动压巷道支护物理模型试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种物理模型试验装置及方法，尤其涉及一种进行动压巷道支护研究 的物理模型试验装置及方法。
【背景技术】
[0002] 以相似理论为基础的物理模型试验，能将在模型中得到的物理量之间的关系，反 推到所模拟的原型中，从而获得原型的内在规律。在岩土工程领域，因物理模型试验具有易 操作、低成本、高仿真的特点，同时还可以进行一些实际工程中无法实现的研究，在近些年 来得到了较为广泛的应用。相似材料模拟试验是物理模型试验中应用较多的分支，相关的 试验仪器也较多，且各具特色。
[0003] 动压巷道，即受采动压力影响的巷道，我国煤矿中绝大多数的巷道都会受到采动 压力的影响，以往人们为了研究动压巷道的支护技术，进行了一些相似材料模型试验。但现 有的试验仪器存在一个较大的矛盾，为了模拟出采动压力，需要对模型进行开挖以模拟回 采的过程，这样在有限的试验空间内、几何相似比一定的条件下，模型巷道的尺寸会很小， 不利于研究巷道的支护技术;为了研究巷道的支护技术，模型巷道尺寸需要做大，但同时又 需要通过工作面的推进来模拟采动压力，这样试验设备尺寸就会很大，试验设备占地面积、 试验成本增加、劳动强度较高，不利于进行试验。因此，对于动压巷道支护的研究，一直缺乏 针对性强、经济性好、占用空间少、劳动强度低的物理模型试验装置。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种操作简便、针对性强、占用空间少、经济性好、劳动强度 低的动压巷道支护物理模型试验装置及方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，试验装置包含外框架和内框架 两部分，所述外框架设有底部振动油缸和导轨，所述内框架设有顶部静载油缸、顶部振动油 缸和滚轮组;所述底部振动油缸用来模拟巷道远处采空区顶板周期性垮落产生的地震波， 传播至模型巷道区域时引起的振动，所述导轨和滚轮组可供底部振动油缸作用时，带动内 框架整体在外框架内部上下振动，所述顶部静载油缸用来模拟巷道所受超前支承压力的作 用，所述顶部振动油缸用来模拟巷道上部由采区顶板断裂释放能量等因素产生的振动；
[0007] 试验基本原理是将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加 给模型巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸进行加载，动载荷为采区顶 板断裂、垮落等因素产生的振动作用，通过顶部振动油缸、底部振动油缸进行加载。
[0008] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的动压巷道支护物理模型试 验装置及方法，由于内框架整体可在外框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的 振动台，减少了设备的占用空间；加之不需要通过工作面的推进来模拟采动压力，所以减少 了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节约了实验成本，还可以定量地研究采动压力与巷道 变形破坏之间的联系。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机整 体前立面图；
[0010] 图2为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机外 框架立面图；
[0011] 图3为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机内 框架前立面图；
[0012] 图4为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机内 框架后立面图；
[0013]图5为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的滚轮组局 部详图；
[0014] 图6为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的试验机整 体侧向剖视图；
[0015] 图7为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的加载函数 曲线图；
[0016] 图8为本发明动压巷道支护物理模型试验装置及方法的具体实施例中的振动荷载 施加时间图。
[0017] 图中：
[0018] 1、外框架，2、内框架，3、顶部静载油缸，4、顶部振动油缸，5、底部振动油缸，6、外框 架顶梁，7、外框架立柱，8、外框架底梁，9、外框架支腿，10、导轨，11、滚轮组，12、内框架顶 梁，13、内框架立柱，14、内框架底梁，15、前挡板，16、可视窗口，17、后挡板，18、滚轮，19、实 验材料，20、有机玻璃板，21、加载阶段，22、卸载阶段，23、振动荷载。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体的实施例对本发明作进一步地详细描述。
[0020] 本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，如图1所示，装置由外框架1、内 框架2和顶部静载油缸3、顶部振动油缸4、底部振动油缸5组成。
[0021] 如图2所示，所述外框架1由外框架顶梁6、外框架立柱7、外框架底梁8和外框架支 腿9通过螺栓连接而成;所述外框架底梁8上端面设置有底部振动油缸5;所述外框架立柱7 内侧面设置有导轨10。
[0022] 如图3~4所示，所述内框架2由内框架顶梁12、内框架立柱13和内框架底梁14通过 螺栓连接而成;所述内框架顶梁12下端面设置有顶部静载油缸3和顶部振动油缸4;所述内 框架立柱13外侧面设置有滚轮组11。
[0023] 如图3~4所示，所述内框架2设置有前挡板15和后挡板17,通过螺栓与内框架立柱 13连接;所述前挡板15中心区域设置有可视窗口 16。
[0024]如图5所示，前挡板15和后挡板17中间为实验材料19的填筑空间，在实验材料19和 前挡板15中间设置有机玻璃板20。
[0025]本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，装置包含内框架、外框架两部 分，内框架设有顶部静载油缸和顶部振动油缸，外框架设有底部振动油缸，内框架、外框架 分别设有滚轮组和导轨，可以使内框架整体随底部振动油缸的作用在外框架内部上下振 动;试验基本原理是将巷道所受的采动压力分解为静载荷和动载荷两部分直接施加给模型 巷道，静载荷为超前支承压力的影响，通过顶部静载油缸进行加载，动载荷为采区顶板断 裂、垮落等因素产生的振动作用，通过顶、底部振动油缸进行加载。由于内框架整体可在外 框架内部上下振动，因此不再需要设置面积较大的振动台，减少了设备的占用空间；加之不 需要通过工作面的推进来模拟采动压力，所以减少了模型尺寸，降低了实验的劳动强度，节 约了实验成本，还可以定量地研究采动压力与巷道变形破坏之间的联系。
[0026] 具体实施例：
[0027]本发明的动压巷道支护物理模型试验装置及方法，试验过程主要由两个部分组 成，第一部分是模拟巷道所受超前支承压力变化的加载过程;第二部分是模拟巷道上部由 顶板断裂、垮落等因素产生的振动作用过程。
[0028] 所述第一部分，通过顶部静载油缸3实现，并贯穿试验始终，如图7所示，加载按照 超前支承压力变化规律进行，变化规律可通过函数表示，函数曲线由两段组成，分别为加载 阶段21和卸载阶段22,持续时间分别为TjPT 2。
[0029] 所述加载阶段21，函数基本形式为巧·^^汍> 0)，初始值为L，终值为Η;所述卸载阶 段22，函数基本形式为％ ·e￥(Zv< 0)，从加载阶段21的终值Η开始卸载至初始值L后，随即卸 载至〇;所述终值Η为初始值L的Κ倍，Κ即为超前支承压力集中系数，其值的大小需要通过现 场实测结合工程经验确定;所述持续时间TdPT 2,总和为Τ，即为超前支承压力的影响时间， 转化为距离即为超前支承压力的影响范围，可根据经验选择合理的超前支承压力影响范 围，换算出相应回采过程所需要的时间，再根据相似理论计算得到持续时间TdPT 2。
[0030] 所述第二部分，通过顶部振动油缸4、底部振动油缸5实现，如图8所示，在试验第一 部分进行的过程中多次施加振动荷载23,首次施加的时间为T 3,其后每次施加的时间间