CN112345372A - 一种巷道底板变形破坏可视化试验系统及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种巷道底板变形破坏可视化试验系统及其试验方法，由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成；试验装置为一侧可视的立式箱体；试验前，首先制备好模拟巷道底板岩体的相似材料模型放入立式箱体中，布置加压板和传力板，构成试验装置；将试验装置安放在岩石三轴实验机上，保证可视化一侧朝外；CCD摄像系统对准试验装置可视化一侧；岩石三轴实验机以位移模式输出压力，同时CCD摄像系统采集记录试验过程中相似材料模型的变化情况，利用光学试验方法得到变形各瞬时的位移场和应变场，本发明为研究底板变形破坏的规律提供依据，可以很好地揭示底板的破坏机制及变形演化规律。

Description

一种巷道底板变形破坏可视化试验系统及其试验方法
技术领域
本发明涉及采矿工程巷道底板技术领域，尤其涉及一种用于研究煤矿巷道底板变形破坏的可视化试验装置。
背景技术
井下开采一直是我国煤炭资源开采的主要途径，在采掘过程中或受回采的影响，围岩应力状态发生变化，使巷道周围岩体产生变形并向巷道内移动，大量的底板变形会妨碍正常的通风、运输，甚至影响整个巷道的安全生产，因此保持巷道的稳定性和连通性对煤矿的建设和生产具有重要意义。针对巷道底板的变形破坏，国内外相关学者进行了大量的研究，但由于巷道围岩性质复杂、地质环境多变等因素，对巷道底板变形破坏机理的认识尚存在缺陷。因此，开展巷道底板变形破坏机理的研究具有十分重要的意义。
塑性流动变形是一种常见的底板破坏形式，当直接底板为软弱岩层，在两帮岩柱的压模效应作用下，底板软弱岩层被挤压流动到巷道内，出现持续的塑性流动变形。在以往的研究中，人们进行了大量的理论分析和数值仿真模拟以揭示巷道底板变形演化的规律。当然人们也尝试通过相似试验了解底板变形破坏的宏观过程，岳中文通过煤巷开挖掘进、锚杆与锚索一体化支护相似模拟实验研究了底板变形的类型及底板破坏时的应力状态，郑朋强等通过现场真三轴实验考察了导致巷道底板变形的各类因素，李运来通过改装的平面应变模型研究了软岩巷道的受力与变形特征。这些试验方法均为宏观试验，通过肉眼观察对比来描述底板变形破坏的规律，存在一定的主观性，无法客观反映底板岩体变形破坏的全过程，也不能通过定量分析得到底板位移演化的规律。因此，很需要一种能够从细观的角度对巷道底板变形破坏进行量化研究的试验系统和试验方法。
发明内容
本发明的目的是针对巷道底板变形破坏研究的需要，发明的一种巷道底板变形破坏试验系统，同时提供该系统的试验方法。
一种巷道底板变形破坏可视化试验系统，其特征在于，它由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成，其中，所述的模拟试验装置包括一个单侧可视的长方形立式箱体，即立式箱体的前侧为部分透明的；立式箱体内装有模拟巷道底板岩体的相似材料模型，模型上方紧贴箱体两侧各布置有加压板，加压板上方支撑有凹槽形传力板。
所述的压力试验机为TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴实验机，为试验装置提供所需的压力。
所述的光学采集系统包括设置在试验装置外部的白光光源和CCD摄像采集系统，用于采用光学试验方法跟踪、观察、检测和计算底板岩体的位移场和应变场。
进一步，所述的立式箱体由废弃的混凝土模板改造拼装而成；箱体后侧由三块模板长边相接堆叠而成；箱体前侧为透明平面挡板，挡板上下两侧各压有一块模板，前侧模板、挡板以及后侧模板通过高强螺栓依次紧密连接；箱体左右两侧的模板通过水平拉杆连接，并用螺母上紧固定，用以限制相似材料模型的侧向位移。
进一步，所述的透明平面挡板为厚度为8mm的钢化玻璃板，以便直接观察或采用光学试验方法观察荷载作用下底板岩体相似材料模型的位移状态和变形运动规律。
进一步，所述的加压板用以模拟巷道两帮，加压板之间的净距即为模拟的巷道宽度。
进一步，所述的传力板槽腿支撑在加压板中部，槽背高出箱体顶端50mm，为位移模型加载预留空间。
本发明一种巷道底板变形破坏可视化试验系统的试验方法是：第一步，试验前，预先制备好模拟底板岩体的相似材料模型，根据实验箱可视部分的高度确定模型高度大约至箱体高度的2/3处，模型初凝后进行养护；将处理后的模型放入前侧开敞的箱体中，依次安放透明平面挡板、上下两块混凝土模板，并通过高强螺栓与后侧混凝土模板连接；紧贴箱体两侧各放置一块加压板，用拉杆连接左右两侧模板并用螺母上紧固定；沿拉杆两侧放置传力板，传力板的槽腿支撑在加压板中部，构成试验装置；第二步，将试验装置安放在岩石三轴实验机上，保证可视化一侧朝外；试验装置固定后，将白光光源布置在试验装置前方45°方向上， CCD摄像系统布置在试验装置对面，保证摄像头对准试验装置可视化一侧；第三步，准备就绪后，启动压力试验机，以位移模式加载；同时CCD摄像系统采集记录整个试验过程中相似材料模型的变化情况，再通过配套光学采集系统得到变形各瞬时的位移场和应变场，为研究巷道底板变形破坏的规律提供依据。
本发明一种巷道底板变形破坏可视化试验系统的优点和积极效果是：
1、利用废旧混凝土模板作为试验箱体，符合绿色环保资源循环利用的理念；
2、可视化试验装置能够直观地反映巷道底板岩体相似材料模型的变形情况，配合光学采集系统可以直接获得各变形瞬间的位移场和应变场；
3、通过对比各瞬时的位移场和应变场，可以对巷道底板变形破坏的全过程进行量化分析，进而客观地描述在荷载作用下底板岩体的位移演化规律及变形破坏；
4、试验工作可以在一般的岩石三轴实验机上进行，不需要配置专用实验设备。
附图说明
图1是本发明试验系统示意图；
图2是本发明实施例试验装置示意图；
图3是图2的主视图；
图4是图2的俯视图；
图5是图2中传力板和加压板的位置示意图。
图中：1-立式箱体，2-相似材料模型，3-加压板，4-岩石三轴实验机，5-白光光源， 6-CCD摄像采集系统，7-后侧混凝土模板，8-透明平面挡板，9-前侧混凝土模板，10-高强螺栓，11-左右两侧混凝土模板，12-水平拉杆，13-螺母，14-底部混凝土模板，15-计算机，16- 传力板，17-槽腿，18-槽背。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，一种巷道底板变形破坏可视化试验系统，由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成，其中，所述的模拟试验装置包括一个单侧可视的长方形立式箱体1，即立式箱体的前侧中部是透明的；立式箱体1内装有模拟巷道底板岩体的相似材料模型2，模型2上方紧贴立式箱体1两侧各布置有加压板3，加压板3中部上方支撑有凹槽形传力板 16。
所述的压力试验机为TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴实验机4。
所述的光学采集系统包括设置在试验装置外部的白光光源5和CCD摄像采集系统6，用于采用光学试验方法跟踪、观察、检测和计算底板岩体的位移场和应变场。
进一步，如图2所示，所述的立式箱体1由废弃的混凝土模板改造拼装而成；箱体后侧由三块水平放置的模板7长边相接堆叠而成；箱体前侧为透明平面挡板8，挡板上下两侧各布置有混凝土模板9，前侧混凝土模板9、平面挡板8以及后侧混凝土模板7通过高强螺栓10依次紧密连接；箱体1左右两侧的混凝土模板11通过水平拉杆12连接，并用螺母13上紧固定。
进一步，所述的透明平面挡板8为厚度为8mm的钢化玻璃板，以便直接观察或采用光学试验方法观察荷载作用下底板岩体相似材料模型的位移状态和变形运动规律。
进一步，所述的加压板3长度为箱体内部净宽，加压板3之间的净距即为模拟巷道宽度。
进一步，所述的传力板16的槽腿17支撑在加压板中部，槽背18高出箱体顶端50mm，为位移模型加载预留空间。
本发明一种巷道底板变形破坏可视化试验系统的试验方法是：第一步，试验前，预先制备好模拟底板岩体的相似材料模型2，根据立式箱体1可视部分的高度确定模型高度大约至箱体高度的2/3处，待模型2初凝后进行养护；将处理后的模型2放入前侧开敞的立式箱体1中，依次安放透明平面挡板8、前侧混凝土模板9，并通过高强螺栓10与后侧混凝土模板7依次连接；紧贴立式箱体1左右两侧各放置一块加压板3，用水平拉杆12连接左右两侧混凝土模板11并用螺母13上紧固定；沿水平拉杆12两侧放置传力板16，传力板16的槽腿 18支撑在加压板中部，构成试验装置。
第二步，将试验装置安放在压力试验机4上，保证可视化一侧朝外；试验装置固定后，将白光光源5布置在试验装置前方45°方向上，CCD摄像系统6布置在试验装置对面，保证摄像头对准试验装置可视化一侧；第三步，准备就绪，开始试验，启动压力试验机4，以位移模式加载；同时CCD摄像系统6采集记录整个试验过程中相似材料模型2的变化情况，再通过配套的计算机15利用光学试验方法得到变形各瞬时的位移场和应变场，为研究巷道底板变形破坏的规律提供依据。

Claims (4)

1.一种巷道底板变形破坏可视化试验系统，其特征在于，它由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成；其中，所述的模拟试验装置包括一个单侧可视的长方形立式箱体，即立式箱体的前侧为部分透明的；立式箱体内装有模拟巷道底板岩体的相似材料模型，模型上方紧贴箱体两侧各布置有加压板，加压板中部上方支撑有凹槽形传力板。
2.如权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述的立式箱体由废弃的混凝土模板改造拼装而成；箱体后侧由三块水平放置的模板长边相接堆叠而成；箱体前侧为透明平面挡板，挡板上下两侧各压有一块模板，前侧模板、挡板以及后侧模板通过高强螺栓依次紧密连接；箱体左右两侧的模板通过水平拉杆连接，并用螺母上紧固定。
3.如权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述的透明平面挡板为厚度为8mm的钢化玻璃板，以便直接观察或采用光学试验方法观察荷载作用下底板岩体相似材料模型的位移状态和变形运动规律。
4.一种如权利要求1所述的试验系统的试验方法，其特征在于，第一步，试验前，预先制备好模拟底板岩体的相似材料模型，根据实验箱可视部分的高度确定模型高度大约至箱体高度的2/3处，待模型初凝后进行养护；将处理后的模型放入前侧开敞的箱体中，依次安放平面挡板、前侧混凝土模板，并通过高强螺栓与后侧混凝土模板连接；紧贴箱体两侧各放置有加压板，用拉杆连接左右两侧模板并用螺母上紧固定；沿拉杆两侧放置传力板，传力板的槽腿支撑在加压板中部，构成试验装置；第二步，将试验装置安放在压力试验机上，保证可视化一侧朝外；试验装置固定后，将白光光源布置在试验装置前方45°方向上，CCD摄像头对准试验装置可视化一侧；第三步，准备就绪后启动压力试验机，以位移模式加载；同时CCD摄像系统采集记录整个试验过程中底板岩体相似材料模型的变化情况，再通过配套光学采集系统获得变形各瞬时的位移场和应变场，为研究巷道底板变形破坏的规律提供依据。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114419982A (zh) * 2021-12-29 2022-04-29 山东科技大学 软岩地层留煤柱采空区巷道变形破坏的模型试验系统及方法
CN114646748A (zh) * 2022-03-16 2022-06-21 山东科技大学 一种煤矿采场溃沙相似模拟试验装置及试验方法

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