一種模擬巷道開挖誘發圍巖分區破裂化的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模擬巷道開挖誘發圍巖分區破裂化的裝置及方法，屬于巖石力學、采礦工程、煤礦安全生產、光測力學等領域。
【背景技術】
[0002]隨著經濟建設與國防建設的不斷發展，地下空間開發和資源開采不斷走向深部。在深部，巖體工程面臨一系列新的巖體力學問題，這與淺部巖體工程相比具有較大的差異。例如，在深部開挖巷道時，在圍巖中常會出現破裂區與非破裂區交替出現的奇怪現象，這種現象稱之為分區破裂化。分區破裂化的出現給傳統巖體力學理論和巷道支護的傳統觀念和技術體系提出了新的挑戰。眾多的科技人員普遍認識到分區破裂化研究的重要性和緊迫性，近年來，提出了不少理論模型和分析方法，例如，波動模型、滑移線模型、非歐模型、梯度模型、相變模型、流變模型、斷裂力學模型、空間局部化模型(Wang X，Pan Y, Zhang Z.Aspatial strain localizat1n mechanism of zonal disintegrat1n through numericalsimulat1n.Journal of Mining Science, 2013, 49(3): 357-367)、基于連續介質的顆粒體模型(Wang X, Pan Y, Wu X.A continuum grain-1nterface-matrix model forslabbing and zonal disintegrat1n of the circular tunnel surrounding rock,Journal of Mining Science, 2013，49(2): 220-232)等。但是，目前，關于分區破裂化的機理及過程尚未形成定論，任何一種模型因其局限性，還不能解釋所有的分區破裂化現象，亟待深入開展研究。
[0003]在分區破裂化室內實驗研究方面，通常采用下列兩種模型:
(1)巷道軸線方向不受力的雙向或單向加載模型，這種模型便于觀測，但一般難于模擬出分區破裂化現象；
(2)巷道軸線方向受力的三維模型，這種模型不便于觀測，不容易模擬巷道開挖，有時能模擬出分區破裂化現象。另外，在有些三維模型中，將模型置于金屬筒中，金屬筒對于模型的側向或徑向的變形具有一定的限制作用，但模型受到約束力的大小并不清楚。
[0004]現有的分區破裂化物理模擬實驗存在的主要問題在于:巷道開挖模擬費時費力；無法實現分區破裂化形成過程的實時觀測，一旦在巷道的軸線方向上施加力的作用，與這個方向垂直的面上的變形及破壞規律難以采用應變片、位移計、熱紅外技術、數字圖像相關方法等現有的大多數手段實現測量。大量的觀測結果都是通過對加載破壞后的模型進行切片后憑肉眼觀察獲得的，費時費力，精度低。據此，僅知道一個最終的結果，并不清楚分區破裂化的萌生及發展規律。
[0005]本發明為一種模擬巷道開挖誘發圍巖分區破裂化的裝置及方法，其裝置由巷道開挖系統、圍巖側壓加載系統和光學觀測系統組成。本發明通過控制含孔洞的推進頭的勻速推進，伴隨預先充填于巷道之內散體的下落，實現巷道逐漸開挖的模擬；通過側囊對巷道圍巖模型施加側向壓力；通過試驗機對該模型施加垂直壓力(巷道軸線方向)；通過在過巷道軸線的平面內設置透明平板，使采用光測方法觀測分區破裂化現象成為可能。在地應力(垂直應力和兩個方向的側向應力)、巷道開挖及支護的作用下，本發明可為深部巷道圍巖分區破裂化研究提供大量的可靠數據，這對于深部巷道圍巖的破壞及失穩機理研究以及防災減災措施制定具有重要的意義。
【發明內容】
[0006]針對現有的深部巷道圍巖分區破裂化室內實驗觀測數據有限且難于模擬巷道逐漸開挖的局限性，本發明提供了一種模擬巷道開挖誘發圍巖分區破裂化的裝置及方法；利用該裝置和方法能獲取巷道圍巖模型在地應力、開挖卸荷及支護作用下的變形、破壞及失穩規律，可為煤礦深部巷道圍巖破壞規律研究和災害防治研究提供基礎數據和技術參考；該裝置具有結構緊湊、操作方便、造價低廉的優勢。
[0007]為了研究深部巷道圍巖分區破裂化的萌生及發展規律，本發明提供了一種模擬巷道開挖誘發圍巖分區破裂化的裝置，包括:巷道開挖系統、圍巖側壓加載系統和光學觀測系統。巷道開挖系統由預先充填于巷道內的散體、含孔洞的推進頭、立柱、活塞、液壓缸缸體、開停閥、節流閥、手動換向閥、溢流閥、液壓栗、液壓管線、油箱、過濾器和透明平板等組成；圍巖側壓加載系統由側囊、側壓加載板、氣壓調壓閥、氣壓減壓閥、氣壓管線、側壓加載氣瓶、頂蓋、外殼、氣壓壓力表、墊板和墊箱等組成；通常，垂直于巷道軸線的兩個方向的側壓并不相同，為此至少需要兩個氣瓶分別對巷道圍巖模型后方的一個側囊和其左、右兩側的兩個側囊供氣；對左、右兩側囊充氣的氣瓶與第一氣壓減壓閥相連通，第一氣壓減壓閥與第一氣壓調壓閥相連通，第一氣壓調壓閥與第一六通閥門和第一氣壓壓力表相連通，第一六通閥門與兩個支路相連通，每個支路與左、右兩側囊中的一個相連通；對后方側囊充氣的氣瓶與第二氣壓減壓閥相連通，第二氣壓減壓閥與第二氣壓調壓閥相連通，第二氣壓調壓閥與第二六通閥門和第二氣壓壓力表相連通，第二六通閥門與后方側囊相連通；各側囊均設置于外殼與巷道圍巖模型之間，各側囊充氣后，對巷道圍巖模型施加側壓；各側囊和巷道圍巖模型下方設置有墊箱；墊箱由凸起和凹陷的兩部分平臺組成；墊箱上凸起的平臺用于承載側囊、側壓加載板和巷道圍巖模型；側囊的上方設置有頂蓋，頂蓋上設置有將頂蓋固定于外殼的圓孔及允許側囊氣嘴通過的孔洞和滑道；外殼上端面相應位置上設置有螺栓孔，以便于頂蓋的固定；墊箱的凹陷平臺設置于巷道的下方；墊箱的凹陷平臺用于承載巷道開挖系統和承接從推進頭孔洞下落的散體；巷道圍巖模型的上方設置有墊板；墊板上方設置有垂直應力加載墊塊，垂直應力加載墊塊設置在試驗機上壓頭與巷道圍巖模型之間；外殼和墊箱的下端面均設置在試驗機平臺上；巷道圍巖模型的前方設置有一塊透明平板，透明平板將巷道圍巖模型剛好遮擋，通過螺栓將透明平板固定在外殼的前表面上。
[0008]所述巷道開挖系統的含孔洞的推進頭固定在液壓缸的立柱上；推進頭的上表面包括兩部分:凸起的頭部和其外圍的平臺。凸起的頭部起到降低推進阻力的作用，有利于位于頭部的散體滑向平臺；平臺上設置有允許散體下落的垂直方向的貫通孔；貫通孔的數量、尺寸和形狀決定了散體的流量，隨著散體的下落，在液壓缸立柱的作用下推進頭向上推進，這樣，散體的流量將決定巷道開挖的速度。
[0009]所述推進頭勻速向上推進，其速度和散體的流量相適應，若推進頭推進過快，將使散體受到較大的平行于巷道軸線的壓力作用，這不符合巷道開挖的本質(是軸向卸荷，而非加荷)；若推進頭推進過慢，將使遠離推進頭的散體發生松動，這也不符合巷道開挖時影響區域應位于開挖面附近的實際情況。
[0010]所述推進頭設置有貫通孔，貫通孔在巷道開挖之前應封閉。
[0011]所述巷道圍巖模型在巷道逐漸開挖過程中，由于垂直方向壓力、側向壓力的作用，圍巖將向開挖后的巷道涌入，這將妨礙立柱和推進頭的上升以及散體的下落；為此，在推進頭的側向設置有可伸縮的套管，該套管僅為常規套管的一半，即將常規套管沿其軸線一分為二，任意一個均可使用，套管的最大伸長量取決于其級數和每級的長度，可根據開挖巷道的長度決定，隨著立柱和推進頭的上升，套管逐漸伸長，套管還能對巷道圍巖起到一定的支護作用；最外側套管固定在墊箱上，最內側套管固定在推進頭上；液壓缸設置于套管內部，并固定在墊箱的凹陷平臺上；液壓元件的連接關系是:過濾器與液壓栗相連通，液壓栗分別與溢流閥和開停閥相連通，開停閥與節流閥相連通，節流閥與手動換向閥相連通，手動換向閥分別與液壓缸相連通，過濾器、溢流閥和手動換向閥分別與油箱相連通。
[0012]所述透明平板通過螺栓和外殼固定，為了避免透明平板的應力集中，可在透明平板與螺栓之間設置墊片。
[0013]所述透明平板應具有一定的厚度，以保證強度；透明平板的作用在于:(1)限制巷道圍巖模型發生垂直于過巷道軸線的平面的變形，使其處于平面應變狀態；(2)限制充填于巷道內部的散體溢出；(3)便于采用光學方法測量過巷道軸線的平面內的變形。
[0014]所述側囊由橡膠膜、氣嘴、禁錮卡環、密封螺栓、密封小球組成；側囊的橡膠膜口部內表面與氣嘴的外表面固定，氣嘴中設置有內螺紋和貫通孔，密封螺栓通過上述螺紋與氣嘴固定，密封螺栓中設置有貫通孔，在氣嘴和密封螺栓之間設置有密封小球，密封小球上設置有貫通孔，氣壓管線通過密封螺栓、氣嘴和密封小球的貫通孔，伸展到橡膠膜所圍區域之內；橡膠膜的口部外圍設置有禁錮卡環。
[0015]所述側囊的口部的內表面與氣嘴的外表面之間用強力膠密封。
[0016]所述巷道圍巖模型左、右兩側和后方側囊的壓力一般并不相同，為了避免不同方向側囊之間的相互影響，可