CN117074168A - 一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置及方法，包括基板，基板左右两侧分别垂直固定有左侧导杆和右侧导杆，左侧导杆与右侧导杆之间升降安装有升降顶板，升降顶板与基板之间形成有试样放置空间A；升降顶板左侧与基板左侧之间铰接有加载连杆组件A，加载连杆组件A中部铰接有水平加载板A，升降顶板右侧与基板右侧之间铰接有加载连杆组件B，加载连杆组件B中部铰接有水平加载板B。本发明能够实现巷道围岩相似试样体在垂直力加载下的水平挤压力学相似性模拟，实现了单轴力加载仪器的垂直力学加载下的垂直、水平联动加载模拟，提高了巷道围岩研究数据的可靠性与实验精度，能够进行有效地巷道围岩相似模拟研究。

Description

一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置及方法
技术领域
本发明涉及基于单轴力加载仪器的巷道围岩变形破坏研究实验领域，尤其涉及一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置及方法。
背景技术
煤炭开采过程中，煤炭开采的巷道围岩主要受到上方岩层重力挤压，这主要是垂直方向的挤压力，巷道围岩上方岩层的压力会传递至水平方向上，并对巷道围岩施加水平挤压力。巷道围岩的力学安全是影响着煤炭开采的关键因素，对于巷道围岩力学研究及围岩变形研究通常是通过巷道围岩相似试样体并利用力学实验装置进行实验研究，巷道围岩易在垂直、水平应力作用下发生失稳破坏，给煤矿安全带来诸多挑战。而现有巷道围岩相似试样体的力学实验装置一般只有施加垂直方向的加载力，无法实现联动的水平挤压力模拟，这导致巷道围岩的力学模拟与变形观测结果存在关联性不强(即不能进行水平垂直联动力学模拟)，无法进行有效地巷道围岩相似模拟研究。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术所指出的技术问题，提供一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置及方法，能够实现巷道围岩相似试样体在垂直力加载下的水平挤压力学相似性模拟，实现了单轴力加载仪器的垂直力学加载下的垂直、水平联动加载模拟，提高了巷道围岩研究数据的可靠性与实验精度，能够进行有效地巷道围岩相似模拟研究。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，包括基板，基板左右两侧分别垂直固定有左侧导杆和右侧导杆，左侧导杆与右侧导杆之间升降安装有升降顶板，升降顶板与基板之间形成有试样放置空间A；所述升降顶板左侧与基板左侧之间铰接有加载连杆组件A，加载连杆组件A中部铰接有水平加载板A，所述升降顶板右侧与基板右侧之间铰接有加载连杆组件B，加载连杆组件B中部铰接有水平加载板B，所述水平加载板A、水平加载板B、升降顶板、基板围成一个试样放置空间B。
为了更好地实现本发明围岩变形实验装置，所述加载连杆组件A包括上连杆A和下连杆A，所述水平加载板A外侧中部固定有加载板连接铰座A，所述升降顶板左侧安装有上铰座A，所述基板左侧安装有下铰座A，上连杆A铰接于上铰座A与加载板连接铰座A之间，下连杆A铰接于加载板连接铰座A与下铰座A之间。
进一步的技术方案是：所述加载连杆组件B包括上连杆B和下连杆B，所述水平加载板B外侧中部固定有加载板连接铰座B，所述升降顶板右侧安装有上铰座B，所述基板右侧安装有下铰座B，上连杆B铰接于上铰座B与加载板连接铰座B之间，下连杆B铰接于加载板连接铰座B与下铰座B之间。
优选地，所述基板左侧开有与水平加载板A底部相对应的活动槽A，所述基板右侧开有与水平加载板B底部相对应的活动槽B。
优选地，所述试样放置空间B内部放置有巷道围岩相似试样体，所述巷道围岩相似试样体内部具有巷道围岩，巷道围岩内部布设有摄像头。
优选地，所述升降顶板顶部标记有垂直单轴加载点。
优选地，所述升降顶板左侧开有与左侧导杆相对应的左侧导杆通孔，所述升降顶板右侧开有与右侧导杆相对应的右侧导杆通孔。
一种利用围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其方法包括：
S11、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑巷道围岩相似试样体，在巷道围岩相似试样体内部构筑巷道围岩，在巷道围岩内部布设若干个摄像头；将巷道围岩相似试样体放置于围岩变形实验装置的试样放置空间B中，设定加载连杆组件A与升降顶板的安装夹角、加载连杆组件A与基板的安装夹角、加载板连接铰座B与升降顶板的安装夹角、加载板连接铰座B与基板的安装夹角；
S12、通过力加载仪器垂直朝向升降顶板进行力学加载，巷道围岩相似试样体的垂直方向力学加载；力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A、加载板连接铰座B并进行巷道围岩相似试样体在水平方向上联动加载；巷道围岩相似试样体内部的巷道围岩受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头记录巷道围岩内部的变形情况。
一种利用围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其特征在于：其方法包括：
S21、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑两份相同的巷道围岩相似试样体，第一份巷道围岩相似试样体不做处理并作为对照相似试样体，在对照相似试样体内部设置若干个测力传感器；第二份巷道围岩相似试样体内部构筑巷道围岩，在巷道围岩内部布设若干个摄像头；
S22、制备两个围岩变形实验装置，第一个围岩变形实验装置拆卸去掉加载连杆组件A、加载板连接铰座B，将对照相似试样体放置于第一个围岩变形实验装置的试样放置空间A中，通过力加载仪器垂直朝向第一个围岩变形实验装置的升降顶板进行力学加载，记录力加载仪器的加载力F1、升降顶板上的加载点位，同时记录各个测力传感器的测量值F2并求出各个测量值F2的平均值，以平均值作为水平加载力F3，即得到加载力F1与所对应的水平加载力F3；
S23、将第二份巷道围岩相似试样体放置于第二个围岩变形实验装置的试样放置空间B中，将加载连杆组件A与升降顶板的安装夹角、加载连杆组件A与基板的安装夹角、加载板连接铰座B与升降顶板的安装夹角、加载板连接铰座B与基板的安装夹角均设定为a，通过力加载仪器按照步骤S22相同的加载点位及记载力F1垂直朝向第二个围岩变形实验装置的升降顶板进行力学加载，力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A、加载板连接铰座B并进行巷道围岩相似试样体在水平方向上联动加载；巷道围岩相似试样体内部的巷道围岩受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头记录巷道围岩内部的变形情况，得到加载力F1下的巷道围岩内部变形情况。
优选地，在步骤S21中，在对照相似试样体内部钻孔，将所述测力传感器置于孔中，第一个围岩变形实验装置的测力传感器布设位置与第二个围岩变形实验装置的加载板连接铰座A布设位置或/和加载板连接铰座B布设位置相对应。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明能够实现巷道围岩相似试样体在垂直力加载下的水平挤压力学相似性模拟，实现了单轴力加载仪器的垂直力学加载下的垂直、水平联动加载模拟，提高了巷道围岩研究数据的可靠性与实验精度，能够进行有效地巷道围岩相似模拟研究。
(2)本发明通过对照相似试样体进行垂直力学加载下的模拟得出传递至水平方向上的力学情况，然后计算出加载连杆组件A、加载连杆组件B的布设夹角，以及上铰座A、下铰座A、上铰座B、下铰座B的点位，便于后续进行巷道围岩相似试样体的垂直水平联动加载的布设，具有结构巧妙、实验数据可靠性强等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中第一个围岩变形实验装置的第一种测力传感器布设方案示意图；
图2为本发明实施例中第一个围岩变形实验装置的第二种测力传感器布设方案示意图；
图3为本发明实施例中第二个围岩变形实验装置的结构示意图；
图4为图3中巷道围岩相似试样体的立体示意图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1-基板，2-左侧导杆，3-右侧导杆，4-升降顶板，41-左侧导杆通孔，42-右侧导杆通孔，5-水平加载板A，51-活动槽A，6-水平加载板B，61-活动槽B，7-上铰座A，8-加载连杆组件A，9-加载板连接铰座A，10-下铰座A，11-上铰座B，12-加载连杆组件B，13-加载板连接铰座B，14-下铰座B，15-对照相似试样体，151-测力传感器，16-巷道围岩相似试样体，17-巷道围岩，18-摄像头，19-垂直单轴加载点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1～图4所示，一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，包括基板1，基板1左右两侧分别垂直固定有左侧导杆2和右侧导杆3，左侧导杆2与右侧导杆3之间升降安装有升降顶板4(升降顶板4并非发生较大的升降，而是在巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15装配时进行升降，巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15工作时，升降顶板4会有极小或较小距离的下降)，升降顶板4与基板1之间形成有试样放置空间A。升降顶板4左侧与基板1左侧之间铰接有加载连杆组件A8，加载连杆组件A8中部铰接有水平加载板A5，升降顶板4右侧与基板1右侧之间铰接有加载连杆组件B12，加载连杆组件B12中部铰接有水平加载板B6，水平加载板A5、水平加载板B6、升降顶板4、基板1围成一个试样放置空间B(试样放置空间B小于试样放置空间A，试样放置空间B为试样放置空间A一部分)。
在一些实施例中，加载连杆组件A8包括上连杆A和下连杆A，水平加载板A5外侧中部固定有加载板连接铰座A9，升降顶板4左侧安装有上铰座A7，基板1左侧安装有下铰座A10，上连杆A铰接于上铰座A7与加载板连接铰座A9之间，下连杆A铰接于加载板连接铰座A9与下铰座A10之间。
在一些实施例中，加载连杆组件B12包括上连杆B和下连杆B，水平加载板B6外侧中部固定有加载板连接铰座B13，升降顶板4右侧安装有上铰座B11，基板1右侧安装有下铰座B14，上连杆B铰接于上铰座B11与加载板连接铰座B13之间，下连杆B铰接于加载板连接铰座B13与下铰座B14之间。
如图3所示，基板1左侧开有与水平加载板A5底部相对应的活动槽A51(本发明巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15均是按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑，巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15在实用时本身不会发生较大的形变，若发生较大的形变，则巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15就已经破坏了；本发明是针对巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15轻微形变，主要是针对巷道围岩17或巷道围岩相似试样体16在力学加载下而是否出现裂痕或裂缝等方面研究，构成了巷道围岩17的裂缝破坏研究，而非坍塌性研究，比如研究巷道围岩17在相应的力学加载点位下、力学加载力大小下，会不会出现裂缝，以及什么位置会出现裂缝、裂缝出现的先后顺序等情况。故活动槽A51并非主要用于适应水平加载板A5的下降或左右移动，而是让水平加载板A5悬空，不存在反作用力，水平加载板A5顶部是与升降顶板4接触，当然也可以不接触，让巷道围岩相似试样体16紧贴升降顶板4)，基板1右侧开有与水平加载板B6底部相对应的活动槽B61(活动槽B61的作用与活动槽A51相同，在此不再累述)。
在使用时，本发明试样放置空间B内部放置有巷道围岩相似试样体16，巷道围岩相似试样体16内部具有巷道围岩17，巷道围岩17内部布设有摄像头18。
在一些实施例中，升降顶板4顶部标记有垂直单轴加载点19，垂直单轴加载点19可以是画出的一个标记加载点。
在一些实施例中，升降顶板4左侧开有与左侧导杆2相对应的左侧导杆通孔41，在装配巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15时，左侧导杆2在左侧导杆通孔41上升降活动，便于试样体的装配作业，在实验过程中，升降顶板4会在左侧导杆2引导下可能轻微下降。升降顶板4右侧开有与右侧导杆3相对应的右侧导杆通孔42，在装配巷道围岩相似试样体16或对照相似试样体15时，右侧导杆3在右侧导杆通孔42上升降活动，便于试样体的装配作业，在实验过程中，升降顶板4会在右侧导杆3引导下可能轻微下降。
一种利用围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其方法包括：
S11、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑巷道围岩相似试样体16，在巷道围岩相似试样体16内部构筑巷道围岩17，在巷道围岩17内部布设若干个摄像头18。将巷道围岩相似试样体16放置于本发明围岩变形实验装置的试样放置空间B中，设定加载连杆组件A8与升降顶板4的安装夹角、加载连杆组件A8与基板1的安装夹角、加载板连接铰座B13与升降顶板4的安装夹角、加载板连接铰座B13与基板1的安装夹角。
S12、通过力加载仪器垂直朝向升降顶板4进行力学加载，巷道围岩相似试样体16的垂直方向力学加载。力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A8、加载板连接铰座B13并进行巷道围岩相似试样体16在水平方向上联动加载。巷道围岩相似试样体16内部的巷道围岩17受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头18记录巷道围岩17内部的变形情况，各个摄像头18记录巷道围岩17内部的视频或图像数据，通过对图像数据的分析，得出巷道围岩17内部的裂缝是否出现、出现多少、出现的位置、出现的先后情况，这就记录巷道围岩17内部的变形情况(裂缝相关的变形数据)。
一种利用围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其方法包括：
S21、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑两份相同的巷道围岩相似试样体16，第一份巷道围岩相似试样体16不做处理并作为对照相似试样体15，在对照相似试样体15内部设置若干个测力传感器151(在一些实施例中，在对照相似试样体15内部钻孔，将测力传感器151置于孔中，第一个围岩变形实验装置的测力传感器151布设位置与第二个围岩变形实验装置的加载板连接铰座A9布设位置或/和加载板连接铰座B13布设位置相对应，这样便于水平加载力的测量及模拟实验；测力传感器151布设方式参见图1、图2)。第二份巷道围岩相似试样体16内部构筑巷道围岩17，在巷道围岩17内部布设若干个摄像头18。
S22、制备两个本发明围岩变形实验装置，第一个围岩变形实验装置拆卸去掉加载连杆组件A8、加载板连接铰座B13，将对照相似试样体15放置于第一个围岩变形实验装置的试样放置空间A中，通过力加载仪器垂直朝向第一个围岩变形实验装置的升降顶板4进行力学加载，记录力加载仪器的加载力F1、升降顶板4上的加载点位，同时记录各个测力传感器151的测量值F2并求出各个测量值F2的平均值，以平均值作为水平加载力F3，即得到加载力F1与所对应的水平加载力F3。
S23、将第二份巷道围岩相似试样体16放置于第二个围岩变形实验装置的试样放置空间B中，将加载连杆组件A8与升降顶板4的安装夹角、加载连杆组件A8与基板1的安装夹角、加载板连接铰座B13与升降顶板4的安装夹角、加载板连接铰座B13与基板1的安装夹角均设定为a，如图3所示，加载连杆组件A8的上连杆A与下连杆A长度相同，上连杆A与升降顶板4的安装夹角、下连杆A与基板1的安装夹角均设定为a，加载板连接铰座B13的上连杆B与下连杆B长度相同，上连杆B与升降顶板4的安装夹角、下连杆B与基板1的安装夹角均设定为a，/>夹角a确定后，上铰座A7、下铰座A10、上铰座B11、下铰座B14就能分别确定。
通过力加载仪器按照步骤S22相同的加载点位(比如都在图2、图3的同一位置进行力学加载，如图2、图3所示的垂直单轴加载点19)及记载力F1垂直朝向第二个围岩变形实验装置的升降顶板4进行力学加载，力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A8、加载板连接铰座B13并进行巷道围岩相似试样体16在水平方向上联动加载。巷道围岩相似试样体16内部的巷道围岩17受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头18记录巷道围岩17内部的变形情况，得到加载力F1下的巷道围岩17内部变形情况。各个摄像头18记录巷道围岩17内部的视频或图像数据，通过对图像数据的分析，得出巷道围岩17内部的裂缝是否出现、出现多少、出现的位置、出现的先后情况，这就记录巷道围岩17内部的变形情况(裂缝相关的变形数据)。
在一些实施例中，设定不同大小的加载力F1，重复步骤S22、步骤S23，得到不同大小的加载力F1下的巷道围岩17内部变形情况，实现巷道围岩17内部裂缝变形的力学扩展研究。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：包括基板(1)，基板(1)左右两侧分别垂直固定有左侧导杆(2)和右侧导杆(3)，左侧导杆(2)与右侧导杆(3)之间升降安装有升降顶板(4)，升降顶板(4)与基板(1)之间形成有试样放置空间A；所述升降顶板(4)左侧与基板(1)左侧之间铰接有加载连杆组件A(8)，加载连杆组件A(8)中部铰接有水平加载板A(5)，所述升降顶板(4)右侧与基板(1)右侧之间铰接有加载连杆组件B(12)，加载连杆组件B(12)中部铰接有水平加载板B(6)，所述水平加载板A(5)、水平加载板B(6)、升降顶板(4)、基板(1)围成一个试样放置空间B。
2.按照权利要求1所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述加载连杆组件A(8)包括上连杆A和下连杆A，所述水平加载板A(5)外侧中部固定有加载板连接铰座A(9)，所述升降顶板(4)左侧安装有上铰座A(7)，所述基板(1)左侧安装有下铰座A(10)，上连杆A铰接于上铰座A(7)与加载板连接铰座A(9)之间，下连杆A铰接于加载板连接铰座A(9)与下铰座A(10)之间。
3.按照权利要求1或2所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述加载连杆组件B(12)包括上连杆B和下连杆B，所述水平加载板B(6)外侧中部固定有加载板连接铰座B(13)，所述升降顶板(4)右侧安装有上铰座B(11)，所述基板(1)右侧安装有下铰座B(14)，上连杆B铰接于上铰座B(11)与加载板连接铰座B(13)之间，下连杆B铰接于加载板连接铰座B(13)与下铰座B(14)之间。
4.按照权利要求1所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述基板(1)左侧开有与水平加载板A(5)底部相对应的活动槽A(51)，所述基板(1)右侧开有与水平加载板B(6)底部相对应内活动槽B(61)。
5.按照权利要求1所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述试样放置空间B内部放置有巷道围岩相似试样体(16)，所述巷道围岩相似试样体(16)内部具有巷道围岩(17)，巷道围岩(17)内部布设有摄像头(18)。
6.按照权利要求1所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述升降顶板(4)顶部标记有垂直单轴加载点(19)。
7.按照权利要求1所述的一种水平垂直联动力学模拟的围岩变形实验装置，其特征在于：所述升降顶板(4)左侧开有与左侧导杆(2)相对应的左侧导杆通孔(41)，所述升降顶板(4)右侧开有与右侧导杆(3)相对应的右侧导杆通孔(42)。
8.一种利用权利要求1～7任一项所述围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其特征在于：其方法包括：
S11、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑巷道围岩相似试样体(16)，在巷道围岩相似试样体(16)内部构筑巷道围岩(17)，在巷道围岩(17)内部布设若干个摄像头(18)；将巷道围岩相似试样体(16)放置于权利要求1～7任一项所述围岩变形实验装置的试样放置空间B中，设定加载连杆组件A(8)与升降顶板(4)的安装夹角、加载连杆组件A(8)与基板(1)的安装夹角、加载板连接铰座B(13)与升降顶板(4)的安装夹角、加载板连接铰座B(13)与基板(1)的安装夹角；
S12、通过力加载仪器垂直朝向升降顶板(4)进行力学加载，巷道围岩相似试样体(16)的垂直方向力学加载；力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A(8)、加载板连接铰座B(13)并进行巷道围岩相似试样体(16)在水平方向上联动加载；巷道围岩相似试样体(16)内部的巷道围岩(17)受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头(18)记录巷道围岩(17)内部的变形情况。
9.一种利用权利要求1～7任一项所述围岩变形实验装置的围岩变形实验方法，其特征在于：其方法包括：
S21、按照巷道围岩研究区的岩性情况构筑两份相同的巷道围岩相似试样体(16)，第一份巷道围岩相似试样体(16)不做处理并作为对照相似试样体(15)，在对照相似试样体(15)内部设置若干个测力传感器(151)；第二份巷道围岩相似试样体(16)内部构筑巷道围岩(17)，在巷道围岩(17)内部布设若干个摄像头(18)；
S22、制备两个权利要求1～7任一项所述的围岩变形实验装置，第一个围岩变形实验装置拆卸去掉加载连杆组件A(8)、加载板连接铰座B(13)，将对照相似试样体(15)放置于第一个围岩变形实验装置的试样放置空间A中，通过力加载仪器垂直朝向第一个围岩变形实验装置的升降顶板(4)进行力学加载，记录力加载仪器的加载力F1、升降顶板(4)上的加载点位，同时记录各个测力传感器(151)的测量值F2并求出各个测量值F2的平均值，以平均值作为水平加载力F3，即得到加载力F1与所对应的水平加载力F3；
S23、将第二份巷道围岩相似试样体(16)放置于第二个围岩变形实验装置的试样放置空间B中，将加载连杆组件A(8)与升降顶板(4)的安装夹角、加载连杆组件A(8)与基板(1)的安装夹角、加载板连接铰座B(13)与升降顶板(4)的安装夹角、加载板连接铰座B(13)与基板(1)的安装夹角均设定为a，通过力加载仪器按照步骤S22相同的加载点位及记载力F1垂直朝向第二个围岩变形实验装置的升降顶板(4)进行力学加载，力加载仪器所加载的力传递至加载连杆组件A(8)、加载板连接铰座B(13)并进行巷道围岩相似试样体(16)在水平方向上联动加载；巷道围岩相似试样体(16)内部的巷道围岩(17)受到垂直、水平联动力学加载，通过各个摄像头(18)记录巷道围岩(17)内部的变形情况，得到加载力F1下的巷道围岩(17)内部变形情况。
10.按照权利要求9所述的一种围岩变形实验方法，其特征在于：在步骤S21中，在对照相似试样体(15)内部钻孔，将所述测力传感器(151)置于孔中，第一个围岩变形实验装置的测力传感器(151)布设位置与第二个围岩变形实验装置的加载板连接铰座A(9)布设位置或/和加载板连接铰座B(13)布设位置相对应。
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