動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種物理模型試驗(yàn)裝置及方法，尤其涉及一種進(jìn)行動(dòng)壓巷道支護(hù)研究 的物理模型試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以相似理論為基礎(chǔ)的物理模型試驗(yàn)，能將在模型中得到的物理量之間的關(guān)系，反 推到所模擬的原型中，從而獲得原型的內(nèi)在規(guī)律。在巖土工程領(lǐng)域，因物理模型試驗(yàn)具有易 操作、低成本、高仿真的特點(diǎn)，同時(shí)還可以進(jìn)行一些實(shí)際工程中無法實(shí)現(xiàn)的研究，在近些年 來得到了較為廣泛的應(yīng)用。相似材料模擬試驗(yàn)是物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用較多的分支，相關(guān)的 試驗(yàn)儀器也較多，且各具特色。
[0003] 動(dòng)壓巷道，即受采動(dòng)壓力影響的巷道，我國煤礦中絕大多數(shù)的巷道都會(huì)受到采動(dòng) 壓力的影響，以往人們?yōu)榱搜芯縿?dòng)壓巷道的支護(hù)技術(shù)，進(jìn)行了一些相似材料模型試驗(yàn)。但現(xiàn) 有的試驗(yàn)儀器存在一個(gè)較大的矛盾，為了模擬出采動(dòng)壓力，需要對(duì)模型進(jìn)行開挖以模擬回 采的過程，這樣在有限的試驗(yàn)空間內(nèi)、幾何相似比一定的條件下，模型巷道的尺寸會(huì)很小， 不利于研究巷道的支護(hù)技術(shù);為了研究巷道的支護(hù)技術(shù)，模型巷道尺寸需要做大，但同時(shí)又 需要通過工作面的推進(jìn)來模擬采動(dòng)壓力，這樣試驗(yàn)設(shè)備尺寸就會(huì)很大，試驗(yàn)設(shè)備占地面積、 試驗(yàn)成本增加、勞動(dòng)強(qiáng)度較高，不利于進(jìn)行試驗(yàn)。因此，對(duì)于動(dòng)壓巷道支護(hù)的研究，一直缺乏 針對(duì)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、占用空間少、勞動(dòng)強(qiáng)度低的物理模型試驗(yàn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種操作簡便、針對(duì)性強(qiáng)、占用空間少、經(jīng)濟(jì)性好、勞動(dòng)強(qiáng)度 低的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法，試驗(yàn)裝置包含外框架和內(nèi)框架 兩部分，所述外框架設(shè)有底部振動(dòng)油缸和導(dǎo)軌，所述內(nèi)框架設(shè)有頂部靜載油缸、頂部振動(dòng)油 缸和滾輪組;所述底部振動(dòng)油缸用來模擬巷道遠(yuǎn)處采空區(qū)頂板周期性垮落產(chǎn)生的地震波， 傳播至模型巷道區(qū)域時(shí)引起的振動(dòng)，所述導(dǎo)軌和滾輪組可供底部振動(dòng)油缸作用時(shí)，帶動(dòng)內(nèi) 框架整體在外框架內(nèi)部上下振動(dòng)，所述頂部靜載油缸用來模擬巷道所受超前支承壓力的作 用，所述頂部振動(dòng)油缸用來模擬巷道上部由采區(qū)頂板斷裂釋放能量等因素產(chǎn)生的振動(dòng)；
[0007] 試驗(yàn)基本原理是將巷道所受的采動(dòng)壓力分解為靜載荷和動(dòng)載荷兩部分直接施加 給模型巷道，靜載荷為超前支承壓力的影響，通過頂部靜載油缸進(jìn)行加載，動(dòng)載荷為采區(qū)頂 板斷裂、垮落等因素產(chǎn)生的振動(dòng)作用，通過頂部振動(dòng)油缸、底部振動(dòng)油缸進(jìn)行加載。
[0008] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試 驗(yàn)裝置及方法，由于內(nèi)框架整體可在外框架內(nèi)部上下振動(dòng)，因此不再需要設(shè)置面積較大的 振動(dòng)臺(tái)，減少了設(shè)備的占用空間；加之不需要通過工作面的推進(jìn)來模擬采動(dòng)壓力，所以減少 了模型尺寸，降低了實(shí)驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，還可以定量地研究采動(dòng)壓力與巷道 變形破壞之間的聯(lián)系。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)整 體前立面圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)外 框架立面圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)內(nèi) 框架前立面圖；
[0012] 圖4為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)內(nèi) 框架后立面圖；
[0013]圖5為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的滾輪組局 部詳圖；
[0014] 圖6為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的試驗(yàn)機(jī)整 體側(cè)向剖視圖；
[0015] 圖7為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的加載函數(shù) 曲線圖；
[0016] 圖8為本發(fā)明動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法的具體實(shí)施例中的振動(dòng)荷載 施加時(shí)間圖。
[0017] 圖中：
[0018] 1、外框架，2、內(nèi)框架，3、頂部靜載油缸，4、頂部振動(dòng)油缸，5、底部振動(dòng)油缸，6、外框 架頂梁，7、外框架立柱，8、外框架底梁，9、外框架支腿，10、導(dǎo)軌，11、滾輪組，12、內(nèi)框架頂 梁，13、內(nèi)框架立柱，14、內(nèi)框架底梁，15、前擋板，16、可視窗口，17、后擋板，18、滾輪，19、實(shí) 驗(yàn)材料，20、有機(jī)玻璃板，21、加載階段，22、卸載階段，23、振動(dòng)荷載。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0020] 本發(fā)明的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法，如圖1所示，裝置由外框架1、內(nèi) 框架2和頂部靜載油缸3、頂部振動(dòng)油缸4、底部振動(dòng)油缸5組成。
[0021] 如圖2所示，所述外框架1由外框架頂梁6、外框架立柱7、外框架底梁8和外框架支 腿9通過螺栓連接而成;所述外框架底梁8上端面設(shè)置有底部振動(dòng)油缸5;所述外框架立柱7 內(nèi)側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)軌10。
[0022] 如圖3~4所示，所述內(nèi)框架2由內(nèi)框架頂梁12、內(nèi)框架立柱13和內(nèi)框架底梁14通過 螺栓連接而成;所述內(nèi)框架頂梁12下端面設(shè)置有頂部靜載油缸3和頂部振動(dòng)油缸4;所述內(nèi) 框架立柱13外側(cè)面設(shè)置有滾輪組11。
[0023] 如圖3~4所示，所述內(nèi)框架2設(shè)置有前擋板15和后擋板17,通過螺栓與內(nèi)框架立柱 13連接;所述前擋板15中心區(qū)域設(shè)置有可視窗口 16。
[0024]如圖5所示，前擋板15和后擋板17中間為實(shí)驗(yàn)材料19的填筑空間，在實(shí)驗(yàn)材料19和 前擋板15中間設(shè)置有機(jī)玻璃板20。
[0025]本發(fā)明的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法，裝置包含內(nèi)框架、外框架兩部 分，內(nèi)框架設(shè)有頂部靜載油缸和頂部振動(dòng)油缸，外框架設(shè)有底部振動(dòng)油缸，內(nèi)框架、外框架 分別設(shè)有滾輪組和導(dǎo)軌，可以使內(nèi)框架整體隨底部振動(dòng)油缸的作用在外框架內(nèi)部上下振 動(dòng);試驗(yàn)基本原理是將巷道所受的采動(dòng)壓力分解為靜載荷和動(dòng)載荷兩部分直接施加給模型 巷道，靜載荷為超前支承壓力的影響，通過頂部靜載油缸進(jìn)行加載，動(dòng)載荷為采區(qū)頂板斷 裂、垮落等因素產(chǎn)生的振動(dòng)作用，通過頂、底部振動(dòng)油缸進(jìn)行加載。由于內(nèi)框架整體可在外 框架內(nèi)部上下振動(dòng)，因此不再需要設(shè)置面積較大的振動(dòng)臺(tái)，減少了設(shè)備的占用空間；加之不 需要通過工作面的推進(jìn)來模擬采動(dòng)壓力，所以減少了模型尺寸，降低了實(shí)驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié) 約了實(shí)驗(yàn)成本，還可以定量地研究采動(dòng)壓力與巷道變形破壞之間的聯(lián)系。
[0026] 具體實(shí)施例：
[0027]本發(fā)明的動(dòng)壓巷道支護(hù)物理模型試驗(yàn)裝置及方法，試驗(yàn)過程主要由兩個(gè)部分組 成，第一部分是模擬巷道所受超前支承壓力變化的加載過程;第二部分是模擬巷道上部由 頂板斷裂、垮落等因素產(chǎn)生的振動(dòng)作用過程。
[0028] 所述第一部分，通過頂部靜載油缸3實(shí)現(xiàn)，并貫穿試驗(yàn)始終，如圖7所示，加載按照 超前支承壓力變化規(guī)律進(jìn)行，變化規(guī)律可通過函數(shù)表示，函數(shù)曲線由兩段組成，分別為加載 階段21和卸載階段22,持續(xù)時(shí)間分別為TjPT 2。
[0029] 所述加載階段21，函數(shù)基本形式為巧·^^汍> 0)，初始值為L，終值為Η;所述卸載階 段22，函數(shù)基本形式為％ ·e￥(Zv< 0)，從加載階段21的終值Η開始卸載至初始值L后，隨即卸 載至〇;所述終值Η為初始值L的Κ倍，Κ即為超前支承壓力集中系數(shù)，其值的大小需要通過現(xiàn) 場實(shí)測結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定;所述持續(xù)時(shí)間TdPT 2,總和為Τ，即為超前支承壓力的影響時(shí)間， 轉(zhuǎn)化為距離即為超前支承壓力的影響范圍，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合理的超前支承壓力影響范 圍，換算出相應(yīng)回采過程所需要的時(shí)間，再根據(jù)相似理論計(jì)算得到持續(xù)時(shí)間TdPT 2。
[0030] 所述第二部分，通過頂部振動(dòng)油缸4、底部振動(dòng)油缸5實(shí)現(xiàn)，如圖8所示，在試驗(yàn)第一 部分進(jìn)行的過程中多次施加振動(dòng)荷載23,首次施加的時(shí)間為T 3,其后每次施加的時(shí)間間