CN111239369A - 一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，主要包括：组合试验箱、围岩分层模拟系统、加载系统、监测系统，其中组合试验箱是可拆装、透明长方体；围岩分层模拟系统是由铰接块A、B来模拟铰接岩梁，由不同配比混凝土来模拟巷道围岩；加载系统由液压管路、安全阀、压力显示器、高压微变形气囊、低压变形气囊组成，随压力变化，气囊发生形变；监测系统是压力监测计和位移计组成。该装置能实现分区加载，铰接岩梁的下沉、回转，且铰接点位置可调控，能监测并反馈铰接岩梁动载下巷道围岩的动压变化规律、破坏位置与程度、垮落矸石承载力与体积变化规律，装置能循环利用，具有重要价值。

Description

一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法

技术领域

本发明涉及巷道围岩领域，尤其涉及一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法。

背景技术

在煤矿开采中，随着综合机械化开采的不断发展和完善，巷道往往处于复杂地质环境中，受到强采动、采场矿压影响，在巷道上覆岩层中的基本顶将形成铰接岩梁结构，现有设备要做到现场实时监测，程序复杂，监测设备及监测费用高，监测过程耗时耗力，占用空间大。但是，铰接岩梁发生下沉、回转运动对巷道围岩具有剧烈破坏作用，如煤帮片帮、巷旁支护体破坏、直接顶冒顶、直接底鼓起等矿压显现，且铰接岩梁动载发生在巷道围岩深部，看不见，摸不着，不能确定铰接岩梁破断铰接点的位置，不能对铰接岩梁动载下巷道围岩压力分布和位移变化规律达到科学、严谨、清晰认知，严重影响巷道安全，制约矿井安全、高效生产，急需提出一种试验方案，能实现对铰接岩梁动载下巷道围岩动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度进行实时监测和观测，能进行定量与定性分析，为铰接岩梁动载下巷道围岩支护提供依据，为矿山铰接岩梁动载下巷道围岩安全提供预测预警。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述针对铰接岩梁发生下沉、回转运动对巷道围岩具有剧烈破坏作用，不能确定铰接岩梁破断铰接点的位置，且对铰接岩梁动载下巷道围岩动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度不能科学有效认识问题，现提供一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法。

本发明采用的技术方案是：一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：包括组合试验箱，以及设置于组合试验箱内的围岩分层模拟系统、加载系统、监测系统，其中组合试验箱为可拆装的透明长方体结构，包括主体部，以及与主体部固定的箱体顶层和箱体底层，箱体顶层模拟上覆岩层，箱体底层模拟下覆岩层；围岩分层模拟系统包括模拟的巷道围岩、巷旁支护体、直接顶、直接底、煤帮和垮落矸石；所述铰接块A和铰接块B铰接，模拟铰接岩梁结构，设置在直接顶以及垮落矸石的上方，铰接点的位置能够调节；所述加载系统位于铰接岩梁结构的上方，加载系统包括高压微变形气囊和低压变形气囊，高压微变形气囊和低压变形气囊分别连接液压管路，液压管路连接液压机，管路上安装安全阀和压力显示器，随着加载压力变化，高压微变形气囊和低压变形气囊能够变形；监测系统由压力监测计和位移计组成，监测系统安装在围岩分层模拟系统内部，该试验装置能实现分区加载，铰接岩梁的下沉、回转，能监测反馈铰接岩梁动载下巷道围岩）的动压变化规律、破坏位置及程度，能反馈垮落矸石承载力与体积变化规律。

所述组合试验箱（1），其整体框架为长方体钢结构框架，两侧焊接三角稳定架，前、后、左、右面安装亚克力透明板，亚克力透明板的两侧设置安装孔；组合试验箱内部的两侧对称设置有夹板，夹板的上下端与箱体底层和箱体顶层以及组合试验箱固连为一体。

所述箱体底层和箱体顶层分别为长方体钢性块结构，钢性块上分别横向开设两个水平设置的导孔，夹板上开设导孔，所述导孔均与组合试验箱的安装孔对应，通过固定刚梁依次穿过上述导孔用螺母将夹板、箱体底板以及箱体顶层与组合试验箱固连。

所述铰接点位于所述模拟的煤帮上部、巷道上部、巷旁支护体上部以及所述垮落矸石上部。

所述位移计安装在模拟巷道内侧十字中线的四个点位和垮落矸石内部，能监测铰接岩梁动载下巷道位移与垮落矸石位移；压力监测计沿巷道围岩空间安装，能监测直接顶、煤帮和巷旁支护体垂直压力、巷旁支护体与垮落矸石交界面的水平压力、垮落矸石对直接顶倾斜面的压力、垮落矸石对铰接岩梁的承载压力；透明箱能观测到铰接岩梁下沉、回转时，垮落矸石的体积压缩变化。

在组合试验箱和箱体前和/或后面粘贴透明刻度贴，方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力。

所述高压微变形气囊长度与铰接块A相匹配，低压变形气囊长度与铰接块B相匹配，

一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，包括以下步骤：

步骤1）组合试验箱组装，先安装箱体底层，用两根固定刚梁分别穿过组合试验箱的安装孔、夹板的导孔，以及箱体底层的导孔，在固定刚梁的两端安装螺母并拧紧，将刚性块固定在试验箱底部，等到其他系统都安装完成时，用同样的方法安装箱体顶层，并在箱体表面粘贴透明刻度贴，方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力；

步骤2）围岩分层模拟，在箱体底层上铺设混凝土，用于模拟直接底，直接底起到垫层的作用，之后采用分层向上模拟方法，用不同比例混凝土模拟煤帮、巷旁支护体、垮落矸石及直接顶，基本顶采用铰接岩梁模拟，相邻两段铰接岩梁的下部铰接，上部设置安装孔，通过安装固定梁固定铰接位置，取出上部固定梁，铰接岩梁能沿着下铰接点旋转；

步骤3）监测系统布置，在煤帮宽为X，巷旁支护体宽为N，直接顶宽为L，直接底宽为R，垮落矸石宽为F的范围内，水平方向均匀布置压力监测计20，在巷旁支护体高为H的范围内，纵向均匀布置压力监测计，沿直接顶倾斜面边长为M，倾斜均匀布置多个压力监测计；在巷道内侧十字中线的四个点位上分别布置位移计；在垮落矸石宽为F的距离均匀布置位移计，压力监测计和位移计间隔设置；压力监测计监测并实时记录压力分布，位移计监测并实时记录巷道围岩和垮落矸石位移变化；

步骤4）加载系统布置，通过液压管路，同时向两个气囊加压，高压微变形气囊随着压力增加变形小，对铰接块A挤压作用小，铰接块A下沉量小、回转角度小；低压变形气囊随着压力增加变形大，对铰接块B挤压作用大，铰接块B下沉大，回转角度大，挤压垮落矸石，对直接顶倾斜断面和巷旁支护体的接触面产生挤压，且压力大小及压力分布随着铰接岩梁下沉、回转运动发生变化；

模拟铰接岩梁受上部分段载荷作用，发生下沉、回转，其中铰接块A处于高压力，铰接块B处于低压力，通过监测系统实时监测，反馈铰接岩梁动载下巷道围岩的动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度，结合透明刻度贴反馈垮落矸石承载力与体积变化规律，为科学合理认识铰接岩梁动载下巷道围岩响应特征提供模拟及监测方法，并为铰接岩梁动载下巷道支护提供重要的参考价值。

本发明的有益效果是：该装置及方法能模拟并监测铰接岩梁动载全过程中巷道围岩动压变化规律、破坏位置及程度，分析铰接岩梁动载下中巷道围岩稳定性、巷道支护参数设计合理性，为巷道围岩支护控制技术，提供较详细的监测数据和科学合理的判断依据；在技术上简单可行、且可循环利用。

附图说明

图1是本发明一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法的组合试验箱示意图。

图2是透明刻度贴示意图。

图3是箱体顶层、气囊、铰接岩梁布置示意图。

图4是巷道围岩、巷旁支护体、铰接岩梁及监测系统布置示意图。

图5是直接底和箱体底层布置示意图。

图6是本发明一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法的静载示意图。

图7是本发明一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法的动载试验示意图。

图8是铰接点与固定铰接点俯视示意图。

附图标记说明如下：

1、组合试验箱；1a、三角稳定底架；1b、安装孔；1c、亚克力透明板；2、夹板；2a、导孔3、固定刚梁；4、箱体底层；4a、导孔；5、螺母；6、直接底；7、煤帮；8、直接顶；9、巷旁支护体；10、垮落矸石；11、铰接岩梁；12、铰接块；12a、铰接块A；12b、铰接块B；13、液压管路；14、安全阀；14a、压力显示器；15、螺母；16、高压微变形气囊；17、低压变形气囊；18、箱体顶层；19、铰接点；19a、固定梁；20、压力监测计；21、位移计；22、透明刻度贴；23、加载系统；24、监测系统；25、围岩分层模拟系统；26、巷道；26a、巷道围岩。

具体实施方式

以下结合附图，如图1~８对本发明进行说明，本发明提供一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，其特征为：试验装置主要包含，组合试验箱1、加载系统23、监测系统24、围岩分层模拟系统25；

所述组合试验箱1，其整体框架为长方体钢结构框架，组合试验箱1的长宽高分别为1.5m、0.2m、1m，两侧焊接三角稳定架1a，前后左右面安装亚克力透明板1c；箱体底层2和箱体顶层18是可拆卸式，都是由固定刚梁3、螺母5、刚性块构成，刚性块中部有两排导孔4a，导孔4a的孔径大小与固定刚梁3直径相互匹配，使用组合试验箱1，先安装箱体底层2，用两根固定刚梁3分别穿过刚性块导孔4a，在固定刚梁3的两端安装螺母5并拧紧，将刚性块固定在试验箱底部。

所述围岩分层模拟系统25是试验主体，采用不同配比、不同强度的混凝土来模拟直接顶8、直接底6、煤帮7、巷旁支护体9以及垮落矸石10，采用箱体顶层18来模拟上覆岩层，采用刚性底板2来模拟下覆岩层，能消除边界效应；试验中能模拟不同高度、宽度的直接顶8、直接底6、垮落矸石10、巷旁支护体9；基本顶采用铰接岩梁11模拟，铰接岩梁11的铰接点19位置可调，铰接点19位置可以在所述煤帮7上部、所述巷道26上部、所述巷旁支护体9上部以及所述垮落矸石10上部，铰接岩梁11上部安装固定梁19a，可以固定铰接，试验期间，取出上部固定梁19a，铰接岩梁11能沿着铰接点19旋转。

所述加载系统23是试验装置的动力系统，由液压管路13、安全阀14、压力显示器14a、高压微变形气囊16、低压变形气囊17组合组成；在所述箱体顶层18与所述铰接岩梁11之间安装高压微变形气囊16与低压变形气囊17，所述高压微变形气囊16与低压变形气囊17分别与液压管路13连接，液压管路13设有外螺纹，其管体穿过组合试验箱1以及夹板2，并通过螺母15固定；所述液压管13位于组合试验箱1的外部安装有压力显示器14a和安全阀14；高压微变形气囊16长度与铰接块A相匹配，低压变形气囊17长度与铰接块B相匹配；所述高压微变形气囊16具有压力大，变形小特点，所述低压变形气囊17具有压力底，变形大的特点，能对所述铰接岩梁11不同区段产生高压、低压分段挤压力；箱体顶层18固定在箱体上，铰接岩梁11不固定，在受到挤压力后，随着压力增加，铰接块A、铰接块B发生下沉、回转运动。

所述监测系统24是由压力监测计20和位移计21组成形成，其中位移计21安装在模拟巷道26内侧十字中线的四个点位上和垮落矸石10内部，能监测试验过程中巷道26内部位移与垮落矸石10压缩位移；压力监测计20沿巷道围岩26a空间安装，不同安装角度，能监测直接顶8、煤帮7和巷旁支护体9垂直压力、巷旁支护体9与垮落矸石10交界面的水平压力、垮落矸石10与直接顶8倾斜面的压力、垮落矸石10在铰接岩梁11动载下的垂直压力。

试验开始，选择铰接岩梁11的铰接点19为c点，拆掉铰接点19为c点上部固定钢梁19a，通过液压管路13，同时向两个气囊加压，高压微变形气囊16随着压力增加变形小，对铰接块A挤压作用小，铰接块A下沉量小、回转角度小；低压变形气囊17随着压力增加变形大，对铰接块B挤压作用大，铰接块B下沉大，回转角度大，能挤压垮落矸石10，对直接顶8倾斜断面和巷旁支护体9的接触面产生挤压力，且压力大小及压力分布随着铰接岩梁11下沉、回转运动发生变化。

整个实验能模拟铰接岩梁11受上部分段载荷作用，发生下沉、回转，其中铰接块A处于高压力、低位移状态，铰接块B处于低压力、高位移状态，铰接块A与铰接块B在铰接点发生铰接，通过监测系统24实时监测，能反馈铰接岩梁24动载下巷道围岩26a的动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度，能反馈垮落矸石10承载力与体积变化规律，为科学合理认识铰接岩梁24动载下巷道围岩响应特征提供模拟监测方法，并为铰接岩梁24动载下巷道支护提供重要的参考价值。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，凡在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (8)

1.一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：包括组合试验箱（1），以及设置于组合试验箱（1）内的围岩分层模拟系统（25）、加载系统（23）、监测系统（24），其中组合试验箱（1）为可拆装的透明长方体结构，包括主体部，以及与主体部固定的箱体顶层（18）和箱体底层（4），箱体顶层（18）模拟上覆岩层，箱体底层（4）模拟下覆岩层；围岩分层模拟系统（25）包括模拟的巷道围岩（26a）、巷旁支护体（9）、直接顶（8）、直接底（6）、煤帮（7）和垮落矸石（10）；所述铰接块A（12a）和铰接块B（12b）铰接，模拟铰接岩梁（11）结构，设置在直接顶（8）以及垮落矸石（10）的上方，铰接点（19）的位置能够调节；所述加载系统（23）位于铰接岩梁结构（11）的上方，加载系统（23）包括高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17），高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17）分别连接液压管路（13），液压管路（13） 连接液压机，管路上安装安全阀（14）和压力显示器（14a），随着加载压力变化，高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17）能够变形；监测系统（24）由压力监测计（20）和位移计（21）组成，监测系统（24）安装在围岩分层模拟系统（25）内部，该试验装置能实现分区加载，铰接岩梁（11）的下沉、回转，能监测反馈铰接岩梁（11）动载下巷道围岩（26a）的动压变化规律、破坏位置及程度，能反馈垮落矸石（10）承载力与体积变化规律。

2.根据权利要求书1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，其特征在于：所述组合试验箱（1），其整体框架为长方体钢结构框架，两侧焊接三角稳定架（1a），前、后、左、右面安装亚克力透明板（1c），亚克力透明板（1c）的两侧设置安装孔（1b）；组合试验箱（1）内部的两侧对称设置有夹板（2），夹板（2）的上下端与箱体底层（4）和箱体顶层（18）以及组合试验箱（1）固连为一体。

3.根据权利要求书2所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，其特征在于：箱体底层（4）和箱体顶层（18）分别为长方体钢性块结构，钢性块上分别横向开设两个水平设置的导孔（4a、18a），夹板（2）上开设导孔（2a），所述导孔（4a、18a、2a）均与组合试验箱（1）的安装孔（1b）对应，通过固定刚梁（3）依次穿过上述导孔（4a、18a、2a）用螺母（5）将夹板（2）、箱体底板（4）以及箱体顶层（18）与组合试验箱（1）固连。

4.根据权利要求书1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，其特征在于：所述铰接点（19）位于所述模拟的煤帮（7）上部、巷道（26）上部、巷旁支护体（9）上部以及所述垮落矸石（10）上部。

5.根据权利要求书1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：所述位移计（21）安装在模拟巷道（26）内侧十字中线的四个点位和垮落矸石（10）内部，能监测铰接岩梁动载下巷道（26）位移与垮落矸石（10）位移；压力监测计（20）沿巷道围岩（26a）空间安装，能监测直接顶（8）、煤帮（7）和巷旁支护体（9）垂直压力、巷旁支护体（9）与垮落矸石（10）交界面的水平压力、垮落矸石（10）对直接顶（8）倾斜面的压力、垮落矸石（10）对铰接岩梁的承载压力；透明箱能观测到铰接岩梁下沉、回转时，垮落矸石（10）的体积压缩变化。

6.根据权利要求书1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：在组合试验箱（1）和箱体前和/或后面粘贴透明刻度贴（22），方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力。

7.根据权利要求书1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：所述高压微变形气囊（16）长度与铰接块A（12a）相匹配，低压变形气囊（17）长度与铰接块B（12b）相匹配。

8.根据权利要求书1~7所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1）组合试验箱（1）组装，先安装箱体底层（4），用两根固定刚梁（3）分别穿过组合试验箱（1）的安装孔（1b）、夹板（2）的导孔（2a），以及箱体底层（4）的导孔（4a），在固定刚梁（3）的两端安装螺母（5）并拧紧，将刚性块固定在试验箱底部，等到其他系统都安装完成时，用同样的方法安装箱体顶层（18），并在箱体表面粘贴透明刻度贴（22），方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力；

步骤2）围岩分层模拟，在箱体底层（2）上铺设混凝土，用于模拟直接底（6），直接底（6）起到垫层的作用，之后采用分层向上模拟方法，用不同比例混凝土模拟煤帮（7）、巷旁支护体（9）、垮落矸石（10）及直接顶（8），基本顶（8）采用铰接岩梁（11）模拟，相邻两段铰接岩梁（11）的下部铰接，上部设置安装孔，通过安装固定梁（19a）固定铰接位置，取出上部固定梁（19a），铰接岩梁（11）能沿着下铰接点（19）旋转；

步骤3）监测系统布置，在煤帮（7）宽为X，巷旁支护体（9）宽为N，直接顶（8）宽为L，直接底（6）宽为R，垮落矸石（10）宽为F的范围内，水平方向均匀布置压力监测计20，在巷旁支护体高为H的范围内，纵向均匀布置压力监测计（20），沿直接顶倾（8）斜面边长为M，倾斜均匀布置多个压力监测计（20）；在巷道（26）内侧十字中线的四个点位上分别布置位移计（21）；在垮落矸石（10）宽为F的距离均匀布置位移计（21），压力监测计（20）和位移计（21）间隔设置；压力监测计20监测并实时记录压力分布，位移计（21）监测并实时记录巷道围岩（26a）和垮落矸石（10）位移变化；

步骤4）加载系统布置，通过液压管路（13），同时向两个气囊加压，高压微变形气囊（16）随着压力增加变形小，对铰接块A（12a）挤压作用小，铰接块A（12a）下沉量小、回转角度小；低压变形气囊（17）随着压力增加变形大，对铰接块B（12b）挤压作用大，铰接块B（12b）下沉大，回转角度大，挤压垮落矸石（10），对直接顶（8）倾斜断面和巷旁支护体（9）的接触面产生挤压，且压力大小及压力分布随着铰接岩梁（11）下沉、回转运动发生变化；模拟铰接岩梁（11）受上部分段载荷作用，发生下沉、回转，其中铰接块A（12a）处于高压力，铰接块B（12b）处于低压力，通过监测系统（24）实时监测，反馈铰接岩梁（24）动载下巷道围岩（26a）的动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度，结合透明刻度贴（22）反馈垮落矸石（10）承载力与体积变化规律，为科学合理认识铰接岩梁（24）动载下巷道围岩响应特征提供模拟及监测方法，并为铰接岩梁（24）动载下巷道支护提供重要的参考价值。

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