一种用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统及实验方法

摘要

本发明公开了一种用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统及实验方法，其轴向加载缸分别与支撑架和传力轴连接，传力轴下端面与轴压传感器连接，上压头穿过侧压室的壳体的顶部的中心通孔、其底部与实验模型上端面连接，顶部与轴压传感器连接，在上压头与侧压室的通孔之间还连接有密封圈，在上压头与下压头之间还连接有包围实验模型的隔离橡胶膜，液压系统分别与轴向加载缸和侧压室连接，多点位移测量系统通过数据实验模型内微型高精多点位移传感器连接。本发明加载更均匀、荷载集度高、满足三维条件下深部高应力环境尤其是高偏应力场的模型实验；能进行数据的实时采集、测量精度高，能有效准确地测量和模拟巷道围岩塑性区的分布特征与分布规律。

说明书

技术领域

本发明涉及井巷道工程围岩变形及稳定性控制领域，特别涉及一种用于模 拟巷道围岩塑性区的三维实验系统及实验方法。

背景技术

随着国民经济的迅速发展及能源需求量的不断增加，深部矿井巷道工程的 规模和数量在日益增大，据有关资料统计表明，我国每年新掘开采深度在 600-800m以下的巷道总长度超过了1000km。而由于受深部复杂的地质力学环境、 巷道围岩自身的赋存状态及外部采掘活动等因素的强烈影响，绝大部分巷道围 岩均出现了深部非线性大变形破坏现象甚至是非线性突变灾害事故，如溃帮、 大幅底鼓、顶板垮冒等，这不但影响了巷道的正常服务，也严重威胁到矿山企 业的安全生产。因此，深部矿井巷道围岩的控制问题十分突出，其破坏机理及 支护对策一直是岩石力学和采矿工作者们亟待破解的科学难题。

相关理论研究及工程实践表明，深部巷道围岩的大变形破坏与失稳是围岩 塑性区形成、发展及边界蠕变扩张的结果，塑性区的形态、范围决定了巷道破 坏的模式和程度，因此，研究巷道围岩塑性区的形态分布及其扩张规律正是突 破深部巷道围岩控制难题的有效途径。目前，关于巷道围岩塑性区的研究成果 主要集中在弹塑性理论解析、数值模拟分析方面，初步得到了塑性区的分布特 征与分布规律。但是，现有技术中有关塑性区分布的室内模型实验研究仍然严 重缺乏，这主要是因为当前的巷道模型实验系统存在诸多缺陷，不能较好地满 足实验需求，表现为：一是模型加载不均匀，受力边界不能满足实际条件。现 有的巷道模型实验系统基本上采用液压油缸的刚性加载方式，油缸加载需要分 级传递，而各个油缸的性能差异及其传力机构的区别容易导致模型不能完全均 匀受载，同时，油缸加载板与模型边界的变形不协调,往往造成室内模型实验无 法满足实际的边界条件。二是模型实验系统所能提供的荷载集度偏小，不能进 行三维条件下深部高应力环境尤其是高偏应力场的模型实验。三是模型实验全 过程缺乏先进的高精度变形监测系统进行实时量测，而采用常规的模型实验位 移、应变测量仪器获取的监测结果通常并不理想，得不到巷道围岩塑性区的分 布特征与分布规律。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种加载均匀、荷载集中度高、高精度变 形实时监测的用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统及实验方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为该模拟巷道围岩塑性区的三 维实验系统包括承载架、侧压室、液压系统、多点位移测量系统、轴向加载缸、 传力轴、轴压传感器、上压头；

其中侧压室包括壳体、实验模型、侧压室底座，壳体嵌入侧压室底座上的 侧压室脚槽并与侧压室底座的螺柱连接，在壳体与侧压室脚槽之间还连接有密 封橡胶垫；实验模型内含贯穿实验模型的巷道模型，在沿巷道模型的径向由巷 道模型的中心向外呈发射状分布有微型高精多点位移传感器，在巷道模型的两 端、紧贴实验模型的前后壁的外侧连接有过渡板，实验模型的上端面、下端面 均连接有高强柔性橡胶层，实验模型的下端面的高强柔性橡胶层与侧压室底座 的下压头连接，壳体顶部设置有排气阀；

轴向加载缸与支撑架连接，轴向加载缸下端连接传力轴，在传力轴下端面 与轴压传感器连接，轴压传感器与上压头的上端面加载连接，上压头穿过侧压 室的壳体的顶部的中心通孔、其底部与实验模型上端面的高强柔性橡胶层连接， 在上压头与侧压室的壳体的顶部的中心通孔之间还连接有密封圈，在上压头与 下压头之间还连接有包围实验模型的隔离橡胶膜，液压系统分别与轴向加载缸 和侧压室的注油管孔和回油管孔连接，多点位移测量系统通过数据线穿过侧压 室底座的过线孔与微型高精多点位移传感器连接。

进一步地，在沿巷道模型的径向呈发射状分布的微型高精多点位移传感器 在巷道模型的径向上等距离分布。

进一步地，承载架包括上承载台、特制螺母、承载柱、柱底垫板，承载柱 上端用特制螺母与上承载台连接，承载柱下端与柱底垫板连接。

进一步地，液压系统包括液压控制台和供油系统，液压控制台包括侧压室 围压控制区、轴压控制区、参数设置和显示区，供油系统包括电机、液压泵、 多路阀、油箱、压力传感器，液压控制台分别与多路阀、电机、压力传感器电 性连接，液压泵分别与电机、油箱、多路阀连接。

进一步地，多点位移测量系统包括信号接收模块、信号转换模块、数据分 析模块，信号接收模块、信号转换模块、数据分析模块依次电性连接。

进一步地，密封圈为中空的锥形体，中空的内径与上压头的圆柱杆外径相 同。

进一步地，隔离橡胶膜为两端开口的方筒型，其内腔尺寸与实验模型外形 相一致，高度大于实验模型的高度。

进一步地，轴向加载缸为特大压力油缸，其最大载荷为1000t。

进一步地，过渡板为方形薄钢板，其长、宽尺寸为所述巷道模型直径的1.5～ 2倍。

该模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统的实验方法包括：

制模、组建系统、加载、数据采集、卸载、采集图像和绘制围岩塑性区分 布图等步骤，

1)制模：组装模具、制造实验模型；

2)组建系统：将实验模型、侧压室、支撑架、液压系统、多点位移测量 系统、轴向加载缸、传力轴、轴压传感器、上压头连接组建试验系统；

3)加载：启动液压系统向侧压室内实验模型的纵向、侧向加载；

4)数据采集：通过多点位移测量系统实现对实验模型的实时数据采集；

5)卸载：卸载液压载荷、拆解实验系统；

6)采集图像：剖切实验模型，采集围岩裂隙分布图像；

7)绘制围岩塑性区分布图：绘制各时刻、各测量点的位移场。

采用上述技术方案，由于使用了侧压室、液压系统、多点位移测量系统、 实验模型等技术特征，使得本发明与现有技术相比较，模型加载更均匀，受力 边界能满足实际条件；能提供较高的荷载集度，能进行三维条件下深部高应力 环境尤其是高偏应力场的模型实验；能对三维模型试验进行数据的实时采集、 测量精度达到微米级别，能有效准确地测量和模拟巷道围岩塑性区的分布特征 与分布规律。本发明具有以下有益效果：

(1)能够成功地模拟巷道围岩塑性区的演化过程，能完成塑性区形态分布 的描绘及形成与发展规律的分析；

(2)通过嵌有高强柔性橡胶层的上、下压头及大型钢制三轴侧压室，实现 了对模型的三向完全均匀柔性加载，确保可靠的受力边界，模拟的型巷道围岩 破裂真实度更高，所得数据更可靠；

(3)模拟的三向应力环境，轴压与侧压能调节，并均可达到很高的压力值， 故不仅能够模拟浅部巷道围岩的常规应力场，而且能够模拟深部巷道围岩的高 偏应力场环境；

(4)采用了先进的光纤高精多点位移量测系统对模型实验进行动态监测， 得到的数据更为全面、真实；

(5)承载柱为钢管高强混凝土柱，上承载台采用多层正交肋板焊接而成， 因此，承载架的承载力高、刚度大、整体稳定性好，可保证实验的安全。

附图说明

图1为本发明主体结构示意图；

图2为本发明侧压室与上压头连接结构示意图；

图3为本发明巷道模型径向传感器布置示意图；

图4为本发明承载架部件结构示意图；

图5为本发明模具结构示意图；

图6为侧压室底座结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是， 对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。 此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未 构成冲突就可以相互组合。

如附图1所示，该模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统包括承载架1、侧压 室2、液压系统3、多点位移测量系统4、轴向加载缸5、传力轴6、轴压传感器 7、上压头8；

如附图2和附图3所示，侧压室2包括壳体9、实验模型10、侧压室底座 11，壳体9嵌入侧压室底座11上的侧压室脚槽12并与侧压室底座11的螺柱13 连接，在壳体9与侧压室脚槽12之间还连接有密封橡胶垫14；实验模型10内 含贯穿实验模型10的巷道模型15，在沿巷道模型15的径向由巷道模型15的中 心向外呈发射状分布有微型高精多点位移传感器16，在巷道模型15的两端、 紧贴实验模型10的前后壁的外侧连接有过渡板17，实验模型10的上端面、下 端面均连接有高强柔性橡胶层18，实验模型10的下端面的高强柔性橡胶层18 与侧压室底座11的下压头19连接，壳体9顶部设置有排气阀20。

如附图1和附图2所示，轴向加载缸5与支撑架1连接，轴向加载缸5下 端连接传力轴6，在传力轴6下端面与轴压传感器7连接，轴压传感器7与上压 头8的上端面加载连接，上压头8穿过侧压室2的壳体9的顶部的中心通孔21、 其底部与实验模型10上端面的高强柔性橡胶层18连接，在上压头8与侧压室2 的壳体9的顶部的中心通孔21之间还连接有密封圈22，在上压头8与下压头 19之间还连接有包围实验模型10的隔离橡胶膜23，液压系统3分别与轴向加 载缸5和侧压室2的注油管孔24和回油管孔25连接，多点位移测量系统4通 过数据线穿过侧压室底座11的过线孔26与微型高精多点位移传感器16连接。 上述技术方案，能够成功地模拟巷道围岩塑性区的演化过程，能完成塑性区形 态分布的描绘及形成与发展规律的分析；实现了对模型的三向完全均匀柔性加 载，确保可靠的受力边界，模拟的型巷道围岩破裂真实度更高，所得数据更可 靠；轴压与侧压能调节，并能提供较大载荷加载，不仅能够模拟浅部巷道围岩 的常规应力场，而且能够模拟深部巷道围岩的高偏应力场环境；能实现对巷道 围岩位移的实时测量，数据更全面和真实。

更为具体的，如附图3所示，在沿巷道模型15的径向呈发射状分布的微型 高精多点位移传感器16在巷道模型15的径向上等距离分布，有助于精确测量 和采集实验模型10的巷道模型15沿径向的位移变化，使模拟矿井巷道围岩塑 性区的变化更真实。附图4所示，承载架1包括上承载台27、特制螺母28、承 载柱29、柱底垫板30，承载柱29上端用特制螺母28与上承载台27连接，承 载柱29下端与柱底垫板30连接，在将柱底垫板30与地面预制地脚螺栓连接， 将支撑架1牢固地固定在地面上，为模拟加载提供足够的强度，确保试验的可 靠性和安全性。如附图1所示，液压系统3包括液压控制台31和供油系统32， 液压控制台31包括侧压室围压控制区、轴压控制区、参数设置和显示区，供油 系统32包括电机、液压泵、多路阀、油箱、压力传感器，液压控制台分别与多 路阀、电机、压力传感器电性连接，液压泵分别与电机、油箱、多路阀连接。 该液压系统能提供足够的加载载荷，使实验模型10对深部矿井巷道围岩塑性区 的模拟更接近真实值。多点位移测量系统4包括信号接收模块、信号转换模块、 数据分析模块，信号接收模块、信号转换模块、数据分析模块依次电性连接， 该多点位移测量系统4能将沿巷道模型15的径向呈发射状分布的微型高精多点 位移传感器16采集的位移信号进行有效采集、接受、转换和分析。如附图2所 示，密封圈22为中空的锥形体，中空的内径与上压头8的圆柱杆外径相同，密 封圈22采用特种高强度橡胶制造，其强度高，密封效果好。隔离橡胶膜23为 两端开口的方筒型，其内腔尺寸与实验模型10外形相一致，高度大于实验模型 10的高度，能有效将试验模型10与液压油隔离，同时对过渡板17进行有效固 定，使过渡板17将油压传递给所述巷道模型15的周边，确保实验模拟更真实。 轴向加载缸5为特大压力油缸，其最大载荷为1000t，能有效模拟深度巷道模型 15所承载的载荷，使实验数据更接近真实值，提高实验的有效性。过渡板17为 方形薄钢板，其长、宽尺寸为所述巷道模型15直径的1.5～2倍，本案中选择2 倍，使其所承载的油压能有效传递给所述巷道模型15的周边。

该模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统的实验方法包括以下步骤：

制模、组建系统、加载、数据采集、卸载、采集图像和绘制围岩塑性区分 布图等步骤。

1)制模：组装模具、制造实验模型

具体地，如附图5和附图6所示，将模具33的主模板34安装到下压头19 的基座35相应的位置，上好底部所有的螺栓，然后将次模板36对接到主模板 34翼缘的一侧，拧紧侧面及底部的螺栓固定好。以模具33的中间柱体37为中 心，在指定监测断面沿柱体37的径向按照等间距辐射预先确定监测器件的位置， 然后安设固定好微型高精多点位移传感器16；配置好模拟巷道模型15的材料， 并将配置好的材料分层浇筑入模具33，用小型震动设备振捣密实，充填至模具 33的上表面后，用抹灰板将表面抹平整、光滑，制造实验模型。

2)组建系统：将实验模型、侧压室、支撑架、液压系统、多点位移测量系 统、轴向加载缸、传力轴、轴压传感器、上压头连接组建试验系统

待预制的实验模型10养护到设计强度的龄期后，拆除模具33；将过渡板 17粘贴至巷道模型15在隔离橡胶膜23内侧所对应的位置，接着打开隔离橡胶 膜23从上往下套入实验模型10，用约束铁丝把隔离橡胶膜23的底端捆绑在下 压头19上。将上压头8准确安放至实验模型10的上表面，再用约束铁丝把隔 离橡胶膜23的上端捆绑在上压头8上；将侧压室2的壳体9吊起，壳体9的顶 部的中心通孔21对准上压头8，并缓慢地下降，直至侧压室2的壳体9四周底 角完全进入侧压室脚槽12中，然后安装密封圈22，用螺栓将侧压室2的壳体9 安装在侧压室底座11的螺柱13；将侧压室2的实验模型10的微型高精多点位 移传感器16的信号输出线从侧压室底座11的过线孔26引出与与多点位移测量 系统4连接；将侧压室2的注油管孔24和回油管孔25，以及轴向加载缸5与液 压系统3连接，完成实验系统的组建连接。

3)加载：启动液压系统向侧压室内实验模型的纵向、侧向加载

对液压控制台31上电，操作液压控制台31启动供油系统32向轴向加载缸 5供油施压，使轴向加载缸5带动传力轴6和轴压传感器7缓慢接触上压头8， 接触时轴向荷载测量值显示2～4KN，停止加载；打开侧压室2的壳体9顶部的 排气阀20，启动供油系统32向侧压室2供油，当排气阀20有油液溢出后，停 止供油系统32的运行，完成实验系统的加载。

4)数据采集：通过多点位移测量系统实现对实验模型的实时数据采集

启动液压系统3的液压控制台31的计算机加载控制程序，根据巷道模型实 验的设计方案，设定轴向载荷、侧向压力的目标值以及加载速率等参数，开始 对实验模型10进行加载并实时记录实验数据。

5)卸载：卸载液压载荷、拆解实验系统

打开侧压室2的壳体9顶部的排气阀20，通过操作液压系统3的液压控制 台31，在液压系统的电机、液压泵、多路阀的作用下卸载侧压室2和轴向加载 缸5的液压油，并使传力轴6向上提升一定的高度，移除侧压室2及上压头8， 旋开侧压室2的壳体9固定螺母，将侧压室2的壳体9及上压头8转移至其他 位置，卸下隔离橡胶膜23；卸载液压载荷、拆解实验系统。

6)采集图像：剖切实验模型，采集围岩裂隙分布图像

选取实验模型10上2-3个研究断面，分别从断面处将实验后的实验模型10 切开，用高清数字相机采集剖切口巷道围岩的数字图像。

7)绘制围岩塑性区分布图：绘制各时刻、各测量点的位移场

将多点位移测量系统4所采集的监测数据进行汇总处理，选取实验全过程 的若干典型时刻t1、t2、t3…tn,然后在实验模型10辐射状测点布置图上分别 绘制出各个时刻t1、t2、t3…tn各测点的等位移场，依据相似材料的力学参数， 判断围岩塑性位移的范围，确定各时刻巷道围岩塑性区的形状及分布大小，进 而分析塑性区的形成、发展演化规律。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述 的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况 下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护 范围内。