两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种煤炭开采安全技术，尤其是一种煤炭开采矿井受力模拟实验装置，具体地说是一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置及实验方法。

背景技术：

我国大多数冲击矿压矿井煤层的顶板条件是坚硬顶板，很多冲击矿压事故都发生在顶板岩层突然垮落时。在深部厚坚硬顶板条件下，采场周围的围岩一般都受到上覆岩层的自重应力、采动支承压力、坚硬顶板断裂失稳产生的巨大瞬间冲击力，也就是前面两种应力的叠加形成了高应力场，在该高应力场中，一旦坚硬顶板断裂失稳，所产生的巨大瞬间冲击力将诱发该场中的能量释放，而产生冲击矿压。

试验研究是揭示冲击地压发生机制的重要研究手段。目前，现存实验装置与实验方法多围绕型煤、岩石（小型圆柱型、长方体型）试样展开。特别是由于冲击矿压是指煤矿煤巷冲击，深部煤田地质赋存条件比地下硬岩工程更为复杂，且采动应力的存在是煤矿开采的一大特点，使得冲击地压与非煤矿山岩爆的实验装置和方法有所不同。“原岩应力加载-采动应力加载”、“原岩应力加载-采动应力加载-顶板破断动载”等应力路径下巷道围岩结构冲击破坏机制，围岩顶-煤-底结构及其力学属性、支护条件对顶板诱发冲击地压的影响机制等研究工作，急需相关实验装置和方法来开展。

技术实现要素：

本发明的目的针对“原岩应力加载-采动应力加载”、“原岩应力加载-采动应力加载-顶板破断动载”等应力路径下巷道围岩结构冲击破坏机制，围岩顶-煤-底结构及其力学属性、支护条件对顶板诱发冲击地压的影响机制等研究工作，急需相关实验装置和方法来开展的问题，设计一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置，同时提供一种相应的实验方法。

本发明的技术方案是：

一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置，它包括外框架1，外框架1底部设有固定脚架26，其特征是外框架1内部安装有支撑体2和垂直液压缸3，支撑体2上部放置升降内框架4，升降内框架4在底部垂直液压缸3和侧面位于外框架1框体中的导向块27的作用下沿外框架1内侧上下运动，升降内框架4内部安装有工作台5，工作台5上放置模型加载箱6，垂直液压缸3通过工作台5对模型加载箱6施加垂直方向的载荷，模拟竖直方向原岩应力和采动应力，升降内框架4两侧安装有能随动的水平液压缸8，水平液压缸8通过压块12对模型加载箱6施加水平方向的载荷，模拟水平方向原岩应力；外框架1顶部安装有开口盖板14，开口盖板14底部连接有压板13，立柱15穿过开口盖板14安装在压板13上，压板13中部开有供冲击锤头30穿过并对模型加载箱6施加冲击力的孔口21；立柱15内侧安装有导轨16，顶部安装有滑轮20，钢丝绳19穿过滑轮20连接爪钩18，爪钩18抓紧冲击锤机构，冲击锤机构通过导向轮17在导轨16上作快速冲击运动和返回运动。

所述水平液压缸8的前端安装有推板10，推板10抵紧导向柱11，导向柱11与模型加载箱6前端的压块12相连。

所述模型加载箱6内放置巷道模型7，巷道模型7顶部放置砧板22，巷道模型7前、后均安装有挡板29，巷道模型7分为顶板23、煤体24、底板25，煤体24内开掘有巷道9；所述模型加载箱6左右两侧壁板上开有监测孔34。

所述冲击锤机构包含锤头30、锤体31、砝码32、螺栓33，砝码32通过螺栓33固定在锤体31上。

所述钢丝绳19连接有电动提升机28。

所述挡板29为透明亚克力板；所述挡板29设有与巷道9同样形状的孔。

本发明的技术方案之二是：

一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验方法，其特征是它包括以下步骤：

首先：将挡板29前后安装在模型加载箱6上；

其次，根据物理模型相似比原则配置相似材料，将材料铺设在模型加载箱6内，依次铺设底板25、煤体24、顶板23，制作巷道模型7，在巷道模型7顶部放置砧板22；

第三，将模型加载箱6吊装放置在工作台5上；

第四，垂直液压缸3伸出，带动升降内框架4向上运动，砧板22抵紧压板13，实现巷道模型7竖直方向的静态加载，模拟竖直方向原岩应力；

第五，水平液压缸8伸出，带动推板10抵紧模型加载箱6上的导向柱11，导向柱11带动压块12对模型施加水平方向的静态加载，模拟水平方向原岩应力；

第六，在保持水平和垂直加载的前提下，开掘巷道9，并根据实验要求决定是否进行支护；

第七，开掘巷道9结束后，增大液压缸3的输出力，对巷道模型7在竖直方向上继续施加静态加载，模拟采动应力；

第八，利用电动提升机28卷起钢丝绳19，利用带动爪钩18拉动冲击锤机构向上运动；

第九、爪钩18释放冲击锤机构，冲击锤机构的前端锤头30穿过压板13中部的孔口21，击打在砧板22上，对巷道模型7顶部施加冲击载荷，模拟顶板破断产生的动载。

所述的巷道模型7内安装有监测用应变块。

本发明的有益效果：

本发明能够实现模拟“原岩应力加载-采动应力加载”、“原岩应力加载-采动应力加载-顶板破断动载”等应力路径，能够对不同顶-煤-底结构及其力学属性、支护条件的巷道模型开展实验。其结构简单，操作方便，可控性好。

本发明利用升降内框架向上运动，实现了巷道模型竖直方向的静态加载，模拟竖直方向原岩应力和采动应力；液压缸带动压块对模型施加水平方向的静态加载，模拟水平方向原岩应力；冲击锤机构击打在砧板上，对巷道模型顶部施加冲击载荷，模拟顶板破断产生的动载。本发明能用于开展 “原岩应力加载-采动应力加载”、“原岩应力加载-采动应力加载-顶板破断动载”等不同应力路径以及围岩体及其支护条件时顶板型冲击地压发生机制的实验研究。

附图说明

图1 为本发明的两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置的主视图。

图2 为底部液压缸伸出并利用模型顶部砧板对巷道模型加载的原理图。

图3 为图1的侧视图。

图4 为本发明的冲击锤机构的结构示意图。

图5 为本发明的模型加载箱壁板原理图。

图中：1为外框架、2为支撑体、3为垂直液压缸、4为升降内框架、5为工作台、6为模型加载箱、7为巷道模型、8为水平液压缸、9为巷道、10为推板、11为导向柱、12为压块、13为压板、14为开口盖板、15为立柱、16为导轨、17为导向轮、18为爪钩、19为钢丝绳、20为滑轮、21为孔口、22为砧板、23为顶板、24为煤体、25为底板、26为固定脚架、27为导向块、28为电动提升机、29为挡板、30为锤头、31为锤体、32为砝码、33为螺栓、34为监测孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-5所示。

一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验装置，它包括外框架1，外框架1的底部设有固定脚架26，如图3，外框架1的内部安装有支撑体2和垂直液压缸3，支撑体2上部放置有升降内框架4，升降内框架4利用垂直液压缸3和导向块27上下运动并对模型加载箱6产生垂直方向的载荷，模拟垂直方向原岩应力和采动应用（图2），导向块27在外框架1的框体内上下滑动（图3），升降内框架4内部安装有工作台5，工作台5上放置模型加载箱6，升降内框架4两侧安装有水平液压缸8，水平液压缸8前端安装有推板10，推板10抵紧模型加载箱6上的导向柱11，导向柱11前端穿过模型加载箱6与压块12相连，压块12对模型架载箱6中的巷道模型施加水平方向的压力，模拟水平原岩应力；外框架1顶部有开口盖板14，开口盖板14底部安装压板13，压板13上部安装有立柱15，立柱15内侧安装有导轨16，顶部安装有滑轮20，钢丝绳19穿过滑轮20连接爪钩18，爪钩18抓紧冲击锤机构，冲击锤机构利用导向轮17沿导轨16上下运动，如图1。所述压板13中部开有孔口21。所述模型加载箱6内放置巷道模型7，巷道模型7顶部放置砧板22，巷道模型7前后安装有挡板29，巷道模型7分为顶板23、煤体24、底板25，并安装有检测用应变块，煤体24内开掘有巷道9；根据实验需要，巷道9中可加装支护进行实验，也可不加装支护进行相关实验，巷道模型7可预制并根据实验需要进行更换。所述模型加载箱6左右两侧壁板上开有监测孔34，如图5。所述冲击锤机构如图4，它包含锤头30、锤体31、砝码32、螺栓33，利用螺栓33将砝码32固定在锤体31上，它可以根据实验需要更换法码从而调整冲击力。所述钢丝绳19连接电动提升机28。所述挡板29为透明亚克力板，挡板29上也开设有巷道9形状的孔。

实施例二。

一种两向静态及冲击动态加载的巷道模型实验方法：

首先：将挡板29前后安装在模型加载箱6上；

其次，根据物理模型相似比原则配置相似材料，将材料铺设在模型加载箱6内，依次铺设底板25、煤体24、顶板23，制作巷道模型7；制作过程中在巷道模型内7放置应变块；具体实施时，巷道模型也可通过相关模具另外制作后吊装到模型加载箱6中；在巷道模型7顶部放置砧板22；

第三，将模型加载箱6吊装放置在工作台5上；

第四，垂直液压缸3伸出，带动升降内框架4向上运动，使砧板22抵紧压板13，实现巷道模型7竖直方向的静态加载，模拟竖直方向原岩应力；

第五，水平液压缸8伸出，带动推板10抵紧模型加载箱6上的导向柱11，导向柱11带动压块12对巷道模型施加水平方向的静态加载，模拟水平方向原岩应力；

第六，开掘巷道9，然后根据实验要求进行支护或不支护，在锚杆上贴应变片，在巷道内布置位移、加速度传感器，将应变块、应变片、位移、加速度传感器连接动态信号采集仪；在模型加载箱6左右两侧壁板上的监测孔34内放置声发射探头，将声发射探头连接声发射采集系统；将高速摄像机对准挡板29；

第七、增加液压缸3的输出力，对巷道模型7在竖直方向上继续施加静态加载，模拟采动应力；

第八，利用电动提升机28卷起钢丝绳19，带动爪钩18拉动冲击锤机构向上运动。

第九，爪钩18释放冲击锤机构，冲击锤机构的前端锤头30穿过压板13中部的孔口21，击打在砧板22上，对巷道模型7顶部施加冲击载荷，模拟顶板破断产生的动载。

第十，采用动态信号采集仪，采集两向静态及冲击动态加载过程中的模型内部应力信号，支护锚杆受力信号，巷道侧帮及顶底板位移、速度、加速度信号；利用声发射监测裂纹扩展的时空特性；利用高速摄像机追踪动态破坏过程。

重复步骤一至九可进行不同静态及冲击动态加载路径、不同顶-煤-底结构及其力学属性、不同支护方式和参数等条件下的实验，获得相应的检测数据。

以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。