巷道相似模拟平面应变试验台的制作方法

本实用新型涉及一种平面应变试验台，特别是一种巷道相似模拟平面应变试验台，用于进行巷道围岩变形破坏的模拟试验。

背景技术：

研究高地应力巷道围岩的变形破坏特征及过程对煤矿现场实际巷道围岩控制有着重要的意义。通过相似材料平面应变相似模拟试验研究，在一定程度上模拟现场围岩性质、开挖次序、原始地应力状态及边界条件，通过有效的位移和应力、应变测试手段，对比分析不同支护形式下巷道围岩破坏的全过程，对控制巷道围岩变形破坏可提供一定的参考。

目前，国内采用进行相似材料模拟的设备主要有平面应力试验台和三维地质力学试验台。对于平面应力试验台，其不如平面应变试验台更接近煤矿现场实际。现有三维地质力学试验台一般用于采场模拟时设计尺寸相对较大，如果用于巷道破坏特征模拟建模，费工、费时、费料。另外，由于相似材料建模后一般需要风干，采用大尺寸试验台风干时间过长，有的甚至可达数月，致使模拟一次巷道变形破坏试验耗时巨大。同时，现有平面应力试验台和三维地质力学试验台大多是采用千斤顶或杠杆加压，模型结构复杂，试验架体灵活性较差，加载困难并能力有限，装载方式单一，一般不便于装载倾斜煤层或设置内部构造。以上为现有技术的不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种巷道相似模拟平面应变试验台，该试验台结构简单，成本低廉，加工简单，操作简便，加载方便，加载能力大，装载方式灵活，透视性好，易于观测，相似材料风干时间短，试验速度快，用以克服现有技术的不足。

本实用新型的目的可以通过下述技术方案来实现：

本巷道相似模拟平面应变试验台，包括试验台主体架和压力盒，其特征是：还包括2套气体增压系统，所述试验台主体架包括有底座、底梁、左侧梁、右侧梁，前挡板、后挡板、顶梁、多条前加强筋、多条后加强筋、有机玻璃板和3个气囊，底座固定在底梁的底部，在底梁上的左、右两侧位置，分别固定有左侧梁和右侧梁，左侧梁及右侧梁的前侧面、后侧面分别用螺栓连接前挡板和后挡板，前挡板和后挡板的下端分别与底梁相接触，前挡板的中间开有窗口，多条前加强筋横向间隔设置在前挡板上，且最上方和最下方2条前加强筋分别对应于前挡板中间窗口的上沿和下沿，多条后加强筋横向间隔设置在后挡板上，有机玻璃板上有凸起部，有机玻璃板通过其凸起部嵌入到前挡板中间的窗口中，有机玻璃板的四边与前挡板通过螺栓固定连接，其中，有机玻璃板的上、下两边还分别与最上方和最下方2条前加强筋一起通过螺栓固定连接，在有机玻璃板上设置有开挖孔，在后挡板上对应于开挖孔处设置有多个送线孔，顶梁由螺栓固定在左侧梁和右侧梁的顶部，底梁、左侧梁、右侧梁、前挡板 和有机玻璃板、后挡板以及顶梁合围构成试验台主体架内腔，试验台主体架内腔的两侧以及上方位置设有3个气囊，相似材料模型装于试验台主体架内腔里，并位于3个气囊和底梁之间的空间内，压力盒埋于相似材料模型内部，压力盒的电接线由多个送线孔引出，在左侧梁、右侧梁和顶梁上均设有一个通气接管安装孔，位于试验台主体架内腔两侧的气囊通过通气接管连接其中一套气体增压系统的出气口，位于试验台主体架内腔上方的气囊通过通气接管连接另一套气体增压系统的出气口。

本实用新型所述试验台主体架还包括有两个固定块、左挡板和右挡板，两个固定块对应设置在左侧梁和右侧梁的内侧上端位置，分别位于试验台主体架内腔两侧位置的2个气囊上方，并且分别位于试验台主体架内腔上方位置的气囊左、右两侧，两个固定块的下端面上靠外侧均设有插槽I，在底梁上设有与两固定块下端面上的插槽I相对应的左、右两个插槽II，当构筑相似材料模型时，左挡板插装在左侧梁内侧的固定块下端面插槽I和底梁上左侧的插槽II内，右挡板插装在右侧梁内侧的固定块下端面插槽I和底梁上右侧的插槽II内。

本实用新型多个送线孔的圆心均布于同一虚拟圆的圆周上，虚拟圆的圆心与后挡板上开挖孔的圆心相对应。

本实用新型所述送线孔共有20个。

本实用新型所述虚拟圆的直径为220mm，每个送线孔的直径为10mm。

本实用新型的每套气体增压系统由氮气增压自动控制系统、驱动泵和无油空气压缩机组成，氮气增压自动控制系统的进气口通过通气接管连接驱动泵的出气口，驱动泵的进气口通过通气接管连接无油空气压缩机的出气口；位于试验台主体架内腔两侧的气囊通过通气接管连接其中一套气体增压系统氮气增压自动控制系统的出气口，位于试验台主体架内腔上方的气囊通过通气接管连接另一套气体增压系统氮气增压自动控制系统的出气口。

本实用新型的前加强筋共有4个；后加强筋共有4个。

本实用新型的左侧梁和右侧梁均为槽钢结构，左侧梁和右侧梁的槽口均背离试验台主体架内腔；底梁由槽口面向试验台主体架内腔的槽钢和浇筑在槽钢槽内的水泥实体构成。

本实用新型的每个气囊为扁平的长方体形状气囊，其四周侧面为折页面，其上、下面为平面，其上面上设有通气接管接口。

本实用新型的每个气囊其上、下面均由耐压软质橡胶材料制成，其四周侧面折页面均由厚度小于其上、下面所用材料厚度的耐压软质橡胶材料制成。

本实用新型的优点是：1)该巷道相似模拟平面应变试验台配合采用气囊、气体增压装置加载，可充分发挥气囊均压加载和各种轴向加载性能，进行如轴压梯度加载，模拟不同埋深巷道的围岩变形破坏特征；也可稳压进行巷道蠕变试验，解决了常规相似模拟试验中杠杆加载能力有限，千斤顶加载稳压性能差的缺陷；左右两侧气囊可对相似模拟材料的左右边界进行围压限定，更加贴近实际模拟巷道的条件；2)该试验台在充气时，每个气囊14其上、下面可以均匀张开膨胀，极好地达到了均压加载的要求；3)采用大比例尺平面应变模型进行巷 道模拟，能够在加载足够应力载荷的同时，有效地观测巷道的围岩变形破坏特征和围岩应力变化情况；试验台用料少，装载过程中可采用立式和卧式两种不同形式，装载方式灵活，试验台可移动性好，大大缩短模型制作周期，并节省人力、物力；4)该试验台内装的相似材料模型体积小，相似材料风干时间短，保证了多个试验对比组的合理时间调配，减少窝工时间；并且由于该试验台成本较低，加工简单，因此可以制作多个相同试验台，加快试验速度；5)由于采用有机玻璃进行透视，因此能有效保证位移及裂隙观测的准确性。

总之，本实用新型结构简单，成本低廉，加工简单，操作简便，加载方便，加载能力大，且极好地达到了均压加载的要求，装载方式灵活，透视性好，易于观测，相似材料风干时间短，节省人力、物力，试验速度快，能够模拟不同埋深巷道的围岩变形破坏特征，也可稳压进行巷道蠕变试验，是一种理想的巷道相似模拟平面应变试验台。

附图说明

图1是本实用新型的局部剖视整体结构示意图；

图2是试验台主体架的主视局部剖视结构示意图；

图3是试验台主体架的侧视局部剖视结构示意图；

图4是试验台主体架的后视结构示意图；

图5是去掉有机玻璃板6、多条前加强筋10和多条后加强筋19后，试验台主体架的俯视结构示意图；

图6是试验台主体架气囊的主视断面结构示意图。

具体实施方式

如图1-6所示，本巷道相似模拟平面应变试验台，包括试验台主体架和压力盒，其特征是：还包括2套气体增压系统，所述试验台主体架包括有底座16、底梁1、左侧梁2、右侧梁3，前挡板4、后挡板5、顶梁15、多条前加强筋10、多条后加强筋19、有机玻璃板6和3个气囊14，底座16固定在底梁1的底部，在底梁1上的左、右两侧位置，分别固定有左侧梁2和右侧梁3，左侧梁2及右侧梁3的前侧面、后侧面分别用螺栓连接前挡板4和后挡板5，前挡板4和后挡板5的下端分别与底梁1相接触，前挡板4的中间开有窗口，多条前加强筋10横向间隔设置在前挡板4上，且最上方和最下方2条前加强筋10分别对应于前挡板4中间窗口的上沿和下沿，多条后加强筋19横向间隔设置在后挡板5上，有机玻璃板6上有凸起部11，有机玻璃板6通过其凸起部11嵌入到前挡板4中间的窗口中，有机玻璃板6的四边与前挡板4通过螺栓固定连接，其中，有机玻璃板6的上、下两边还分别与最上方和最下方2条前加强筋10一起通过螺栓固定连接，在有机玻璃板6上设置有开挖孔7，在后挡板5上对应于开挖孔7处设置有多个送线孔8，顶梁15由螺栓固定在左侧梁2和右侧梁3的顶部，底梁1、左侧梁2、右侧梁3、前挡板4和有机玻璃板6、后挡板5以及顶梁15合围构成试验台主体架内腔，试验台主体架内腔的两侧以及上方位置设有3个气囊14，相似材料模型装于试验台主体架内腔里，并位于3个气囊14和底梁1之间的空间内，压力盒埋于相似材料模型 内部，压力盒的电接线由多个送线孔8引出，在左侧梁2、右侧梁3和顶梁15上均设有一个通气接管安装孔12，位于试验台主体架内腔两侧的气囊14通过通气接管连接其中一套气体增压系统的出气口，位于试验台主体架内腔上方的气囊14通过通气接管连接另一套气体增压系统的出气口。

如图1、2所示，所述试验台主体架还包括有两个固定块13、左挡板18和右挡板17，两个固定块13对应设置在左侧梁2和右侧梁3的内侧上端位置，分别位于试验台主体架内腔两侧位置的2个气囊14上方，并且分别位于试验台主体架内腔上方位置的气囊14左、右两侧，两个固定块13的下端面上靠外侧均设有插槽I，在底梁1上设有与两固定块13下端面上的插槽I相对应的左、右两个插槽II，当构筑相似材料模型时，左挡板18插装在左侧梁2内侧的固定块13下端面插槽I和底梁1上左侧的插槽II内，右挡板17插装在右侧梁3内侧的固定块13下端面插槽I和底梁1上右侧的插槽II内。

如图4所示，多个送线孔8的圆心均布于同一虚拟圆9的圆周上，虚拟圆9的圆心与后挡板5上开挖孔7的圆心相对应。所述送线孔8共有20个。所述虚拟圆9的直径为220mm，每个送线孔8的直径为10mm。在其他具体实施方式中，根据具体的边界条件，虚拟圆9和送线孔8的直径也可为其他值，以达到基本相同的技术效果；送线孔8也可根据需要设计为不同位置及数量，如数量设计为10个、16个、24个或30个等。

如图1所示，每套气体增压系统由氮气增压自动控制系统21、驱动泵22和无油空气压缩机23组成，氮气增压自动控制系统21的进气口通过通气接管连接驱动泵22的出气口，驱动泵22的进气口通过通气接管连接无油空气压缩机23的出气口；位于试验台主体架内腔两侧的气囊14通过通气接管连接其中一套气体增压系统氮气增压自动控制系统21的出气口，位于试验台主体架内腔上方的气囊14通过通气接管连接另一套气体增压系统氮气增压自动控制系统21的出气口。其中，氮气增压自动控制系统21可采用济南思明特科技有限公司生产的氮气增压自动控制系统，其型号为SUP-XT-B100；无油空气压缩机23可采用台州市奥突斯工贸有限公司生产的无油空气压缩机，其型号为OTS-550X3。

如图1、2、3、4所示，前加强筋10共有4个；后加强筋19共有4个。在其他具体实施方式中，也可根据试验台主体架的尺寸边界条件以及前挡板4中间窗口的尺寸，合理地增加或减少加强筋10的数量，可根据试验台主体架的尺寸边界条件以及后挡板5上多个送线孔8的尺寸边界情况，合理地增加或减少后加强筋19的数量。

如图1-5所示，左侧梁2和右侧梁3均为槽钢结构，左侧梁2和右侧梁3的槽口均背离试验台主体架内腔；底梁1由槽口面向试验台主体架内腔的槽钢24和浇筑在槽钢24槽内的水泥实体25构成。

如图6所示，每个气囊14为扁平的长方体形状气囊，其四周侧面为折页面，其上、下面为平面，其上面上设有通气接管接口20。每个气囊14其上、下面均由耐压软质橡胶材料制成，其四周侧面折页面均由厚度小于其上、下面所用材料厚度的耐压软质橡胶材料制成。

本巷道相似模拟平面应变试验台在构筑相似材料模型时，向试验台主体架内腔装填相似材料时，根据具体情况，可在不固定顶梁15，去掉位于试验台主体架内腔上方的气囊14时，直接从试验台主体架上端口处送入、铺装相似材料；或者也可将前挡板4拆卸下来，将相似材料置于后挡板5上铺装，然后再将前挡板4装配好。上述装填相似材料的同时，注意埋设好压力盒，压力盒的电接线由多个送线孔8引出；相似材料装填好后，风干1周左右，即构筑好相似材料模型可进行试验。

另外，在向试验台主体架内腔装填相似材料前，可以先将前挡板4拆卸下来，将左挡板18插装在左侧梁2内侧的固定块13下端面插槽I和底梁1上左侧的插槽II内，将右挡板17插装在右侧梁3内侧的固定块13下端面插槽I和底梁1上右侧的插槽II内；然后在底梁1、左挡板18、右挡板17和位于试验台主体架内腔上方的气囊14之间的空间内，装填相似材料；当装填好相似材料，构筑好相似材料模型后，需要实验气囊加载时，将左挡板18和右挡板17抽出去掉即可。

本巷道相似模拟平面应变试验台，相似材料模型构筑完成后，实验时将试验台放置稳定，并将试验台与2套气体增压系统连接好，然后开始气体增压，充分发挥3个气囊14的梯度加载、稳压性能、均压性能进行加载试验。在加载过程中，2套气体增压系统一直工作，位于试验台主体架内腔两侧的气囊14由其中一套气体增压系统同时、同步并等同供压，位于试验台主体架内腔上方的气囊14由另一套气体增压系统供压。

本巷道相似模拟平面应变试验台，上述实验过程中，可透过有机玻璃板6观察相似材料模型，即模拟巷道的破坏过程，并且压力盒同时测量加载数据等。若需要对模拟巷道作卸压试验，可在送线孔8处对相似材料模型打孔，然后从有机玻璃板6上的开挖孔7处，挖出打孔后与相似材料模型脱离的模型实体，以便模拟从属小巷道卸压支护。

本巷道相似模拟平面应变试验台，在充气时，每个气囊14其上、下面可以均匀张开膨胀，极好地达到均压加载的要求，克服了因现有的加载气囊为圆柱形或者扁平带弧形结构，充气时会先从中间膨胀，不适应本实验台的模拟试验要求均压加载的问题。