CN109490086B - 一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法，其包括：承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，所述围压单元用于对试件施加水平面内的围压；还包括加载控制单元、监测单元和数据分析单元。本发明能与现场巷道围岩实际应力状态较好吻合，获得的支护强度能较好地保障围岩安全稳定，准确度高，且试验操作简单方便。

Description

一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法
技术领域
本发明涉及巷道围岩支护技术领域，尤其涉及一种巷道围岩支护强度试验装置及强度确定方法。
背景技术
我国煤矿主要是地下开采，需要在井下开掘大量巷道，采用巷道支护来保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。巷道支护可以减少围岩的移动，使巷道断面不致过度缩小，同时防止已散离和破坏的围岩冒落。巷道支护的效果不仅仅取决于支架本身性质，还受到围岩性质、支架与围岩的接触方式等一系列因素的影响。
巷道支护强度设计是巷道支护设计中的一项重要参数，对充分发挥巷道支护措施的优越性和保证巷道安全具有十分重要的意义。若支护强度太高，既浪费支护材料，增加支护成本，又影响掘进进度；若支护强度不够，则不能有效控制围岩变形，出现片帮、冒顶等灾害事故。选择合适的巷道支护强度，可以保持巷道围岩的完整性，有效控制围岩变形，避免支护手段因围岩发生松动或冲击破坏而失效。
目前，确定巷道支护强度大多采用工程类比法和理论计算法等。工程类比法是根据已有的巷道工程，通过类比提出新建工程的支护强度参数，这种方法主要依靠已有成功经验来进行设计，由于巷道实际情况均有所不同，此方法获得的支护强度并不是最合适的。理论计算法基于某种支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论，计算得出支护参数，确定支护强度。由于现有支护理论多存在着一定的局限性和使用条件，而且很难比较准确、可靠地确定计算所需要的一些参数。因此，依据理论计算所做的设计结果很多情况下只能作为参考。
特别是，深部煤炭开采时，岩层断裂、断层垮落等产生的动载荷明显增多，巷道围岩实际处于复杂的动静组合应力环境下，导致其服务期间经常发生破坏失稳，支护控制难度大。目前尚没有合适的理论进行支护强度计算，工程类比法往往进行了过度支护，也没有一种可靠手段能够获得动静组合应力环境下围岩支护强度，现有技术有待进一步突破。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种操作简单、准确性高的巷道围岩支护强度试验装置。
本发明同时提供利用上述试验装置确定支护强度的方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明提供的巷道围岩支护强度试验装置，其包括：
承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；
轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；
冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；
围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，它包括横向围压加载单元和纵向围压加载单元，用于对试件施加水平面内的围压；
加载控制单元，用于分别控制所述轴压加载单元、冲击加载单元和围压加载单元进行加载；
监测单元，用于监测所述试件在加载过程中的受力情况；
数据分析单元，与所述加载控制单元相连接，且所述数据分析单元用于接受所述监测单元的数据并处理分析。
进一步地，所述轴压加载单元包括轴压加载油缸、轴压加载油箱和下压头，所述轴压加载油缸固定在所述底座上，所述轴压加载油箱与所述轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与所述轴压加载油缸相连接，其另一端竖直伸入到围压加载单元中并与所述试件的下表面相接触。
进一步地，所述轴压加载油缸包括轴压加载缸体、轴压加载活塞、轴压加载活塞杆，所述轴压加载缸体的内部设有进油腔，所述轴压加载活塞滑动连接在所述轴压加载缸体内，所述轴压加载活塞杆的一端穿过所述轴压加载活塞伸入到所述进油腔中，所述轴压加载活塞杆的另一端与所述下压头的一端相连接，其中，所述轴压加载活塞杆的一端端部为弧面。
进一步地，所述冲击加载单元包括冲击加载油缸、冲击加载油箱、上压头和承压柱，所述冲击加载油缸与所述横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加载油箱相连接，所述承压柱的一端与所述冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与所述上压头的顶部相连接，所述上压头的底部与所述试件的上表面相接触。
进一步地，所述围压加载单元包括压力室、两个围压加载油缸、围压加载油箱、两个第一侧向压头和两个第二侧向压头，所述试件设置在所述压力室中，所述围压加载油箱与所述两个围压加载油缸相连接，所述围压加载油缸的活塞杆与所述第一侧向压头相连接，所述两个第一侧向压头分别设置在所述压力室相邻两侧外部，所述两个第一侧向压头水平伸进所述压力室后与所述试件的相邻两个侧壁相接触，所述压力室内部与所述第一侧向压头相对的两个侧壁上分别设有一凹槽，两个凹槽内均安装有第二侧向压头，两个第二侧向压头与所述试件的其他两个相邻侧壁相接触。
进一步地，所述监测单元包括相互连接的压力传感器和信号采集器，所述压力传感器分别设置在所述承压柱和所述上压头之间、所述第二侧向压头和所述试件之间，所述信号采集器与数据分析单元相连接。
本发明提供的巷道围岩支护强度的试验方法，其包括以下步骤：
第一步：采用应力解除法，测得巷道围岩的静态应力状态；
第二步：利用微震系统获得巷道围岩附近的动载特征，反推出试验的冲击载荷强度和频率；
第三步:取巷道围岩制成多个标准试件块；
第四步：加载试验
第4.1步：将试件放置在试验机上，调整试验机各压头的位置，并对试件施加一定的预紧力；
第4.2步：根据步骤一测得的巷道围岩静态力学状态，由横向围压加载单元模拟巷道的围压对试件施加固定不变的X向压力，由轴压加载单元对试件施加一个连续增加的Z向(也就是轴向)压力；由纵向围压加载单元对试件施加Y向支护力，设置Y向支护力的最小值为0；
第4.3步：对试件施加最小Y向支护力，根据步骤二得到的围岩冲击载荷强度和频率，对试件进行冲击加载，在冲击加载结束后，观察试件破坏情况；
第4.4步：更换试件，保持X向压力和Z向压力不变，提高Y向支护力，重复步骤4.1-4.3对更换后的试件进行加载试验，以此类推，每更换一次试件就提高一次支护力，每提高一次支护力，在加载试验后就观察试件破坏情况，从而寻找试件不会被破坏的支护力，根据支护力推算出支护强度，这个支护强度就是巷道围岩所需的支护强度。
本发明的有益效果在于：以巷道围岩实际静载应力大小和动载冲击特征为加载应力，设置不同的支护强度进行岩石变形破坏试验，其既考虑了静载应力和动载应力的影响，也考虑了二者的组合作用，其能与现场巷道围岩实际应力状态较好吻合，获得的支护强度能较好地保障围岩安全稳定，准确度高，且试验操作简单方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的巷道围岩支护强度试验装置的结构示意图；
图2是本发明的巷道围岩支护强度试验装置的围压加载单元的结构示意图；
图3是本发明的巷道围岩支护强度试验装置的轴压加载油缸的结构示意图；
图4是轴压加载单元对试件施加力的大小和方向。
图中：
1-承载框架单元，11-底座、12-立柱，13-横梁；
2-轴压加载单元，21-轴压加载油缸，211-轴压加载缸体、212-轴压加载活塞，213-轴压加载活塞杆，214-油腔，215-弧面，22-轴压加载油箱，23-下压头；
3-冲击加载单元，31-冲击加载油缸，32-冲击加载油箱，33-上压头，34-承压柱；
4-围压加载单元，41-压力室，42a-横向围压加载油缸，42b-纵向围压加载油缸，43-围压加载油箱，44a-横向第一压头，44b-纵向第一压头，45a-第一凹槽，45b-第二凹槽，46a-横向第二压头，46b-纵向第二压头；
5-加载控制单元；
6-监测单元，61-信号采集器，62-压力传感器；
7-数据分析单元；
8-试件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1-3所示，本发明的巷道围岩支护强度试验装置，其包括：
承载框架单元1，包括底座11、立柱12和横梁13，立柱12竖直设置在底座11的上表面两侧，横梁13水平固定在立柱12的上部；
轴压加载单元2，固定在底座11的上表面中间位置处，且用于对试件8施加自下而上的轴向压力；
冲击加载单元3，固定在横梁13上，且用于对试件8施加自上而下的轴向冲击载荷；
围压加载单元4，设置在轴压加载单元2和冲击加载单元3之间，围压单元4用于对试件8施加水平面内的围压；
加载控制单元5，用于分别控制轴压加载单元2、冲击加载单元3和围压加载单元4进行加载；
监测单元6，用于监测试件8在加载过程中的受力情况；
数据分析单元7，与加载控制单元5相连接，且数据分析单元7用于接受监测单元6的数据并处理分析。
具体地，本发明的轴压加载单元2包括轴压加载油缸21、轴压加载油箱22和下压头23，轴压加载油缸21固定在底座11上，轴压加载油箱22可通过油管等与轴压加载油缸21相连接，下压头23的一端与轴压加载油缸21相连接，其另一端竖直伸入到围压加载单元4中并与试件8的下表面相接触。本发明中，通过轴压加载油缸21驱动下压头23向上移动，即可对试件8施加轴向压力。
本发明的实施例中，轴压加载油缸21包括轴压加载缸体211、轴压加载活塞212、轴压加载活塞杆213，轴压加载缸体211的内部设有进油腔214，轴压加载活塞212滑动连接在轴压加载缸体211内，轴压加载活塞杆213的一端穿过轴压加载活塞212伸入到进油腔214中，轴压加载活塞杆213的另一端与下压头23的一端相连接，其中，轴压加载活塞杆213的一端端部为弧面215。本发明中，恒力通过轴压加载活塞杆213的弧面215将对试件8施加的恒力力变为一连续增加的力，真实地模拟了试件8在现场实际的受力情况，使研究结果更加准确。
本发明的实施例中，冲击加载单元3包括冲击加载油缸31、冲击加载油箱32、上压头33和承压柱34，冲击加载油缸31与横梁13固定连接，且冲击加载油缸31可通过油管等与冲击加油箱32相连接，承压柱34的一端与冲击加载油缸31的活塞杆相连接，其另一端与上压头33的顶部相连接，上压头33的底部与试件8的上表面相接触。本发明中，通过冲击加载油缸31可对试件8施加冲击载荷。
参阅图2所示，围压加载单元4包括压力室41，围压加载油箱43，横向围压加载油缸42a、横向第一压头44a和横向第二压头46a，纵向围压加载油缸42b、纵向第一压头44b和纵向第二压头46b，试件8设置在压力室41中，围压加载油箱43与横向围压加载油缸42a和纵向围压加载油缸42b相连接，横向围压加载油缸42a的活塞杆与横向第一压头44a相连接，纵向围压加载油缸42b的活塞杆与纵向第一压头44b相连接,横向第一压头44a和纵向第一压头44b分别设置在压力室41相邻两侧外部，横向第一压头44a和纵向第一压头44b水平伸入压力室41后与试件8的相邻两个侧壁相接触，压力室41内部与横向第一压头44a和纵向第一压头44b相对的两个侧壁上分别设有第一凹槽45a和第二凹槽45b，第一凹槽45a内安装有横向第二压头46a，第二凹槽45b内安装有纵向第二压头46b，横向第二压头46a和纵向第二压头46b与试件8的其他两个相邻侧壁相接触。本发明中，通过横向第一压头44a和横向第二压头46a，以及纵向第一压头44b和纵向第二压头46b的相互配合对试件8施加水平面内的横向和纵向围压，优选地，横向第二压头46a和纵向第二压头46b两侧均装有紧固螺栓，可通过紧固螺栓将其固定在凹槽上。
本发明的监测单元6包括相互连接的压力传感器62和信号采集器61，压力传感器62分别设置在承压柱34和上压头33之间、横向第二压头46a和试件8之间，纵向第二压头46b和试件8之间，信号采集器61与数据分析单元7相连接。信号采集器61采集到相应的压力数据后传送至数据分析单元7进行分析处理。
参阅图1-3，本发明的巷道围岩支护强度的试验方法，其包括以下步骤：
第一步、测量围岩应力状态，围岩应力状态包括静态应力状态和动载冲击特征；具体的包括：采用应力解除法，测得巷道围岩的静态应力状态；利用微震系统获得巷道围岩附近的动载冲击特征。本实施例中，利用地质钻机，在巷道中向工作面方向打孔，在打好的钻孔中放入微震探头，并连接好拾震器，然后连接到微震监测系统，形成完整的监测网络，利用微震监测系统得到工作面开采过程中微震能量大小，反推出冲击载荷强度和频率(动载冲击特征)。
第二步：将制备好的试件8放置在压力室41中，调整上压头33、下压头23、横向第一压头44a和横向第二压头46a的位置，通过对试件8施加一定的预紧力。
第三步、根据静态应力状态，通过横向第一压头44a和横向第二压头46a对试件8施加一固定不变的X向压力，通过轴压加载单元2对试件8施加轴向压力；由纵向第一压头44b和纵向第二压头46b对试件8对试件施加Y向支护力，在冲击之前，要求此时支护力为0，根据经验设置Y向支护力的最小值为0MPa，递增值也为2MPa；
第三步、根据动载冲击特征，在Y向支护力为0MPa条件下，通过冲击加载单元3对试件8进行冲击加载，加载试验结束后，观察试件破坏程度；
第四步：更换试件，保持X向压力和轴向压力不变，提高Y向支护力到2MPa，按照步骤2-3再次加载试验，以此类推，每更换一次试件就提高2MPa支护力，每提高一次支护力，在加载试验后就观察试件破坏情况，从而寻找试件不会被破坏的支护力，根据支护力推算出支护强度，这个支护强度就是巷道围岩所需的支护强度。
综上所述，本发明以巷道围岩实际静载应力大小和动载冲击特征为加载应力，设置不同的支护强度进行岩石变形破坏试验，其既考虑了静载应力和动载应力的影响，也考虑了二者的组合作用，其能与现场巷道围岩实际应力状态较好吻合，获得的支护强度能较好地保障围岩安全稳定，准确度高，且试验操作简单方便。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，
其特征在于，所述的巷道围岩支护强度试验装置包括：
承载框架单元，包括底座、立柱和横梁，所述立柱竖直设置在所述底座的上表面两侧，所述横梁水平固定在所述立柱的上部；
轴压加载单元，固定在所述底座的上表面中间位置处，且用于对试件施加自下而上的轴向压力；
冲击加载单元，固定在所述横梁上，且用于对试件施加自上而下的轴向冲击载荷；
围压加载单元，设置在所述轴压加载单元和冲击加载单元之间，它包括横向围压加载单元和纵向围压加载单元，用于对试件施加水平面内的围压；
加载控制单元，用于分别控制所述轴压加载单元、冲击加载单元和围压加载单元进行加载；
监测单元，用于监测所述试件在加载过程中的受力情况；
数据分析单元，与所述加载控制单元相连接，且所述数据分析单元用于接受所述监测单元的数据并处理分析；
利用上述试验装置确定巷道围岩支护强度的方法为：
第一步：采用应力解除法，测得巷道围岩的静态应力状态；
第二步：利用微震系统获得巷道围岩附近的动载特征，反推出试验的冲击载荷强度和频率；
第三步: 取巷道围岩制成多个标准试件块；
第四步：加载试验
第4.1步：将试件放置在试验装置上，调整试验装置各压头的位置，并对试件施加一定的预紧力；
第4.2步：根据步骤一测得的巷道围岩静态力学状态，由横向围压加载单元模拟巷道的围压对试件施加固定不变的X向压力，由轴压加载单元对试件施加一个连续增加的Z向压力；由纵向围压加载单元对试件施加Y向支护力，设置Y向支护力的最小值为0；
第4.3步：对试件施加最小Y向支护力，根据步骤二得到的围岩冲击载荷强度和频率，对试件进行冲击加载，在冲击加载结束后，观察试件破坏情况；
第4.4步：更换试件，保持X向压力和Z向压力不变，提高 Y向支护力，重复步骤4.1-4.3对更换后的试件进行加载试验，以此类推，每更换一次试件就提高一次支护力，每提高一次支护力，在加载试验后就观察试件破坏情况，从而寻找试件不会被破坏的支护力，根据支护力推算出支护强度，这个支护强度就是巷道围岩所需的支护强度。
2.如权利要求1所述的利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，其特征在于，所述轴压加载单元包括轴压加载油缸、轴压加载油箱和下压头，所述轴压加载油缸固定在所述底座上，所述轴压加载油箱与所述轴压加载油缸相连接，所述下压头的一端与所述轴压加载油缸相连接，其另一端竖直伸入到围压加载单元中并与所述试件的下表面相接触。
3.如权利要求2所述的利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，其特征在于，所述轴压加载油缸包括轴压加载缸体、轴压加载活塞、轴压加载活塞杆，所述轴压加载缸体的内部设有进油腔，所述轴压加载活塞滑动连接在所述轴压加载缸体内，所述轴压加载活塞杆的一端穿过所述轴压加载活塞伸入到所述进油腔中，所述轴压加载活塞杆的另一端与所述下压头的一端相连接，其中，所述轴压加载活塞杆的一端端部为弧面。
4.如权利要求1所述的利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，其特征在于，所述冲击加载单元包括冲击加载油缸、冲击加载油箱、上压头和承压柱，所述冲击加载油缸与所述横梁固定连接，且所述冲击加载油缸与所述冲击加载油箱相连接，所述承压柱的一端与所述冲击加载油缸的活塞杆相连接，其另一端与所述上压头的顶部相连接，所述上压头的底部与试件的上表面相接触。
5.如权利要求4所述的利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，其特征在于，所述围压加载单元包括压力室、两个围压加载油缸、围压加载油箱、两个第一侧向压头和两个第二侧向压头，试件设置在压力室中，所述围压加载油箱与所述两个围压加载油缸相连接，所述围压加载油缸的活塞杆与所述第一侧向压头相连接，所述两个第一侧向压头分别设置在所述压力室相邻两侧外部，所述两个第一侧向压头水平伸进所述压力室后与试件的相邻两个侧壁相接触，所述压力室内部与所述第一侧向压头相对的两个侧壁上分别设有一凹槽，两个凹槽内均安装有第二侧向压头，两个第二侧向压头与试件的其他两个相邻侧壁相接触。
6.如权利要求5所述的利用巷道围岩支护强度试验装置确定巷道围岩支护强度的方法，其特征在于，所述监测单元包括相互连接的压力传感器和信号采集器，所述压力传感器分别设置在所述承压柱和上压头之间、所述第二侧向压头和试件之间，所述信号采集器与数据分析单元相连接。
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