一种平面应变巷道围岩模型加载观测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种平面应变巷道围岩模型内、外压加载装置及其变形、破坏及失稳规律的光学观测系统，属于光测力学、工程材料力学性能测试、岩土力学、煤矿安全生产等领域。
【背景技术】
[0002]随着煤矿开采深度的增加，冲击地压等灾害发生的频率和震级越来越大。严重冲击地压的发生能造成重大的财产损失和人员伤亡。2005年2月，阜新孙家湾煤矿发生冲击地压诱发的瓦斯爆炸事故，造成214人遇难。据统计，超过70%的冲击地压发生在巷道中。目前，煤矿巷道的支护主要采用锚杆、锚索、钢支架、混凝土支架及液压支架等设备。甘肃华亭煤矿、河南义马千秋煤矿及抚顺老虎台煤矿尝试采用液压支架配合其它设备支护有冲击地压危险的巷道或巷道的一些关键环节，收到了不错的巷道防冲效果。但是，尚有许多科学问题未搞清楚，例如，在来压或冲击过程中，深部巷道围岩中的应变场及能量场如何受液压支架的影响，一个巷道围岩-液压支架系统能抵抗的冲击地压震级多大，弄清楚深部巷道围岩在支护及冲击或加载条件下的破坏及失稳规律是科学控制围岩稳定性的必由之路。
[0003]在实验室中，为了深入研究巷道围岩模型的变形、破坏及失稳规律，研究人员采用不同的加载系统对不同的巷道围岩模型进行加载。巷道围岩模型通过对现场采集的岩石块体进行机加工制成，或者根据相似原理，由相似材料制成。加载方式多种多样:平面应力加载、准三维加载及三维加载等。在巷道轴线方向的加载适于研究深部岩体的分区破裂化现象。常见的观测手段包括:应变片、位移计、电阻仪、钻孔潜望镜、钻孔电视、热红外、标点法、数字图像相关方法等。在目前发表的多数文献中，未对巷道进行支护。巷道的支护形式主要包括下列几种:(I)巷道中填充实物，例如，泡沫等；(2)在巷道围岩中插入条状物，模拟锚杆的作用；(3)在巷道中插入筒状物，模拟支架的作用；(4)在巷道中放置与实际液压支架相仿的连杆支撑的小型支架、钢块、树脂块等。应当指出，上述各种作法都试图对巷道围岩施加某种力的作用，但力的大小却难于测定，力的变化规律很难与实际情况一致，不适于液压支架对围岩作用效果的研究。
[0004]实际上，液压支架的主要特点在于其恒阻特性。在初撑阶段结束后，当巷道顶板下沉时，液压支架立柱下腔液体压力升高，立柱推力随之上升，这个阶段称之为增阻阶段；当巷道顶板继续下沉时，若立柱下腔液体压力超过安全阀的动作压力，安全阀溢流，立柱下缩，直至下腔的液体压力小于安全阀的动作压力，安全阀关闭，从而使立柱工作阻力基本保持恒定，这个阶段称之为恒阻阶段。在实验室中，在巷道中插入筒状物、填充物、木块、钢块、与实际液压支架相仿的连杆支撑的小型支架等作法都无法模拟液压支架的恒阻特性。上述小型支架一般并无液压缸、立柱等元件，仅用连杆无法模拟液压缸-立柱系统的复杂力学行为。
[0005]位移计法、标点法、应变片法等尽管可观测巷道围岩的应变或位移，但精度不高，费时费力，难于获得全场的信息。相比之下，数字图像相关方法不仅能保证精度，而且，对测量环境要求低，效率高，能获得全场的信息。但是，传统的数字图像相关方法(例如，Newton-Raphson迭代方法)具有下列缺点:(I)不适于测点位移较大的情形；(2)迭代的初值不容易确定；(3)容易陷入局部最优。
[0006]本发明提供了一种平面应变巷道围岩模型内、外压加载装置及观测系统，主要包括:巷道表面压力加载系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统。与其他的模拟巷道的支护形式相比，本发明可以提供作用于巷道表面可精确控制的恒定的压力，能准确、高效地获得巷道围岩模型全场的信息，为深入开展支护、应力加载及冲击加载等多种条件下的巷道围岩模型变形、破坏及稳定性研究提供重要的技术装备，所获结果对于巷道冲击地压、坍塌等地质灾害的发生机理研究及预防研究具有重要的理论和实际意义。
【发明内容】
[0007]针对现有的巷道围岩模型不能施加作用于巷道表面的恒定的内压及观测数据有限的局限性，本发明提供了一种平面应变巷道围岩模型内、外压加载装置及观测系统；利用该装置和系统能获取巷道围岩模型在支护、地应力及冲击载荷作用下的变形、破坏及失稳规律，可为煤矿深部巷道冲击地压预测研究提供基础数据和技术参考；该装置和系统具有结构紧凑、测量精度高、数据量丰富、造价低的优势。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种平面应变巷道围岩模型内、夕卜压加载装置及观测系统，包括巷道表面压力加载系统、围岩侧压加载系统及光学观测系统；巷道表面压力加载系统由内囊、加载筒、第一六通阀门、内压压力表、第一调压阀、第一减压阀、内压加载气瓶和高压管线组成；围岩侧压加载系统由侧囊、侧压加载板、侧箱、侧箱连接板、底座、第二六通阀门、侧压压力表、第二调压阀、第二减压阀、侧压加载气瓶和高压管线组成；围岩侧压加载系统的侧压加载气瓶与第二减压阀相连通，第二减压阀与第二调压阀相连通，第二调压阀与第二六通阀门和侧压压力表相连通，第二六通阀门与第一、二支路相连通，每个支路与一个侧囊相连通，每个侧囊装入每个侧箱中，侧箱在面向巷道围岩模型的一侧设置一个大小适当的孔洞，侧囊充气后，以上述孔洞作为通道对巷道围岩模型进行侧向加载，在挤出的侧囊与巷道围岩模型之间设置有侧压加载板；两块侧压加载板下方设置有侧压加载板垫块；侧压加载板下方设置有侧压加载板垫块；侧压加载板垫块位于巷道围岩模型和侧箱之间；巷道表面压力加载系统的内压加载气瓶与第一减压阀相连通，第一减压阀与第一调压阀相连通，第一调压阀与第一六通阀门和内压压力表相连通，第一六通阀门与内囊相连通，内囊外围设置有加载筒，内压加载筒设置于巷道围岩模型的巷道之内，内囊通过加载筒对巷道表面进行压力加载；巷道围岩模型前、后面设置有两块厚度适当的透明平板；巷道围岩模型上方和下方分别设置有用于垂直应力加载垫块和巷道围岩模型垫块；围岩侧压加载系统的底座用于承载侧压加载板垫块、巷道围岩模型垫块、侧箱、侧囊及透明平板等；侧箱连接板用于连接两个侧箱，以避免侧箱在底座上的侧向倾斜。
[0009]所述围岩侧压加载系统的任一个侧箱由侧箱主体、顶盖、侧箱底座和两块挡板组成；侧箱的主体由三个表面组成:前、后表面和侧面，前、后表面面积相等；侧箱的底座包括3部分，分别与侧箱的3个表面垂直固定，且这3部分的下表面与侧箱主体的底面位于同一水平面内；侧箱的底座上设置有螺栓孔，侧压加载系统底座的相应位置上也设置有螺栓孔，通过螺栓将侧箱的底座和侧压加载系统底座固定；侧箱的顶盖和侧箱的主体通过螺栓固定，侧箱的顶盖上设置有圆孔，允许侧囊的气嘴通过；侧箱的两块挡板将侧箱所围的区域分成左、右两部分，两部分通过侧箱面向巷道围岩模型的孔洞相通；两块挡板与侧箱的侧面平行，且上挡板的上表面与侧箱主体的顶面位于同一平面，下挡板的下表面与侧箱主体的底面位于同一平面内；两块挡板将侧箱主体前、后内表面分割成两部分，一部分用于限制侧囊的膨胀，一部分用于卡住位于巷道围岩模型前、后方的透明平板，两块透明平板只能从垂直方向被抽出。
[0010]所述侧囊由橡胶膜、气嘴、禁锢卡环、密封螺栓组成；橡胶膜由底部、主体、颈部和口部组成；主体和口部呈圆柱形，颈部呈圆锥形，底部呈圆球形；侧囊的橡胶膜口部内表面与气嘴的外表面固定，气嘴中设置有内螺纹和中通的中心孔，密封螺栓通过上述螺纹与气嘴固定，密封螺栓中设置有中通的中心孔，在气嘴和密封螺栓之间设置有密封小球，密封小球上设置有中通的中心孔，高压管线通过密封螺栓、气嘴和密封小球中的中心孔，伸展到橡胶膜所围区域之内；橡胶膜的口部外围设置有禁锢卡环。
[0011]所述巷道表面压力加载系统的内囊由橡胶膜、底部限定板、气嘴、密封螺栓和禁锢卡环组成；内囊的橡胶膜口部内表面与气嘴的外表面固定，气嘴中设置有内螺纹和中通的中心孔，密封螺栓通过上述螺纹与气嘴固定，密封螺栓中设置有中通的中心孔，在气嘴和密封螺栓之间设置有密封小球，密封小球上设置有中通的中心孔，高压管线通过密封螺栓、气嘴和密封小球中的中心孔，伸展到橡胶膜底部，与固定于底部的底部限定板固定；在伸入橡胶膜的高压管线上设置有凹形的出气孔；内囊的底部呈平面，与位于巷道围岩模型前方的透明平板相接触；内囊的口部外表面设置有禁锢卡环。
[0012]所述巷道围岩模型的上部设置有垂直应力加载垫块，下部设置有巷道围岩模型垫块，下方垫块设置在侧压加载系统底座上，垂直应力加载垫块设置在试验机压头与巷道围岩模型之间，垫块的尺寸应适当，以避免试验机的压头与从侧箱顶