CN108827578A - 一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法，装置包括：整体框架、横向压力加载系统、竖向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向落锤冲击扰动系统、入射波监测系统和响应测量监测系统。本发明的试验方法包括，第一工况：巷道整体模型试样双向静动加载扰动试验，以探究巷道周边围岩的初始受力状态及关键块岩石的初始受力条件，并在扰动过程中观察裂纹的扩展规律、关键块的形成过程及关键块失稳的总体现象。第二工况：关键块模型试样双向静动加载扰动失稳试验，以第一工况的结果为依据，将关键块与两侧围岩抽象出来，以更精确地探究应力波导致裂纹扩展的规律、关键块失稳滑动的临界条件、扰动作用导致失稳的作用机理。

Description

一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法

技术领域

本发明属于矿山灾害预警技术领域，涉及一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法。

背景技术

顶板冒落是常见的矿山灾害。采场的顶板冒落普遍是由采空区暴露面积过大或顶板岩层较破碎引起的，多为大范围整体冒落。而对于支护条件较差的巷道而言，也时常会发生个别岩块坠落的事故，属于局部冒落。无论是大范围整体冒落还是小范围局部冒落，顶板岩石的失稳往往由关键块体失稳引起的。由于关键块的坠落，导致整个岩层的静力平衡状态被打破，其它岩块会发生类似多米诺式连锁坠落反应，发生砸伤/砸死人员、损坏/损毁设备的事故。所以，研究顶板关键块体的失稳机理，可为认清顶板冒落事故提供理论支持，对冒顶事故的预警与防护有极其重大的意义。

顶板关键块体的失稳坠落往往是受到扰动作用引起的。可诱发顶板关键块失稳的扰动条件有很多，其中爆破扰动导致顶板冒落的事故最为常见。所以，研究动态应力波扰动条件下顶板关键块的失稳过程是很有必要的。矿山生产现场的爆破地点不固定，根据生产需要不断更换爆破地点，甚至可能在不同地点同时爆破。针对于巷道或者采空区而言，单纯的考虑某一方向的应力波扰动是不合理的，研究双向应力波扰动条件成为必要趋势。同时，由于巷道/采空区受到水平和竖直地应力持续静力作用，顶板关键块失稳时的应力条件应该是双向静动组合应力条件。目前，针对矿山冒落灾害的研究工作多集中于冒落拱上限分析、顶板周期来压规律和合理支护方法等方面，而针对顶板关键块稳定性研究的双向静-动组合试验及相关装置尚未见有关报道。因此，为了研究顶板关键块的失稳坠落过程机理，探寻失稳过程的前兆信息与突变规律，为防灾预警提供理论依据，需要研制相应的试验装置及试验方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法，以研究顶板关键块的失稳坠落过程机理，探寻失稳过程的前兆信息与突变规律，为防灾预警提供理论依据。

本发明提供一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，包括：整体框架、横向压力加载系统、竖向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向落锤冲击扰动系统、入射波监测系统和响应测量监测系统；

整体框架用于搭载其他系统、提供反作用力以及装载模型试样；

横向压力加载系统安装在所述整体框架的一侧用于向模型试样加载横向静荷载力；

竖向压力加载系统安装在所述整体框架的上部用于向模型试样加载竖向静荷载力；

横向摆锤冲击扰动系统安装在所述整体框架另的一侧，通过撞击横向入射杆向模型试样加载横向动荷载力；

竖向落锤冲击扰动系统安装在所述整体框架的上部，通过撞击竖向入射杆向模型试样加载竖向动荷载力；

入射波监测系统用于监测横向入射杆和竖向入射杆上的入射应力波；

响应测量监测系统用于实现多种响应监测。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置中，所述整体框架包括：框架主体、两个对中调节顶杆、横向滑动轨道、两个移动垫块、两条竖向滑动轨道和两个缓冲装置；

所述框架主体由上部框架、下部框架和两个侧面框架焊接而成，模型试样装载在框架主体内的下部空间中，模型试样与横向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向压力加载系统和竖向落锤冲击扰动系统的接触面处设有垫板；

两个对中调节顶杆通过螺纹杆安装于框架主体的一个侧面框架上，用于调节模型试样的对中位置；

横向滑动轨道设置于框架主体的下部框架上，两个移动垫块设置在所述横向滑动轨道上，移动垫块用于支撑模型试样的底部，并保证横向对称受力；

两条竖向滑动轨道分别设置在模型试样上方的侧面框架上，两个缓冲装置分别对称设置在对应的竖向滑动轨道的下端。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置中，所述横向压力加载系统安装在框架主体的一个侧面框架上且与对中调节顶杆相对设置，横向压力加载系统包括：横向液压油缸和横向加载板，横向加载板安装在横向液压油缸的压头上，用于向模型试样施加横向静荷载力；

所述竖向压力加载系统安装在框架主体的上部框架上，包括：两个竖向液压油缸和竖向加载板，两个竖向液压油缸对称安装在上部框架上，竖向加载板安装在两个竖向液压油缸的压头上，用于向模型试样施加竖向静荷载力，竖向加载板两端通过滑轮安装于竖向滑动轨道上。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置中，所述竖向落锤冲击扰动系统安装在框架主体的上部框架上，包括：支架、电磁铁吸盘、落锤锤头、横梁和竖向入射杆；落锤锤头安装于横梁中间，横梁组装于支架上可沿支架上下滑动，进而实现落锤锤头精准地自由坠落并撞击竖向入射杆；竖向入射杆穿过框架主体的上部框架和所述竖向加载板，作用于模型试样上部的垫板上向模型试样加载竖向动荷载力；电磁铁吸盘设置在支架的上端用于吸附落锤锤头，通过控制电磁铁吸盘的开关实现落锤锤头的释放。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置中，所述横向摆锤冲击扰动系统设置在框架主体一侧且与对中调节顶杆同侧设置，包括：基座、摆杆、摆锤锤头、横向入射杆、滑动支座、刻度盘和制动阀；摆锤锤头安装于摆杆的一端，摆杆的另一端安装于基座上；横向入射杆穿过框架主体的侧面框架与模型试样侧面的垫板接触，通过手动抬升摆杆，锁定制动阀固定摆锤高度，通过释放制动阀并释放摆杆，摆锤锤头撞击横向入射杆产生横向传播的冲击应力波进而向模型试样加载横向动荷载力；滑动支座支撑在所述横向入射杆下方，刻度盘设置于基座顶部用于定量确定摆锤锤头的冲击能量。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置中，所述响应测量监测系统包括：激光位移计、应变采集仪、压力盒传感器、光纤拉应力传感器、二维散斑应变测量系统、声发射信号采集装置、BOTDR分布光纤应变测试仪。

本发明还提供一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法，包括如下步骤：

步骤1：根据所研究的现场情况和相似理论构建巷道整体模型试样，并根据原始地应力计算巷道整体模型试样的边界力条件；

步骤2：将巷道整体模型试样放置到整体框架内，根据边界力条件通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向巷道整体模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

步骤3：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向巷道整体模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射应力波形，通过响应测量监测系统记录巷道整体模型试样中关键块周边应力状态数据、声发射数据和表面应变场数据；观察扰动过程中裂纹的扩展规律、关键块的形成过程、关键块失稳滑移过程和巷道的破坏模式；

步骤4：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录的关键块周边应力状态数据分析巷道整体模型试样的巷道周边围岩以及顶板关键块岩石的初始受力条件；根据记录的入射应力波形、声发射数据和表面应变场数据分析巷道顶板关键块裂纹扩展过程；

步骤5：根据所研究的现场情况和相似理论构建关键块模型试样；

步骤6：将关键块模型试样放置于整体框架内，将步骤4获取的顶板关键块岩石的初始受力条件作为关键块模型试样的边界力条件，通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向关键块模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

步骤7：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向关键块模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射波形，通过响应测量监测系统记录监测数据；观察关键块裂纹扩展规律以及裂纹贯通后失稳滑动过程；

步骤8：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录到的监测数据分析冲击扰动导致关键块失稳滑动的作用机制，观察各类数据变化情况，分析突变规律，寻找失稳临界条件与前兆信息。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法中，所述响应测量监测系统包括：激光位移计、应变采集仪、压力盒传感器、光纤拉应力传感器、二维散斑应变测量系统、声发射信号采集装置、BOTDR分布光纤应变测试仪。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法中，所述步骤1中构建巷道整体模型试样具体包括：

步骤1.1：根据所研究的现场情况，划分合适的模拟范围，根据相似理论满足相似条件确定尺寸相似比、强度相似比、密度相似比和应力相似比，并计算模型尺寸、模型密度和模型强度；

步骤1.2：根据计算的模型密度和模型强度，选择合适的相似材料，通过多次正交试验对比，选择最佳的相似材料配方和养护方法；

步骤1.3：根据得出的模型尺寸和相似材料配方，制作巷道整体模型试样，具体制作过程为：①架设正方形模具，模具中间放置巷道隔板；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③按预先确定的关键块形状和尺寸，在巷道顶板处插入薄铁片，预制顶板裂隙；④在关键块周边附近埋设压力盒传感器；⑤按最佳养护方法，养护相似模型，待完成初凝后，拔出巷道顶板预插入的薄铁片；⑥继续养护至预期强度；

步骤1.4：根据原始地应力和应力相似比计算巷道整体模型试样的边界力条件。

在本发明的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法中，所述步骤5中构建关键块模型试样具体包括：

步骤5.1：在满足相似理论的前提下，扩大尺寸相似比，模拟关键块局部范围，确定合适的关键块模型试样尺寸；

步骤5.2：根据关键块模型试样尺寸，制作梯形体关键块模型试样，具体制作过程为：①架设模板，预设非贯穿薄铁片；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③在关键块周边附近埋设光纤拉应力传感器、压力盒传感器，在模型底部埋设分布式光纤，振动捣实相似材料料浆，抹平表面；④按最佳养护方法，在合适的环境下养护；⑤待相似材料初凝，拔出预制裂纹所用的薄铁片；⑥继续养护至达到预定强度。

本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法至少包括以下有益效果：

(1)本发明从关键块失稳导致顶板冒落的角度研究顶板冒落事故，适用于研究绝大部分冒落事故。

(2)本发明既从巷道整体范围观察研究关键块失稳过程，又从关键块局部范围深入研究关键块失稳前兆信息，可以从表面现象与监测数据两个层面分析关键块失稳冒落的发展规律。

(3)本发明考虑的双向动力扰动条件，更符合现场爆破地点不固定，可能在不同地点同时爆破，造成巷道顶板承受双向动力扰动的情况。

(4)本发明考虑的双向静动加载条件，更符合现场巷道顶板关键块受地应力和爆破扰动同时作用的情况。

(5)本发明提供的摆锤冲击、落锤冲击方式，可实现精准可控的双向动力扰动条件。

附图说明

图1是本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置的结构示意图；

图2是本发明中安全隔离栅栏的结构示意图；

图3是本发明中预装试样辅助架的结构示意图；

图4是本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法中工况一的试验示意图；

图5是工况二采用预装试样辅助架辅助安装关键块试样的示意图。

具体实施方式

参照附图对本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，包括：整体框架、横向压力加载系统、竖向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向落锤冲击扰动系统、入射波监测系统、响应测量监测系统和液压动力系统33。

整体框架用于搭载其他系统、提供反作用力以及装载模型试样，包括：框架主体14、两个对中调节顶杆17、横向滑动轨道13、两个移动垫块12、两条竖向滑动轨道8和两个缓冲装置15。框架主体14由上部框架、下部框架和两个侧面框架焊接而成，在有需要的部位预留通孔和螺纹孔。模型试样装载在框架主体14内的下部空间中，模型试样与横向压力加载系统、竖向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统的接触面处设有垫板16。两个对中调节顶杆17通过螺纹杆安装于框架主体14的一个侧面框架上，用于调节模型试样的对中位置，本实施例中两个对中调节顶杆17设置在框架主体14的右侧框架上。横向滑动轨道13通过螺栓安装于框架主体14的下部框架上，两个移动垫块12设置在所述横向滑动轨道13上，移动垫块12用于支撑模型试样的底部，并保证横向对称受力，在进行关键块失稳试验时，有助于关键块模型试样两侧围岩试块的自由横向移动。两条竖向滑动轨道8分别设置在模型试样上方的侧面框架上，有助于竖向压力加载系统的竖向加载板7保持水平平移下降；两个缓冲装置15分别对称设置在对应的竖向滑动轨道8的下端，可有效降低试样破坏失稳后竖向加载板7的冲击作用。

横向压力加载系统安装在所述整体框架的一侧用于向模型试样加载横向静荷载力。横向压力加载系统安装在框架主体14的一个侧面框架上且与对中调节顶杆17相对设置，横向压力加载系统包括：横向液压油缸10和横向加载板11，本实施例中横向液压油缸10安装在框架主体14左侧的框架上，提供横向静荷载力；横向加载板11通过螺纹安装在横向液压油缸10的压头上用于向模型试样施加横向静荷载力并转换施力面积。液压动力系统33的高压油管35连接至横向液压油缸10，为横向液压油缸10提供动力。

竖向压力加载系统安装在所述整体框架的上部用于向模型试样加载竖向静荷载力。所述竖向压力加载系统安装在框架主体14的上部框架上，包括：两个竖向液压油缸6和竖向加载板7。两个竖向液压油缸6对称安装在上部框架上，对称布置于竖向落锤冲击扰动系统的竖向入射杆5两侧；竖向加载板7安装在两个竖向液压油缸6的压头上，竖向加载板7两端通过滑轮安装于竖向滑动轨道8上，可以在保证加载时不产生扭矩的前提下，向模型试样传递竖向静荷载力。液压动力系统33的高压油管35连接至两个竖向液压油缸6，为竖向液压油缸6提供动力。

竖向落锤冲击扰动系统安装在所述整体框架的上部，通过撞击竖向入射杆5向模型试样加载竖向动荷载力。所述竖向落锤冲击扰动系统安装在框架主体14的上部框架上，包括：支架4、电磁铁吸盘1、落锤锤头3、横梁2和竖向入射杆5。落锤锤头3安装于横梁2中间，横梁2组装于支架4上可沿支架4上下滑动，进而实现落锤锤头3精准地自由坠落并撞击竖向入射杆5。竖向入射杆5穿过框架主体14的上部框架和所述竖向加载板7，作用于模型试样上部的垫板16上向模型试样加载竖向动荷载力。电磁铁吸盘1设置在支架4的上端用于吸附落锤锤头3，通过控制电磁铁吸盘1的开关实现落锤锤头3的释放。

横向摆锤冲击扰动系统安装在所述整体框架另的一侧，通过撞击横向入射杆19向模型试样加载横向动荷载力。所述横向摆锤冲击扰动系统设置在框架主体14一侧且与对中调节顶杆17同侧设置，包括：基座23、摆杆22、摆锤锤头24、横向入射杆19、滑动支座18、刻度盘21和制动阀20。摆锤锤头24安装于摆杆22的一端，摆杆22的另一端安装于基座23上。横向入射杆19穿过框架主体14的侧面框架与模型试样侧面的垫板16接触，通过手动抬升摆杆22，锁定制动阀20固定摆锤高度。通过释放制动阀20并释放摆杆22，摆锤锤头24撞击横向入射杆19产生横向传播的冲击应力波进而向模型试样加载横向动荷载力。滑动支座18支撑在所述横向入射杆19下方，刻度盘21设置于基座23顶部用于定量确定摆锤锤头24的冲击能量，制动阀20用于控制摆杆22的释放。基座23和滑动支座18都安装在混凝土底座25上。

入射波监测系统用于监测横向入射杆19和竖向入射杆5上的入射应力波。入射波监测系统包括：应变片49、信号放大器43、示波器44、交换机45和计算机46。将应变片49组成全桥电路分别粘贴于横向入射杆19和竖向入射杆5上，用于监测横向入射杆19和竖向入射杆5上的入射应力波；信号放大器43连接于示波器44与应变片49电路之间，用于放大应变片原始信号；示波器44用于采集和记录应变片电压信号；计算机46用于存储和分析应变片电压信号，转换成应力波信号。

响应测量监测系统用于实现多种响应监测。其中包括表面定点位移监测、表面定点应变监测、内部定点压力监测、表面应变/位移场监测、声发射监测、表面错动位移监测等，具体的测试方法详见实施案例。响应测量监测系统包括：激光位移计28、应变采集装置、压力盒传感器与光纤拉应力传感器、二维散斑应变测量系统、由声发射探头和声发射信号采集仪组成的声发射信号采集装置、分布式光纤26与BOTDR分布光纤应变测试仪27。部分装置图中未显示。

如图2、图3和图4所示，试验装置还包括：安全隔离栅栏38、竖向传力套筒9、预装试样辅助架39和垫板16。安全隔离栅栏38安装于框架主体14的正面和后面，用于隔离试验系统和工作人员，保证试验过程中人员的安全性；竖向传力套筒9用于当竖向液压油缸6的压头行程不足的情况下，增加竖向压力的传递行程；预装试样辅助架39由支撑板40、升降调节螺栓41和受力钢架42组成。预装试样辅助架39用于辅助安装中间关键块试样，在安装试样之前放置于框架主体框架14下部，用于承载中间关键块试块，所有试样安装完成后即拆除；垫板16垫于横向加载板11和竖向加载板7与试样之间，用于改变加载力施力面积。

地震、爆破扰动对关键块的影响作用主要体现在爆破应力波的传播影响。利用竖向落锤冲击扰动系统可模拟顶板上部自上而下传播的竖向应力波，利用横向摆锤冲击扰动系统可模拟围岩自右向左传播的水平应力波，据此研究不同方向的应力波扰动对关键块稳定性的影响。

为了研究巷道/空区顶板关键块岩石的裂纹扩展及失稳坠落过程，首先需要了解巷道/空区周边围岩的受力状态，并分析顶板岩石关键块的受力条件。在此基础上，再进一步开展单独针对关键块体稳定性问题的试验研究。所以，本发明的试验方法包括两个工况试验，第一工况：巷道整体模型试样双向静-动加载扰动试验，如图1所示，以期探究巷道/空区周边围岩的初始受力状态以及顶板关键块岩石的初始受力条件，并在扰动过程中观察裂纹的扩展规律、关键块的形成过程以及关键块失稳的总体现象。

第二工况：顶板关键块模型试样双向静-动加载扰动失稳试验，如图5所示，以第一工况的试验结果为依据，将顶板关键块与两侧围岩单独抽象出来，进行双向静-动加载扰动试验，以期更为精确地探究应力波导致裂纹扩展的规律、关键块失稳滑动的临界条件、扰动作用导致失稳的作用机理，以及通过多种监测手段探寻失稳坠落的前兆信息，同时测试分布式光纤监测手段监测关键块岩石滑动失稳过程的可行性。

下面对本发明的一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法进行详细说明，具体包括如下8个步骤，步骤1-4属于第一工况：巷道整体模型试样双向静-动加载扰动试验。

巷道整体模型试样的静-动组合加载扰动试验，研究巷道/空区周边围岩的初始受力状态以及顶板关键块岩石的初始受力条件，并在扰动过程中观察裂纹的扩展规律、关键块的形成过程以及关键块的失稳滑落过程。具体包括：

步骤1：根据所研究的现场情况和相似理论构建巷道整体模型试样，并根据原始地应力计算巷道整体模型试样的边界力条件；所述步骤1中构建巷道整体模型试样具体包括：

步骤1.1：根据所研究的现场情况，划分合适的模拟范围，根据相似理论满足相似条件确定尺寸相似比C_l、强度相似比C_UCS、密度相似比C_ρ和应力相似比C_σ，并计算模型尺寸、模型密度和模型强度；

其中，相似条件为：

步骤1.2：根据计算的模型密度和模型强度，选择合适的相似材料，通过多次正交试验对比，选择最佳的相似材料配方和养护方法；

具体实施时，根据相似理论确定的相似比参数，研究合适的相似材料。参考前人的研究成果，采用常用的相似材料原料(石英砂、水泥、石膏、减水剂、缓凝剂等)，通过正交试验，探寻合适的相似材料制作配方以及养护方法。

步骤1.3：根据得出的模型尺寸和相似材料配方，制作巷道整体模型试样，①架设正方形模具，模具中间放置巷道隔板；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③按预先确定的关键块形状和尺寸，在巷道顶板处插入薄铁片，预制顶板裂隙；④在关键块周边附近埋设压力盒传感器；⑤按最佳养护方法，养护相似模型，待完成初凝后，拔出巷道顶板预插入的薄铁片；⑥继续养护至预期强度；

步骤1.4：根据原始地应力和应力相似比计算巷道整体模型试样的边界力条件。

步骤2：将巷道整体模型试样放置到整体框架内，根据边界力条件通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向巷道整体模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

具体实施时，先拆除移动垫块12、横向轨道13、缓冲装置15，将制作好的巷道整体模型试样正确放置于框架主体14中，试样表面放置适当的垫块16，调节对中顶杆17，将模型调节至上下、左右对中的位置。再布置入射应力波监测系统和响应测量监测系统。具体如下：

布置入射应力波监测系统：将应变片49组成全桥电路分别粘贴于横向入射杆19和竖向入射杆5上，用于监测横向入射杆19和竖向入射杆5上的应力波响应。将应变片49电路连接至信号放大器43，用于放大应变片49的原始信号，再将信号放大器43输出端连接至示波器44，用于采集和记录应变片电压信号；再将示波器44输出端连接至计算机46，用于存储和分析应变片49的电压信号，转换成应力波信号。

布置响应测量监测系统，在进行巷道整体模型试样的静-动组合加载扰动试验时，需采用响应测量监测系统中的3种设备：声发射信号采集装置、压力盒传感器和二维散斑应变测量系统29。①声发射监测：在靠近关键块的模型表面采用特殊粘接剂固定声发射探头，将探头的信号线与电源线，连接至声发射信号采集分析仪，检查线路，排除异常。设置声发射撞击阈值、采样频率、存储路径等完成后，开始采集。以此用于监测试验中微裂纹的扩展规律；②内部压力监测：将预先埋设在试样中的压力盒传感器的信号线与电源线连接至压力信号采集仪上，并将采集仪连接至计算机；设置采样频率、存储路径、数据清零，开启采集仪，观察压力信号是否正常，检查线路，排除异常。以此用于监测关键块周边应力状态；③散斑表面应变监测：在模型正表面(无任何遮挡的表面)喷洒标定散斑点。在模型正面架设二维散斑应变测量系统，包括架设三角架32、摄像头滑动轨道31调整水平、安装高速高清摄像头30。旋转、平移将摄像头对准被测模型，调节光圈和焦距，使拍摄范围为模型全范围，且图像清晰。将摄像头连接至计算机，打开散斑分析软件，连接摄像头，设置拍摄间隔时间，开启散斑监测分析功能。以此用于监测模型全表面的应变场变化情况。

布置入射应力波监测系统和响应测量监测系统后，关闭前后安全栅栏38，启动液压动力系统33，根据边界力条件通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向巷道整体模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力，通过高压油管35向横向液压油缸10和竖向液压油缸6提供动力，将横向静荷载力和竖向静荷载力加载至预定荷载值即边界力条件，并保持恒定。

步骤3：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向巷道整体模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射应力波形，通过响应测量监测系统记录巷道整体模型试样中关键块周边应力状态数据、声发射数据和表面应变场数据；观察扰动过程中裂纹的扩展规律、关键块的形成过程、关键块失稳滑移过程和巷道的破坏模式；

具体实施时，根据所研究的问题，确定采用竖向冲击扰动、横向冲击扰动或者横-竖联合冲击扰动方式。根据所需的扰动应力波特征(能量、上升沿时间、幅值等)，选择合适的落锤锤头3和摆锤锤头24，按照所需的冲击速度，调整落锤锤头3和摆锤锤头24高度，通过控制电磁铁吸盘1和制动阀20释放落锤锤头3和摆锤锤头24，进行冲击扰动。

步骤4：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录的关键块周边应力状态数据分析向巷道整体模型试样的巷道周边围岩以及顶板关键块岩石的初始受力条件；根据记录的入射应力波形、声发射数据和表面应变场数据分析巷道顶板关键块裂纹扩展过程；

具体实施时，在顶板关键块破坏或坠落后，则表示试验结束。通过液压动力系统33卸载横向与竖向加载力至零。打开安全栅栏38，拆除竖向入射杆5、垫块16，卸除破坏后的模型试样，清扫试验装置，将所有设施恢复试验前的状态。在静力加载与动态扰动过程中，观察扰动过程中裂纹的扩展规律、关键块的形成过程、关键块失稳滑移过程、巷道的破坏模式。采集并记录关键块周边应力状态数据、声发射数据、表面应变场数据。根据记录的应力数据和应变数据，分析巷道周边围岩以及顶板关键块岩石的初始受力条件，根据记录的声发射信号分析关键块裂隙扩展过程。

步骤5-8属于第二工况：关键块模型试样双向静-动加载扰动试验。

如图1，进行关键块模型试样扰动失稳滑落试验，更精确地、有针对性地研究关键块受动力扰动时裂纹扩展及失稳滑动过程，探究应力波导致顶板关键块裂纹的扩展过程、关键块失稳滑动的临界条件、扰动作用导致失稳的作用机理、失稳坠落的前兆特征。同时，测试分布式光纤监测手段的可行性与稳定性，为现场应用提供参考借鉴。具体包括：

步骤5：根据所研究的现场情况和相似理论构建关键块模型试样；所述步骤5中构建关键块模型试样具体包括：

步骤5.1：在满足相似理论的前提下，扩大尺寸相似比，模拟关键块局部范围，确定合适的关键块模型试样尺寸；

步骤5.2：根据关键块模型试样尺寸，制作梯形体关键块模型试样，具体制作过程为：①架设模板，预设非贯穿薄铁片；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③在关键块周边附近埋设光纤拉应力传感器、压力盒传感器，在模型底部埋设分布式光纤，振动捣实相似材料料浆，抹平表面；④按最佳养护方法，在合适的环境下养护；⑤待相似材料初凝，拔出预制裂纹所用的薄铁片；⑥继续养护至达到预定强度。

步骤6：将关键块模型试样放置于整体框架内，将步骤4获得的顶板关键块岩石的初始受力条件作为关键块模型试样的边界力条件，通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向关键块模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

具体实施时，打开安全栅栏38，安装横向轨道13、移动垫块12、缓冲装置15、架设预装试样辅助架39，将制作好的关键块模型试样正确放置于框架主体14中，在试样表面放置合适的垫板16，调节对中顶杆17，将模型调节至上下、左右对中的位置。再布置入射应力波监测系统和响应测量监测系统。具体如下：

入射应力波监测系统的布置过程参照工况一，这里不再赘述。

布置响应测量监测系统，在进行关键块模型试样的静-动组合加载扰动试验时，需采用响应测量监测系统中的6种设备：声发射信号采集装置、压力盒传感器、光纤拉应力传感器、BOTDR分布光纤应变测试仪27、激光位移计28和二维散斑应变测量系统29。①声发射监测：在靠近关键块的模型表面采用特殊粘接剂固定声发射探头，将探头的信号线与电源线，连接至声发射信号采集分析仪，检查线路，排除异常。设置声发射撞击阈值、采样频率、存储路径等完成后，开始采集。以此用于监测试验中微裂纹的扩展规律；②内部裂纹面正压力监测：将预先埋设在试样中的压力盒传感器的信号线与电源线连接至压力信号采集仪上，并将采集仪连接至计算机；设置采样频率、存储路径、数据清零，开启采集仪，观察压力信号是否正常，检查线路，排除异常。以此用于监测关键块周边应力状态；③内部裂纹扩展拉应力监测：将埋设于预估裂纹扩展路径上的光纤拉应力传感器连接至光纤信号发射器和光纤解调仪。检查线路，排除异常；监测裂纹扩展过程中路径上拉应力变化过程；④分布式光纤应变监测：将埋设于底部的分布式光纤26连接至BOTDR分布光纤应变测试仪27，检查线路，排除异常，监测关键块下滑过程中关键块与围岩间错动位移的变化过程；⑤激光位移计定点位移监测：将激光位移计28通过电磁铁架固定于试验台底部，通过预留孔，将激光照射至关键块底部表面中心。将激光位移计连接至计算机，检查线路，排除异常，设置采样频率和存储路径，开启采集；以此用于监测关键块下滑过程中底部表面中点的位移变化过程；⑥散斑表面应变监测：在模型正表面(无任何遮挡的表面)喷洒标定散斑点。在模型正面架设二维散斑应变测量系统，包括架设三角架32、摄像头滑动轨道31调整水平、安装高速高清摄像头30。旋转、平移将摄像头，将其对准被测模型，调节光圈和焦距，使拍摄范围为模型全范围，且图像清晰。将摄像头连接至计算机，打开散斑分析软件，连接摄像头，设置拍摄间隔时间，开启散斑监测分析功能。以此用于监测模型全表面的应变场变化情况。

布置入射应力波监测系统和响应测量监测系统后，根据工况一获取的关键块周边应力状态确定纵向和横向边界荷载。关闭前后安全栅栏38，启动液压动力系统33，通过高压油管35向横向液压油缸10提供动力，将横向静荷载力加载至预定荷载值，并保持恒定，撤除预装试样辅助架39；通过高压油管35向竖向液压油缸6提供动力，将竖向静荷载力加载至预定荷载值，并保持恒定。

步骤7：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向关键块模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射波形，通过响应测量监测系统记录监测数据；观察关键块裂纹扩展规律以及裂纹贯通后失稳滑动过程；

具体实施时，根据所研究的问题，确定采用竖向冲击扰动、横向冲击扰动或者横竖联合冲击扰动方式。根据所需的扰动应力波特征(能量、上升沿时间、幅值等)，选择合适的落锤锤头3和摆锤锤头24，按照所需的冲击速度，调整落锤锤头3和摆锤锤头24的高度，通过控制电磁铁吸盘1和制动阀20释放落锤锤头3和摆锤锤头24，进行冲击扰动。

步骤8：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录到的监测数据分析冲击扰动导致关键块失稳滑动的作用机制，观察各类数据变化情况，分析突变规律，寻找失稳临界条件与前兆信息。

具体实施时，在顶板关键块破坏或坠落后，则表示试验结束。通过控制液压动力系统33，卸载横向与竖向加载力至零。打开安全栅栏38，拆除竖向入射杆5、垫块16，卸除破坏后的模型试样，清扫试验装置，将所有设施恢复试验前的状态。在静力加载与动态扰动过程中，全程观察关键块裂纹扩展规律以及裂纹贯通后失稳滑动过程；根据各监测手段采集并记录到的监测数据，分析冲击扰动导致关键块失稳滑动的作用机制，观察各类数据变化情况，分析突变规律，寻找失稳临界条件与前兆信息。

综上，本发明的试验装置可用于研究顶板关键块受不同扰动条件的冒落问题。通过改变冲击扰动条件可模拟顶板关键块受竖向爆破扰动、顶板关键块受横向爆破扰动、顶板关键块受竖向-横向同时爆破扰动条件，改变冲击扰动方式还可模拟单次冲击扰动、多次循环冲击扰动。如果对试验装置或模型试样稍加调整，还可用于研究渗水条件对关键块冒落的影响、界面粗糙度对关键块冒落的影响、软弱夹层对关键块冒落的影响、层状岩体关键块冒落规律等问题。

通过响应测量监测系统中的声发射采集装置，采集微破裂声发射信号参数，可分析裂纹扩展规律以及岩体损伤演化规律。通过内埋或表面应力监测装置采集模型试样的应力参数，可分析岩体应力演化规律。通过内埋或表面应变监测装置采集模型试样的应变参数，可分析岩体应变演化规律。通过位移监测装置采集模型试样的位移参数，可分析岩体变形和移动规律。同时，针对以上所有参数可以进行分析，可得出关键块失稳冒落过程中各参数的变化趋势与突变规律，提取失稳突变前兆信息，为冒落灾害的防灾预警提供理论依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，包括：整体框架、横向压力加载系统、竖向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向落锤冲击扰动系统、入射波监测系统和响应测量监测系统；

整体框架用于搭载其他系统、提供反作用力以及装载模型试样；

横向压力加载系统安装在所述整体框架的一侧用于向模型试样加载横向静荷载力；

竖向压力加载系统安装在所述整体框架的上部用于向模型试样加载竖向静荷载力；

横向摆锤冲击扰动系统安装在所述整体框架另的一侧，通过撞击横向入射杆向模型试样加载横向动荷载力；

竖向落锤冲击扰动系统安装在所述整体框架的上部，通过撞击竖向入射杆向模型试样加载竖向动荷载力；

入射波监测系统用于监测横向入射杆和竖向入射杆上的入射应力波；

响应测量监测系统用于实现多种响应监测。

2.如权利要求1所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，所述整体框架包括：框架主体、两个对中调节顶杆、横向滑动轨道、两个移动垫块、两条竖向滑动轨道和两个缓冲装置；

所述框架主体由上部框架、下部框架和两个侧面框架焊接而成，模型试样装载在框架主体内的下部空间中，模型试样与横向压力加载系统、横向摆锤冲击扰动系统、竖向压力加载系统和竖向落锤冲击扰动系统的接触面处设有垫板；

两个对中调节顶杆通过螺纹杆安装于框架主体的一个侧面框架上，用于调节模型试样的对中位置；

横向滑动轨道设置于框架主体的下部框架上，两个移动垫块设置在所述横向滑动轨道上，移动垫块用于支撑模型试样的底部，并保证横向对称受力；

两条竖向滑动轨道分别设置在模型试样上方的侧面框架上，两个缓冲装置分别对称设置在对应的竖向滑动轨道的下端。

3.如权利要求2所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，所述横向压力加载系统安装在框架主体的一个侧面框架上且与对中调节顶杆相对设置，横向压力加载系统包括：横向液压油缸和横向加载板，横向加载板安装在横向液压油缸的压头上，用于向模型试样施加横向静荷载力；

所述竖向压力加载系统安装在框架主体的上部框架上，包括：两个竖向液压油缸和竖向加载板，两个竖向液压油缸对称安装在上部框架上，竖向加载板安装在两个竖向液压油缸的压头上，用于向模型试样施加竖向静荷载力，竖向加载板两端通过滑轮安装于竖向滑动轨道上。

4.如权利要求3所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，所述竖向落锤冲击扰动系统安装在框架主体的上部框架上，包括：支架、电磁铁吸盘、落锤锤头、横梁和竖向入射杆；落锤锤头安装于横梁中间，横梁组装于支架上可沿支架上下滑动，进而实现落锤锤头精准地自由坠落并撞击竖向入射杆；竖向入射杆穿过框架主体的上部框架和所述竖向加载板，作用于模型试样上部的垫板上向模型试样加载竖向动荷载力；电磁铁吸盘设置在支架的上端用于吸附落锤锤头，通过控制电磁铁吸盘的开关实现落锤锤头的释放。

5.如权利要求2所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，所述横向摆锤冲击扰动系统设置在框架主体一侧且与对中调节顶杆同侧设置，包括：基座、摆杆、摆锤锤头、横向入射杆、滑动支座、刻度盘和制动阀；摆锤锤头安装于摆杆的一端，摆杆的另一端安装于基座上；横向入射杆穿过框架主体的侧面框架与模型试样侧面的垫板接触，通过手动抬升摆杆，锁定制动阀固定摆锤高度，通过释放制动阀并释放摆杆，摆锤锤头撞击横向入射杆产生横向传播的冲击应力波进而向模型试样加载横向动荷载力；滑动支座支撑在所述横向入射杆下方，刻度盘设置于基座顶部用于定量确定摆锤锤头的冲击能量。

6.如权利要求1所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置，其特征在于，所述响应测量监测系统包括：激光位移计、应变采集仪、压力盒传感器、光纤拉应力传感器、二维散斑应变测量系统、声发射信号采集装置、BOTDR分布光纤应变测试仪。

7.一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据所研究的现场情况和相似理论构建巷道整体模型试样，并根据原始地应力计算巷道整体模型试样的边界力条件；

步骤2：将巷道整体模型试样放置到整体框架内，根据边界力条件通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向巷道整体模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

步骤3：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向巷道整体模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射应力波形，通过响应测量监测系统记录巷道整体模型试样中关键块周边应力状态数据、声发射数据和表面应变场数据；观察扰动过程中裂纹的扩展规律、关键块的形成过程、关键块失稳滑移过程和巷道的破坏模式；

步骤4：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录的关键块周边应力状态数据分析巷道整体模型试样的巷道周边围岩以及顶板关键块岩石的初始受力条件；根据记录的入射应力波形、声发射数据和表面应变场数据分析巷道顶板关键块裂纹扩展过程；

步骤5：根据所研究的现场情况和相似理论构建关键块模型试样；

步骤6：将关键块模型试样放置于整体框架内，将步骤4获取的顶板关键块岩石的初始受力条件作为关键块模型试样的边界力条件，通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向关键块模型试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力；

步骤7：通过横向摆锤冲击扰动系统和竖向落锤冲击扰动系统向关键块模型试样多次循环施加动荷载力，同时通过入射应力波监测系统记录入射波形，通过响应测量监测系统记录监测数据；观察关键块裂纹扩展规律以及裂纹贯通后失稳滑动过程；

步骤8：当顶板关键块破坏或坠落后停止加载动荷载力，根据记录到的监测数据分析冲击扰动导致关键块失稳滑动的作用机制，观察各类数据变化情况，分析突变规律，寻找失稳临界条件与前兆信息。

8.如权利要求7所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法，其特征在于，所述响应测量监测系统包括：激光位移计、应变采集仪、压力盒传感器、光纤拉应力传感器、二维散斑应变测量系统、声发射信号采集装置、BOTDR分布光纤应变测试仪。

9.如权利要求8所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法，其特征在于，所述步骤1中构建巷道整体模型试样具体包括：

步骤1.1：根据所研究的现场情况，划分合适的模拟范围，根据相似理论满足相似条件确定尺寸相似比、强度相似比、密度相似比和应力相似比，并计算模型尺寸、模型密度和模型强度；

步骤1.2：根据计算的模型密度和模型强度，选择合适的相似材料，通过多次正交试验对比，选择最佳的相似材料配方和养护方法；

步骤1.3：根据得出的模型尺寸和相似材料配方，制作巷道整体模型试样，具体制作过程为：①架设正方形模具，模具中间放置巷道隔板；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③按预先确定的关键块形状和尺寸，在巷道顶板处插入薄铁片，预制顶板裂隙；④在关键块周边附近埋设压力盒传感器；⑤按最佳养护方法，养护相似模型，待完成初凝后，拔出巷道顶板预插入的薄铁片；⑥继续养护至预期强度；

步骤1.4：根据原始地应力和应力相似比计算巷道整体模型试样的边界力条件。

10.如权利要求9所述的双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法，其特征在于，所述步骤5中构建关键块模型试样具体包括：

步骤5.1：在满足相似理论的前提下，扩大尺寸相似比，模拟关键块局部范围，确定合适的关键块模型试样尺寸；

步骤5.2：根据关键块模型试样尺寸，制作梯形体关键块模型试样，具体制作过程为：①架设模板，预设非贯穿薄铁片；②按最佳相似材料配方，配制相似材料料浆并浇筑；③在关键块周边附近埋设光纤拉应力传感器、压力盒传感器，在模型底部埋设分布式光纤，振动捣实相似材料料浆，抹平表面；④按最佳养护方法，在合适的环境下养护；⑤待相似材料初凝，拔出预制裂纹所用的薄铁片；⑥继续养护至达到预定强度。