一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置及加载方法

摘要

一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置及加载方法，适用于井巷工程中检测巷道表面浆体喷射整体效果领域。通过浆体浇灌口进行浆体的浇筑作业，在模型巷道成型后，通过液压千斤顶输出原岩的垂直应力与水平应力，对巷道施加原应力，在施加的力达到初始值后随即进行浆体加固，在浆体施加后再通过水平应力与垂直应力的共同作用，对模型巷道进行各项参数的波动性研究，通过内部设定的监测装置，实现模型巷道内部与表面喷浆体力学性能的参数波动变化监测。对于研究不同巷道表面喷射材料对具有不同原岩应力的不同岩性条件下开挖巷道的支护作用的整体性具有指导作用，对于巷道整体性变化和喷射浆体材料的整体性研究具有积极地推动作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置及加载方法，尤其是适用于浆体支护工程对支护效果监测研究的应用。

背景技术

在进行浆体技术对巷道支护的实施后，仅仅根据浆体材料的各种参数进行指导现场施工，无法真正体现浆体材料在巷道支护现场的真实各项力学性质。通过一种模拟现场开挖巷道的形式，进行浆体材料的支护研究，即增加了浆体材料监测的整体性，也可以通过浆体材料之间的相互作用，将会更加真实的反映浆体材料工作状态的各项性能，进行巷道的浆体支护材料的性能监测，对于指导类似现场的施工，具有积极的应用作用。

现有技术通过制取试件，在试件的表面喷涂浆体材料，然后通过模拟应力加载的模式，能够简单监测浆体材料的局部性质，但是无法完全体现浆体材料的整体性。仅仅由试件喷涂浆体材料后，由于试件的局限性，无法直接观测到浆体材料现场工作状态的力学性能及破坏形态。通过整体性的研究，才能更好的监测浆体材料的相互之间的支护性能，对于现场施工具有巨大的参考意义。

在快速掘进技术的大力推广的形式下，相配套的支护技术也成为推进快速掘进技术发展的关键技术。浆体支护技术在特定的地质条件下的应用将取决于施工人员对于浆体材料支护效果的掌握，因此目前尚缺少一种能够模拟现场开挖巷道，监测浆体支护效果整体性的装置及其操作方法。无法反映现场工作状态浆体材料支护技术的各项技术参数，将严重限制施工人员对浆体支护性质的了解，阻碍了浆体支护技术的发展。

发明内容

技术问题：针对上述技术问题，提供一种结构简单，使用效果好，检测效果好的巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置及加载方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明一的种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置，包括加压装置、加载块体部分和半圆拱巷道模具，加载块体部分两侧分别设有加载挡板，所述加压装置包括两组并排设置在基座两侧的液压立柱，每组液压立柱之间通过连接梁结成一体，每组液压立柱中两两对应设置的每组液压立柱之间设有多根横梁，所述没根横梁下方均设有两支垂直液压千斤顶，每根液压立柱上均对内横向设置有两支水平液压千斤顶；

所述半圆拱巷道模具内设有巷道模型，半圆拱巷道模具包括内外两部分，其中内侧夹持挡板设置在内部，内侧夹持挡板外侧设有左右两部分构成的拱形模具中部夹持挡板，模具中部夹持挡板外侧设有多个对称设置的加固用的固定钢板，模具中部夹持挡板两端分别设有模具端部夹持挡板，最终构成模具外侧夹持挡板与内侧夹持挡板结构匹配，外侧夹持挡板与内侧夹持挡板两端分别设有U字型结构的模具端部挡板，模具端部挡板通过螺钉与模具外侧夹持挡板与内侧夹持挡板固定连接，所述两块模具中部夹持挡板之间留有间隙；

所述加载块体部分共有六组，每组的加载块体部分数量根据实际需要决定，并均与加压装置相连接，六组加载块体部分组合后内部与半圆拱巷道模具内的巷道模型外部匹配，六组加载块体部分组合后外部为矩形结构，其中设置在巷道模型上方的两组加载块体部分之间留有浆体浇灌口，半圆拱巷道上方的两组加载块体部分与加压装置的横梁上的垂直液压千斤顶相互连接，所述半圆拱巷道模具两侧分别设有的两组加载块体部分并与液压立柱上的水平液压千斤顶相连接。

所述加载块体部分外部为矩形结构，内部为与半圆拱巷道模具生成的巷道模型外部结构相匹配的拱形结构，加载块体部分为对半圆拱巷道直接施加力的部分；所述加载挡板利用螺栓固定在加压装置，有效防止施加力的过程中半圆拱巷道突然破坏产生崩裂而产生的溅射，加载挡板上设有四条锲形结构的加载垫块，所述加载垫块位于加载块体部分之间的缝隙处，从而有效减小加载块体部分之间发生挤压碰撞的损伤。

模具端部夹持挡板和模具中部夹持挡板的高度范围为0.5m～2.5m，宽度范围为1m～3m，同时相配套的模具端部挡板的高度范围为0.5m～2.5m，固定钢板的宽度为0.3m～1m。

模具端部夹持挡板和模具中部夹持挡板通过固定钢板进行衔接，共同形成模具的外侧直墙半圆拱的挡板部分，并形成可以自稳整体。模具前端挡板与模具端部夹持挡板通过螺纹紧固，将外侧直墙半圆拱的挡板部分与内侧直墙半圆拱的挡板部分，整体紧固形成整体，作为巷道的形成模具，具有夹持和自稳的特征。

通过水平液压千斤顶与垂直液压千斤顶的伸缩，调整加载块体部分的位置，可以提供相对应的水平应力和垂直应力，模拟现场的原岩应力对巷道的直接作用。

一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载方法，其步骤如下：

利用水平液压千斤顶与垂直液压千斤顶的伸缩，调整加载块体部分，为放置半圆拱巷道模具留出足够的空间；

将半圆拱巷道模具的模具中部夹持挡板与模具端部夹持挡板依次摆放，模具中部夹持挡板外侧使用固定钢板依次将夹持挡板紧密固定成一体；

按照巷道本体结构，将内侧夹持挡板埋放至固定位置形成半圆拱巷道模具；

通过浆体浇灌口，依次将石块和水泥浆注入半圆拱巷道模具内，或者将事先根据巷道岩层性质按照一定比例配好的水泥沙浆，通过浆体浇灌口依次注入半圆拱巷道模具内部；

待半圆拱巷道模具内部的注入材料凝固至满足现场要求，达到模拟要求的强度，依次拆除固定钢板、模具端部夹持挡板和模具中部夹持挡板获得巷道模型；

通过水平液压千斤顶与垂直液压千斤顶使加载块体部分向已经成型的巷道模型加压，同时调整加载块体部分的位置，至加载块体部分与半圆拱巷道表面接触，通过开启水平液压千斤顶和垂直液压千斤顶带动加载块体部分随后逐步向巷道模型施加水平应力和垂直应力，使巷道模型发生损伤或破坏从而模拟的原岩应力状态；

观察巷道模型的损坏情况，从而获取巷道在水平应力和垂直应力的形变信息。

在开启水平液压千斤顶和垂直液压千斤顶向巷道模型加载水平应力和垂直应力前，根据需要在巷道模型内侧喷镀浆体材料，待喷涂的浆体材料凝固到指定的时间或硬度条件后，开启水平液压千斤顶和垂直液压千斤顶向巷道模型加载水平应力和垂直应力，逐步施加水平应力和垂直应力至巷道表面产生明显裂隙或巷道大面积损坏为止，随即获得喷涂浆体材料对巷道断面破坏的影响效果，从侧面检测浆体材料的喷涂效果与材料性质，从而测试喷涂不同浆体材料对于巷道断面破坏的影响效果。

所述喷涂材料为水泥，水泥-聚氨脂复合涂层，水泥-环氧树脂复合涂层，水泥-聚丙烯酸脂复合涂层，或快速薄喷kbfh-ii系列复合材料。

有益效果：

本发明模拟直墙半圆拱巷道在水平原岩应力与垂直原岩应力的共同作用下，更直观监测巷道的片帮损伤和破坏结构；在巷道模型内侧喷射浆体材料后，跟据巷道模型模拟受原岩应力的破坏程度，整体性监测浆体材料对巷道的支护效果；巷道模型成型的性质参数可根据具体需要使用不同材料的配比，进行不同巷道围岩性质的性质特征监测；利用水平液压缸和垂直液压缸的伸缩作用，可以模拟不同的原岩应力的作用，监测不同原岩应力条件下的巷道变形破坏，进一步监测浆体材料在不同原岩应力条件下的支护效果。

附图说明

图1是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的外观布局示意图；

图2是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的整体结构示意图；

图3是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的A-A剖面图；

图4是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的加载挡板示意图；

图5是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的加载垫块示意图；

图6是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具端部挡板示意图；

图7是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具外侧夹持挡板示意图；

图8是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具端部夹持挡板示意图；

图9是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具中部夹持挡板示意图；

图10是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的内外测夹持部分组合结构示意图；

图11是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具夹持部分啮合示意图；

图12是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的固定钢板示意图；

图13是本发明的直墙半圆拱巷道加载装置的模具夹持部分整体示意图。

图中：1-液压立柱，2-水平液压千斤顶，3-垂直液压千斤顶，4-加载块体部分，5-加载挡板，6-加载垫块，7-横梁，8-模具端部挡板，8-1-螺钉，8-2-螺纹，9-浆体浇灌口，10-半圆拱巷道，11-模具端部夹持挡板，12-模具中部夹持挡板，13-内侧夹持挡板，14-固定钢板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施操作进行详细描述：

如图1和图2所示，本发明的一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载装置，其特征在于：它包括加压装置、加载块体部分4和半圆拱巷道模具10，加载块体部分4两侧分别设有加载挡板5，所述加压装置包括两组并排设置在基座两侧的液压立柱1，每组液压立柱1之间通过连接梁结成一体，如图3所示，每组液压立柱1中两两对应设置的每组液压立柱1之间设有多根横梁7，所述没根横梁7下方均设有两支垂直液压千斤顶3，每根液压立柱1上均对内横向设置有两支水平液压千斤顶2；通过水平液压千斤顶2与垂直液压千斤顶3的伸缩，调整加载块体部分4的位置，可以提供相对应的水平应力和垂直应力，模拟现场的原岩应力对巷道的直接作用；

所述半圆拱巷道模具10内设有巷道模型，半圆拱巷道模具10包括内外两部分，其中内侧夹持挡板13设置在内部，内侧夹持挡板13外侧设有左右两部分构成的拱形模具中部夹持挡板12，模具中部夹持挡板12外侧设有多个对称设置的加固用的固定钢板14，模具中部夹持挡板12两端分别设有模具端部夹持挡板11，最终构成模具外侧夹持挡板与内侧夹持挡板13结构匹配，外侧夹持挡板与内侧夹持挡板13两端分别设有U字型结构的模具端部挡板8，模具端部挡板8通过螺钉与模具外侧夹持挡板与内侧夹持挡板13固定连接，所述两块模具中部夹持挡板12之间留有间隙；模具端部夹持挡板11和模具中部夹持挡板12的高度范围为0.5m～2.5m，宽度范围为1m～3m，同时相配套的模具端部挡板的高度范围为0.5m～2.5m，固定钢板14的宽度为0.3m～1m；模具端部夹持挡板11和模具中部夹持挡板12通过固定钢板14进行衔接，共同形成模具的外侧直墙半圆拱的挡板部分，并形成可以自稳整体。如图6、图7图8所示、图9和图10所示，模具前端挡板8与模具端部夹持挡板11通过螺丝8-1和螺纹8-2紧固，如图11、图12所示，将外侧直墙半圆拱的挡板部分与内侧直墙半圆拱的挡板部分13，整体紧固形成整体，作为巷道的形成模具，具有夹持和自稳的特征；

如图13所示，所述加载块体部分4共有六组，每组的加载块体部分4数量根据实际需要决定，并均与加压装置相连接，六组加载块体部分4组合后内部与半圆拱巷道模具10内的巷道模型外部匹配，六组加载块体部分4组合后外部为矩形结构，其中设置在巷道模型上方的两组加载块体部分4之间留有浆体浇灌口9，半圆拱巷道10上方的两组加载块体部分4与加压装置的横梁7上的垂直液压千斤顶3相互连接，所述半圆拱巷道模具10两侧分别设有的两组加载块体部分4并与液压立柱1上的水平液压千斤顶2相连接；所述加载块体部分4外部为矩形结构，内部为与半圆拱巷道模具10生成的巷道模型外部结构相匹配的拱形结构，加载块体部分4为对半圆拱巷道直接施加力的部分；所述加载挡板5利用螺栓固定在加压装置，有效防止施加力的过程中半圆拱巷道突然破坏产生崩裂而产生的溅射，如图4和图5所示，加载挡板5上设有四条锲形结构的加载垫块6，所述加载垫块6位于加载块体部分4之间的缝隙处，从而有效减小加载块体部分4之间发生挤压碰撞的损伤。

一种巷道表面喷浆体力学效果测试的直墙半圆拱巷道加载方法，其步骤如下：

利用水平液压千斤顶2与垂直液压千斤顶3的伸缩，调整加载块体部分4，为放置半圆拱巷道模具10留出足够的空间；

将半圆拱巷道模具10的模具中部夹持挡板11与模具端部夹持挡板8依次摆放，并利用螺钉8-1和螺纹8-2固定，模具中部夹持挡板11外侧使用固定钢板14依次将夹持挡板紧密固定成一体；

按照巷道本体结构，将内侧夹持挡板13埋放至固定位置形成半圆拱巷道模具10；

通过浆体浇灌口9，依次将石块和水泥浆注入半圆拱巷道模具10内，或者将事先根据巷道岩层性质按照一定比例配好的水泥沙浆，通过浆体浇灌口9依次注入半圆拱巷道模具10内部；

待半圆拱巷道模具10内部的注入材料凝固至满足现场要求，达到模拟要求的强度，依次拆除固定钢板14、模具端部夹持挡板8和模具中部夹持挡板11获得巷道模型；

通过水平液压千斤顶2与垂直液压千斤顶3使加载块体部分4向已经成型的巷道模型加压，同时调整加载块体部分4的位置，至加载块体部分4与半圆拱巷道表面接触，通过开启水平液压千斤顶2和垂直液压千斤顶3带动加载块体部分随后逐步向巷道模型施加水平应力和垂直应力，使巷道模型发生损伤或破坏从而模拟的原岩应力状态；

观察巷道模型的损坏情况，从而获取巷道在水平应力和垂直应力的形变信息。

在开启水平液压千斤顶2和垂直液压千斤顶3向巷道模型加载水平应力和垂直应力前，根据需要在巷道模型内侧喷镀浆体材料，待喷涂的浆体材料凝固到指定的时间或硬度条件后，开启水平液压千斤顶2和垂直液压千斤顶3向巷道模型加载水平应力和垂直应力，逐步施加水平应力和垂直应力至巷道表面产生明显裂隙或巷道大面积损坏为止，随即获得喷涂浆体材料对巷道断面破坏的影响效果，从侧面检测浆体材料的喷涂效果与材料性质，从而测试喷涂不同浆体材料对于巷道断面破坏的影响效果。所述喷涂材料为水泥、水泥-聚氨脂复合涂层，水泥-环氧树脂复合涂层，水泥-聚丙烯酸脂复合涂层，以及快速薄喷kbfh-ii系列复合材料。