动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统及其方法与流程

本发明涉及巷道支护体力学试验系统技术领域，尤其涉及一种动静组合载荷下巷道支护体力学试验系统及其使用方法。

背景技术：

我国煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95万亿t，约占煤炭资源总量的53％，深部煤层必将成为我国煤炭开采的主战场。据不完全统计，我国已有超过50对矿井进入千米以下开采，在采掘过程中，尽管采用了更大的支护强度，但片帮、冒顶等事故以及冲击地压等动力灾害仍明显增多，严重制约着深部煤炭资源安全高效开采。实践表明，进入深部开采后，井下动载扰动现象增多、动载荷明显增大，巷道中各支护结构实际处于初始静载荷和动载扰动的耦合作用下(即动静组合加载)，导致其表现出与浅部明显不同的力学特性。因此，有必要开展动静组合载荷下巷道支护体力学响应研究，为深部矿山工程支护设计及评价等提供科学依据。

现有的巷道支护体力学特性测试技术多是对锚杆(索)及其它支护体在受纯静载或纯动载作用下力学响应的测试，无法同时对支护体施加静载荷和动载荷，不能获得其在动静组合载荷作用下的力学响应，而现场工程中，巷道支护体在受到动载扰动前已承受一定静载荷，因此现有测试结果难以为现场提供准确依据。

而且，现有的巷道支护相似材料模拟试验架多是对铺设模型施加单一的垂直载荷或在垂直载荷的基础上加以等值侧向载荷，模拟巷道所处围岩状态，难以实现水平应力随开采深度增加而变大的应力分布规律，而在现场工程中，水平应力对巷道(特别是深埋巷道)围岩稳定性影响较大，因此现有相似材料试验结果存在明显的局限性。另外，现有相似材料模拟试验中对巷道及其锚杆(索)支护体系的模拟，主要是待铺设材料凝固后在开挖(或提前预留)的巷道内布设锚杆(索)。由于模拟巷道空间窄，锚杆(索)布设困难，费时费力，针对这个问题，发明专利cn103527231b公开了一种巷道支护试验用相似模拟模型的制备方法，通过带有巷道形状的钢模板得到带有巷道形状及锚杆(索)相似材料件的块体，并将块体放在相似材料模拟架上，完成相似材料铺设工作，解决了相似材料模拟巷道中铺设锚杆(索)困难的问题，但由于干燥后得到的带有巷道的块体不能与后期铺设的相似材料完全均匀凝固在一起，提前破坏了巷道围岩的完整性，导致试验结果与实际有偏差。

因此，有必要对现有试验装备和技术进行改进和发展，以实现巷道支护体在动静组合载荷下力学响应的准确试验测试，从而为现场工程提供准确依据。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种实验结果准确可靠、且动静载荷可调的动静组合载荷下巷道支护体力学试验系统及其使用方法。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统，其包括相似材料铺设系统、液压加载系统、动力系统、监测系统和控制系统，

所述相似材料铺设系统包括一个至少由底板和两立板组成的试验槽，试验槽内部放置有铺设台，铺设台上设置有煤岩类似层，煤岩类似层由依次分层铺放的煤岩类似材料构成，在煤岩类似层的中部位置处设有预留锚杆模型；在试验槽两立板上方焊接有顶梁，液压加载系统固定在顶梁上；

所述预留锚杆模型包括一个由底板、顶板和两个立板组成的作为模拟巷道的模型支架；模型支架的左立板、右立板和顶板上均设有多组退位槽，退位槽的一端开口；顶板上间隔设有多组锚杆或锚索组，左立板和右立板上间隔设有多排锚杆，锚杆或锚索穿透左立板、右立板和顶板以及相应的退位槽后用锁具固紧；在模型支架的左右内侧面以及顶部下表面分别通过插接式设有左夹紧板、右夹紧板和顶夹紧板，锚杆或锚索固紧以后的露出端伸进夹紧板中；露出端伸进夹紧板中是为了防止锚索或锚杆在退位槽中移动。

所述液压加载系统包括静载液压油缸、动载冲击油缸和侧向压力机构，静载液压油缸和动载冲击油缸交错固定顶梁的下表面；侧向压力机构设置在煤岩类似层的左右两侧，且用于对所述煤岩类似层的左右两侧施加载荷；

所述动力系统与所述液压加载系统相连接，且用于为所述液压加载系统提供动力；

所述监测系统用于对所述模拟巷道受力及变形进行监测；

所述控制系统分别与所述液压加载系统、动力系统和监测系统相连接。

为了便于顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板与模型支架的固定，顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板分别用多组夹紧螺柱和多组夹紧螺纹销顶紧在顶板、左立板和右立板上。

为了更好地对煤岩类似层的左右两侧施加载荷，所述侧向压力机构包括推进液压油缸、加力板、推进板、反力弹簧和压力板，所述推进液压油缸的两端分别与加力板和一侧试验槽的立板相连接，加力板的内侧自上而下设有多个滑槽，每个滑槽内设有推进板，压力板对称设置在所述煤岩类似层的左右两侧，反力弹簧外面套上弹簧套筒后连接在推进板和压力板之间，要求反力弹簧的刚度随着所述加力板的高度下降而依次递增，在压力板的外侧还设有反力板。

进一步地，所述监测系统包括相互连接的信号处理器和信号采集器，所述信号采集器分别经信号传输线与锚杆锚索测力传感器、应变片、围岩应力计和顶板离层仪相连接，所述锚杆锚索测力传感器用于监测锚杆锚索组的压力变化；所述应变片用于监测所述模拟巷道顶板受力下沉；所述围岩应力计用于监测所述模拟巷道左右两侧的煤岩类似层应力变化；所述顶板离层仪用于监测所述模拟巷道顶部的煤岩类似层离层变化。

进一步地，所述控制系统包括电脑主机、伺服控制器和显示器，所述液压油泵与所述伺服控制器相连接，所述伺服控制器与电脑主机相连接，所述电脑主机还分别与所述显示器和所述信号处理器相连接。

上述左夹紧板、右夹紧板和顶夹紧板与模型支架插接的优选结构是：模型支架的内侧壁上部对称地设有两个第一凹形限位槽，模型支架的底壁设有第二凹形限位槽，顶夹紧板的下表面设有第三凹形限位槽，顶夹紧板的左右两端分别卡设在两个第一凹形限位槽中，左夹紧板的上端卡设在第三凹形限位槽的一侧侧壁处，其下端卡设在第二凹形限位槽的一侧侧壁处，右夹紧板的上端卡设在第三凹形限位槽的另一侧侧壁处，其下端卡设在第二凹形限位槽的另一侧侧壁处。

为了试验过程中对煤岩类似层起到保护作用，试验槽前后均设有挡板，前挡板为透明材质。

本发明提供的动静组合载荷下巷道支护体力学试验系统的使用方法，其包括以下步骤：

第一步、设计预留锚杆模型，具体包括：按照相似比支护参数，将锚杆锚索组插入退位槽，并旋入锁具，然后，利用夹紧螺柱和夹紧螺纹销的配合，使顶夹紧板、左夹紧板、右夹紧板和模型支架发生挤压，并压紧锁具；

第二步、将煤岩类似层铺设在铺设台上；具体包括：

将煤岩类似材料按照巷道具体地质情况分层布置在铺设台上，当煤岩类似材料铺设到预设巷道底板时，将根据相似比缩小的预留锚杆模型放入，然后继续完成煤岩类似材料铺设；

第三步、待煤岩类似层干燥后，分别拆下模型支架、顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板，并安装前后挡板和监测系统；具体包括：

第3.1步、退下左右两侧的夹紧螺纹销，将左夹紧板和右夹紧板向中间挪动从锚杆固紧露出端脱落，再利用顶夹紧板的第三凹形限位槽和模型支架的第二凹形限位槽向前退出左夹紧板和右夹紧板；

第3.2步、退下顶夹紧板处的夹紧螺纹销，将顶夹紧板向下挪动从锚杆或锚索固紧露出端脱落，再利用模型支架的第一凹形限位槽向前退出顶夹紧板；接着，利用退位槽向前退出模型支架整体；

第3.3步：等拆除模型支架、顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板后，在试验槽上装上前后挡板，防止煤岩类似层加载过程中垮塌，最后给锁具施加预紧力，同时安装刚性支护体和监测系统；

第四步、设定静载输出值，通过伺服控制器控制静载液压油缸和推进液压油缸对铺设的煤岩类似层施加垂直压力和侧向压力，要求侧向压力分布按式(1)计算：

σh＝kσv(1)

式中，σh为侧向压力；k为侧压系数；σv为垂直压力；

第五步、设定动载荷输出值，通过伺服控制器控制动载荷液压油缸对铺设的煤岩类似层施加动载载荷，并对预留锚杆模型的力学性能进行监测和记录。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对静载液压加载系统和动力系统的电液伺服控制设计，实现了对相似材料巷道模型同时施加静载荷和动载荷，且静载荷和动载荷大小均可人为控制，并能实时调节，使得巷道围岩和支护体受力与现场实际受力情况一致，试验结果更加准确，从而为现场工程设计及评价提供可靠依据。

2、本发明通过在相似材料模型侧向，由上而下设置刚度不同的反力弹簧，并通过推进板对反力弹簧压缩相同位移量，实现铺设模型侧向应力梯度分布，克服了无侧向应力及等侧向应力与现场不符的缺陷，巷道围岩应力更贴近现场，保证实验结果的准确性。

3、本发明通过将锚杆(索)提前布设到预留锚杆模型中，不仅实现锚杆(索)在相似材料模型中的铺设，也可实现模拟巷道的提前预留，在克服模拟巷道中锚杆(索)布设困难的同时还保证了巷道围岩的完整性，减小了相似材料模拟试验劳动强度。同时，模拟巷道中锚杆(索)支护参数可以通过锚杆(索)在预留锚杆模型的不同布置参数来改变，实现不同支护参数下，锚杆(索)力学响应试验。

4、本发明操作简单、稳定、可靠，施加静载荷和动载荷可以实时调节，施加载荷大小和巷道围岩变形破坏及支护体受力均可实时监测，符合现场巷道支护体系真实受力情况，试验结果准确、可靠，对深部矿山、隧道等的支护设计等具有重大意义。

总之，本发明通过在铺设台上设置有煤岩类似层，在煤岩类似层的中部位置处设有预留锚杆模型；再分别利用液压加载系统对煤岩类似层施加动载荷和静载荷；动力系统为液压加载系统提供动力；监测系统对模拟巷道受力及变形进行监测，其实现了对煤岩类似层同时施加大小可调的静载荷和动载荷，使得巷道围岩和支护体受力与现场实际受力情况一致，从而使试验结果更加准确。同时，本发明操作简单、稳定可靠，对深部矿山、隧道等的支护设计等具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的动静组合载荷下巷道支护体力学试验模拟系统的结构示意图；

图2是图1的a处的局部放大图；

图3是图1的a处的局部放大主视图；

图4是本发明的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统的预留锚杆模型的结构示意图；

图5是本发明的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统的预留锚杆模型的主视图；

图6是图4的b处的局部放大图；

图7是本发明的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统的监测系统的分布示意图。

图中：

1-相似材料铺设系统，11-试验槽，111-底板，112-顶梁，113-前挡板，114-立板，115-预留巷道孔，116-定位螺纹孔，117-固定螺纹孔，12-铺设台，13-预留锚杆模型，131-模型支架，1310-夹紧螺柱，1311-夹紧螺纹销,1312-第一凹形限位槽，1313-第二凹形限位槽，1314-第三凹形限位槽，132-顶夹紧板，133-左夹紧板，134-右夹紧板，135-锚杆锁具，136-锚索锁具，137-锚杆，138-锚索，139-退位槽，14-煤岩类似层；

2-液压加载系统，21-静载液压油缸，22-动载冲击油缸，23-侧向压力机构，231-推进液压油缸，232-加力板，233-推进板，234-反力弹簧，235-压力板，236-滑槽，237-前弹簧套筒，238-后弹簧套筒，239-反力板，2310-套筒通孔；

3-动力系统，31-液压油管，32-液压油泵，33-液压油箱；

4-监测系统，41-信号处理器，42-信号采集器，43-信号传输线，44-测力传感器，45-应变片，46-围岩应力计，47-顶板离层仪；

5-控制系统，51-电脑主机，52-伺服控制器，53-显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本发明的动静组合载荷下巷道支护体力学试验系统，其包括相似材料铺设系统1、液压加载系统2、动力系统3、监测系统4和控制系统5，

相似材料铺设系统1包括试验槽11、铺设台12和预留锚杆模型13，试验槽11内部放置有铺设台12，铺设台12上设置有煤岩类似层14，煤岩类似层14由依次分层铺放的煤岩类似材料构成，煤岩类似层14的中部位置处设有预留锚杆模型13；

液压加载系统2与煤岩类似层14相接触，且用于对煤岩类似层14施加大小可调的动载荷和静载荷；

动力系统3与液压加载系统2相连接，且用于为液压加载系统2提供动力；

监测系统4用于对模拟巷道受力及变形进行监测；

控制系统5分别与液压加载系统2、动力系统3和监测系统4相连接。

具体地，试验槽11包括底板111、顶梁112、前挡板113和两个立板114，两个立板114对称设置在底板111的上表面两侧，顶梁112设置在两个立板114的顶部，前挡板113连接在两个立板114的前侧面，且前挡板113上设有一预留巷道孔115，预留巷道孔115的大小和位置与预留锚杆模型13的大小和位置相对应。本发明中，前挡板113主要用于试验过程中对煤岩类似层14起到保护作用，而预留巷道孔115主要为了方便监测系统的安装。

具体地，为了方便前挡板113的安装和拆卸，前挡板113上两侧设有定位螺纹孔116，两个立板114的前侧面设有固定螺纹孔117，定位螺纹孔116与两个立板114上的固定螺纹孔117分别对应，前挡板113通过螺栓依次穿过定位螺纹孔116和固定螺纹孔117与两个立板114相连接。

优选地，为了能使前挡板113在安装和拆卸过程更加方便、省力，同时保证前挡板113和煤岩类似层14贴附的位置精度，铺设台12设置在底板111的上表面，且铺设台12的前侧伸出至底板111的外部，铺设台12的前侧上表面设有滑道(图中未示出)，滑道与前挡板113的底面相配合。

参阅图4-6所示，预留锚杆模型13包括模型支架131、顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134，模型支架131由钢板围合成模拟巷道状，顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134设置在模型支架131的内部上方、内部左侧和内部右侧，模型支架131的左立板、右立板和顶板上均设有多组退位槽139，退位槽139的一端开口，在需要拆卸模型支架131时，只需要顺着退位槽139的开口方向移动模型支架131即可取出；在顶板上退位槽位置处均设有锚杆137或锚索138，左立板和右立板退位槽位置处均设有锚杆137，左右立板上的锚杆137穿透左右立板以及退位槽后用锚杆锁具135固紧，顶板上的锚杆137或138穿透顶板以及退位槽后用锚杆锁具135或锚索锁具136固紧，左右立板上的锚杆137固紧以后的露出端分别伸进左夹紧板133和右夹紧板134中，顶板上的锚杆137或138固紧以后的露出端伸进顶夹紧板132中，露出端伸进夹紧板中是为了防止锚索138或锚杆137在退位槽139中移动。

本发明中，为了方便顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134与模型支架131的固定，模型支架131的内部设有多组夹紧螺柱1310和多组夹紧螺纹销1311，夹紧螺柱1310分别穿过顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134后与夹紧螺纹销1311螺纹连接。通过旋转夹紧螺纹销1311即可调节顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134与模型支架131之间的间距，从而方便锚杆锁具135和锚索锁具136的固定。

具体地，模型支架131的内侧壁上部对称地设有两个第一凹形限位槽1312，模型支架131的底壁设有第二凹形限位槽1313，顶夹紧板132的下表面设有第三凹形限位槽1314，顶夹紧板132的左右两端分别卡设在两个第一凹形限位槽1312中，左夹紧板133的上端卡设在第三凹形限位槽1314的一侧侧壁处，其下端卡设在第二凹形限位槽1313的一侧侧壁处，右夹紧板134的上端卡设在第三凹形限位槽1314的另一侧侧壁处，其下端卡设在第二凹形限位槽1313的另一侧侧壁处。本发明设置中的第一凹形限位槽1312、第二凹形限位槽1313和第三凹形限位槽1314的作用如下：1)、对顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134的安装位置进行限位，提高安装精度，进而提高实验精度。2)、依次拆除左夹紧板133、右夹紧板134和顶夹紧板132时预留活动空间，使拆卸更加方便快捷。

本发明中，液压加载系统2包括静载液压油缸21、动载冲击油缸22和侧向压力机构23，静载液压油缸21和动载冲击油缸22交错固定在顶梁112的下表面，静载液压油缸21的活塞杆和动载冲击油缸22的活塞杆与煤岩类似层14的上表面相接触，侧向压力机构23设置在煤岩类似层14的左右两侧，且用于对煤岩类似层14的左右两侧施加载荷，侧向压力机构23可以模拟实际环境中，煤岩类似层14的受力情况，从而使试验结果更加准确。

具体地，侧向压力机构23包括推进液压油缸231、加力板232、推进板233、反力弹簧234和压力板235，推进液压油缸231的两端分别与加力板232和一侧立板114相连接，加力板232的内侧自上而下设有多个滑槽236，每个滑槽236内设有推进板233，压力板235对称设置在煤岩类似层14的左右两侧，反力弹簧234弹性连接在推进板233和压力板235之间。本发明中，通过推进液压油缸231动作，带动加力板232左右移动，从而带动推进板233和压力板235对煤岩类似层14的左右两侧进行加压或释压，而反力弹簧234则实现左右两侧载荷的梯形分布，也就是由上到下逐渐增大。

参阅图2-3所示，每个推进板233上设有一前弹簧套筒237，压力板235上设有多个后弹簧套筒238，前弹簧套筒237和后弹簧套筒238一一对应设置，且反力弹簧234安装在前弹簧套筒237和后弹簧套筒238中，压力板235的外侧还设有反力板239，反力板239的上下两端分别与顶梁112和铺设台12固定连接，且反力板239上间隔地设有多个套筒通孔2310，后弹簧套筒238一一对应地穿设在套筒通孔2310中。本发明中，将反力弹簧234安装在前弹簧套筒237和后弹簧套筒238中是为了使反力弹簧234的弹力变形方向保持稳定，防止反力弹簧234形变方向变化造成实验精度下降。而反力板239的设置是为了后弹簧套筒238左右移动过程中起到支撑和导向作用。

本发明中，反力弹簧234的刚度随着加力板232的高度下降而依次递增，当推进板233对反力弹簧234压缩相同位移量，就可以实现煤岩类似层14侧向应力梯度分布，其克服了无侧向应力及等侧向应力与现场不符的缺陷，使煤岩类似层14应力更贴近现场，保证实验结果的准确性。

本发明中，动力系统3包括液压油管31、液压油泵32、液压油箱33，液压油泵32通过液压油管31分别与静载液压油缸21、动载冲击油缸22、推进液压油缸231及液压油箱33相连接。

参阅图7所示，监测系统4包括相互连接的信号处理器41和信号采集器42，信号采集器42分别经信号传输线43与锚杆锚索测力传感器44、应变片45、围岩应力计46和顶板离层仪47相连接，锚杆锚索测力传感器44用于监测锚杆锚索组的压力变化；应变片45用于监测模拟巷道顶板受力下沉；围岩应力计46用于监测模拟巷道左右两侧的煤岩类似层14应力变化；顶板离层仪47用于监测模拟巷道顶部的煤岩类似层14离层变化。

控制系统5包括电脑主机51、伺服控制器52和显示器53，液压油泵32与伺服控制器52相连接，伺服控制器52与电脑主机51相连接，电脑主机51还分别与显示器53和信号处理器41相连接。

一种动静组合载荷下巷道支护体力学试验系统的使用方法，其包括以下步骤：

第一步、设计预留锚杆模型13；

按照相似比支护参数，将锚杆锚索组插入退位槽139，并旋入锁具，然后，利用夹紧螺柱1310和夹紧螺纹销1311的配合，使顶夹紧板132、左夹紧板133、右夹紧板134和模型支架131发生挤压，并压紧锁具。

第二步、将煤岩类似层14铺设在铺设台12上；

将煤岩类似材料按照巷道具体地质情况分层布置在铺设台12上，当煤岩类似材料铺设到预设巷道底板时，将根据相似比缩小的预留锚杆模型13放入，然后继续完成煤岩类似材料铺设。

第三步、待煤岩类似层干燥后，分别拆下模型支架、顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板，并安装前后挡板和监测系统；具体包括：

第3.1步、退下左右两侧的夹紧螺纹销1311，将左夹紧板133和右夹紧板134向中间挪动从锚杆137固紧露出端脱落，再利用顶夹紧板132的第三凹形限位槽1314和模型支架131的第二凹形限位槽1313向前退出左夹紧板133和右夹紧板134；

第3.2步、退下顶夹紧板132处的夹紧螺纹销1311，将顶夹紧板132向下挪动从锚杆137或锚索138固紧露出端脱落，再利用模型支架131的第一凹形限位槽1312向前退出顶夹紧板132；接着，最后利用退位槽139向前退出模型支架131整体；

第3.3步：等拆除模型支架131、顶夹紧板132、左夹紧板133和右夹紧板134后，在试验槽11上装上前后挡板，防止煤岩类似层加载过程中垮塌，最后给锁具施加预紧力，同时安装刚性支护体和监测系统4；

第四步、设定静载输出值，通过伺服控制器52控制静载液压油缸21和推进液压油缸231对铺设的煤岩类似层14施加垂直压力和侧向压力；要求侧向压力分布按式(1)计算：

σh＝kσv(1)

式中，σh为侧向压力；k为侧压系数；σv为垂直压力。

第五步、设定动载荷输出值，通过伺服控制器52控制动载荷液压油缸22对铺设的煤岩类似层14施加动载载荷，并对预留锚杆模型13的力学性能进行监测和记录。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。