CN110057682A - 富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，包括加载框体，加载框体的内腔用于固定富水巷道相似模型，加载框体上部设置有压力加载系统，加载框体左、右两侧设置有用于固定声发射传感器的固定单元，声发射传感器采集声发射信号并传递给声发射数据采集处理系统。上述方案通过加载框体的设置利用声发射技术来监测富水巷道相似模型中动态扩展的裂纹发育状态，提供随载荷、时间等外变量而变化的实时连续信息，实现实时监控和临近破坏预报，再通过压力加载系统对富水巷道相似模型施加不同的压力，从而监测富水巷道相似模型在不同外界压力作用下围岩的失稳变形情况。

Description

富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统
技术领域
本发明涉及巷道监测技术领域，具体设计一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统。
背景技术
巷道作为煤矿的重要组成部分，担任着运输通道、出入通道的角色。目前，矿井三大灾害包括：水火、瓦斯、冲击地压，对于防治水问题是煤矿安全生产中必须要解决的关键问题。其中，顶板富水巷道发生突水问题是目前研究的热点和难点之一，考虑到巷道开挖掘进造成扰动是产生岩层致裂的主要原因，这是由于巷道在开采过程中由于顶板突然卸压，可能会导致顶板岩层产生新的导水裂隙，进而发生水灾，为了保证煤矿的安全生产，避免塌陷和突水，因此对于巷道开挖过程中的围岩变形失稳监测显得十分重要。
现有技术中围岩变形失稳监测技术方法主要包括位移及压力监测，这些方法实施简便、简单易懂，但需配备较多的人力，且数据的真实性难以评判和掌握，更加难以实现实时连续监测且信息量较少，在一定程度上制约了围岩变形失稳监测技术的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，结合声发射技术，实时监控富水巷道相似模型中动态扩展的裂纹发育状态，提供随载荷、时间等外变量而变化的实时连续信息，并提供临近破坏预报。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，包括加载框体，加载框体的内腔用于固定富水巷道相似模型，加载框体上部设置有压力加载系统，压力加载系统用于对加载框体内的富水巷道相似模型施加外部压力，加载框体左、右两侧设置有用于固定声发射传感器的固定单元，声发射传感器采集声发射信号并传递给声发射数据采集处理系统，声发射数据采集处理系统实时监测富水巷道相似模型内部状态信息或缺陷性质和状态变化的信息。
进一步的，所述加载框体包括上、下承压板和左、右侧板，压力加载系统的压力施加在上承压板上，固定单元设置在左、右侧板上。
进一步的，所述固定单元整体为角钢，角钢的第一侧板垂直于左、右侧板板面布置、第二侧板与左、右侧板板面平行间隔布置，第一侧板平行于第二侧板的板边与左、右侧板固定连接，第二侧板的板面上开设有U形缺口，声发射传感器通过U形缺口固定在固定单元上。
进一步的，所述加载框体的前侧面上设置有有机玻璃板。
进一步的，所述加载框体的左、右侧板上开设有注水孔，注水孔沿左、右侧板的长度方向间隔布置，注水孔通过连接管与气液联动注水系统相连。
进一步的，所述加载框体的左、右侧板的内侧板面上还设置有有机玻璃挡板，有机玻璃挡板的两端通过锁紧单元固定在左、右侧板上。
进一步的，所述锁紧单元包括卡槽，卡槽卡设在左、右侧板的板边上，卡槽位于加载框体外侧的槽壁上开设有条形孔，蝶形螺栓穿过条形孔将卡槽固定在左、右侧板上。
进一步的，所述声发射数据采集处理系统还包括与声发射传感器依次连接的前置放大器、数据采集显示单元和信号分析处理单元。
进一步的，所述声发射传感器至少设置四个。
进一步的，所述加载框体还连接有围岩应力应变采集系统、巷道顶板内部位移监测系统和数字散斑图像采集系统。
采用上述方案的有益效果是：通过设置加载框体来固定富水巷道相似模型，再通过加载框体与压力加载系统以及声发射数据采集处理系统相连，这样就可以利用声发射技术来监测富水巷道相似模型中动态扩展的裂纹发育状态，提供随载荷、时间等外变量而变化的实时连续信息，实现实时监控和临近破坏预报，此外，压力加载系统可以对富水巷道相似模型施加压力，从而监测富水巷道相似模型在不同外界压力作用下围岩的失稳变形情况。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是本发明加载框体的结构示意图；
图3是本发明加载框体的正视图；
图4是本发明中固定单元的结构示意图；
图5是本发明中锁紧单元的结构示意图；
图6是本发明中声发射数据采集处理系统示意图；
图7a、7b、7c、7d、7e为本发明实施例中所测得的试验数据图。
具体实施方式
结合附图，一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，包括加载框体10，加载框体10的内腔用于固定富水巷道相似模型，加载框体10上部设置有压力加载系统20，压力加载系统20用于对加载框体10内的富水巷道相似模型施加外部压力，加载框体10左、右两侧设置有用于固定声发射传感器31的固定单元15，声发射传感器31采集声发射信号并传递给声发射数据采集处理系统30，声发射数据采集处理系统30实时监测富水巷道相似模型内部状态信息或缺陷性质和状态变化的信息。
本发明通过加载框体10的设置，将富水巷道相似模型固定在其框体内，再将发射传感器31通过固定单元15固定在加载框体10的两侧，以便利用声发射技术来监测富水巷道相似模型中动态扩展的裂纹发育状态，提供随载荷、时间等外变量而变化的实时连续信息，实现实时监控和临近破坏预报，此外，压力加载系统20可以对富水巷道相似模型施加压力，从而监测富水巷道相似模型在不同外界压力作用下围岩的失稳变形情况。具体实施时，启动压力加载系统20对加载框体10施加压力，富水巷道相似模型在外部条件力的作用下，从模型内部声发射源发射的弹性波最终传播到达相似模型表面，引起可以用声发射传感器31探测的表面位移，声发射传感器31将探测到的模型的机械振动转换为电信号传递给声发射数据采集处理系统30，从而判断富水巷道相似模型在不同外界压力作用下围岩的失稳变形情况。
进一步的，所述加载框体10包括上、下承压板11、12和左、右侧板13、14，压力加载系统20的压力施加在上承压板11上，固定单元15设置在左、右侧板13、14上。具体实施时，加载框体10选用10mm厚的钢板焊制而成，框体的整体尺寸设计为450mm×350mm×200mm。左、右侧板13、14与上、下承压板11、12之间采用高强度螺栓固定，确保装置整体框架稳定可靠。
进一步的，所述固定单元15整体为角钢，角钢的第一侧板151垂直于左、右侧板13、14板面布置、第二侧板152与左、右侧板13、14板面平行间隔布置，第一侧板151平行于第二侧板152的板边与左、右侧板13、14固定连接，第二侧板152的板面上开设有U形缺口153，声发射传感器31通过U形缺口153固定在固定单元15上。通过固定单元15的设置，十分方便的将声发射传感器31固定在固定单元15的角形区域内，使得声发射传感器31与加载框体10的侧板接触，以便检测从富水巷道相似模型内部声发射源发射的信号。
进一步的，所述加载框体10的前侧面上设置有有机玻璃板。通过有机玻璃板的设置，便于进行风氧化富水巷道围岩变形破坏特征的统计观测和可视化开挖。
进一步的，所述加载框体10的左、右侧板13、14上开设有注水孔16，注水孔16沿左、右侧板13、14的长度方向间隔布置，注水孔16通过连接管与气液联动注水系统40相连。通过注水孔16的设置，使加载框体10外接气液联动注水系统40，可以对富水巷道相似模型进行注水，以便对应模拟不同层位的含水层。具体实施时，注水孔16设置为内螺纹孔，每个注水孔16上安装有进水龙头，通过注水胶管与气液联动注水系统40相连。
进一步的，所述加载框体10的左、右侧板13、14的内侧板面上还设置有有机玻璃挡板，有机玻璃挡板的两端通过锁紧单元固定在左、右侧板13、14上。具体实施时，注水孔16布置在两块有机玻璃挡板之间的夹缝位置，以防止富水巷道相似模型体积扩容造成注水孔16堵塞。
进一步的，所述锁紧单元包括卡槽17，卡槽17卡设在左、右侧板13、14的板边上，卡槽17位于加载框体10外侧的槽壁上开设有条形孔171，蝶形螺栓172穿过条形孔171将卡槽17固定在左、右侧板13、14上。具体实施时，将有机玻璃挡板放置在左、右侧板13、14的内侧板面于卡槽17的内侧槽壁之间，拧动蝶形螺栓172，使卡槽17的内侧槽壁向左、右侧板13、14的板面方向移动，从而将有机玻璃挡板卡住锁紧在左、右侧板13、14上，该方式替代了通过对穿螺栓固定有机玻璃板的传统方式，操作简单方便，不会对有机玻璃挡板造成损伤，且预留巷道开挖空间。作为优选方案，卡槽17上还设置有出线槽，可以将富水巷道相似模型中预埋的应力应变传感器、水压传感器及声发射传感器的数据线引出至外部静态应变仪或声发射信号仪上，防止数据线被卡断。
进一步的，所述声发射数据采集处理系统30还包括与声发射传感器31依次连接的前置放大器32、数据采集显示单元33和信号处理分析单元34。
声发射是指材料或结构中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象，或称为应力波发射，这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是内部破坏及稳定性失效的重要机制。受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能，当应变能足够强时，则人耳可以听到，许多材料或结构的声发射信号强度很弱，人耳无法直接感知，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。声发射检测的原理是：由外部条件(力、热、电、磁等)的作用而使物体产生并发射声信号，接收这些信号，加以处理，分析和研究，推断材料内部状态或缺陷性质和状态变化的信息。
本实施例中，富水巷道相似模型在外部条件(压力加载系统)力的作用下，从模型内部声发射源发射的弹性波最终传播到达相似模型表面，引起可以用声发射传感器31探测的表面位移，声发射传感器31将探测到的机械振动转换为电信号，再经前置放大器32放大至数据采集显示单元33和信号处理分析单元34，推断出材料内部状态信息或缺陷性质和状态变化的信息。
本发明采用的声发射技术与超声或射线探测方法相比，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而非仪器提供，而且，声发射能够整体探测和评价整个相似模型试件中动态扩展的裂纹发育状态，同时能够提供随载荷、时间等外变量而变化的实时连续信息，因而适用于相似模拟加载过程实时监控及临近破坏预报。
本实施例中所需要采集的声发射参数有：撞击和撞击计数、事件计数、幅度、能量计数、平均信号电平等。其中撞击和撞击计数指的是超过门槛并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个撞击；所测得的撞击个数，可分为总计数、计数率；反映声发射活动的总量和频度，本实施例实验所得数据如图7a所示。事件计数指的是产生声发射的一次材料局部变化称之为一个声发射事件；可分为总计数、计数率。与材料内部损伤、断裂源的多少有关，本实施例实验所得数据如图7b所示。幅度指的是信号波形的最大振幅值；主要应用为波源的类型鉴别、强度及衰减的测量，本实施例实验所得数据如图7c所示。能量计数指的是信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率；反映事件的相对能量或强度，本实施例实验所得数据如图7d所示。平均信号电平指的是采样时间内信号电平的均值，以dB表示，本实施例实验所得数据如图7e所示。
进一步的，所述声发射传感器31至少设置四个。本实施例中声发射传感器31设置四个，声发射源定位方法采用三维立体定位方法。建立一个三维坐标系，以其中一个传感器为基准，测量其它三个传感器与基准信号的时间差，通过时差确定声发射源的位置，即：假设声发射信号在该三维空间的传播速度已知且为恒定值，根据空间几何关系得出声源到各个传感器的距离差，进而计算出声源的相对空间坐标。
作为进一步的优选方案，所述加载框体10上还连接有围岩应力应变采集系统50、巷道顶板内部位移监测系统60和数字散斑图像采集系统70。具体实施时，可根据实际实验情况来进行选择。围岩应力应变采集系统50用于监测富水巷道相似模型在不同加载力作用下的应力变化情况，巷道顶板内部位移监测系统60用于监测富水巷道相似模型在不同加载力作用下顶板内部的位移情况，数字散斑图像采集系统70用于采集富水巷道相似模型在不同加载力作用下的采集数字散斑图像，实时进行全场应变计算。

Claims (10)

1.一种富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：包括加载框体(10)，加载框体(10)的内腔用于固定富水巷道相似模型，加载框体(10)上设置有压力加载系统(20)，压力加载系统(20)用于对加载框体(10)内的富水巷道相似模型施加外部压力，加载框体(10)左、右两侧设置有用于固定声发射传感器(31)的固定单元(15)，声发射传感器(31)采集声发射信号并传递给声发射数据采集处理系统(30)，声发射数据采集处理系统(30)实时监测富水巷道相似模型内部状态信息或缺陷性质和状态变化的信息。
2.根据权利要求1所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述加载框体(10)包括上、下承压板(11、12)和左、右侧板(13、14)，压力加载系统(20)的压力施加在上承压板(11)上，固定单元(15)设置在左、右侧板(13、14)上。
3.根据权利要求1或2所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述固定单元(15)整体为角钢，角钢的第一侧板(151)垂直于左、右侧板(13、14)板面布置、第二侧板(152)与左、右侧板(13、14)板面平行间隔布置，第一侧板(151)平行于第二侧板(152)的板边与左、右侧板(13、14)固定连接，第二侧板(152)的板面上开设有U形缺口(153)，声发射传感器(31)通过U形缺口(153)固定在固定单元(15)上。
4.根据权利要求2所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述加载框体(10)的前侧面上设置有有机玻璃板。
5.根据权利要求2所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述加载框体(10)的左、右侧板(13、14)上开设有注水孔(16)，注水孔(16)沿左、右侧板(13、14)的长度方向间隔布置，注水孔(16)通过连接管与气液联动注水系统(40)相连。
6.根据权利要求2所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述加载框体(10)的左、右侧板(13、14)的内侧板面上还设置有有机玻璃挡板，有机玻璃挡板的两端通过锁紧单元固定在左、右侧板(13、14)上。
7.根据权利要求6所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述锁紧单元包括卡槽(17)，卡槽(17)卡设在左、右侧板(13、14)的板边上，卡槽(17)位于加载框体(10)外侧的槽壁上开设有条形孔(171)，蝶形螺栓(172)穿过条形孔(171)将卡槽(17)固定在左、右侧板(13、14)上。
8.根据权利要求1所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述声发射数据采集处理系统(30)还包括与声发射传感器(31)依次连接的前置放大器(32)、数据采集显示单元(33)和信号分析处理单元(34)。
9.根据权利要求1或8所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述声发射传感器(31)至少设置四个。
10.根据权利要求1所述的富水巷道围岩变形失稳相似模拟试验系统，其特征在于：所述加载框体(10)还连接有围岩应力应变采集系统(50)、巷道顶板内部位移监测系统(60)和数字散斑图像采集系统(70)。
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