一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工程安全监测技术领域，具体涉及一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]现今，我国正处在经济高速发展和转型的时期，各个行业均发展迅速，与此同时，大规模的能源开采应用以及生产规模的迅速提升，导致我们需要面对比以往更加严峻的安全问题;矿压失稳引起的巷道变形、坍塌事故越发严重，对井下作业的工人构成了巨大的人身威胁。
[0003]随着我国浅部煤炭资源的枯竭，地下开采深度越来越大，在深部高应力环境中，浅层表现为硬岩特性的岩层呈现出软岩特性，巷道围岩长期变形，但无论是初次支护的新掘巷道还是实施了多次支护的修复巷道，其巷道支护体破坏都经历一个过程，总是从某一个或几个部位首先产生变形、损坏、破坏、进而整个巷道面失稳。具体表现特征是:沿巷道断面各个方向的位移速度及其量值不同，总是从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，片状冒落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整体失稳。但无论何种机理引起的失稳，都会持续一定的时间及变形阶段，基本为:开挖、初期加速变形、线性变形(或稳定期)、加速度变形、失稳破坏等几个过程，这就给巷道安全监测及安全分析预测提供了基本的理论支持。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一。
[0004]通过专利检索，存在以下已知的技术方案:
[0005]专利1:
[0006]申请号:201120226048.6，申请日:2011-06-29，授权公告日:2012-01-18，一种嵌入式巷道底鼓相似模拟实验装置，在橡胶囊体中部设置有与橡胶囊体内相联通的充气管，充气管上设置进气阀和安装有压力表的三通管，进气阀通过管道与打气筒相联通，橡胶囊体的右侧设置装有排气阀与囊体内相联通的排气管，橡胶囊体的左侧设置安装有排气阀与橡胶囊体内相联通的排气管。本发明采用给橡胶囊体内充气，使橡胶囊体鼓胀顶起模拟岩层，实现对巷道底鼓的模拟，实时监测并采集底鼓所造成的压力以及变形位移量，以掌握巷道底鼓过程底板岩层底鼓力的变化。本发明具有结构简单、操作方便、测试精度高等优点，可用于做相似模拟实验。
[0007]专利2:
[0008]申请号:201320507400.2，申请日:2013-08-19，授权公告日:2014-03-05，一种巷道围岩二维应力模拟平面实验装置，包括设在底座两侧的左立柱和右立柱，左立柱、右立柱顶端固定有横梁，横梁下方设有上千斤顶和上传力板，右立柱内侧设有中空管支撑架，中空管支撑架上设置有侧向千斤顶和侧向传力板，侧向传力板上固定有定向杆，还包括试模铺填时用于侧护的槽钢。本发明具有设计合理、结构简单、操作简便、能同时进行垂直和水平方向加载等优点，可作为相似模拟平面实验装置，进行巷道不同侧压系数条件下的相似模拟加载实验，进行巷道断面参数的确定、巷道支护方式的选择、巷道变形破坏的预测等模拟实验。
[0009]专利3:
[0010]申请号:201410483291.4，申请日:2014-09-19，授权公告日:2014-12-10，本发明公开了一种大型巷道支护实验室模拟系统，包括大型巷道支护模拟系统、加压传力系统和支护数据采集系统，大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成;加压传力系统包括底座、侧向加压传力机构、轴向加压传力机构、侧压动力系统和轴压动力系统;支护数据采集系统包括轴向引伸计、径向引伸计、计算机、EDC数字控制器和加压控制器;每根锚杆外露在橡胶圈内部的端部均安装有声发射传感器。本发明还公开了一种大型巷道支护实验室模拟方法。本发明能够根据不同矿井的地质情况真实模拟井下巷道的支护效果以及巷道在压力作用下产生巷帮变形、底鼓的条件，且能够模拟出巷道在扰动作用下蠕变失稳变形状态。
[0011]通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性;并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
【发明内容】
[0012](一)解决的技术问题
[0013]本发明所要解决的技术问题是提供了一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法，在充分了解井下巷道失稳机理的前提下，抓住巷道破坏的几个关键因素以及表观现象，设计出一套能够模拟井下巷道收敛变形的实验装置，以克服浅部煤炭资源的枯竭，矿压失稳引起的巷道变形、坍塌事故越发严重，对井下作业的工人构成了巨大的人身威胁，深部巷道大变形已经成为深部工程安全研究瓶颈的问题。
[0014](二)技术方案
[0015]为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现:一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，包括机架装置(I)，信息处理装置(2)，巷道收敛装置(3)和变形测量装置(4)，所述机架装置(I)连接有信息处理装置(2)和巷道收敛装置(3 )，所述巷道收敛装置(3)连接有变形测量装置(4);所述机架装置(I)包括主支架(101)，操作面板(102)和滚轮(103)，所述主支架(101)连接有操作面板(102)，所述主支架(101)底部连接有滚轮(103),所述主支架(101)还连接有外壳;所述主支架(101)均布对称连接有四个巷道收敛装置(3)，所述巷道收敛装置(3)包括位移电机(301)，齿轮(302),齿条(303),滑轨(304),轨道(305),限位块(306)和拉线传感器(307)，所述主支架(101)上设有位移电机(301)，轨道(305)和拉线传感器(307)，所述位移电机(301)连接有齿轮(302)，所述齿轮(302)连接有齿条(303)，所述轨道(305)连接有滑轨(304)，所述滑轨(304)连接有拉线传感器(307)，所述轨道(305)上设有限位传感器(306)，所述齿条(303)和滑轨(304)固定连接有模拟巷道(5)。
[0016]进一步的，所述变形测量装置(4)包括测距仪支架(401)，步进电机(402)和全断面扫描仪(403)，所述四个巷道收敛装置(3)中，左右两个巷道收敛装置(3)内侧主支架(101)上均设有测距仪支架(401)，左右两个巷道收敛装置(3)其中一个内侧主支架(101)上设有步进电机(402)，所述步进电机(402)连接有全断面扫描仪(403)。
[0017]进一步的，所述主支架(101)连接有信息处理装置(2)，所述信息处理装置(2)包括供电模块(201)，中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述供电模块(201)连接有中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述中央逻辑控制器(202)连接有数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)。
[0018]进一步的，所述操作面板(102)上设有触摸屏(1021)，所述触摸屏(1021)上设有运行动态演示区(1022)，按键区(1023)和运行指示灯区(1024)。
[0019]—种模拟井下巷道收敛变形实验装置的使用方法，包括以下步骤:
[0020]I)通过操作面板(102)选择既定的自动形变方式程序或手动自定义操作形变方式进行形变；
[0021]2)无线数据发射模块(204)将接收到的命令传递至中央逻辑控制器(202)，中央逻辑控制器(202)启动巷道收敛装置(3)和变形测量装置(4);
[0022]3)中央逻辑控制器(202)根据设定的形变方式综合控制四个位移电机(301)带动齿轮(302)转动，进而带动齿条(303)以及连接于齿条(303)和滑轨(304)上的巷道模型(5)沿导轨(305)往返直线运动；
[0023]4)限位传感器(306)提供位移量保护，拉线传感器(307)反馈位置信息，中央逻辑控制器(202)控制触摸屏(1021)的运行动态演示区(1022)和运行指示灯区(1024)显示运行状态及位移数值，整体提示形变状态；
[0024]5)步进电机(402)带动全断面扫描仪(403)旋转，对内壁形状进行360度范围的检测，通过无线数据发射模块(204)将结果发送并显示于显示屏(1023)中；
[0025]6)操作者分析信息，进行记录或进行其他操作。
[0026](三)有益效果
[0027]本发明设计出一套能够模拟井下巷道收敛变形的实验装置，可以用于井下巷道收敛变形的教学演示，能直观表现井下巷道形变的发生过程，配合实时分析解说能更加直观的说明产生井下巷道收敛及导致安全事故的原因和失稳机理，为系统、有针对性地进行深部巷道大变形安全工程的进阶研究创造了条件，同时也设计出一套用于监测井下巷道变形的非接触测量装置，演示了可行的具体监测方法，为井下工程的安全保证提供了新的方式。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的结构不意图；
[0029]图2为本发明机架装置的结构示意图；
[0030]图3为本发明操作面板的主视图；
[0031 ]图4为本发明信息处理装置的主视图；
[0032]图5为本发明巷道收敛装置的主视图；
[0033]图6为本发明巷道收敛装置的侧视剖视图；
[0034]图7为本发明变形测量装置的结构示意图；
[0035]图8为本发明模拟巷道的形变示意图；
[0036]图9为本发明整体数据处理框图。
[0037]图中:
[0038]1、机架装置；101、主支架；102、操作面板；1021、触摸屏；1022、运行动态演示区；1023、按键区；1024、运行指示灯区；103、滚轮；
[0039]2、信息处理装置;201、供电模块;202、中央逻辑控制器;203、数据接收模块;204、无线数据发射模块；
[0040]3、巷道收敛装置；301、电机；302、齿轮;303、齿条；304、滑轨；305、轨道；306、限位传感器;307、拉线传感器；
[0041 ] 4、变形测量装置;401、测距仪支架;402、步进电机;403、全断面扫描仪；
[0042 ] 5、模拟巷道;501、正常模拟巷道;502、形变模拟巷道。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]如图8所示，为模拟巷道5在形变实验后的结构示意图