开口横板上，以紧固调配档板和巷道挡板，依据煤岩层模拟参数，选择合适的相似材料进行小型巷道三维物理模拟试验箱装填，每层装填均采用云母分层并用相同力度夯实；
步骤三，相似模拟体风干后，将试验箱放置于刚性伺服试验机底部加载盘上，在相似材料体上部依次放置上覆钢板、圆形球窝、圆形球头、传力垫块，使传力垫块与伺服刚性试验机顶部加载盘下的传载上轴近于接触；
步骤四，启动伺服试验机轴向油泵加压至刚性伺服试验机传载上轴与传力垫块接触有一定载荷，调换伺服控制器控制模式为伺服控制，通过伺服电液系统加载至设定应力水平进行蠕变；
步骤五，旋转外压横杆上的安装螺栓，去掉外压横杆与巷道挡板，露出相似模拟体巷道断面形态；
步骤六，相似模拟体在蠕变状态下进行巷道开挖、支护，采用磁性固定座紧固千分表，test软件系统监测巷道支护后围岩蠕变试验数据；
步骤七，达到设定蠕变时间后，进入下一级应力水平的加载、蠕变至巷道围岩破坏失稳，对数据进行分析与处理，完成轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验。
进一步，在步骤一中，调配挡板为有机玻璃挡板，以利于观测巷道围岩裂隙发育形态。
进一步，在步骤二中，相似材料为河沙、石膏、大白粉、水制作的低强度装填材料体。
进一步，在步骤三中，圆形球窝与圆形球头间涂润滑油，以利于不同角度转动，保证受力均匀，传力垫块与伺服刚性试验机传载上轴间距设定为1mm。
进一步，在步骤六中，开挖巷道后可放置相似模拟支护设备，以进行不同支护方式巷道围岩蠕变特性研究。
进一步，在步骤七中，下一级应力水平蠕变可采用分级加载蠕变与增量加载蠕变两种方式进行。
本发明的优点和有益效果是：本发明方法具有易于操作、步骤合理、加载精确等特点，不仅实现了不同巷道断面形状、不同围岩应力环境条件的相似模拟巷道开挖蠕变力学特性，而且为实验室岩石相似模拟蠕变试验方法提供了新的参考。
附图说明
图1是实现本发明一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法结构示意图。
图2是图1一种小型巷道三维物理模拟试验箱正视放大图。
图中：1为传力垫块；2为圆形球头；3为圆形球窝；4为上覆钢板；5为导向横轴；6为左侧板；7为开口横板；8为上压横杆；9为调配挡板；10为紧固螺母；11为巷道挡板；12为外压横杆；13为前支撑体；14为安装螺栓；15为下压横杆；16为紧固螺栓；17为承载底座；18为后横板；19为相似模拟体；20为右侧板；21为后支撑体；22为顶部加载盘；23为传载上轴；24为磁性固定座；25为千分表；26为底部加载盘；27为伺服控制器；28为test软件系统；29为轴向油泵；30为伺服电液系统。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的描述。
如图1至图2所示，本发明提供一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，主要包括：小型巷道三维物理模拟试验箱组件选择与安装；相似模拟材料体选择与分层装填；小型巷道三维物理模拟试验箱与刚性伺服试验机组合；小型巷道三维物理模拟试验箱煤岩层蠕变伺服控制；加荷状态下相似模拟巷道断面出露；带压状态下相似模拟巷道开挖、支护及锚固围岩蠕变数据采集与处理；按不同蠕变试验方式进行下一级应力水平的加载蠕变循环；相似模拟巷道围岩失稳及数据处理。
具体实施步骤如下：
步骤一，根据模拟巷道断面尺寸，选择承载底座17、左侧板6、右侧板20、开口横板7、后横板18、前支撑体13、后支撑体21、导向横轴5、紧固螺母10、紧固螺栓16与合适的一组调配挡板9、巷道挡板11进行小型巷道三维物理模拟试验箱安装成型；
步骤二，将上压横杆8与下压横杆15通过安装螺栓14固定在开口横板7上，以紧固调配档板9和巷道挡板11，依据煤岩层模拟参数，选择合适的相似材料进行小型巷道三维物理模拟试验箱装填，每层装填均采用云母分层并用相同力度夯实；
步骤三，相似模拟体19风干后，将试验箱放置于刚性伺服试验机底部加载盘26上，在相似材料体19上部依次放置上覆钢板4、圆形球窝3、圆形球头2、传力垫块1，使传力垫块1与伺服刚性试验机顶部加载盘22下的传载上轴23近于接触；
步骤四，启动伺服试验机轴向油泵29加压至刚性伺服试验机传载上轴22与传力垫块1接触有一定载荷，调换伺服控制器27控制模式为伺服控制，通过伺服电液系统30加载至设定应力水平进行蠕变；
步骤五，旋转外压横杆12上的安装螺栓14，去掉外压横杆12与巷道挡板11，露出相似模拟体19巷道断面形态；
步骤六，相似模拟体19在蠕变状态下进行巷道开挖、支护，采用磁性固定座24紧固千分表25，test软件系统28监测巷道支护后围岩蠕变试验数据；
步骤七，达到设定蠕变时间后，进入下一级应力水平的加载、蠕变至巷道围岩破坏失稳，对数据进行分析与处理，完成轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验。
进一步，在步骤一中，调配挡板9为有机玻璃挡板，以利于观测巷道围岩裂隙发育形态。
进一步，在步骤二中，相似材料为河沙、石膏、大白粉、水制作的低强度装填材料体19。
进一步，在步骤三中，圆形球窝3与圆形球头2间涂润滑油，以利于不同角度转动，保证受力均匀，传力垫块1与伺服刚性试验机传载上轴23间距设定为1mm。
进一步，在步骤六中，开挖巷道后可放置相似模拟支护设备，以进行不同支护方式巷道围岩蠕变特性研究。
进一步，在步骤七中，下一级应力水平蠕变可采用分级加载蠕变与增量加载蠕变两种方式进行。
本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述，而是根据权利要求加以限定。

Claims (6)

1.一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，根据模拟巷道断面尺寸，选择承载底座、左侧板、右侧板、开口横板、后横板、前支撑体、后支撑体、导向横轴、紧固螺母、紧固螺栓与合适的一组调配挡板、巷道挡板进行小型巷道三维物理模拟试验箱安装成型；
步骤二，将上压横杆与下压横杆通过安装螺栓固定在开口横板上，以紧固调配档板和巷道挡板，依据煤岩层模拟参数，选择合适的相似材料进行小型巷道三维物理模拟试验箱装填，每层装填均采用云母分层并用相同力度夯实；
步骤三，相似模拟体风干后，将试验箱放置于刚性伺服试验机底部加载盘上，在相似材料体上部依次放置上覆钢板、圆形球窝、圆形球头、传力垫块，使传力垫块与伺服刚性试验机顶部加载盘下的传载上轴近于接触；
步骤四，启动伺服试验机轴向油泵加压至刚性伺服试验机传载上轴与传力垫块接触有一定载荷，调换伺服控制器控制模式为伺服控制，通过伺服电液系统加载至设定应力水平进行蠕变；
步骤五，旋转外压横杆上的安装螺栓，去掉外压横杆与巷道挡板，露出相似模拟体巷道断面形态；
步骤六，相似模拟体在蠕变状态下进行巷道开挖、支护，采用磁性固定座紧固千分表，test软件系统监测巷道支护后围岩蠕变试验数据；
步骤七，达到设定蠕变时间后，进入下一级应力水平的加载、蠕变至巷道围岩破坏失稳，对数据进行分析与处理，完成轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验。
2.根据权利要求1所述的一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，在步骤一中，调配挡板为有机玻璃挡板，以利于观测巷道围岩裂隙发育形态。
3.根据权利要求1所述的一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，在步骤二中，相似材料为河沙、石膏、大白粉、水制作的低强度装填材料体。
4.根据权利要求1所述的一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，在步骤三中，圆形球窝与圆形球头间涂润滑油，以利于不同角度转动，保证受力均匀，传力垫块与伺服刚性试验机传载上轴间距设定为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，在步骤六中，开挖巷道后可放置相似模拟支护设备，以进行不同支护方式巷道围岩蠕变特性研究。
6.根据权利要求1所述的一种轴向伺服加载相似模拟巷道围岩蠕变试验方法，其特征在于，在步骤七中，下一级应力水平蠕变可采用分级加载蠕变与增量加载蠕变两种方式进行。
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