瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统的制作方法

本实用新型涉及瓦斯隧道施工模型试验技术，具体是瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统。

背景技术：

随着国家交通基础设施的大力发展，遇到有害气体的工程项目也越来越多，其中瓦斯气体是主要的一种。高浓度瓦斯的存在极易引起瓦斯突出、爆炸和窒息等工程事故，直接威胁到隧道施工的安全进行。目前针对瓦斯隧道中瓦斯主要的处理方式为钻孔抽放。

在瓦斯隧道开挖面上开挖钻孔，从而排出围岩中的瓦斯气体，这会引起开挖面附近的应力重分布，进而影响到开挖面的稳定状态，严重时会造成开挖面的坍塌。因此，如能掌握瓦斯抽放对隧道开挖面的影响机制，就能采取相应的保护措施来避免隧道坍塌等灾害事故的发生。同时，掌握瓦斯隧道抽放对开挖面影响的演变规律，可以为瓦斯隧道施工提供可靠的技术指导和数据支持，将给今后类似瓦斯隧道抽排施工带来重大的工程意义。

现阶段在瓦斯隧道施工中，大部分隧道采用瓦斯抽放的施工方法来降低隧道围岩中的瓦斯含量，但没有对瓦斯抽放时隧道开挖面的相关参数进行测量，不能判断瓦斯抽放时隧道开挖面的状态。因此，需要一种室内试验模拟装置，能最大限度的还原瓦斯隧道的真实状态，同时模拟瓦斯抽放施工工况，测量出开挖面上的形态参数，进而根据测量数据得出瓦斯抽放对隧道开挖面的影响机制，为瓦斯隧道的灾害防治提供借鉴。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有在瓦斯隧道施工中，瓦斯抽放过程中不能有效的测量开挖面上的形态参数的不足，提供了瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，该模拟系统通过模拟瓦斯抽放施工工况，从而得到开挖面的形态参数，进而根据数据处理设备得出需要的参数，从而得出瓦斯抽放对开挖面稳定的影响机制，进而为今后类似的瓦斯隧道工程提供技术服务和理论支持，为预防隧道开挖面失稳提供有效建议。

本实用新型的目的主要通过以下技术方案实现：

瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，包括模型箱、处理器和设于所述模型箱内的支护结构，所述支护结构为实心结构，支护结构轴向上的两个端面为隧道开挖面，所述隧道开挖面的形状为上半部分为拱形，下半部分为矩形；其中一面所述的隧道开挖面与模型箱前侧壁相抵，另一面隧道开挖面周围设有若干个应变片；所述模型箱前侧壁上与隧道开挖面对应的位置设有一个贯穿其前后端面的隧道开挖口；所述支护结构外表面设有若干个土压力盒，所述模型箱内表面设有若干个位移传感器，模型箱顶部设有若干个连通模型箱内部空间和外部空间的瓦斯通气阀；所述模型箱外设有瓦斯抽放泵和气体加压泵，模型箱内填充有岩土模拟材料，所述气体加压泵通过管道与所述瓦斯通气阀连接；所述瓦斯抽放泵用于在隧道开挖面上钻出抽放钻孔后，瓦斯抽放泵通过管道与抽放钻孔连接，瓦斯抽放泵与气体加压泵处的管道上均设有瓦斯流量计；所述土压力盒、位移传感器、瓦斯流量计和应变片分别与处理器连接，其中：

土压力盒用于测量模拟过程中支护结构表面压力变化，并将其传输到处理器；

位移传感器用于测量模拟前后隧道开挖面的水平位移数据和支护结构的变形量数据，并将其传输到处理器；

应变片用于测量模拟过程中隧道开挖面的应力大小，并将其传输到处理器；

瓦斯流量计用于测量通过气体加压泵和瓦斯抽放泵的瓦斯流量数据，并将其传输到处理器；

处理器连接有显示器，用于接收土压力盒、位移传感器、瓦斯流量计和应变片传输的数据并通过显示器显示出来。

瓦斯抽采过程中，围岩中的瓦斯压力逐渐减小，从而引起开挖面附近的应力重分布，进而影响隧道开挖面的稳定状态，严重时造成隧道开挖面坍塌。在本方案中，在模型箱内填充岩土模拟材料后，进行封箱操作，打开气体加压泵往模型箱内充入瓦斯气体，同时在模型箱外部给模型箱施加压力，等待12小时后，关闭气体加压泵；在隧道开挖面上进行钻取抽放钻孔，之后将瓦斯抽放泵的管道与抽放钻孔连接用于抽取模型箱内的瓦斯气体；其中在抽取模型箱内的瓦斯气体过程中，瓦斯流量计记录瓦斯流量数据；土压力盒测量支护结构表面压力变化；位移传感器测量隧道开挖面模拟前后的水平位移数据和支护结构的变形量；应变片测量模拟后隧道开挖面的应力大小；之后通过处理器连接的显示器显示出测量数值，供工作人员分析，从而得到瓦斯抽放过程中对开挖面的影响机制，为以后类似工程施工提供指导意见。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述隧道开挖口与所述隧道开挖面形状一致，隧道开挖口处设有辅助钻孔装置；所述辅助钻孔装置形状与所述隧道开挖口形状一致，辅助钻孔装置上设有若干个贯穿辅助钻孔装置的预设钻孔。本实用新型通过设置辅助钻孔装置，在钻取抽放钻孔前，在辅助钻孔装置上的预设钻孔上选取需要钻孔的位置，然后在选定的预设钻孔处钻取抽放钻孔，如此使钻孔的位置更加精确，提高本试验的精度。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述模型箱外连接有导轨，所述导轨设于隧道开挖口处，所述辅助钻孔装置设于导轨的滑槽上并能沿滑槽滑动。由于根据模拟试验的不同需要使用不同的辅助钻孔装置，本实用新型通过设置导轨，辅助钻孔装置能方便的在导轨的滑槽上滑动，使辅助钻孔装置能够沿着隧道开挖面进入，保证方向始终一致，避免钻孔时方向有误。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述辅助钻孔装置底部设有安装板，所述安装板上设有固定孔，所述导轨的滑槽上设有螺孔。由于钻取抽放钻孔时辅助钻孔装置容易移动，本实用新型通过设置安装板和螺孔，当辅助钻孔装置滑动到隧道开挖面处时，通过螺栓穿过固定孔然后旋紧在螺孔里将辅助钻孔装置固定在导轨上，防止辅助钻孔装置的移动，保证了钻孔的顺利进行。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述模型箱、管道和导轨均采用防爆型材料制成。由于瓦斯属于可燃气体，防爆型材料能防止产生火花，导轨采用防爆型材料制成，防止因辅助钻孔装置滑动过程中摩擦产生火花而发生危险事故，模型箱、管道采用防爆型材料制成，即使瓦斯与空气接触达到爆炸极限时，遇到明火也不会产生爆燃事故，增加了装置的安全性。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述模型箱为双层结构，模型箱内层设有若干个通气孔。本实用新型通过设置通气孔，瓦斯气体从瓦斯通气阀进入然后从通气孔进入模型箱内，模拟实际隧道开挖前的环境，提高本试验的精度。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，所述模型箱的顶板可移动，顶板与模型箱侧壁之间设有密封垫，模型箱顶部设有反力装置，所述反力装置包括反力拉杆和千斤顶，所述反力拉杆固定于模型箱外，所述千斤顶设于反力拉杆上，所述千斤顶的伸缩杆与模型箱的顶板相抵。反力装置主要作用是当瓦斯填充结束后，对模型箱内的岩土模拟材料提供压力，将模型箱内的岩土模拟材料压实，使之与真实隧道开挖面的环境接近，提高本试验的精度。

进一步的，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，还包括若干根支护架，所述支护结构通过支护架固定在所述模型箱内。

综上所述，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本实用新型通过模拟瓦斯抽放施工工况，从而得到开挖面的形态参数并通过显示器显示出来，供工作人员分析，从而得出瓦斯抽放对开挖面稳定的影响机制，进而为今后类似的瓦斯隧道工程提供技术服务和理论支持，为预防隧道开挖面失稳提供有效建议。

2、本实用新型通过设置导轨，辅助钻孔装置能方便的在导轨的滑槽上滑动，使辅助钻孔装置能够沿着隧道开挖面进入，保证方向始终一致，避免钻孔时方向有误。

3、本实用新型通过设置反力装置，当瓦斯填充结束后，对模型箱内的岩土模拟材料提供压力，将模型箱内的岩土模拟材料压实，使之与真实隧道开挖面的环境接近，提高本试验的精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型内部结构示意图；

图3为辅助钻孔装置结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-模型箱、2-支护结构、3-隧道开挖面、4-隧道开挖口、5-辅助钻孔装置、6-预设钻孔7-气体加压泵、8-瓦斯抽放泵、9-瓦斯通气阀、10-土压力盒、11-位移传感器、12-应变片、13-瓦斯流量计、14-支护架、15-导轨支撑板、16-千斤顶、17-反力拉杆、18-通气孔、19-导轨、20-安装板、21-螺孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

如图1至图3所示，瓦斯抽放调控隧道开挖面稳定的模拟系统，包括模型箱1、处理器和设于所述模型箱1内的支护结构2，所述支护结构2为实心结构，支护结构2轴向上的两个端面为隧道开挖面3，所述隧道开挖面3的形状为上半部分为拱形，下半部分为矩形；其中一面所述的隧道开挖面3与模型箱1前侧壁相抵，另一面隧道开挖面3周围设有若干个应变片12。本实施例的支护结构2采用衬砌模型在模型箱1中浇筑而成，支护结构2为实心结构并采用混凝土材料浇筑后经冷却硬化形成，如此浇筑形成的支护结构2气密性良好，减少瓦斯气体的泄露；衬砌模型可拆卸，待支护结构2形成后拆除，所形成的支护结构2在底部四个位置分别设有一根支护架14，用于固定支护结构2。本实施例的所述模型箱1为双层结构，其外层四周和外层底板固定设置，模型箱1外部各个连接处均为密封设置，模型箱1内层设有若干个通气孔18。本实施例的通气孔18直径大小应小于岩土模拟材料颗粒直径，防止岩土模拟材料进入通气孔18从而堵塞瓦斯气体进入岩土模拟材料，保证瓦斯气体顺利进入岩土模拟材料中。

本实施例的所述模型箱1前侧壁上与隧道开挖面3对应的位置设有一个贯穿其侧壁的隧道开挖口4。所述隧道开挖口4与所述隧道开挖面3形状一致，隧道开挖口4处设有辅助钻孔装置5。所述模型箱1外连接有导轨19，所述导轨19设于隧道开挖口4处，导轨19通过导轨支撑板15固定，所述辅助钻孔装置5设于导轨19的滑槽上并能沿滑槽滑动。本实施例的导轨19垂直于隧道开挖面3并设于隧道开挖面3正中心位置。辅助钻孔装置5形状与所述隧道开挖口4形状一致，辅助钻孔装置5上设有若干个贯穿辅助钻孔装置5的预设钻孔6。

本实施例的所述支护结构2外表面设有若干个土压力盒10，所述模型箱1内表面设有若干个位移传感器11，模型箱1顶部设有若干个连通模型箱1内部空间和外部空间的瓦斯通气阀9，顶板与模型箱1侧壁之间设有密封垫。所述模型箱1外设有瓦斯抽放泵8和气体加压泵7，模型箱1内填充有岩土模拟材料，所述气体加压泵7通过管道与所述瓦斯通气阀9连接。所述瓦斯抽放泵8用于在隧道开挖面3上钻出抽放钻孔后，瓦斯抽放泵8通过管道与抽放钻孔连接，瓦斯抽放泵8与气体加压泵7处的管道上均设有瓦斯流量计13。优选的，本实施例的位移传感器11设置于模型箱1内正对支护结构2侧面和正对隧道开挖面3。本实施例的所述土压力盒10、位移传感器11、瓦斯流量计13和应变片12分别与处理器连接，其中：

土压力盒10用于测量模拟过程中支护结构表面压力变化，并将其传输到处理器；本实施例的土压力盒10采用szzx—eaxx系列弦式土压力盒，其广泛应用于建筑、铁路、交通、水电、大坝、隧道等工程领域的基础及其它土压、水压的压力测量，能精准的测出被测点的压力状态。

位移传感器11用于测量模拟前后隧道开挖面3的水平位移数据和支护结构的变形量数据，并将其传输到处理器；位移传感器11采用mtl5加强密封型位移传感器。

瓦斯流量计13用于测量通过气体加压泵7和瓦斯抽放泵8的瓦斯流量数据，并将其传输到处理器；瓦斯流量计13为常规使用设备，这里不做过多赘述。

应变片12用于测量模拟过程中隧道开挖面3的应力大小，并将其传输到处理器；本实施例的应变片12采用kfg-1-120-d17-11l2m2s电阻传感应变片。

处理器连接有显示器，用于接收土压力盒10、位移传感器11、瓦斯流量计13和应变片12传输的数据并通过显示器显示出来，从而得到瓦斯抽放过程中对隧道开挖面3的影响机制。本实施例的处理器可以用电脑或其他专用智能设备处理。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做了进一步限定：本实施例中的辅助钻孔装置5底部设有安装板20，所述安装板20上设有固定孔，所述导轨19的滑槽上设有螺孔21。当辅助钻孔装置5滑动到隧道开挖面3处时，通过螺栓穿过固定孔然后旋紧在螺孔21里将辅助钻孔装置固定在导轨19上，防止辅助钻孔装置5的移动，保证了钻孔的顺利进行。优选的，所述模型箱1、管道和导轨19均采用防爆型材料制成。由于瓦斯属于可燃气体，防爆型材料能防止产生火花，导轨19采用防爆型材料制成，防止因辅助钻孔装置5滑动过程中摩擦产生火花而发生危险事故，模型箱1、管道采用防爆型材料制成，即使瓦斯与空气接触达到爆炸极限时，遇到明火也不会产生爆燃事故，增加了装置的安全性。优选的，本实施例的防爆型材料选用的是铝合金材质。

本实施例所述模型箱1的顶板为可移动，模型箱1顶部设有反力装置，所述反力装置包括反力拉杆17和千斤顶16，所述反力拉杆17固定于模型箱1外，反力拉杆17高于模型箱1顶部，所述千斤顶16设于反力拉杆17上，千斤顶16的伸缩杆与模型箱1的顶板相抵。反力装置主要作用是当瓦斯填充结束后，对模型箱1内的岩土模拟材料提供压力，将模型箱1内的岩土模拟材料压实，使之与真实隧道开挖面3的环境接近，提高本试验的精度。优选的，为了确保在岩土模拟材料压实过程中顶板处的密封性良好，在模型箱1顶部靠近顶板处的岩土模拟材料中铺设多层塑料薄膜，阻隔瓦斯气体向上运移，从而阻止瓦斯气体在顶板处发生泄露，同时在顶板与模型箱1的接触缝隙处涂抹密封胶凝材料，确保瓦斯气体不会泄露。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。