一种用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及井巷道工程围岩变形及稳定性控制领域，特别涉及一种用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的迅速发展及能源需求量的不断增加，深部矿井巷道工程的规模和数量在日益增大，据有关资料统计表明，我国每年新掘开采深度在600-800m以下的巷道总长度超过了 1000km。而由于受深部复杂的地质力学环境、巷道围岩自身的赋存状态及外部采掘活动等因素的强烈影响，绝大部分巷道围岩均出现了深部非线性大变形破坏现象甚至是非线性突变灾害事故，如溃帮、大幅底鼓、顶板垮冒等，这不但影响了巷道的正常服务，也严重威胁到矿山企业的安全生产。因此，深部矿井巷道围岩的控制问题十分突出，其破坏机理及支护对策一直是岩石力学和采矿工作者们亟待破解的科学难题。
[0003]相关理论研究及工程实践表明，深部巷道围岩的大变形破坏与失稳是围岩塑性区形成、发展及边界蠕变扩张的结果，塑性区的形态、范围决定了巷道破坏的模式和程度，因此，研究巷道围岩塑性区的形态分布及其扩张规律正是突破深部巷道围岩控制难题的有效途径。目前，关于巷道围岩塑性区的研究成果主要集中在弹塑性理论解析、数值模拟分析方面，初步得到了塑性区的分布特征与分布规律。但是，现有技术中有关塑性区分布的室内模型实验研究仍然严重缺乏，这主要是因为当前的巷道模型实验系统存在诸多缺陷，不能较好地满足实验需求，表现为:一是模型加载不均匀，受力边界不能满足实际条件。现有的巷道模型实验系统基本上采用液压油缸的刚性加载方式，油缸加载需要分级传递，而各个油缸的性能差异及其传力机构的区别容易导致模型不能完全均匀受载，同时，油缸加载板与模型边界的变形不协调，往往造成室内模型实验无法满足实际的边界条件。二是模型实验系统所能提供的荷载集度偏小，不能进行三维条件下深部高应力环境尤其是高偏应力场的模型实验。三是模型实验全过程缺乏先进的高精度变形监测系统进行实时量测，而采用常规的模型实验位移、应变测量仪器获取的监测结果通常并不理想，得不到巷道围岩塑性区的分布特征与分布规律。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型要解决的技术问题是提供一种加载均匀、荷载集中度高、高精度变形实时监测的用于模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为该模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统包括承载架、侧压室、液压系统、多点位移测量系统、轴向加载缸、传力轴、轴压传感器、上压头；
[0006]其中侧压室包括壳体、实验模型、侧压室底座，壳体嵌入侧压室底座上的侧压室脚槽并与侧压室底座的螺柱连接，在壳体与侧压室脚槽之间还连接有密封橡胶垫;实验模型内含贯穿实验模型的巷道模型，在沿巷道模型的径向由巷道模型的中心向外呈发射状分布有微型高精多点位移传感器，在巷道模型的两端、紧贴实验模型的前后壁的外侧连接有过渡板，实验模型的上端面、下端面均连接有高强柔性橡胶层，实验模型的下端面的高强柔性橡胶层与侧压室底座的下压头连接，壳体顶部设置有排气阀；
[0007]轴向加载缸与支撑架连接，轴向加载缸下端连接传力轴，在传力轴下端面与轴压传感器连接，轴压传感器与上压头的上端面加载连接，上压头穿过侧压室的壳体的顶部的中心通孔、其底部与实验模型上端面的高强柔性橡胶层连接，在上压头与侧压室的壳体的顶部的中心通孔之间还连接有密封圈，在上压头与下压头之间还连接有包围实验模型的隔离橡胶膜，液压系统分别与轴向加载缸和侧压室的注油管孔和回油管孔连接，多点位移测量系统通过数据线穿过侧压室底座的过线孔与微型高精多点位移传感器连接。
[0008]进一步地，在沿巷道模型的径向呈发射状分布的微型高精多点位移传感器在巷道模型的径向上等距离分布。
[0009]进一步地，承载架包括上承载台、特制螺母、承载柱、柱底垫板，承载柱上端用特制螺母与上承载台连接，承载柱下端与柱底垫板连接。
[0010]进一步地，液压系统包括液压控制台和供油系统，液压控制台包括侧压室围压控制区、轴压控制区、参数设置和显示区，供油系统包括电机、液压栗、多路阀、油箱、压力传感器，液压控制台分别与多路阀、电机、压力传感器电性连接，液压栗分别与电机、油箱、多路阀连接。
[0011]进一步地，多点位移测量系统包括信号接收模块、信号转换模块、数据分析模块，信号接收模块、信号转换模块、数据分析模块依次电性连接。
[0012]进一步地，密封圈为中空的锥形体，中空的内径与上压头的圆柱杆外径相同。
[0013]进一步地，隔离橡胶膜为两端开口的方筒型，其内腔尺寸与实验模型外形相一致，高度大于实验模型的高度。
[0014]进一步地，轴向加载缸为特大压力油缸，其最大载荷为100t。
[0015]进一步地，过渡板为方形薄钢板，其长、宽尺寸为所述巷道模型直径的1.5?2倍。
[0016]采用上述技术方案，由于使用了侧压室、液压系统、多点位移测量系统、实验模型等技术特征，使得本实用新型与现有技术相比较，模型加载更均匀，受力边界能满足实际条件;能提供较高的荷载集度，能进行三维条件下深部高应力环境尤其是高偏应力场的模型实验;能对三维模型试验进行数据的实时采集、测量精度达到微米级别，能有效准确地测量和模拟巷道围岩塑性区的分布特征与分布规律。本实用新型具有以下有益效果:
[0017](I)能够成功地模拟巷道围岩塑性区的演化过程，能完成塑性区形态分布的描绘及形成与发展规律的分析；
[0018](2)通过嵌有高强柔性橡胶层的上、下压头及大型钢制三轴侧压室，实现了对模型的三向完全均匀柔性加载，确保可靠的受力边界，模拟的型巷道围岩破裂真实度更高，所得数据更可靠；
[0019](3)模拟的三向应力环境，轴压与侧压能调节，并均可达到很高的压力值，故不仅能够模拟浅部巷道围岩的常规应力场，而且能够模拟深部巷道围岩的高偏应力场环境；
[0020](4)采用了先进的光纤高精多点位移量测系统对模型实验进行动态监测，得到的数据更为全面、真实；
[0021](5)承载柱为钢管高强混凝土柱，上承载台采用多层正交肋板焊接而成，因此，承载架的承载力高、刚度大、整体稳定性好，可保证实验的安全。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型主体结构示意图；
[0023]图2为本实用新型侧压室与上压头连接结构示意图；
[0024]图3为本实用新型巷道模型径向传感器布置示意图；
[0025]图4为本实用新型承载架部件结构示意图；
[0026]图5为本实用新型模具结构示意图；
[0027]图6为侧压室底座结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]如附图1所示，该模拟巷道围岩塑性区的三维实验系统包括承载架1、侧压室2、液压系统3、多点位移测量系统4、轴向加载缸5、传力轴6、轴压传感器7、上压头8;
[0030]如附图2和附图3所示，侧压室2包括壳体9、实验模型10、侧压室底座11，壳体9嵌入侧压室底座11上的侧压室脚槽12并与侧压室底座11的螺柱13连接，在壳体9与侧压室脚槽12之间还连接有密封橡胶垫14;实验模型1内含贯穿实验模型1的巷道模型15，在沿巷道模型15的径向由巷道模型15的中心向外呈发射状分布有微型高精多点位移传感器16，在巷道模型15的两端、紧贴实验模型10的前后壁的外侧连接有过渡板17，实验模型10的上端面、下端面均连接有高强柔性橡胶层18，实验模型10的下端面的高强柔性橡胶层18与侧压室底座11的下压头19连接，壳体9顶部设置有排气阀20。
[0031 ]如附图1和附图2所示，轴向加载缸5与支撑架I连接，轴向加载缸5下端连接传力轴6，在传力轴6下端面与轴压传感器7连接，轴压传感器7与上压头8的上端面加载连接，上压头8穿过侧压室2的壳体9的顶部的中心通孔21、其底部与实验模型10上端面的高强柔性橡胶层18连接，在上压头8与侧压室2的壳体9的顶部的中心通孔21之间还连接有密封圈22，在上压头8与下压头19之间还连接有包围实验模型10的隔离橡胶膜23，液压系统3分别与轴向加载缸5和侧压室2的注油管孔24和回油管孔25连接，多点位移测量系统4通过数据线穿过侧压室底座11的过线孔26与微型高精多点位移传感器16连接。上述技术方案，能够成功地模拟巷道围岩塑性区的演化过程，能完成塑性区形态分布的描绘及形成与发展规律的分析;实现了对模型的三向完全均匀柔性加载，确保可靠的受力边界，模拟的型巷道围岩破裂真实度更高，所得数据更可靠;轴压与侧压能调节，并能提供较大载荷加载，不仅能够模拟浅部巷道围岩的常规应力场，而且能够模拟深部巷道围岩的高偏应力场环境;能实现对巷道围岩位移的实时测量，数据更全面和真实。
[0032]更为具体的，如附图3所示，在沿巷道模型15的径向呈发射状分布的微型高精多点位移传感器16在巷道模型15的径向上等距离分布，有助于精确测量和采集实验模型10的巷道模型15沿径向的位移变化，使模拟矿井巷道围岩塑性区的变化更真实。附图4所示，承载架I包括上承载台27、特制螺母28、承载柱29、柱底垫板30，承载柱29上端用特制螺母28与上承载台27连接，承载柱29下端与柱底垫板30连接，在将柱底垫板30与地面预制地脚螺栓连接，将支撑架I牢固地固定在地面上，为模拟加载提供足够的强度，确保试验的可靠性和