深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于深部礦井巷道工程的圍巖穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，特別是涉及一種深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和礦山行業(yè)的迅速發(fā)展，礦井的開采深度在不斷地增加，出現(xiàn)了一大批千米級的深井，如沈陽彩屯礦、開灤趙各莊礦、新墳孫村礦、北票冠山礦、徐州張小樓礦等等，在今后10-20年內(nèi)，我國將有更多的礦井進(jìn)入深部或超深部開采。隨著采深的增加和開采條件的日益復(fù)雜，絕大部分的深部巷道普遍表現(xiàn)出明顯的大變形、高應(yīng)力、礦壓顯現(xiàn)劇烈、長時(shí)間持續(xù)變形的特征，導(dǎo)致了巷道嚴(yán)重底鼓、片幫及頂板垮冒事故災(zāi)害的頻頻發(fā)生，嚴(yán)重危害了礦井人員的正常工作及設(shè)備的正常運(yùn)行，因此，深部巷道圍巖的穩(wěn)定性控制已成為制約深部開采礦井安全生產(chǎn)的瓶頸。
[0003]通過大量的理論研究和工程實(shí)踐，人們逐漸意識到對于深部大變形巷道圍巖控制采用一次剛性支護(hù)或強(qiáng)力支護(hù)是不能奏效的，“硬頂”的理念是行不通的，因而，提出了“先讓后抗、讓抗結(jié)合”、“先柔后剛、剛?cè)岵?jì)”的大變形控制原則，并開發(fā)了各種形式、不同支護(hù)阻力、不同延伸量的可伸長錨桿，形成了高阻讓壓錨桿支護(hù)、恒阻大變形錨桿支護(hù)、高阻柔性耦合支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力卸壓錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)索耦合讓壓支護(hù)系列技術(shù)。此類高阻可伸長錨桿的支護(hù)作用機(jī)理及現(xiàn)場工作狀況是深部巷道圍巖控制技術(shù)研究的關(guān)鍵，也是大變形巷道圍巖控制理論的基礎(chǔ)。由于數(shù)值仿真方法的計(jì)算參數(shù)不容易確定，現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)又耗時(shí)耗力且條件受限，于是人們采用物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行研究和觀察，通過構(gòu)建二維或三維物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究巷道圍巖的變形及錨桿支護(hù)的作用過程，著重解決礦井巷道錨桿支護(hù)機(jī)理及實(shí)際工作狀況的問題。然而，目前所建立的巷道錨桿支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)平臺仍存在明顯的缺陷，表現(xiàn)在:一是高阻可伸長錨桿的力學(xué)性能模擬效果不甚理想，在實(shí)驗(yàn)加載伸長過程中支護(hù)阻力較小甚至是完全喪失，錨桿的伸長量也十分有限，體現(xiàn)不出圍巖大變形的控制效果；二是錨桿支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)大多為破壞性實(shí)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)制作的錨桿模型及圍巖相似填充材料在實(shí)驗(yàn)過后不能再次利用，造成極大的浪費(fèi)；三是錨桿支護(hù)的作用過程及其工況數(shù)據(jù)反映的不夠清楚，由于錨桿被置于圍巖內(nèi)部，無法直接觀察到其支護(hù)的工作過程與工作狀態(tài)；此外，對于錨桿受力、變形等工作狀況參數(shù)的獲取及處理，通常采用埋設(shè)壓力盒、壓力計(jì)、應(yīng)變片等方法，待實(shí)驗(yàn)完成后將收集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理、分析及曲線的繪制，顯然，這種做法不能實(shí)時(shí)掌握錨桿的工作狀態(tài)和圍巖的變形情況，不利于圍巖-支護(hù)作用機(jī)理的分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決常規(guī)巷道模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種適用于深部大變形巷道錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了高阻可伸長錨桿支護(hù)作用過程的模擬及錨桿工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法具有操作簡單、觀察方便、可重復(fù)實(shí)驗(yàn)、節(jié)約模擬實(shí)驗(yàn)材料等優(yōu)點(diǎn)，能體現(xiàn)高阻可伸長錨桿的支護(hù)力學(xué)特點(diǎn)及支護(hù)原理，特別是可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形的動態(tài)監(jiān)測預(yù)警。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:包括模擬實(shí)驗(yàn)臺、壓力加載裝置、高阻可伸長錨桿、巷道模型、圍巖位移傳感器、錨桿測力計(jì)、桿尾套管位移傳感器、數(shù)碼顯示屏、數(shù)據(jù)發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)接收裝置、顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置；所述的模擬實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)設(shè)有巷道模型，模擬實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)與巷道模型外側(cè)之間等間距設(shè)有壓力加載裝置，巷道模型由錨固區(qū)外巖體、錨固區(qū)巖體及巷道孔洞組成，錨固區(qū)巖體與巷道孔洞之間等間距布置高阻可伸長錨桿，高阻可伸長錨桿上設(shè)有錨桿測力計(jì)和桿尾套管位移傳感器，圍巖位移傳感器、錨桿測力計(jì)以及桿尾套管位移傳感器的輸出與數(shù)碼顯示屏及數(shù)據(jù)發(fā)射裝置裝置相連，數(shù)據(jù)接收裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連，數(shù)據(jù)處理裝置與顯示器相連。
[0006]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的模擬實(shí)驗(yàn)臺由承載底板、承載蓋板、承載左側(cè)板、承載右側(cè)板和前、后側(cè)板組成一個長方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為長方體空腔，承載底板分別與承載左側(cè)板、承載右側(cè)板焊接連接；承載蓋板、側(cè)板與承載左側(cè)板、承載右側(cè)的連接均采用螺栓連接，側(cè)板在中央設(shè)有巷道輪廓的孔洞。
[0007]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的壓力加載裝置與巷道模型外側(cè)之間設(shè)有加載板。
[0008]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的承載蓋板、承載左側(cè)板、承載右側(cè)板均由方形鋼板及縱向、橫向肋板正交焊接而成。
[0009]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的承載底板由兩塊平行鋼板及其之間的正交肋板焊接形成。
[0010]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的前、后側(cè)板為高強(qiáng)鋼化玻璃板。
[0011]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的壓力加載裝置為液壓缸。
[0012]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的高阻可伸長錨桿包括螺母、方形鋼墊板、強(qiáng)力磁鐵、桿尾套管、鋼纖維增摩層、桿體；所述的桿尾套管由一段薄壁外螺紋鋼管制成，并在內(nèi)壁嵌一層所述鋼纖維增摩層；所述的桿體采用鋼筋制成，并在一端固定強(qiáng)力磁鐵，再插入所述桿尾套管。
[0013]上述的深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所述的錨固區(qū)外巖體、錨固區(qū)巖體分別采用有機(jī)硅橡膠彈性體材及高彈性透明膠體制作。
[0014]—種深部巷道高阻可伸長錨桿支護(hù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟:
(1)依據(jù)模型尺寸設(shè)計(jì)要求，分別采用有機(jī)硅橡膠彈性體材及高彈性透明膠體制作錨固區(qū)外巖體、錨固區(qū)巖體形成巷道模型，并在巷道的內(nèi)壁預(yù)留錨桿孔；
(2)按照所述高阻可伸長錨桿的結(jié)構(gòu)組成，完成錨桿模型的制作，并裝入錨桿孔內(nèi)；桿體的端頭與孔底周圍采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)牢固，隨后擰緊桿尾套管上的螺母施加預(yù)應(yīng)力；
(3)安裝圍巖位移傳感器、錨桿測力計(jì)、桿尾套管位移傳感器，并連接至數(shù)碼顯示屏；
(4)將前、后鋼化玻璃側(cè)板、承載蓋板分別安裝到模擬實(shí)驗(yàn)臺各自相應(yīng)的位置，并采用螺栓緊固好；
(5)打開顯示屏、顯示器、液壓缸的電源開關(guān)； (6)按照模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加載方案，對巷道模型在水平和垂直方向進(jìn)行加載；
(7)觀察加載過程中錨固區(qū)巖體內(nèi)的高阻可變形錨桿的位移變化及巷道圍巖的變形情況，分析錨桿對圍巖大變形的控制作用過程及支護(hù)機(jī)理；
(8)根據(jù)錨桿受力數(shù)據(jù)、錨桿伸長數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線，掌握高阻可變形錨桿的實(shí)際工作性能及狀態(tài)；
(9)完成各項(xiàng)分析任務(wù)后，卸除外部荷載，此時(shí)，巷道模型及高阻可變形錨桿又恢復(fù)為原狀。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明通過巧妙地在桿體一端固定短圓柱強(qiáng)力磁鐵，并插入到內(nèi)表面鑲嵌有鋼纖維增摩層的桿尾套管，使得錨桿既具有較高的支護(hù)阻力，又具有較大的伸長量，從而真正實(shí)現(xiàn)了高阻可伸長錨桿的模擬；錨固區(qū)及錨固區(qū)外巖體采用彈性材料，結(jié)合強(qiáng)力磁鐵的磁場引力作用，使得巷道錨桿支護(hù)物理模型在卸載后能夠自動復(fù)原，便于繼續(xù)開展新的模擬實(shí)驗(yàn)，因此，減少了材料的浪費(fèi)，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本；透過鋼化玻璃側(cè)板及錨固區(qū)巖體可以清楚地觀察到錨桿的變形及對圍巖的支護(hù)過程，克服了常規(guī)模擬實(shí)驗(yàn)錨桿難以觀測的缺點(diǎn)；本發(fā)明安設(shè)了壓力、位移實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置、無線傳輸與接收裝置及顯示裝置，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及曲線，可實(shí)時(shí)掌握錨桿的工作參數(shù)與支護(hù)工作狀態(tài)，有利于高阻可伸長錨桿支護(hù)的作用機(jī)理分析，還可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形的動態(tài)預(yù)警。
[0016]本發(fā)明提供的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、操作簡單、觀察方便，充分反映了高阻可伸長錨桿的支護(hù)力學(xué)特點(diǎn)及支護(hù)過程，模擬準(zhǔn)確、逼真。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的物理模擬實(shí)驗(yàn)臺正視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的物理模擬實(shí)驗(yàn)臺右視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明的鋼化玻璃側(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明的高阻可伸長錨桿結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明的加載前后圍巖-錨桿支護(hù)對比示意圖。
[0023]圖7為本發(fā)明方法的實(shí)施流程圖。
[0024]圖中:1、承載底板，2、承載蓋板，3、承載左側(cè)板，4、承載右側(cè)板，5、鋼化玻璃側(cè)板，6、巷道，7、高阻可變形錨桿，8、液壓缸，9、加載板，10、錨固區(qū)外巖體，11、錨固區(qū)巖體，12、螺栓，13、圍巖位移傳感器，14、錨桿測力計(jì)，15、桿尾套管位移傳感器，16、顯示屏，17、數(shù)據(jù)發(fā)射裝置，18、數(shù)據(jù)接收裝置，21、數(shù)據(jù)曲線，20、顯示器，19、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，71、螺母，72、方形鋼墊板，73、強(qiáng)力磁鐵，74、桿尾套管，75、鋼纖維增摩層，76、桿體。
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