巷道相似模擬平面應變試驗臺的製作方法

2023-10-08 17:14:14

本實用新型涉及一種平面應變試驗臺，特別是一種巷道相似模擬平面應變試驗臺，用於進行巷道圍巖變形破壞的模擬試驗。

背景技術：

研究高地應力巷道圍巖的變形破壞特徵及過程對煤礦現場實際巷道圍巖控制有著重要的意義。通過相似材料平面應變相似模擬試驗研究，在一定程度上模擬現場圍巖性質、開挖次序、原始地應力狀態及邊界條件，通過有效的位移和應力、應變測試手段，對比分析不同支護形式下巷道圍巖破壞的全過程，對控制巷道圍巖變形破壞可提供一定的參考。

目前，國內採用進行相似材料模擬的設備主要有平面應力試驗臺和三維地質力學試驗臺。對於平面應力試驗臺，其不如平面應變試驗臺更接近煤礦現場實際。現有三維地質力學試驗臺一般用於採場模擬時設計尺寸相對較大，如果用於巷道破壞特徵模擬建模，費工、費時、費料。另外，由於相似材料建模後一般需要風乾，採用大尺寸試驗颱風幹時間過長，有的甚至可達數月，致使模擬一次巷道變形破壞試驗耗時巨大。同時，現有平面應力試驗臺和三維地質力學試驗臺大多是採用千斤頂或槓桿加壓，模型結構複雜，試驗架體靈活性較差，加載困難並能力有限，裝載方式單一，一般不便於裝載傾斜煤層或設置內部構造。以上為現有技術的不足。

技術實現要素：

本實用新型的目的是：提供一種巷道相似模擬平面應變試驗臺，該試驗臺結構簡單，成本低廉，加工簡單，操作簡便，加載方便，加載能力大，裝載方式靈活，透視性好，易於觀測，相似材料風乾時間短，試驗速度快，用以克服現有技術的不足。

本實用新型的目的可以通過下述技術方案來實現：

本巷道相似模擬平面應變試驗臺，包括試驗臺主體架和壓力盒，其特徵是：還包括2套氣體增壓系統，所述試驗臺主體架包括有底座、底梁、左側梁、右側梁，前擋板、後擋板、頂梁、多條前加強筋、多條後加強筋、有機玻璃板和3個氣囊，底座固定在底梁的底部，在底梁上的左、右兩側位置，分別固定有左側梁和右側梁，左側梁及右側梁的前側面、後側面分別用螺栓連接前擋板和後擋板，前擋板和後擋板的下端分別與底梁相接觸，前擋板的中間開有窗口，多條前加強筋橫向間隔設置在前擋板上，且最上方和最下方2條前加強筋分別對應於前擋板中間窗口的上沿和下沿，多條後加強筋橫向間隔設置在後擋板上，有機玻璃板上有凸起部，有機玻璃板通過其凸起部嵌入到前擋板中間的窗口中，有機玻璃板的四邊與前擋板通過螺栓固定連接，其中，有機玻璃板的上、下兩邊還分別與最上方和最下方2條前加強筋一起通過螺栓固定連接，在有機玻璃板上設置有開挖孔，在後擋板上對應於開挖孔處設置有多個送線孔，頂梁由螺栓固定在左側梁和右側梁的頂部，底梁、左側梁、右側梁、前擋板 和有機玻璃板、後擋板以及頂梁合圍構成試驗臺主體架內腔，試驗臺主體架內腔的兩側以及上方位置設有3個氣囊，相似材料模型裝於試驗臺主體架內腔裡，並位於3個氣囊和底梁之間的空間內，壓力盒埋於相似材料模型內部，壓力盒的電接線由多個送線孔引出，在左側梁、右側梁和頂梁上均設有一個通氣接管安裝孔，位於試驗臺主體架內腔兩側的氣囊通過通氣接管連接其中一套氣體增壓系統的出氣口，位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊通過通氣接管連接另一套氣體增壓系統的出氣口。

本實用新型所述試驗臺主體架還包括有兩個固定塊、左擋板和右擋板，兩個固定塊對應設置在左側梁和右側梁的內側上端位置，分別位於試驗臺主體架內腔兩側位置的2個氣囊上方，並且分別位於試驗臺主體架內腔上方位置的氣囊左、右兩側，兩個固定塊的下端面上靠外側均設有插槽I，在底梁上設有與兩固定塊下端面上的插槽I相對應的左、右兩個插槽II，當構築相似材料模型時，左擋板插裝在左側梁內側的固定塊下端面插槽I和底梁上左側的插槽II內，右擋板插裝在右側梁內側的固定塊下端面插槽I和底梁上右側的插槽II內。

本實用新型多個送線孔的圓心均布於同一虛擬圓的圓周上，虛擬圓的圓心與後擋板上開挖孔的圓心相對應。

本實用新型所述送線孔共有20個。

本實用新型所述虛擬圓的直徑為220mm，每個送線孔的直徑為10mm。

本實用新型的每套氣體增壓系統由氮氣增壓自動控制系統、驅動泵和無油空氣壓縮機組成，氮氣增壓自動控制系統的進氣口通過通氣接管連接驅動泵的出氣口，驅動泵的進氣口通過通氣接管連接無油空氣壓縮機的出氣口；位於試驗臺主體架內腔兩側的氣囊通過通氣接管連接其中一套氣體增壓系統氮氣增壓自動控制系統的出氣口，位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊通過通氣接管連接另一套氣體增壓系統氮氣增壓自動控制系統的出氣口。

本實用新型的前加強筋共有4個；後加強筋共有4個。

本實用新型的左側梁和右側梁均為槽鋼結構，左側梁和右側梁的槽口均背離試驗臺主體架內腔；底梁由槽口面向試驗臺主體架內腔的槽鋼和澆築在槽鋼槽內的水泥實體構成。

本實用新型的每個氣囊為扁平的長方體形狀氣囊，其四周側面為折頁面，其上、下面為平面，其上面上設有通氣接管接口。

本實用新型的每個氣囊其上、下面均由耐壓軟質橡膠材料製成，其四周側面折頁面均由厚度小於其上、下面所用材料厚度的耐壓軟質橡膠材料製成。

本實用新型的優點是：1)該巷道相似模擬平面應變試驗臺配合採用氣囊、氣體增壓裝置加載，可充分發揮氣囊均壓加載和各種軸向加載性能，進行如軸壓梯度加載，模擬不同埋深巷道的圍巖變形破壞特徵；也可穩壓進行巷道蠕變試驗，解決了常規相似模擬試驗中槓桿加載能力有限，千斤頂加載穩壓性能差的缺陷；左右兩側氣囊可對相似模擬材料的左右邊界進行圍壓限定，更加貼近實際模擬巷道的條件；2)該試驗臺在充氣時，每個氣囊14其上、下面可以均勻張開膨脹，極好地達到了均壓加載的要求；3)採用大比例尺平面應變模型進行巷 道模擬，能夠在加載足夠應力載荷的同時，有效地觀測巷道的圍巖變形破壞特徵和圍巖應力變化情況；試驗臺用料少，裝載過程中可採用立式和臥式兩種不同形式，裝載方式靈活，試驗臺可移動性好，大大縮短模型製作周期，並節省人力、物力；4)該試驗臺內裝的相似材料模型體積小，相似材料風乾時間短，保證了多個試驗對比組的合理時間調配，減少窩工時間；並且由於該試驗臺成本較低，加工簡單，因此可以製作多個相同試驗臺，加快試驗速度；5)由於採用有機玻璃進行透視，因此能有效保證位移及裂隙觀測的準確性。

總之，本實用新型結構簡單，成本低廉，加工簡單，操作簡便，加載方便，加載能力大，且極好地達到了均壓加載的要求，裝載方式靈活，透視性好，易於觀測，相似材料風乾時間短，節省人力、物力，試驗速度快，能夠模擬不同埋深巷道的圍巖變形破壞特徵，也可穩壓進行巷道蠕變試驗，是一種理想的巷道相似模擬平面應變試驗臺。

附圖說明

圖1是本實用新型的局部剖視整體結構示意圖；

圖2是試驗臺主體架的主視局部剖視結構示意圖；

圖3是試驗臺主體架的側視局部剖視結構示意圖；

圖4是試驗臺主體架的後視結構示意圖；

圖5是去掉有機玻璃板6、多條前加強筋10和多條後加強筋19後，試驗臺主體架的俯視結構示意圖；

圖6是試驗臺主體架氣囊的主視斷面結構示意圖。

具體實施方式

如圖1-6所示，本巷道相似模擬平面應變試驗臺，包括試驗臺主體架和壓力盒，其特徵是：還包括2套氣體增壓系統，所述試驗臺主體架包括有底座16、底梁1、左側梁2、右側梁3，前擋板4、後擋板5、頂梁15、多條前加強筋10、多條後加強筋19、有機玻璃板6和3個氣囊14，底座16固定在底梁1的底部，在底梁1上的左、右兩側位置，分別固定有左側梁2和右側梁3，左側梁2及右側梁3的前側面、後側面分別用螺栓連接前擋板4和後擋板5，前擋板4和後擋板5的下端分別與底梁1相接觸，前擋板4的中間開有窗口，多條前加強筋10橫向間隔設置在前擋板4上，且最上方和最下方2條前加強筋10分別對應於前擋板4中間窗口的上沿和下沿，多條後加強筋19橫向間隔設置在後擋板5上，有機玻璃板6上有凸起部11，有機玻璃板6通過其凸起部11嵌入到前擋板4中間的窗口中，有機玻璃板6的四邊與前擋板4通過螺栓固定連接，其中，有機玻璃板6的上、下兩邊還分別與最上方和最下方2條前加強筋10一起通過螺栓固定連接，在有機玻璃板6上設置有開挖孔7，在後擋板5上對應於開挖孔7處設置有多個送線孔8，頂梁15由螺栓固定在左側梁2和右側梁3的頂部，底梁1、左側梁2、右側梁3、前擋板4和有機玻璃板6、後擋板5以及頂梁15合圍構成試驗臺主體架內腔，試驗臺主體架內腔的兩側以及上方位置設有3個氣囊14，相似材料模型裝於試驗臺主體架內腔裡，並位於3個氣囊14和底梁1之間的空間內，壓力盒埋於相似材料模型 內部，壓力盒的電接線由多個送線孔8引出，在左側梁2、右側梁3和頂梁15上均設有一個通氣接管安裝孔12，位於試驗臺主體架內腔兩側的氣囊14通過通氣接管連接其中一套氣體增壓系統的出氣口，位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊14通過通氣接管連接另一套氣體增壓系統的出氣口。

如圖1、2所示，所述試驗臺主體架還包括有兩個固定塊13、左擋板18和右擋板17，兩個固定塊13對應設置在左側梁2和右側梁3的內側上端位置，分別位於試驗臺主體架內腔兩側位置的2個氣囊14上方，並且分別位於試驗臺主體架內腔上方位置的氣囊14左、右兩側，兩個固定塊13的下端面上靠外側均設有插槽I，在底梁1上設有與兩固定塊13下端面上的插槽I相對應的左、右兩個插槽II，當構築相似材料模型時，左擋板18插裝在左側梁2內側的固定塊13下端面插槽I和底梁1上左側的插槽II內，右擋板17插裝在右側梁3內側的固定塊13下端面插槽I和底梁1上右側的插槽II內。

如圖4所示，多個送線孔8的圓心均布於同一虛擬圓9的圓周上，虛擬圓9的圓心與後擋板5上開挖孔7的圓心相對應。所述送線孔8共有20個。所述虛擬圓9的直徑為220mm，每個送線孔8的直徑為10mm。在其他具體實施方式中，根據具體的邊界條件，虛擬圓9和送線孔8的直徑也可為其他值，以達到基本相同的技術效果；送線孔8也可根據需要設計為不同位置及數量，如數量設計為10個、16個、24個或30個等。

如圖1所示，每套氣體增壓系統由氮氣增壓自動控制系統21、驅動泵22和無油空氣壓縮機23組成，氮氣增壓自動控制系統21的進氣口通過通氣接管連接驅動泵22的出氣口，驅動泵22的進氣口通過通氣接管連接無油空氣壓縮機23的出氣口；位於試驗臺主體架內腔兩側的氣囊14通過通氣接管連接其中一套氣體增壓系統氮氣增壓自動控制系統21的出氣口，位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊14通過通氣接管連接另一套氣體增壓系統氮氣增壓自動控制系統21的出氣口。其中，氮氣增壓自動控制系統21可採用濟南思明特科技有限公司生產的氮氣增壓自動控制系統，其型號為SUP-XT-B100；無油空氣壓縮機23可採用台州市奧突斯工貿有限公司生產的無油空氣壓縮機，其型號為OTS-550X3。

如圖1、2、3、4所示，前加強筋10共有4個；後加強筋19共有4個。在其他具體實施方式中，也可根據試驗臺主體架的尺寸邊界條件以及前擋板4中間窗口的尺寸，合理地增加或減少加強筋10的數量，可根據試驗臺主體架的尺寸邊界條件以及後擋板5上多個送線孔8的尺寸邊界情況，合理地增加或減少後加強筋19的數量。

如圖1-5所示，左側梁2和右側梁3均為槽鋼結構，左側梁2和右側梁3的槽口均背離試驗臺主體架內腔；底梁1由槽口面向試驗臺主體架內腔的槽鋼24和澆築在槽鋼24槽內的水泥實體25構成。

如圖6所示，每個氣囊14為扁平的長方體形狀氣囊，其四周側面為折頁面，其上、下面為平面，其上面上設有通氣接管接口20。每個氣囊14其上、下面均由耐壓軟質橡膠材料製成，其四周側面折頁面均由厚度小於其上、下面所用材料厚度的耐壓軟質橡膠材料製成。

本巷道相似模擬平面應變試驗臺在構築相似材料模型時，向試驗臺主體架內腔裝填相似材料時，根據具體情況，可在不固定頂梁15，去掉位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊14時，直接從試驗臺主體架上埠處送入、鋪裝相似材料；或者也可將前擋板4拆卸下來，將相似材料置於後擋板5上鋪裝，然後再將前擋板4裝配好。上述裝填相似材料的同時，注意埋設好壓力盒，壓力盒的電接線由多個送線孔8引出；相似材料裝填好後，風乾1周左右，即構築好相似材料模型可進行試驗。

另外，在向試驗臺主體架內腔裝填相似材料前，可以先將前擋板4拆卸下來，將左擋板18插裝在左側梁2內側的固定塊13下端面插槽I和底梁1上左側的插槽II內，將右擋板17插裝在右側梁3內側的固定塊13下端面插槽I和底梁1上右側的插槽II內；然後在底梁1、左擋板18、右擋板17和位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊14之間的空間內，裝填相似材料；當裝填好相似材料，構築好相似材料模型後，需要實驗氣囊加載時，將左擋板18和右擋板17抽出去掉即可。

本巷道相似模擬平面應變試驗臺，相似材料模型構築完成後，實驗時將試驗臺放置穩定，並將試驗臺與2套氣體增壓系統連接好，然後開始氣體增壓，充分發揮3個氣囊14的梯度加載、穩壓性能、均壓性能進行加載試驗。在加載過程中，2套氣體增壓系統一直工作，位於試驗臺主體架內腔兩側的氣囊14由其中一套氣體增壓系統同時、同步並等同供壓，位於試驗臺主體架內腔上方的氣囊14由另一套氣體增壓系統供壓。

本巷道相似模擬平面應變試驗臺，上述實驗過程中，可透過有機玻璃板6觀察相似材料模型，即模擬巷道的破壞過程，並且壓力盒同時測量加載數據等。若需要對模擬巷道作卸壓試驗，可在送線孔8處對相似材料模型打孔，然後從有機玻璃板6上的開挖孔7處，挖出打孔後與相似材料模型脫離的模型實體，以便模擬從屬小巷道卸壓支護。

本巷道相似模擬平面應變試驗臺，在充氣時，每個氣囊14其上、下面可以均勻張開膨脹，極好地達到均壓加載的要求，克服了因現有的加載氣囊為圓柱形或者扁平帶弧形結構，充氣時會先從中間膨脹，不適應本實驗臺的模擬試驗要求均壓加載的問題。