地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法与流程

本发明涉及一种对斜井井壁施加不等围压及孔隙水压的模拟实验系统，具体涉及一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，属于井下模拟实验系统技术领域。

背景技术：

随着斜井开拓方式在大型煤矿中被越来越多的采用，含水丰富的地层冻结斜井井壁的设计问题日益受到关注，例如在冻结壁解冻过程中孔隙水压作用对井壁的影响问题，永久使用阶段孔隙水压和地层压力的共同作用对井壁的影响问题等方面，只有深入了解上述问题才能解决含水地层冻结斜井井壁设计中遇到的难题。现有技术大多通过模型试验作为理论基础，并通过试验获得的各相似准则间的关系推广到原型，从而获得原型参数间的变化规律，一方面能够真实地还原原型的工作状态，另一方面通过模型试验深入了解各施工阶段井壁在孔隙水压及地层压力作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。

而现有针对井下的模拟试验装置，如竖井高压试验台，能够满足高孔隙水压的加载要求，但其围压加载空间均为圆形，只能施加均布的围压，而斜井井壁为异形结构，在实际施工过程中承受的压力为不均匀地压，常用的模拟试验系统无法真实地模拟斜井井壁的实际受力情况，故无法为斜井的设计提供可靠的参考。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，可对各施工过程中井壁在孔隙水压及不均匀地层压力作用下的受力变形规律进行测试，充分了解斜井冻结井壁在各阶段不同荷载作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。

为了解决上述问题，本发明一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒、上端盖和底座，上端盖通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的上端，底座通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的下端，模型井壁设在承压筒内，模型井壁的上端和下端分别通过变径环与圆形接头相连，上端的圆形接头连接出液管，下端的圆形接头连接进液管；高压试验台还包括上封口板和下封口板，上端盖和底座的内壁孔径均小于承压筒的内壁孔径，且上端盖内壁下端以及底座的内壁上端均具有台阶面，上端盖的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰，底座的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰，上封口板紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆与上拉紧法兰相连，下封口板紧贴在底座的上端并通过下拉紧螺杆与下拉紧法兰相连，上封口板和下封口板的中间位置均开设有与圆形接头外径相当的内孔，并与圆形接头的连接位置通过密封圈密封，上端盖、上封口板、承压筒、下封口板和底座之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；

压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊、加压钢板和反力钢板，加压钢板、液压囊和反力钢板组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着x方向和y方向两两对称设置，反力钢板与承压筒内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板和反力钢板的两端且相对的一侧均设有肋板，反力钢板通过肋板悬挂在加压钢板上，液压囊被设在反力钢板和加压钢板之间，液压囊通过加压管路与外部液压源相连，承压筒侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔；下封口板的上部铺设有薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上面铺设土体，土体的上部铺设有粘土密封层，粘土密封层的上端均匀涂有黄油密封层，上封口板与黄油密封层之间的空腔构成轴向加压腔，并通过上封口板上开设的轴向加压孔向加压腔内注水；下封口板上开设有水压加压孔，水泵通过水压加压孔向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；

所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机，传感器组被布置在模型井壁和土体中，传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。

模型井壁模拟斜井井壁的不规则形状，因此为了方便与外界密封隔绝，通过变径环与圆形接头与上封口板和下封口板之间密封；上封口板下端通过粘土密封层与黄油密封层设置一个轴向加压腔，通过向轴向加压腔注水达到施加轴向地压的目的，这种轴向地压的施加与其他方向压力的施加相互独立，且压力均匀，易于控制，所述粘土密封层可依据密封效果及压力大小增加其填充厚度；土体的四周对称布置水平加压装置，通过向液压囊注入压力水使其膨胀，从而推动加压钢板移动将荷载传递给土体，所述反力钢板为液压囊提供反力支撑，借助其后侧浇筑的混凝土垫层，进一步将反力传递给承压筒，水平力压的加载更加均匀稳定；水由水压孔注入便可在碎石层内迅速扩散并均匀向上传递，实现孔隙水压的加载；有效模拟正常使用阶段斜井井壁与地层的相互作用、孔隙水压对井壁的作用、不均匀地压对井壁以及地层的影响等试验。

进一步的，还包括冻结系统，所述冻结系统包括低温制冷机和冻结液循环通道，模型井壁的两端分别通过变径环、圆形接头与下端的进液管、上端的出液管组成冻结液循环通道，进液管进口和出液管出口分别与低温制冷机相连。

通过低温制冷机向冻结液循环通道内通入低温冻结液体，模拟地层的冻结过程。

进一步的，所述传感器组包括粘贴于模型井壁内壁、外壁的若干应变传感器和若干温度传感器，以及埋设于土体内的温度传感器和土压计，土体内温度传感器的导线、土压计的导线，粘附于模型井壁外壁的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过承压筒上的引线孔一和引线孔二引出至数据采集仪；粘附于模型井壁内壁上的应变传感器的导线、温度传感器的导线通过出液管外壁上设置的圆形法兰接头引出至数据采集仪。

进一步的，承压筒内沿着x方向设置的两个水平加压装置中的液压囊共同连接一个液压源，沿着y方向设置的两个水平加压装置中的液压囊共同连接另一个液压源，两个液压源沿着x方向和y方向施加不等的油压。

通过向两个液压源施加不同的油压，实现x、y向双向不等地压加载，模拟斜井在横截面上的不均匀地压。

为了减小加压钢板与土体之间的摩擦阻力，提高力的传递，所述加压钢板与土体接触的界面置有双层聚四氟乙烯薄板。

优选的，进液管与出液管采用耐低温的柔性材料。如硅胶、橡胶制作的管路。

为了进一步提高系统的保温性能，整个高压试验台外侧包裹保温棉材料，进行绝热处理。

一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验方法，包括以下步骤：

第一步，制作模型井壁、变径环和圆形接头，并将模型井壁与变径环、圆形接头焊接连接，然后在模型井壁的内壁、外壁粘贴若干应变传感器和温度传感器；

第二步，将承压筒与底座固定连接，二者之间接触部位通过密封圈密封；

第三步，通过下拉紧螺杆及下拉紧法兰固定下封口板，下封口板的中心线与底座重合；

第四步，分别定位四个反力钢板，反力钢板与承压内筒内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的背面通过焊接的钢筋固定在混凝土垫层，其下部通过混凝土固定在底座上；

第五步，依次安装液压囊及加压钢板，液压囊通过加压管路经承压筒筒壁上的加压孔与液压源连接；

第六步，将模型井壁底端的圆接头插入下封口板，二者间通过密封圈进行密封；

第七步，在下封口板上表面铺设薄碎石层或者砂层，分层铺设土体，并将温度传感器和土压计置于预埋点，然后将各传感器导线通过承压筒筒壁上引线孔一和引线孔二引出并做好密封；

第八步，土体上方铺厚粘土密封层，锤击密实，在粘土密封层上继续铺黄油密封层；

第九步，吊装固定好上封口板的上端盖，上紧螺栓；并通过上拉紧螺杆及上拉紧法兰将上封口板固定在上端盖的下端，上封口板的中心线与端盖的中心线重合；

第十步，将模型井壁内壁的传感器导线通过圆形法兰接头引出并做好密封，将出液管紧固于顶端圆形接头外侧，将进液管紧固于底端圆形接头；

第十一步，接入加压管路、水泵、液压传感器、压力表；

第十二步，将传感器接入数据采集仪，开始依次进行地压加载和孔隙水压加载；高压水由水压加压孔注入，水流在土体的碎石层内迅速扩散并均匀向上传递，实现孔隙水压的加载；高压水由上封口板上的轴向加压孔向轴向加压腔注水，从而实现土体轴向载荷的施加；将加压管路接入液压囊注水口，并通过加压孔与外部液压源连接，注水使液压囊膨胀，推动加压钢板移动，将荷载传递给土体，四个互相垂直的液压囊向土体施加双向不等地压；在不均匀地压与孔隙水压的共同作用下监测井壁和土体的受力情况和温度变化；

第十三步，各项压力卸载后，安装冻结系统，将进液管、出液管与低温制冷机连接，做好保温措施，开始冻结；

第十四步，待冻结完成，再次按照步骤十二对模型施加地压与孔隙水压，监测解冻过程中地层应力场、温度场的变化规律。

本发明可实现含水地层中各施工阶段不均匀地压与孔隙水压共同作用对斜井冻结井壁的影响模拟，如正常使用阶段井壁与地层的相互作用、孔隙水压对井壁的作用、冻结壁解冻过程中孔隙水压对井壁的作用进行模拟试验，还可对冻结及解冻阶段地层应力场、温度场的变化规律进行测试，特别适用于孔隙含水地层井壁的设计研究。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中i-i截面图；

图3为图1a处放大示意图；

图中：1.承压筒，2.上端盖，3.底座，4.肋板，5.轴向加压腔，6.上封口板，7.下封口板，8.上拉紧法兰，9.下拉紧法兰，10.上拉紧螺杆，11.下拉紧螺杆，12.六角螺母，13.平垫圈，14.加压钢板，15.反力钢板，16.液压囊，17.模型井壁，18.变径环，19.圆形接头，20.土体，21.混凝土垫层，22.粘土密封层，23.黄油密封层，24.引线孔一，25.加压孔，26.引线孔二，27.轴向加压孔，28.水压加压孔，29.进液管，30.出液管，31.圆形法兰接头，32.垫片，33.螺母，34.螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

如图1至图3所示，一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒1、上端盖2和底座3，上端盖2通过螺母33、螺杆34和垫片32固定在承压筒1的上端，底座3通过螺母33、螺杆34和垫片32固定在承压筒1的下端，其特征在于，模型井壁17设在承压筒1内，模型井壁17的上端和下端分别通过变径环18与圆形接头19相连，上端的圆形接头19连接出液管30，下端的圆形接头19连接进液管29；高压试验台还包括上封口板6和下封口板7，上端盖2和底座3的内壁孔径均小于承压筒1的内壁孔径，且上端盖2内壁下端以及底座3的内壁上端均具有台阶面，上端盖2的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰8，底座3的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰9，上封口板6紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆10与上拉紧法兰8相连，并通过六角螺母12和平垫片13紧固，下封口板7紧贴在底座3的上端并通过下拉紧螺杆11与下拉紧法兰9相连，并通过六角螺母12和平垫片13紧固，上封口板6和下封口板7的中间位置均开设有与圆形接头19外径相当的内孔，并与圆形接头19的连接位置通过密封圈密封，上端盖2、上封口板6、承压筒1、下封口板7和底座3之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；

压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊16、加压钢板14和反力钢板15，加压钢板14、液压囊16和反力钢板15组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着x方向和y方向两两对称设置，反力钢板15与承压筒内壁1之间浇注有混凝土垫层21，反力钢板15的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板14和反力钢板15的两端且相对的一侧均设有肋板4，反力钢板15通过肋板4悬挂在加压钢板14上，液压囊16被设在反力钢板15和加压钢板14之间，液压囊16通过加压管路与外部液压源相连，承压筒1侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔25；下封口板7的上部铺设有薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上部铺设土体20，土体20的上部铺设有粘土密封层22，粘土密封层22的上端均匀涂有黄油密封层23，上封口板6与黄油密封层23之间的空腔构成轴向加压腔5，并通过上封口板6上开设的轴向加压孔27向轴向加压腔5内注水；下封口板7上开设有水压加压孔28，水泵通过水压加压孔28向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；

所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机，传感器组被布置在模型井壁17和土体20中，传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。

模型井壁模拟斜井井壁的不规则形状，因此为了方便与外界密封隔绝，通过变径环18与圆形接头19与上封口板6和下封口板7之间密封；上封口板6下端通过粘土密封层22与黄油密封层23设置一个轴向加压腔5，通过向轴向加压腔5注水达到施加轴向地压的目的，这种轴向地压的施加与其他方向压力的施加相互独立，且压力均匀，易于控制，所述粘土密封层22可依据密封效果及压力大小增加其填充厚度；土体20的四周对称布置水平加压装置，通过向液压囊16注入压力水使其膨胀，从而推动加压钢板14移动将荷载传递给土体20，所述反力钢板15为液压囊16提供反力支撑，借助其后侧浇筑的混凝土垫层21，进一步将反力传递给承压筒1，水平力压的加载更加均匀稳定；水由水压孔28注入便可在碎石层内迅速扩散并均匀向上传递，实现孔隙水压的加载；这种试验系统有效模拟正常使用阶段斜井井壁与地层的相互作用、孔隙水压对井壁的作用、不均匀地压对井壁以及地层的影响等试验。

进一步的，还包括冻结系统，所述冻结系统包括低温制冷机和冻结液循环通道，模型井壁17的两端分别通过变径环18、圆形接头19与下端的进液管29、上端的出液管30组成冻结液循环通道，进液管29进口和出液管30出口分别与低温制冷机相连。

通过低温制冷机向冻结液循环通道内通入低温冻结液体，模拟地层的冻结过程。

进一步的，所述传感器组包括粘贴于模型井壁17内壁、外壁的若干应变传感器和若干温度传感器，以及埋设于土体20内的温度传感器和土压计，土体内温度传感器的导线、土压计的导线，粘附于模型井壁外壁的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过模型井壁17上的引线孔一24和引线孔二26引出至数据采集仪；粘附于模型井壁17内壁上的应变传感器的导线、温度传感器的导线通过出液管30外壁上设置的圆形法兰接头31引出至数据采集仪。

进一步的，承压筒1内沿着x方向设置的两个水平加压装置中的液压囊16共同连接一个液压源，沿着y方向设置的两个水平加压装置中的液压囊16共同连接另一个液压源，两个液压源沿着x方向和y方向施加不等的油压。

通过向两个液压源施加不同的油压，实现x、y向双向不等地压加载，模拟斜井在横截面上的不均匀地压。

为了减小加压钢板14与土体20之间的摩擦阻力，提高力的传递，所述加压钢板14与土体20接触的界面置有双层聚四氟乙烯薄板。

优选的，进液管29与出液管30采用耐低温的柔性材料。如硅胶、橡胶制作的管路。

为了进一步提高系统的保温性能，整个高压试验台外侧包裹保温棉材料，进行绝热处理。

一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验方法，包括以下步骤：

第一步，制作模型井壁17、变径环18和圆形接头19，并将模型井壁17与变径环18、圆形接头19焊接连接，然后在模型井壁17的内壁、外壁粘贴若干应变传感器和温度传感器；

第二步，将承压筒1与底座3固定连接，且在二者之间接触部位通过密封圈密封；

第三步，通过下拉紧螺杆11及下拉紧法兰9固定下封口板7，下封口板7的中心线与底座3重合；

第四步，分别定位四个反力钢板15，反力钢板15与承压内筒1内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的背面通过焊接的钢筋固定在混凝土垫层，其下部通过混凝土固定在底座3上；

第五步，依次安装液压囊16及加压钢板14，液压囊16通过加压管路经承压筒筒壁上的加压孔25与液压源连接；

第六步，将模型井壁17底端的圆接头19插入下封口板7，二者间通过密封圈进行密封；

第七步，在下封口板7上表面铺设碎石层或者砂层，分层铺设土体20，并将温度传感器和土压计置于预埋点，然后将各传感器导线通过承压筒1筒壁上引线孔一24和引线孔二26引出并做好密封；

第八步，土体20上方铺厚粘土密封层22，锤击密实，在粘土密封层22上继续铺黄油密封层23；

第九步，吊装固定好上封口板6的上端盖2，上紧螺栓；并通过上拉紧螺杆10及上拉紧法兰8将上封口板6固定在上端盖2的下端，上封口板6的中心线与端盖2的中心线重合；

第十步，将模型井壁17内壁的传感器导线通过圆形法兰接头31引出并做好密封，将出液管30紧固于顶端圆形接头19外侧，将进液管29紧固于底端圆形接头19；

第十一步，接入加压管路、水泵、液压传感器、压力表；

第十二步，将传感器接入数据采集仪，开始依次进行地压加载和孔隙水压加载；高压水由水压加压孔28注入，水流在土体的碎石层内迅速扩散并均匀向上传递，实现孔隙水压的加载；高压水由上封口板6上的轴向加压孔26向轴向加压腔5注水，从而实现土体轴向载荷的施加；将加压管路接入液压囊16注水口，并通过加压孔25与外部液压源连接，注水使液压囊膨胀，推动加压钢板14移动，将荷载传递给土体20，四个互相垂直的液压囊16向土体施加双向不等地压；在不均匀地压与孔隙水压的共同作用下监测井壁和土体的受力情况和温度变化；

第十三步，各项压力卸载后，安装冻结系统，将进液管29、出液管30与低温制冷机连接，做好保温措施，开始冻结；

第十四步，待冻结完成，再次按照步骤十二对模型施加地压与孔隙水压，监测解冻过程中地层应力场、温度场的变化规律。