一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，属于岩石力学、采矿工程、煤矿安全生产、光测力学等领域。
【背景技术】
[0002]随着经济建设与国防建设的不断发展，地下空间开发和资源开采不断走向深部。在深部，岩体工程面临一系列新的岩体力学问题，这与浅部岩体工程相比具有较大的差异。例如，在深部开挖巷道时，在围岩中常会出现破裂区与非破裂区交替出现的奇怪现象，这种现象称之为分区破裂化。分区破裂化的出现给传统岩体力学理论和巷道支护的传统观念和技术体系提出了新的挑战。众多的科技人员普遍认识到分区破裂化研究的重要性和紧迫性，近年来，提出了不少理论模型和分析方法，例如，波动模型、滑移线模型、非欧模型、梯度模型、相变模型、流变模型、断裂力学模型、空间局部化模型(Wang X，Pan Y, Zhang Z.Aspatial strain localizat1n mechanism of zonal disintegrat1n through numericalsimulat1n.Journal of Mining Science, 2013, 49(3): 357-367)、基于连续介质的颗粒体模型(Wang X, Pan Y, ffu X.A continuum grain-1nterface-matrix model forslabbing and zonal disintegrat1n of the circular tunnel surrounding rock,Journal of Mining Science, 2013，49(2): 220-232)等。但是，目前，关于分区破裂化的机理及过程尚未形成定论，任何一种模型因其局限性，还不能解释所有的分区破裂化现象，亟待深入开展研究。
[0003]在分区破裂化室内实验研究方面，通常采用下列两种模型:
[0004](1)巷道轴线方向不受力的双向或单向加载模型，这种模型便于观测，但一般难于模拟出分区破裂化现象；
[0005](2)巷道轴线方向受力的三维模型，这种模型不便于观测，不容易模拟巷道开挖，有时能模拟出分区破裂化现象。另外，在有些三维模型中，将模型置于金属筒中，金属筒对于模型的侧向或径向的变形具有一定的限制作用，但模型受到约束力的大小并不清楚。
[0006]现有的分区破裂化物理模拟实验存在的主要问题在于:巷道开挖模拟费时费力；无法实现分区破裂化形成过程的实时观测，一旦在巷道的轴线方向上施加力的作用，与这个方向垂直的面上的变形及破坏规律难以采用应变片、位移计、热红外技术、数字图像相关方法等现有的大多数手段实现测量。大量的观测结果都是通过对加载破坏后的模型进行切片后凭肉眼观察获得的，费时费力，精度低。据此，仅知道一个最终的结果，并不清楚分区破裂化的萌生及发展规律。
[0007]本发明为一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，其装置由巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统组成。本发明通过控制含孔洞的推进头的匀速推进，伴随预先充填于巷道之内散体的下落，实现巷道逐渐开挖的模拟；通过侧囊对巷道围岩模型施加侧向压力；通过试验机对该模型施加垂直压力(巷道轴线方向)；通过在过巷道轴线的平面内设置透明平板，使采用光测方法观测分区破裂化现象成为可能。在地应力(垂直应力和两个方向的侧向应力)、巷道开挖及支护的作用下，本发明可为深部巷道围岩分区破裂化研究提供大量的可靠数据，这对于深部巷道围岩的破坏及失稳机理研究以及防灾减灾措施制定具有重要的意义。
【发明内容】
[0008]针对现有的深部巷道围岩分区破裂化室内实验观测数据有限且难于模拟巷道逐渐开挖的局限性，本发明提供了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置；利用该装置和方法能获取巷道围岩模型在地应力、开挖卸荷及支护作用下的变形、破坏及失稳规律，可为煤矿深部巷道围岩破坏规律研究和灾害防治研究提供基础数据和技术参考；该装置具有结构紧凑、操作方便、造价低廉的优势。
[0009]为了研究深部巷道围岩分区破裂化的萌生及发展规律，本发明提供了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置，包括:巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统。巷道开挖系统由预先充填于巷道内的散体、含孔洞的推进头、立柱、活塞、液压缸缸体、开停阀、节流阀、手动换向阀、溢流阀、液压栗、液压管线、油箱、过滤器和透明平板等组成；围岩侧压加载系统由侧囊、侧压加载板、气压调压阀、气压减压阀、气压管线、侧压加载气瓶、顶盖、外壳、气压压力表、垫板和垫箱等组成；通常，垂直于巷道轴线的两个方向的侧压并不相同，为此至少需要两个气瓶分别对巷道围岩模型后方的一个侧囊和其左、右两侧的两个侧囊供气；对左、右两侧囊充气的气瓶与第一气压减压阀相连通，第一气压减压阀与第一气压调压阀相连通，第一气压调压阀与第一六通阀门和第一气压压力表相连通，第一六通阀门与两个支路相连通，每个支路与左、右两侧囊中的一个相连通；对后方侧囊充气的气瓶与第二气压减压阀相连通，第二气压减压阀与第二气压调压阀相连通，第二气压调压阀与第二六通阀门和第二气压压力表相连通，第二六通阀门与后方侧囊相连通；各侧囊均设置于外壳与巷道围岩模型之间，各侧囊充气后，对巷道围岩模型施加侧压；各侧囊和巷道围岩模型下方设置有垫箱；垫箱由凸起和凹陷的两部分平台组成；垫箱上凸起的平台用于承载侧囊、侧压加载板和巷道围岩模型；侧囊的上方设置有顶盖，顶盖上设置有将顶盖固定于外壳的圆孔及允许侧囊气嘴通过的孔洞和滑道；外壳上端面相应位置上设置有螺栓孔，以便于顶盖的固定；垫箱的凹陷平台设置于巷道的下方；垫箱的凹陷平台用于承载巷道开挖系统和承接从推进头孔洞下落的散体；巷道围岩模型的上方设置有垫板；垫板上方设置有垂直应力加载垫块，垂直应力加载垫块设置在试验机上压头与巷道围岩模型之间；外壳和垫箱的下端面均设置在试验机平台上；巷道围岩模型的前方设置有一块透明平板，透明平板将巷道围岩模型刚好遮挡，通过螺栓将透明平板固定在外壳的前表面上。
[0010]所述巷道开挖系统的含孔洞的推进头固定在液压缸的立柱上；推进头的上表面包括两部分:凸起的头部和其外围的平台。凸起的头部起到降低推进阻力的作用，有利于位于头部的散体滑向平台；平台上设置有允许散体下落的垂直方向的贯通孔；贯通孔的数量、尺寸和形状决定了散体的流量，随着散体的下落，在液压缸立柱的作用下推进头向上推进，这样，散体的流量将决定巷道开挖的速度。
[0011]所述推进头匀速向上推进，其速度和散体的流量相适应，若推进头推进过快，将使散体受到较大的平行于巷道轴线的压力作用，这不符合巷道开挖的本质(是轴向卸荷，而非加荷)；若推进头推进过慢，将使远离推进头的散体发生松动，这也不符合巷道开挖时影响区域应位于开挖面附近的实际情况。
[0012]所述推进头设置有贯通孔，贯通孔在巷道开挖之前应封闭。
[0013]所述巷道围岩模型在巷道逐渐开挖过程中，由于垂直方向压力、侧向压力的作用，围岩将向开挖后的巷道涌入，这将妨碍立柱和推进头的上升以及散体的下落；为此，在推进头的侧向设置有可伸缩的套管，该套管仅为常规套管的一半，即将常规套管沿其轴线一分为二，任意一个均可使用，套管的最大伸长量取决于其级数和每级的长度，可根据开挖巷道的长度决定，随着立柱和推进头的上升，套管逐渐伸长，套管还能对巷道围岩起到一定的支护作用；最外侧套管固定在垫箱上，最内侧套管固定在推进头上；液压缸设置于套管内部，并固定在垫箱的凹陷平台上；液压元件的连接关系是:过滤器与液压栗相连通，液压栗分别与溢流阀和开停阀相连通，开停阀与节流阀相连通，节流阀与手动换向阀相连通，手动换向阀分别与液压缸相连通，过滤器、溢流阀和手动换向阀分别与油箱相连通。
[0014]所述透明平板通过螺栓和外壳固定，为了避免透明平板的应力集中，可在透明平板与螺栓之间设置垫片。
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