CN109752259A - 模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置及方法，涉及岩石力学技术领域，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、环境模拟系统、监测系统和液压系统；试验台底座上放置有试验箱体，试验台的横梁和纵梁垂直布置，横梁和纵梁上设置有压头，实验体铺设在试验箱中；压头包括上压头、左压头、右压头、前压头和后压头，压头沿滑轨移动，压头作用在压板上，挡板设置在试验箱的外侧约束压板；监测系统包括温度监测仪、湿度测量仪、压力传感器、位移传感器和声发射监测仪，液压系统控制压头加压；以及利用该装置进行巷道稳定性模拟试验的方法，实现了对温度和湿度对巷道稳定性的影响模拟试验，还具有操作简便，模拟范围广等优点。

Description

模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种用于模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的试验装置，以及利用该装置进行试验的方法。

背景技术

在煤矿开采过程中，随着开采深度和开采强度的不断增大，尤其是在地质复杂条件下的开采，开采过程中遇到的问题不断增多。随着矿井开采深度的增加，深部巷道围岩的稳定性受到高温高湿环境的影响，为了高效支护深部巷道环境，研究巷道开挖过程的巷道围岩稳定性问题，通过室内试验研究巷道围岩稳定性问题是本领域重要的研究手段。

目前，巷道稳定性的研究中，运用理论分析和数值计算的方法较多，但是上述研究方法将现场的实际条件理想化，忽略了很多环境影响因素，分析结果误差较大。另外运用不同组分进行配比的相似材料模拟，也是本领域常用的巷道稳定性研究方法，但是这种方法需要考虑相似比，并且铺设的模型与实际地层的相似性较小，因此带来较大的试验误差。并且在室内实验的过程中，对于各层模拟材料湿度的控制存在缺陷，需要进行风干，所需试验周期较长。室内进行巷道稳定性研究过程中，经常采用伺服压力试验机进行单轴、三轴岩样的压缩实验，目的是研究岩样的强度，但是忽略了岩体的组合效应和环境中温度、湿度在围岩里的扩散效应。另外在大部分模拟实验中，采用应力采集探头进行应力分布与演化的研究，这种数据采集的方法精准度不高，人为因素影响很大，往往造成试验结果与实际有很大误差，不能得出巷道围岩稳定性变化过程中的能量变化和力学响应，也不能确定具体的破坏位置。大部分的巷道稳定性的模拟试验只考虑了竖直方向和左右方向的加压，而简化忽略了三维方向上进行加压对巷道的影响，这种加压方式对于矿井深部开采时高地应力环境的模拟存在缺陷，实现不了三维加压，导致实验结果与实际结果偏差较大。为了研究高温高湿环境下巷道围岩的稳定性，以及节理面对锚杆锚固性能的影响，本发明对现有的岩石力学试验设备作进一步的改进，并优化巷道围岩稳定性试验的方法。

发明内容

为解决模拟温度和湿度对巷道稳定性的影响不能通过室内试验进行模拟的技术问题，本发明提供了一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置及方法，具体技术方案如下。

一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，包括试验箱、滑轨、压头、环境模拟系统、监测系统和液压系统；试验箱放置在试验台底座上，试验台的横梁和纵梁垂直布置，横梁和纵梁上设置有压头，实验体放置在试验箱中；试验箱包括挡板和压板，挡板包括前挡板、后挡板、左挡板和右挡板，压板包括上压板、前压板、后压板、左压板和右压板，压头包括上压头、左压头、右压头、前压头和后压头；压头沿横梁和纵梁上设置的滑轨移动，压头穿过挡板，压头压设在压板上；挡板固定在实验体的侧面；监测系统包括温度监测仪、湿度测量仪、压力传感器、位移传感器和声发射监测仪；环境模拟系统包括水雾发生器和温控器；液压系统控制压头加压。

优选的是，实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和巷道水囊，实验体的上方设置有上压板；上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和巷道水囊，煤层下方布置有底板层；巷道水囊设置在煤层之间。

优选的是，横梁和纵梁之间通过导轨连接，前挡板和后挡板之间通过螺栓连接有左挡板和右挡板；后压板上设置有导水孔、数据线孔和水汽孔。

优选的是，左压板和右压板随压头左右移动，前压板和后压板随压头前后移动，上压板随上压头移动；上压头沿横梁上设置的滑轨移动。

优选的是，压板之间留设有4～7mm的缝隙；左挡板和右挡板焊接固定在试验箱的底座上，左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。

进一步优选的是，挡板和压板使用钢材制作而成，前压板和后压板上覆盖有保温保湿层，均压水囊上设置有压力表。

一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性的试验方法，利用上述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，步骤包括：

A.组装固定试验箱和试验台底座，安装左压板和右压板，并调节压头位置；

B.根据矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层，以及巷道水囊的尺寸；

C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件尺寸和试件表面磨平；

D.在试验箱的底座上先铺设底板层；再铺设煤层和巷道水囊，巷道水囊注水至保持模拟巷道形状并承压；在煤层和顶板层之间设置应变片，在巷道水囊下方设置温度监测仪和湿度测量仪，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水；

E.在均压水囊上方设置上压板，模拟巷道内布置声发射探头；

F.安装前压板和后压板，将巷道水囊和均压水囊的导水管穿过后压板上的导水孔，监测系统的数据线穿过后压板上的数据线孔，与水雾发生器相连的水汽导管穿过后压板上的水汽孔，然后安装固定前挡板和后挡板；

G.根据埋深和侧压系数计算确定压头需要施加的压力，通过液压系统加压；

H.通过巷道水囊的导水管给巷道水囊放水模拟开挖，期间通过环境模拟系统调节模拟巷道内的温度和湿度，记录模拟巷道围岩的应力和应变监测数据，声发射监测仪记录发射振铃数、能量变化和到达时间，确定巷道围岩破坏位置。

还优选的是，煤层、顶板层和底板层利用岩石试件制作而成；巷道水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，巷道水囊的宽度根据实际巷道尺寸确定。

还优选的是，步骤G中压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积；所述前压头、后压头、左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左侧或右侧的侧面积；前压头和后压头需要提供压力的计算具体为F_前＝F_后＝P×S_前×λ，其中S_前为实验体前面或后面的表面面积。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，通过设置挡板和压板保证了结构整体的稳定和牢固，利用前压头、后压头、左压头和右压头为实验体提供侧压从而保证模拟的准确性；设置环境模拟系统从而调节巷道内的温度和湿度，从而模拟深部开采时高温高湿的巷道环境；利用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短了实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。

(2)本发明利用巷道水囊替代巷道开挖的煤体，巷道水囊通过放水完成开挖，简化了煤层开挖步骤，避免了室内模拟试验时手动挖动煤层对顶板和开挖位置的应力造成的影响，从而减小试验误差，另外在顶板上部使用均压水囊，从而能够保证对顶板施加均布载荷。

(3)提供了一种模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的方法，使用不同尺寸的巷道水囊可以模拟不同尺寸的巷道开挖情况，根据实际地应力情况设置侧面压头的压力，试验压头可以沿轨道移动，从而方便对不同尺寸的实验体进行加载；利用压力传感器、位移传感器和声发射监测仪监测模拟巷道围岩的应力和位移变化，声发射监测围岩破裂范围，监测更加准确；通过本方法实现了巷道围岩稳定性的实验室模拟。

(4)本发明的深部高温高湿环境巷道围岩相似模拟实验装置，前后压板与左右压板并不是紧密对齐的，而是预留了一部分位移变形空间，并且上压板四周也预留了一部分位移变形空间，目的是避免压板之间的相互挤压，减少对实验结果的影响。本发明的深部高温高湿环境巷道围岩相似模拟实验装置，前后压板上粘贴保温保湿层，防止实验过程中温度和湿度的过度逸散。

另外，本发明还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。

附图说明

图1是模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置结构示意图；

图2是实验体铺设结构示意图；

图3是试验台结构示意图；

图4是前挡板和后挡板结构示意图；

图5是左挡板和右挡板结构示意图；

图6是锚杆锚固性能测试的实验体结构示意图；

图中：1-试验台；11-试验箱；12-滑轨；13-横梁；14-纵梁；15-导轨；2-挡板；21-左挡板；22-右挡板；23-前挡板；24-后挡板；25-安装孔；26-数据线孔；27-导水孔；28-水汽孔；3-压板；31-上压板；32-左压板；33-右压板；34-前压板；35-后压板；4-环境模拟系统；5-压头；51-上压头；52-左压头；53-右压头；54-前压头；55-后压头；6-监测系统；7-液压系统；8-实验体；81-顶板层；82-底板层；83-均压水囊；84-煤层；85-巷道水囊。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置及试验方法，具体实施方式如下。

实施例1

为实现模拟温度和湿度对巷道稳定性影响的研究，本发明提供了一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，以及利用该装置进行巷道稳定性模拟试验的方法。

模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置具体结构包括试验台1、试验箱11、挡板2、压板3、滑轨12、压头5、环境模拟系统4、监测系统6和液压系统7。试验台1是试验装置整体框架，试验箱11用于放置实验体8，挡板2和压板3分别设置在实验体的表面，滑轨4和压头相互配合，压头5沿滑轨移动，从而适应不同尺寸的实验体8，并在不同的位置加压，监测系统6用于监测巷道围岩的应力应变，以及巷道围岩的破坏范围，液压系统7用于控制压头调整应力，环境模拟系统4用于模拟巷道内高温高湿的环境。

加载试验箱11的底部设置有试验箱底座，用于堆叠放置实验体8。横梁13和纵梁14垂直布置，其中横梁13和纵梁14之间通过导轨15连接，纵梁14可以沿导轨15移动。试验台1的横梁13和纵梁14上设置有压头5，实验体8放置在试验箱内。试验箱11包括挡板2和压板3，挡板2包括前挡板23、后挡板24、左挡板21和右挡板22，压板3包括上压板31、左压板32、右压板33、前压板34和后压板35，压头5包括上压头51、左压头52、右压头53、前压头54和后压头55，挡板2和压头5分别放置在实验体的各个不同侧面上。压头5沿横梁13和纵梁14上设置的滑轨12移动，压头5穿过挡板2，压头压设在压板上，压板3和压头5相连，挡板2固定在实验体8的侧面。

其中，左挡板21和右挡板22焊接固定在试验箱的底座上，左挡板21和右挡板22的侧面设置有安装孔25，前挡板23和后挡板24的左右两边上设置有安装孔25；前挡板23和后挡板24之间通过螺栓连接有左挡板和右挡板，后压板35上还设置有导水孔27、数据线孔26和水汽孔28，方便安装试验装置。左压板32和右压板33随压头左右移动，前压板34和后压板35随压头5前后移动，上压板31随上压头5移动。并且压板3之间留设有4～7mm的缝隙，从而保证压板3在压实验体8时留设一定的变形余量。上压头51沿横梁13上设置的滑轨12移动，挡板2和压板3使用钢材制作而成。前压板34和后压板35上覆盖有保温保湿层，从而能够有效的控制和保持模拟巷道内的温度和湿度。

监测系统6包括温度监测仪、湿度测量仪、压力传感器、位移传感器和声发射监测仪，温度监测仪和湿度监测仪设置在模拟巷道内，压力传感器设置在顶板和煤层之间，煤层和底板之间，以及左右压板和实验体之间，监测实验体内外的压力；位移传感器布置在模拟巷道的周围监测模拟巷道围岩的变形情况，声发射监测仪通过声发射探头，对实验体进行监测，声发射监测仪记录发射振铃数、能量变化和到达时间，用以确定巷道破坏位置，研究巷道围岩的破坏规律与特征，并确定模拟巷道围岩的破坏范围。环境模拟系统4包括水雾发生器和温控器，水雾发生器产生水蒸气盖板巷道内的温度和湿度，温控器和水雾发生器相连控制蒸汽的温度。另外液压系统7控制压头加压，通过液压系统可以控制不同的压头施加不同大小的压力。

其中实验体8包括顶板层81、底板层82、均压水囊83、煤层84和巷道水囊85。实验体8使用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短的实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。实验体8的上方设置有上压板，上压板下方布置有均压水囊83，均压水囊83下方布置有顶板层，通过均压水囊83给顶板层施加压力从而保证了顶板施加均布载荷。顶板层81下方布置有煤层84和巷道水囊85，煤层84下方布置有底板层82，巷道水囊85设置在煤层84之间，巷道水囊85充水后形状和实际巷道形状相同。在均压水囊83上还可以设置有压力表，方便压力的观测。

一种模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的试验方法，利用上述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置进行试验，试验步骤包括：

步骤A.组装固定试验箱11和试验台底座，安装左压板32和右压板33，具体是将左压板32和右压板33安装在左挡板21和右挡板22的内侧，并根据压板的位置调节压头5位置，完成实验装置的基本组装。

步骤B.根据矿井煤层条件、巷道尺寸和试验箱尺寸确定顶板层81、底板层82和煤层84，以及巷道水囊85的尺寸，主要是计算实际情况和模拟试验的缩放比例。

步骤C.制备顶板层81、底板层82和煤层84的模拟试件，包括测量模拟试件尺寸和试件表面磨平，煤层84利用煤块试件制作而成，顶板层81利用实际巷道顶板岩层的岩块制作而成，底板层82利用实际巷道的底板岩层的岩块制作而成。

步骤D.在试验箱底座上先铺设底板层82，再铺设煤层84和巷道水囊85，巷道水囊85注水至保持模拟巷道形状，并且能够承压；在煤层84和顶板层81之间设置应变片，在巷道水囊85下方设置温度监测仪和湿度测量仪，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层81上方铺设均压水囊83并充水。其中巷道水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，巷道水囊85的宽度根据实际巷道尺寸确定，特殊形状的巷道模拟时，顶板的相应形状根据实际进行调整。

步骤E.在均压水囊83上方设置上压板31，在模拟巷道内布置声波采集探头，模拟巷道的位置和巷道水囊85的位置相同。

步骤F.安装前压板34和后压板35，将巷道水囊85和均压水囊83的导水管穿过后压板上的导水孔27，监测系统6的数据线穿过后压板上的数据线孔26，与水雾发生器相连的水汽导管穿过后压板上的水汽孔28，然后安装固定前挡板23和后挡板24。

步骤G.根据埋深和侧压系数计算确定压头需要施加的压力，通过液压系统加压。压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积；左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，其中F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左侧或右侧的侧面积；前压头和后压头需要提供压力的计算具体为F_前＝F_后＝P×S_前×λ，其中S_前为实验体前面或后面的表面面积。

步骤H.通过巷道水囊85的导水管给巷道水囊放水模拟开挖，期间通过环境模拟系统4调节模拟巷道内的温度和湿度，记录模拟巷道围岩的应力和应变监测数据，声发射监测仪记录发射振铃数、能量变化和到达时间，确定巷道围岩破坏位置，用以研究巷道围岩的破坏规律与特征。

在上述步骤中还可以根据试验目的进行如下调整，在所述步骤C中制作两块尺寸均为100mm×200mm×200mm的岩石试件。锚杆选取45号钢加工成的螺杆，直径为10mm，长200mm。锚杆锚固剂选用矿用化学浆液配合酒精适当弱化。制作模拟试件时在两岩块中钻孔设置锚杆，并在锚杆上粘贴应变片，用以记录剪切试验过程中锚杆的轴向应变值；所述步骤G中移除试验箱体，将制作好的试件放置在试验台上，调整左压头和右压头的高度分别在不同的岩块上加压。调整前后压头的位置，使前后压头处于同一水平并作用在实验体的中部位置，用压板给实验体加压，目的是给实验体施加侧压力，更好的模拟真实地应力；所述步骤H中记录岩石试件加载应力-位移曲线及应变片的应变-时间曲线，用来研究节理岩体的锚固性能及锚杆受力变形特征。

为进一步的说明模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的试验装置结构和使用，提供一种节理面的锚固性能试验的试验方法，利用该试验装置进行试验。

首先是制作内嵌锚杆的锚固实验体，实验体包含两层岩体，如图6所示，将锚固实验体放置在试验台底座上。其次，调整上压头和上压板的位置对锚固实验体进行加压，调整左压头和右压头的高度，使其作用在不同层位的锚固实验体岩层上。调整前后压头的位置，使前后压头处于同一水平并作用在实验体的中部位置，用压板给实验体加压，目的是给实验体施加侧压力，更好的模拟真实地应力；具体加压根据实际的工程实际进行调整，在锚固试验体的节理面上形成错动的力。最后记录岩石试件加载应力-位移曲线及应变片的应变-时间曲线，用来研究节理岩体的锚固性能及锚杆受力变形特征。进一步的可以对锚杆施加一定的预紧力从而根据预紧力试验研究不同的锚固力对节理面锚固性能的影响。

本发明利用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短了实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。另外本发明还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。

实施例2

一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置其结构具体是试验箱11放置在试验台底座上，试验台的横梁和纵梁垂直布置，横梁和纵梁上设置有压头。试验箱11的长宽高尺寸具体为380mm×160mm×350mm，实验箱11底座的厚度为50mm，实验体8放置在试验箱内。试验箱包括挡板2和压板3，挡板2包括前挡板、后挡板、左挡板和右挡板，压头5包括上压头、左压头、右压头、前压头和后压头。压头5沿横梁和纵梁上设置的滑轨移动，压头5穿过挡板，压板3和压头5相连。挡板2固定在实验体8的侧面。横梁和纵梁之间通过导轨连接，挡板2和压板3使用钢材制作而成，前压板和后压板上覆盖有保温保湿层，均压水囊上设置有压力表。左挡板和右挡板焊接固定在试验台底座上，左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔，前挡板和后挡板之间通过螺栓连接有左挡板和右挡板。后压板上设置有导水孔、数据线孔和水汽孔。左压板和右压板随压头左右移动，前压板和后压板随压头前后移动，上压板随上压头移动，上压头沿横梁上设置的滑轨移动，压板3之间留设有4～7mm的缝隙。监测系,6包括温度监测仪、湿度测量仪、压力传感器、位移传感器和声发射监测仪。环境模拟系统4包括水雾发生器和温控器。液压系统7控制压头加压。实验体8包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和巷道水囊，实验体的上方设置有上压板。上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和巷道水囊，煤层下方布置有底板层，巷道水囊设置在煤层之间。

结合某矿的工程实际，矿井待开采煤层标高-700m，煤层厚度为4m。底板为砂岩，厚度为2m。顶板为泥岩，厚度为1.5m。巷道断面较大，具体巷道尺寸为4×4m，由于埋深较大巷道内的温度高于30度，并且巷道内的湿度较大。为模拟高温高湿条件对巷道围岩稳定性的影响，利用模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置进行了模拟试验研究。利用该装置进行模拟巷道围岩稳定性的试验，具体步骤包括：

步骤A.组装固定试验箱和试验台底座，安装左挡板、右挡板、左压板和右压板，并调节压头位置，完成实验装置的基本组装。将挡板和压板调整至合适尺寸，为实验体各层的铺设和数据的监测做好准备工作。五个个压头都可以随立柱或横梁上的滑轨进行移动，以适应不同的试验情况。选用的试验装置上压板、左右压板和前后压板厚度均为20mm，左右挡板和前后挡板厚度均为20mm。左右挡板的宽度为120mm，高度为350mm。左右压板的宽度为120mm，高度为300mm。前后挡板的长度为380mm，高度为350mm。前后压板的长度为290mm，高度为300mm。上压板的长度为290mm，宽度为70mm，前后压板两端各预留5mm的位移变形空间，上压板四周也各预留了5mm位移变形空间，目的是避免压板之间的相互挤压，减少对实验结果的影响。

步骤B.根据矿井煤层条件、巷道尺寸和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层，以及巷道水囊的尺寸。主要是计算实际情况和模拟试验的缩放比例，由于矿井的巷道尺寸为4×4m，采用80mm长的巷道水囊来模拟巷道的开挖。试验中各岩层所需尺寸如下：底板层厚40mm，煤层厚80mm，顶板层厚30mm，均压水囊厚100mm，并且其长度和宽度分别为300mm和80mm。煤层中煤块长110mm，宽80mm，巷道层水囊长80mm，宽80mm。

步骤C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件尺寸和试件表面磨平，煤层利用煤块试件制作而成，顶板层利用实际巷道顶板岩层的岩块制作而成，底板层利用实际巷道的底板岩层的岩块制作而成。将制备完成的试件表面进行磨平，使试件表面接触良好，这样就可以大致消除试件接触面对力传递的影响。普通对岩石试件接触面的处理方式是用胶水、混凝土进行粘结，但是这种方法终究会对实验结果造成影响，并且胶水属于弹性体，会对实验过程中试件的压缩造成较大的影响。

步骤D.在试验箱底座上先铺设底板层，底板层由砂岩制作而成；再铺设煤层和巷道水囊，煤层由煤块制作而成，巷道水囊注水至高度和煤层齐平，巷道水囊注水至保持模拟巷道截面为矩形的形状；在煤层和顶板层之间设置应变片，在巷道水囊下方设置温度监测仪和湿度测量仪，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水。其中巷道水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，巷道水囊的宽度根据实际巷道尺寸确定，特殊形状的巷道模拟时，顶板的相应形状根据实际进行调整。

步骤E.在均压水囊上方设置上压板，将声发射探头布置在巷道断面上，包括顶底板和两帮，用来确定巷道断面易破坏的薄弱位置，然后将声发射监测仪和数据处理系统放置在合适的位置。声发射监测仪能实时采集物体各个时间段内的变形破坏情况，计算出巷道围岩的破坏范围，用于分析、计算、记录变形数据。采用图形化显示测量结果，便于更好地理解和分析实验体，尤其是巷道围岩的受力变形情况，记录巷道围岩的变形和应力演化。

步骤F.安装前压板和后压板，将巷道水囊和均压水囊的导水管穿过后压板上的导水孔，监测系统的数据线穿过后压板上的数据线孔，与水雾发生器相连的水汽导管穿过后压板上的水汽孔，然后安装固定前挡板和后挡板，在此过程中注意保护声发射探头。

步骤G.根据埋深和侧压系数计算确定压头需要施加的压力，通过液压系统加压。在加压过程中，先调整试验箱的位置，使其处在加载试验台合适的位置。之后将压头通过压头轨道进行位置上的调整，使压头与加压板相互接触，然后再通过加压系统将三个压头压力调整到所需的数值。压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ的取值根据本矿工程实际得出，其取值为2000kg/m³，并且公式中的g取值9.8，h取值700，计算得到上覆岩层提供的压力P＝13.7MPa。

对于不同的区域，侧压系数λ值进行取值，但侧压系数的变化范围基本上介于的范围，其中H为实测应力深度，以m为单位。根据该矿井的工程实际条件，最终确定试验模拟中所采用的侧压系数为0.7，试验中左右两侧以及前后两侧提供的侧压力为P_左＝P_右＝P_前＝P_后＝P×0.7＝13.7×0.7＝9.59MPa，上覆岩层压力与侧压力均由液压系统进行控制。均压水囊和上压板提供的压力远小于上覆岩层所提供的压力，为了简化试验，可以不予考虑。其中三个压头所提供的压力为F，F＝P×S。上压头提供的力F_上＝P×S_上＝13.7MPa×(29cm×70cm)＝278kN。左右两侧压头提供的力F_左＝F_右＝P_左×S_左＝P_左×S_右＝9.59MPa×(8cm×25cm)＝192kN；前压头和后压头需要提供压力F_前＝F_后＝P_前×S_前＝P_左×S_右＝9.59MPa×(29cm×25cm)＝695kN。根据计算液压系统控制加压，其中上压头加压278KN，左压头和右压头加压为278KN，前压头和后压头加压为695KN，上压头加压后也可以在均压水囊上设置压力表，通过压力表监测均压水囊的实际压力。

步骤H.通过巷道水囊的导水管给巷道水囊放水模拟巷道开挖，期间通过环境模拟系统调节模拟巷道内的温度和湿度，水雾发生器向模拟巷道内送入水蒸气，保证模拟巷道内高温高湿的环境，记录模拟巷道开挖过程中和巷道后期稳定的过程中，记录模拟巷道围岩的应力和应变监测数据，记录声发射振铃数、能量变化和到达时间，用以确定巷道破坏位置，研究巷道围岩的破坏规律与特征。此过程无需人为控制和操作，系统自动记录试验数据。

将试验得到的数据进行分析，得出高温高湿环境对巷道围岩稳定性的影响，为深部巷道围岩控制提供理论依据。除了本工程实例之外，还可以模拟不同的地质情况，用巷道水囊模拟不同巷道形状和巷道尺寸的情况，用压头提供不同的压力来模拟不同采深的情况，调节模拟巷道的温度和湿度模拟不同温度湿度对巷道围岩的影响；该装置不需要人工记录可以完成巷道长期稳定性能监测试验；另外还可以利用本装置进行节理面锚杆锚固性能试验，研究锚杆受节理面错动力的影响。利用压力传感器、位移传感器和声发射监测仪监测巷道围岩的应力和位移变化，以及巷道围岩破裂范围，监测结果更加准确。另外，本发明还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，包括试验箱、滑轨、压头、环境模拟系统、监测系统和液压系统；所述试验箱放置在试验台底座上，试验台的横梁和纵梁垂直布置，横梁和纵梁上设置有压头，实验体放置在试验箱中；所述试验箱包括挡板和压板，所述挡板包括前挡板、后挡板、左挡板和右挡板，所述压板包括上压板、前压板、后压板、左压板和右压板，所述压头包括上压头、左压头、右压头、前压头和后压头；所述压头沿横梁和纵梁上设置的滑轨移动，所述压头穿过挡板，压头压设在压板上；所述挡板固定在实验体的侧面；所述监测系统包括温度监测仪、湿度测量仪、压力传感器、位移传感器和声发射监测仪；所述环境模拟系统包括水雾发生器和温控器；所述液压系统控制压头加压。

2.根据权利要求1所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，所述实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和巷道水囊，实验体的上方设置有上压板；所述上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和巷道水囊，煤层下方布置有底板层；所述巷道水囊设置在煤层之间。

3.根据权利要求1所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，所述横梁和纵梁之间通过导轨连接，所述前挡板和后挡板之间通过螺栓连接有左挡板和右挡板；所述后压板上设置有导水孔、数据线孔和水汽孔。

4.根据权利要求1所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，所述左压板和右压板随压头左右移动，所述前压板和后压板随压头前后移动，所述上压板随上压头移动；所述上压头沿横梁上设置的滑轨移动。

5.根据权利要求4所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，所述压板之间留设有4～7mm的缝隙；所述左挡板和右挡板焊接固定在试验箱的底座上，左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，所述前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。

6.根据权利要求4所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，所述挡板和压板使用钢材制作而成，所述前压板和后压板上覆盖有保温保湿层，所述均压水囊上设置有压力表。

7.一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性的试验方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种模拟深部高温高湿环境的巷道围岩稳定性试验装置，其特征在于，步骤包括：

A.组装固定试验箱和试验台底座，安装左压板和右压板，并调节压头位置；

B.根据矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层，以及巷道水囊的尺寸；

C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件尺寸和试件表面磨平；

D.在试验箱的底座上先铺设底板层；再铺设煤层和巷道水囊，巷道水囊注水至保持模拟巷道形状并承压；在煤层和顶板层之间设置应变片，在巷道水囊下方设置温度监测仪和湿度测量仪，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水；

E.在均压水囊上方设置上压板，模拟巷道内布置声发射探头；

F.安装前压板和后压板，将巷道水囊和均压水囊的导水管穿过后压板上的导水孔，监测系统的数据线穿过后压板上的数据线孔，与水雾发生器相连的水汽导管穿过后压板上的水汽孔，然后安装固定前挡板和后挡板；

G.根据埋深和侧压系数计算确定压头需要施加的压力，通过液压系统加压；

H.通过巷道水囊的导水管给巷道水囊放水模拟开挖，期间通过环境模拟系统调节模拟巷道内的温度和湿度，记录模拟巷道围岩的应力和应变监测数据，声发射监测仪记录发射振铃数、能量变化和到达时间，确定巷道围岩破坏位置。

8.根据权利要求7所述的一种模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的试验方法，其特征在于，所述煤层、顶板层和底板层利用岩石试件制作而成；所述巷道水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，巷道水囊的宽度根据实际巷道尺寸确定。

9.根据权利要求7所述的一种模拟深部高温环境下的巷道围岩稳定性的试验方法，其特征在于，所述步骤G中压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，所述上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积；所述前压头、后压头、左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左侧或右侧的侧面积；所述前压头和后压头需要提供压力的计算具体为F_前＝F_后＝P×S_前×λ，其中S_前为实验体前面或后面的表面面积。