一種用于模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及井巷道工程圍巖變形及穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，特別涉及一種用于模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及能源需求量的不斷增加，深部礦井巷道工程的規(guī)模和數(shù)量在日益增大，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明，我國每年新掘開采深度在600-800m以下的巷道總長(zhǎng)度超過了 1000km。而由于受深部復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、巷道圍巖自身的賦存狀態(tài)及外部采掘活動(dòng)等因素的強(qiáng)烈影響，絕大部分巷道圍巖均出現(xiàn)了深部非線性大變形破壞現(xiàn)象甚至是非線性突變?yōu)暮κ鹿剩鐫?、大幅底鼓、頂板垮冒等，這不但影響了巷道的正常服務(wù)，也嚴(yán)重威脅到礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)。因此，深部礦井巷道圍巖的控制問題十分突出，其破壞機(jī)理及支護(hù)對(duì)策一直是巖石力學(xué)和采礦工作者們亟待破解的科學(xué)難題。
[0003]相關(guān)理論研究及工程實(shí)踐表明，深部巷道圍巖的大變形破壞與失穩(wěn)是圍巖塑性區(qū)形成、發(fā)展及邊界蠕變擴(kuò)張的結(jié)果，塑性區(qū)的形態(tài)、范圍決定了巷道破壞的模式和程度，因此，研究巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)分布及其擴(kuò)張規(guī)律正是突破深部巷道圍巖控制難題的有效途徑。目前，關(guān)于巷道圍巖塑性區(qū)的研究成果主要集中在彈塑性理論解析、數(shù)值模擬分析方面，初步得到了塑性區(qū)的分布特征與分布規(guī)律。但是，現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)塑性區(qū)分布的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究仍然嚴(yán)重缺乏，這主要是因?yàn)楫?dāng)前的巷道模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在諸多缺陷，不能較好地滿足實(shí)驗(yàn)需求，表現(xiàn)為:一是模型加載不均勻，受力邊界不能滿足實(shí)際條件?，F(xiàn)有的巷道模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本上采用液壓油缸的剛性加載方式，油缸加載需要分級(jí)傳遞，而各個(gè)油缸的性能差異及其傳力機(jī)構(gòu)的區(qū)別容易導(dǎo)致模型不能完全均勻受載，同時(shí)，油缸加載板與模型邊界的變形不協(xié)調(diào)，往往造成室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)無法滿足實(shí)際的邊界條件。二是模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所能提供的荷載集度偏小，不能進(jìn)行三維條件下深部高應(yīng)力環(huán)境尤其是高偏應(yīng)力場(chǎng)的模型實(shí)驗(yàn)。三是模型實(shí)驗(yàn)全過程缺乏先進(jìn)的高精度變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)，而采用常規(guī)的模型實(shí)驗(yàn)位移、應(yīng)變測(cè)量?jī)x器獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果通常并不理想，得不到巷道圍巖塑性區(qū)的分布特征與分布規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種加載均勻、荷載集中度高、高精度變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的用于模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為該模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括承載架、側(cè)壓室、液壓系統(tǒng)、多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)、軸向加載缸、傳力軸、軸壓傳感器、上壓頭；
[0006]其中側(cè)壓室包括殼體、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?cè)壓室底座，殼體嵌入側(cè)壓室底座上的側(cè)壓室腳槽并與側(cè)壓室底座的螺柱連接，在殼體與側(cè)壓室腳槽之間還連接有密封橡膠墊;實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)含貫穿實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南锏滥Ｐ?，在沿巷道模型的徑向由巷道模型的中心向外呈發(fā)射狀分布有微型高精多點(diǎn)位移傳感器，在巷道模型的兩端、緊貼實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那昂蟊诘耐鈧?cè)連接有過渡板，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳隙嗣?、下端面均連接有高強(qiáng)柔性橡膠層，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南露嗣娴母邚?qiáng)柔性橡膠層與側(cè)壓室底座的下壓頭連接，殼體頂部設(shè)置有排氣閥；
[0007]軸向加載缸與支撐架連接，軸向加載缸下端連接傳力軸，在傳力軸下端面與軸壓傳感器連接，軸壓傳感器與上壓頭的上端面加載連接，上壓頭穿過側(cè)壓室的殼體的頂部的中心通孔、其底部與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕隙嗣娴母邚?qiáng)柔性橡膠層連接，在上壓頭與側(cè)壓室的殼體的頂部的中心通孔之間還連接有密封圈，在上壓頭與下壓頭之間還連接有包圍實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母綦x橡膠膜，液壓系統(tǒng)分別與軸向加載缸和側(cè)壓室的注油管孔和回油管孔連接，多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線穿過側(cè)壓室底座的過線孔與微型高精多點(diǎn)位移傳感器連接。
[0008]進(jìn)一步地，在沿巷道模型的徑向呈發(fā)射狀分布的微型高精多點(diǎn)位移傳感器在巷道模型的徑向上等距離分布。
[0009]進(jìn)一步地，承載架包括上承載臺(tái)、特制螺母、承載柱、柱底墊板，承載柱上端用特制螺母與上承載臺(tái)連接，承載柱下端與柱底墊板連接。
[0010]進(jìn)一步地，液壓系統(tǒng)包括液壓控制臺(tái)和供油系統(tǒng)，液壓控制臺(tái)包括側(cè)壓室圍壓控制區(qū)、軸壓控制區(qū)、參數(shù)設(shè)置和顯示區(qū)，供油系統(tǒng)包括電機(jī)、液壓栗、多路閥、油箱、壓力傳感器，液壓控制臺(tái)分別與多路閥、電機(jī)、壓力傳感器電性連接，液壓栗分別與電機(jī)、油箱、多路閥連接。
[0011]進(jìn)一步地，多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)包括信號(hào)接收模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，信號(hào)接收模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析模塊依次電性連接。
[0012]進(jìn)一步地，密封圈為中空的錐形體，中空的內(nèi)徑與上壓頭的圓柱桿外徑相同。
[0013]進(jìn)一步地，隔離橡膠膜為兩端開口的方筒型，其內(nèi)腔尺寸與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑蜗嘁恢?，高度大于?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母叨取?br>[0014]進(jìn)一步地，軸向加載缸為特大壓力油缸，其最大載荷為100t。
[0015]進(jìn)一步地，過渡板為方形薄鋼板，其長(zhǎng)、寬尺寸為所述巷道模型直徑的1.5?2倍。
[0016]該模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法包括:
[0017]制模、組建系統(tǒng)、加載、數(shù)據(jù)采集、卸載、采集圖像和繪制圍巖塑性區(qū)分布圖等步驟，
[0018]I)制模:組裝模具、制造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br>[0019]2)組建系統(tǒng):將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?cè)壓室、支撐架、液壓系統(tǒng)、多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)、軸向加載缸、傳力軸、軸壓傳感器、上壓頭連接組建試驗(yàn)系統(tǒng)；
[0020]3)加載:啟動(dòng)液壓系統(tǒng)向側(cè)壓室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目v向、側(cè)向加載；
[0021]4)數(shù)據(jù)采集:通過多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；
[0022]5)卸載:卸載液壓載荷、拆解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；
[0023]6)采集圖像:剖切實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采集圍巖裂隙分布圖像；
[0024]7)繪制圍巖塑性區(qū)分布圖:繪制各時(shí)刻、各測(cè)量點(diǎn)的位移場(chǎng)。
[0025]采用上述技術(shù)方案，由于使用了側(cè)壓室、液壓系統(tǒng)、多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷燃夹g(shù)特征，使得本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，模型加載更均勻，受力邊界能滿足實(shí)際條件；能提供較高的荷載集度，能進(jìn)行三維條件下深部高應(yīng)力環(huán)境尤其是高偏應(yīng)力場(chǎng)的模型實(shí)驗(yàn);能對(duì)三維模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、測(cè)量精度達(dá)到微米級(jí)別，能有效準(zhǔn)確地測(cè)量和模擬巷道圍巖塑性區(qū)的分布特征與分布規(guī)律。本發(fā)明具有以下有益效果:
[0026](I)能夠成功地模擬巷道圍巖塑性區(qū)的演化過程，能完成塑性區(qū)形態(tài)分布的描繪及形成與發(fā)展規(guī)律的分析；
[0027](2)通過嵌有高強(qiáng)柔性橡膠層的上、下壓頭及大型鋼制三軸側(cè)壓室，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的三向完全均勻柔性加載，確?？煽康氖芰吔?，模擬的型巷道圍巖破裂真實(shí)度更高，所得數(shù)據(jù)更可靠；
[0028](3)模擬的三向應(yīng)力環(huán)境，軸壓與側(cè)壓能調(diào)節(jié)，并均可達(dá)到很高的壓力值，故不僅能夠模擬淺部巷道圍巖的常規(guī)應(yīng)力場(chǎng)，而且能夠模擬深部巷道圍巖的高偏應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境；
[0029](4)采用了先進(jìn)的光纖高精多點(diǎn)位移量測(cè)系統(tǒng)對(duì)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)更為全面、真實(shí)；
[0030](5)承載柱為鋼管高強(qiáng)混凝土柱，上承載臺(tái)采用多層正交肋板焊接而成，因此，承載架的承載力高、剛度大、整體穩(wěn)定性好，可保證實(shí)驗(yàn)的安全。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明側(cè)壓室與上壓頭連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明巷道模型徑向傳感器布置示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明承載架部件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明模具結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖6為側(cè)壓室底座結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0038]如附圖1所示，該模擬巷道圍巖塑性區(qū)的三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括承載架1、側(cè)壓室2、液壓系統(tǒng)3、多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)4、軸向加載缸5、傳力軸6、軸壓傳感器7、上壓頭8;
[0039]如附圖2和附圖3所示，側(cè)壓室2包括殼體9、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0、側(cè)壓室底座11，殼體9嵌入側(cè)壓室底座11上的側(cè)壓室腳槽12并與側(cè)壓室底座11的螺柱13連接，在殼體9與側(cè)壓室腳槽12之間還連接有密封橡膠墊14;實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?內(nèi)含貫穿實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的巷道模型15，在沿巷道模型15的徑向由巷道模型15的中心向外呈發(fā)射狀分布有微型高精多點(diǎn)位移傳感器16，在巷道模型15的兩端、緊貼實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0的前后壁的外側(cè)連接有過渡板17，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0的上端面、下端面均連接有高強(qiáng)柔性橡膠層18，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0的下端面的高強(qiáng)柔性橡膠層18與側(cè)壓室底座11的下壓頭19連接，殼體9頂部設(shè)置有排氣閥20。
[0040]如附圖1和附圖2所示，軸向加載缸5與支撐架I連接，軸向加載缸5下端連接傳力軸6，在傳力軸6下端面與軸壓傳感器7連接，軸壓傳感器7與上壓頭8的上端面加載連接，上壓頭8穿過側(cè)壓室2的殼體9的頂部的中心通孔21、其底部與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0上端面的高強(qiáng)柔性橡膠層18連接，在上壓頭8與側(cè)壓室2的殼體9的頂部的中心通孔21之間還連接有密封圈22，在上壓頭8與下壓頭19之間還連接有包圍實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0的隔離橡膠膜23，液壓系統(tǒng)3分別與軸向加載缸5和側(cè)壓室2的注油管孔24和回油管孔25連接，多點(diǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)4通過數(shù)據(jù)線穿過側(cè)壓室底座11的過線孔26與微型高精多點(diǎn)位移傳感器16連接。上述技術(shù)方案，能夠成功地模擬巷道圍巖塑性區(qū)的演化過程，能完成塑性區(qū)形態(tài)分布的描繪及形成與發(fā)展規(guī)律的分析;實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的三向完全均勻柔性加載，確保可靠的受力邊界，模擬的型巷道圍巖破裂真實(shí)度更高，所得數(shù)據(jù)更可靠;軸壓與側(cè)壓能調(diào)節(jié)，并能提供較大載荷加載，不僅能夠模擬淺部巷道圍巖的常規(guī)應(yīng)力場(chǎng)，而且能夠模擬深部巷道圍巖的高偏應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境;能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖位移的實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)更全面和真實(shí)。
[0041]更為具體的，如附圖3所示，在沿巷道模型15的徑向呈發(fā)射狀分布的微型高精多點(diǎn)位移傳感器16在巷道模型15的徑向上等距離分布，有助于精確測(cè)量和采集實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0的巷道模型15沿徑向的位移變化，使模擬礦井巷道圍巖塑性區(qū)的變化更真實(shí)。附圖4所示，承載架I包括上承載臺(tái)27、特制螺母28、承載柱29、柱底墊板30，承載柱29上端用特制螺母28與上承載臺(tái)27連接，承載柱29下端與柱底墊板30連接，在將柱底墊板30與地面預(yù)制地腳螺栓