一種用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置。它的外框架包括左承載板、右承載板、承載底板，左承載板與右承載板頂部之間連接槽鋼頂梁；內(nèi)框架包括固連于承載底板上的左支擋板和右支擋板，左支擋板和右支擋板的前、后端連接有高強鋼化玻璃板，左支擋板和右支擋板的上部之間設有加載板，在加載板與槽鋼頂梁之間設有若干垂向加載油缸；內(nèi)框架空腔內(nèi)裝放有試驗材料，試驗材料中央預設有巷道開挖單元；巷道開挖單元通過羊角抓鉤與軸向開挖油缸連接；軸向開挖油缸安裝于油缸固定鋼架上；軸向開挖油缸和垂向加載油缸通過液壓管與液壓源相連。本實用新型模擬不同斷面形狀、尺寸的深部巷道自動開挖，操作簡單、觀測便捷、試驗效率高。
【專利說明】
一種用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于深部礦井巷道工程圍巖開挖與支護領域，具體涉及一種用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國淺部礦產(chǎn)資源的逐步減少，礦井的開采深度在不斷的增加，國內(nèi)出現(xiàn)了大批千米級的深部礦井，可以預見，我國將有更多的礦井進入深部或超深部開采。隨著采深的增大，礦井巷道圍巖所賦存的工程地質(zhì)條件也愈為復雜，巷道開挖及服務期間的大變形、垮冒、沖擊地壓、巖爆等問題十分突出，對礦井的正常安全生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的威脅。因此，研究深部礦井巷道圍巖在開挖時及開挖后的變形、破壞與穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。
[0003]由于深部開采工程地質(zhì)條件的復雜性、多變性，因而，采用室內(nèi)物理模擬試驗仍然是目前研究深部巷道圍巖的變形、破裂演化機理、穩(wěn)定性等的主要手段之一。然而，針對大型深部巷道，現(xiàn)有的物理模型試驗裝置存在以下缺點與不足:一是試驗裝置提供的加載壓力偏小，且模型受力為雙向狀態(tài)，無法模擬深部高應力巷道的力學環(huán)境;二是巷道開挖需采用專門的開挖鉆進系統(tǒng)，使得整個模型試驗系統(tǒng)更為復雜;三是擾動影響大，采用小型鏟、小型鍬手動鑿挖或者利用專門的巷道開挖系統(tǒng)掘進都可能對圍巖產(chǎn)生過大的擾動影響；四是在三維應力環(huán)境下，試驗模型表面的變形、位移情況等無法直觀觀測，不利于試驗現(xiàn)象分析及試驗數(shù)據(jù)采集。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于針對目前常規(guī)巷道模型試驗系統(tǒng)存在的以上技術問題，提供一種操作簡單、觀測便捷、試驗效率高，能夠模擬不同斷面形狀、尺寸的深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置。
[0005]本實用新型的目的是通過如下的技術方案來實現(xiàn)的:該用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，它包括凹槽形的外框架和套于其內(nèi)的內(nèi)框架;所述外框架包括豎立的左承載板、右承載板以及與之底部固連的水平承載底板，左承載板頂部與右承載板頂部之間水平連接有若干根橫向的槽鋼頂梁;所述內(nèi)框架包括固連于承載底板上、豎立的左支擋板和右支擋板，左支擋板和右支擋板的前、后端連接有高強鋼化玻璃板，左支擋板和右支擋板的上部之間設有水平的加載板，加載板水平高度低于槽鋼頂梁的高度，在加載板與槽鋼頂梁之間均勻設有若干垂向加載油缸;所述內(nèi)框架空腔內(nèi)裝放有試驗材料，試驗材料中央預設有用于模擬巷道的、若干首尾連接的巷道開挖單元;靠近高強鋼化玻璃板一側的巷道開挖單元通過羊角抓鉤與軸向開挖油缸連接;軸向開挖油缸安裝于油缸固定鋼架上，油缸固定鋼架固定于外框架一端外，靠近軸向開挖油缸的高強鋼化玻璃板上中央開設有一個與巷道開挖單元斷面尺寸相同的開挖觀測窗;所述軸向開挖油缸一端和垂向加載油缸的一端通過液壓管與液壓源相連。
[0006]進一步，所述左承載板與左支擋板之間、右承載板與右支擋板之間均勻設有若干橫向鋼支撐。
[0007]具體的，所述巷道開挖單元為一個中空的筒狀構件，其一端設有凸起的連接頭，另一端設有與連接頭嵌合的凹形連接槽，連接頭和連接槽嵌合后的上、下對應處設有銷釘孔，銷釘孔中插入銷釘，使各巷道開挖單元首尾連接;靠近連接頭一端的巷道開挖單元內(nèi)壁上焊接有抓桿，作為與軸向開挖油缸連接的羊角抓鉤的著力點。
[0008]進一步，所述巷道開挖單元的截面或者是圓形，或者是正方形，或者是矩形，或者是直墻半圓拱形。
[0009]具體的，所述槽鋼頂梁與左承載板頂部和右承載板頂部通過螺栓連接。
[0010]具體的，所述油缸固定鋼架包括上、下兩根水平橫梁和一根垂向直梁，其上部橫梁與槽鋼頂梁螺栓連接，其下部橫梁與承載底板焊接，其垂向直梁固定軸向開挖油缸。
[0011 ]具體的，所述高強鋼化玻璃板與左支擋板和右支擋板的前、后端螺栓連接。
[0012]本實用新型的用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，實現(xiàn)了大型深部礦井巷道高壓三維應力地質(zhì)環(huán)境的模擬，解決了常規(guī)巷道模型試驗裝置開挖設備復雜、開挖擾動大等問題。
[0013]本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下有益效果:
[0014](I)本實用新型通過高壓油缸、油源及結構簡潔、剛度大的內(nèi)外框架為巷道模型施加高壓邊界力，且模型的各個邊界面均受到約束，實現(xiàn)了深部巷道高應力三維狀態(tài)環(huán)境的模擬。
[0015](2)試驗中模擬巷道開挖無需專門的開挖鉆進系統(tǒng)，采用設計靈活、體積小巧的分段巷道開挖單元拼接形成模擬巷道，配合軸向開挖油缸，即可便捷地完成深部巷道的自動開挖模擬。
[0016](3)常規(guī)的人工開挖或?qū)ｉT的巷道開挖系統(tǒng)開挖擾動影響較大，而本實用新型通過在巷道開挖單元表面涂抹潤滑油、粘貼薄膜等減摩措施，控制好開挖速率，可消除開挖施工對圍巖的擾動影響。
[0017](4)透過高強鋼化玻璃板可以清楚、直觀地觀察到模擬巷道表面巖體的變形、位移情況等，克服了常規(guī)模擬試驗在三維應力環(huán)境下試件表面變化難以觀測的缺點。
[0018](5)巷道開挖單元預埋入試件中，其斷面形狀、尺寸可以根據(jù)試驗要求的不同進行定制，因而適用不同斷面巷道的開挖試驗，而且可以模擬深部巷道分步全斷面開挖，開挖邊界與模型試驗設計邊界比較符合，增加了巷道模型試驗的準確性。
[0019](6)本實用新型提供的試驗裝置結構合理、操作簡單、試驗效率高、觀察方便、準確性高，較好地實現(xiàn)了高壓三維應力環(huán)境下深部巷道自動、簡單及低擾開挖的模擬。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型實施例的立體結構示意圖。
[0021]圖2是圖1的左視圖。
[0022]圖3是圖1的主視圖。
[0023]圖4是圖1中巷道開挖單元的立體結構示意圖。
[0024]圖5是圖4的左端立體結構視圖。
[0025]圖6是本實用新型的巷道開挖單元斷面形狀為圓形時的主視圖。
[0026]圖7是本實用新型的巷道開挖單元斷面形狀為正方形時的主視圖。
[0027]圖8是本實用新型的巷道開挖單元斷面形狀為直墻半圓拱形時的主視圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的描述。
[0029]參見圖1至圖3，本實施例的室內(nèi)試驗裝置，包括凹槽形的外框架和套于其內(nèi)的內(nèi)框架。從圖中可見，外框架包括豎立的左承載板1、右承載板2，以及與左承載板I底部和右承載板2底部固連的水平承載底板3，左承載板I頂部與右承載板2頂部之間通過螺栓14水平連接有3根橫向的槽鋼頂梁4。內(nèi)框架包括固連于承載底板3上、豎立的左支擋板7和右支擋板8，左支擋板7和右支擋板8的前、后端通過螺栓連接有高強鋼化玻璃板10，左支擋板7和右支擋板8的上部之間設有水平的加載板6，加載板6水平高度低于槽鋼頂梁4的高度，在加載板6與槽鋼頂梁4之間均勾設有6個垂向加載油缸5;垂向加載油缸5為高壓油缸，上端固定于槽鋼頂梁4底面，下端固定于加載板6頂面。在左承載板I與左支擋板7之間、右承載板2與右支擋板8之間分別均勻設有上、下三排橫向鋼支撐18。由左支擋板7、右支擋板8、加載板6、高強鋼化玻璃板1及承載底板3圍合而成的內(nèi)框架空腔內(nèi)裝放有試驗材料即試件9，試驗材料中央預設有用于模擬巷道的、若干首尾連接的巷道開挖單元13;垂向加載油缸5可為試件9表面提供10?15MPa的高邊界壓力?？拷岸烁邚婁摶ＡО?0—側的巷道開挖單元13通過羊角抓鉤12與軸向開挖油缸11連接。軸向開挖油缸11安裝于油缸固定鋼架15上，從圖中可見，油缸固定鋼架15包括上、下兩根水平橫梁和一根垂向直梁，其上部橫梁與槽鋼頂梁4通過螺栓連接，其下部橫梁與承載底板3焊接，其垂向直梁固定軸向開挖油缸U?？拷S向開挖油缸11的高強鋼化玻璃板10上中央開設有一個與巷道開挖單元13斷面尺寸相同的開挖觀測窗;軸向開挖油缸11 一端和垂向加載油缸5的一端通過液壓管17與液壓源16相連。
[0030]參見圖4至圖8，巷道開挖單元13為一個中空的筒狀構件131，其右端設有凸起的連接頭132，其左端設有與連接頭132嵌合的凹形連接槽136，連接頭132和連接槽136嵌合后的上、下對應處設有銷釘孔135，銷釘孔135中插入銷釘133，使各巷道開挖單元13首尾連接;靠近連接頭132—端的巷道開挖單元13的內(nèi)壁上焊接有抓桿134，作為與軸向開挖油缸11連接的羊角抓鉤12的著力點。從圖6至圖8中可見，巷道開挖單元13的截面或者是圓形，或者是正方形，或者是直墻半圓拱形等，可根據(jù)試驗需要定制。
[0031]上述左承載板1、右承載板2、承載底板3均采用雙層厚鋼板中間焊接斜向與垂向鋼帶制作而成。左支擋板7、右支擋板8采用網(wǎng)格式鋼架焊接上下層鋼板制作而成。槽鋼頂梁4為大型高強槽鋼，數(shù)量依據(jù)所述試件的長度而定。加載板6采用合金結構鋼制作，表面硬度高，經(jīng)久耐磨，將垂向加載油缸5施加的高壓載荷均勾傳遞到試件9表面。軸向開挖油缸11的行程大于巷道開挖單元13的長度。液壓源16為大型栗站，由若干臺電機油栗組成，可同時供垂向加載油缸5及軸向開挖油缸11工作。試件9根據(jù)試驗方案和要求采用相似材料按一定的配比制成。
[0032]基于上述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，本實用新型提供的試驗方法具體步驟如下:
[0033](I)依據(jù)試驗方案配制相似模型試驗材料，將模型試驗材料均勻填入事先已固定好的內(nèi)部框架中，逐層壓實。
[0034](2)待試驗材料填筑至模擬巷道的預設高度時，將若干巷道開挖單元13拼接好置于填筑試驗材料上，并在巷道開挖單元13表面涂上潤滑劑等減摩材料，布設其它相關監(jiān)測元件，繼續(xù)填筑試驗材料至設計尺寸線。其中巷道開挖單元13拼接方法為:將前一巷道開挖單元13的連接槽136套入下一巷道開挖單元13的連接頭132，并插入銷釘133連接好。
[0035](3)待試件9即試驗材料養(yǎng)護至設計強度后，啟動液壓源16，向垂向加載油缸5提供動力，使加載板6逐漸往下移動直至接觸到試件9表面。
[0036](4)按照試驗方案設計的邊界高壓力數(shù)值及加載速率，調(diào)節(jié)液壓源16的閥門，逐步進行加載直至設計壓力。
[0037](5)穩(wěn)壓一段時間使邊界壓力充分傳遞至試件9內(nèi)部;控制軸向開挖油缸11，使活塞桿伸出，并將羊角抓鉤12掛到靠近試件9表面的巷道開挖單元13內(nèi)部的抓桿134。
[0038](6)控制軸向開挖油缸11，根據(jù)試驗設計的開挖速度，使活塞桿慢慢回縮，直至第一段巷道開挖單元13完全被拉出，然后取下該巷道開挖單元13，從而實現(xiàn)了深部巷道的第一步自動低擾全斷面開挖。
[0039](7)依據(jù)(5) (6)的方法，繼續(xù)進行深部巷道的第二步、第三步……循環(huán)開挖，直至全部巷道開挖單元13從試件9中被拉出，進而完成整個深部巷道的開挖過程。
[0040](8)操作液壓源16的閥門，卸掉各垂向加載油缸5的壓力，取下模型前面的高強鋼化玻璃10，將試驗后的試件9清理好。
[0041](9)收集整理試驗數(shù)據(jù)，分析深部巷道圍巖的變形、破裂特征及演化規(guī)律，確定深部圍巖穩(wěn)定性的影響因素。
【主權項】
1.一種用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:它包括凹槽形的外框架和套于其內(nèi)的內(nèi)框架;所述外框架包括豎立的左承載板、右承載板以及與之底部固連的水平承載底板，左承載板頂部與右承載板頂部之間水平連接有若干根橫向的槽鋼頂梁;所述內(nèi)框架包括固連于承載底板上、豎立的左支擋板和右支擋板，左支擋板和右支擋板的前、后端連接有高強鋼化玻璃板，左支擋板和右支擋板的上部之間設有水平的加載板，加載板水平高度低于槽鋼頂梁的高度，在加載板與槽鋼頂梁之間均勻設有若干垂向加載油缸;所述內(nèi)框架空腔內(nèi)裝放有試驗材料，試驗材料中央預設有用于模擬巷道的、若干首尾連接的巷道開挖單元；靠近高強鋼化玻璃板一側的巷道開挖單元通過羊角抓鉤與軸向開挖油缸連接;軸向開挖油缸安裝于油缸固定鋼架上，油缸固定鋼架固定于外框架一端外，靠近軸向開挖油缸的高強鋼化玻璃板上中央開設有一個與巷道開挖單元斷面尺寸相同的開挖觀測窗；所述軸向開挖油缸一端和垂向加載油缸的一端通過液壓管與液壓源相連。2.根據(jù)權利要求1所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述左承載板與左支擋板之間、右承載板與右支擋板之間均勻設有若干橫向鋼支撐。3.根據(jù)權利要求1所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述巷道開挖單元為一個中空的筒狀構件，其一端設有凸起的連接頭，另一端設有與連接頭嵌合的凹形連接槽，連接頭和連接槽嵌合后的上、下對應處設有銷釘孔，銷釘孔中插入銷釘，使各巷道開挖單元首尾連接;靠近連接頭一端的巷道開挖單元內(nèi)壁上焊接有抓桿，作為與軸向開挖油缸連接的羊角抓鉤的著力點。4.根據(jù)權利要求3所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述巷道開挖單元的截面或者是圓形，或者是正方形，或者是矩形，或者是直墻半圓拱形。5.根據(jù)權利要求1所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述槽鋼頂梁與左承載板頂部和右承載板頂部通過螺栓連接。6.根據(jù)權利要求1所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述油缸固定鋼架包括上、下兩根水平橫梁和一根垂向直梁，其上部橫梁與槽鋼頂梁螺栓連接，其下部橫梁與承載底板焊接，其垂向直梁固定軸向開挖油缸。7.根據(jù)權利要求1所述用于模擬深部巷道開挖的室內(nèi)試驗裝置，其特征在于:所述高強鋼化玻璃板與左支擋板和右支擋板的前、后端螺栓連接。
【文檔編號】G01M99/00GK205538273SQ201620351836
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】袁越, 李博文, 王衛(wèi)軍, 朱永建, 余偉健, 劉迅
【申請人】湖南科技大學