一種大尺寸模擬巷道噴砼支護噴層加載方法
【專利摘要】本申請發(fā)明一種模擬噴砼巷道采用膨脹性材料體積膨脹加載方法，可以實現(xiàn)對巷道的均勻加壓。該方法發(fā)明了一個復合結構，并采用膨脹性材料體積膨脹來實現(xiàn)巷道均勻加壓，在材料中加入延緩劑、膠結增強劑和膨脹增力劑，延緩劑實現(xiàn)材料水和反應時間的控制；膠結增強劑可以使材料成為一個完整彈性體，實現(xiàn)巷道的均勻受力；膨脹曾力劑能夠增強材料體積膨脹壓力，保證實驗所需的壓力。該方法可以實現(xiàn)巷道均勻受力，更精確的模擬井下巷道受力的真實情況，為巷道變形破壞特性和巷道支護的研究提供更為準確的依據。
【專利說明】
一種大尺寸模擬巷道噴砼支護噴層加載方法
技術領域
[0001] 本申請涉及一種大尺寸模擬巷道噴砼支護噴層采用膨脹性材料加載方法。
【背景技術】
[0002] 巷道圍巖變形破壞是煤礦開采等地下工程中一種煤巖體受力現(xiàn)象，也是影響礦山 結構安全的主要因素之一，圍巖變形破壞發(fā)生頻度和危害性愈發(fā)顯現(xiàn)和日趨嚴重，對其變 形與受力破壞特性和巷道支護的研究，國內外一般采用數(shù)值模擬和相似材料模擬等方法。 相對于相似材料模擬實驗而言，數(shù)值模擬的直觀性不如實驗好，較抽象，且數(shù)值模擬的參數(shù) 確定較為困難，準確度難以保證。傳統(tǒng)的相似材料模擬實驗模擬巷道受載荷情況，一般采用 在巷道外圍加液壓千斤頂系統(tǒng)來實現(xiàn)，但是用液壓系統(tǒng)對巷道進行加壓，不能實現(xiàn)巷道受 到的載荷是均勻的，導致對受力破壞的特性研究產生較大誤差，對于噴砼巷道也如此。
[0003] 本發(fā)明提出了一種噴砼巷道模型加載方法，利用一種復合結構充填膨脹性材料， 材料體積膨脹加壓，能夠實現(xiàn)巷道均勻加載，更精準模擬巷道受力情況，便于對巷道變形受 力破壞特性與巷道支護的研究。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是實現(xiàn)噴砼巷道模型近似均勻加載，為巷道變形破壞特性和巷道支 護的研究提供更為準確的依據。巷道變形破壞一直是影響煤礦安全生產的重大因素，而且 巷道變形破壞的頻度愈發(fā)增大，危害性也隨之增加。不論是數(shù)值模擬方法，還是相似材料模 擬實驗都不能真實模擬巷道圍巖施加給巷道的壓力，而且圍巖對巷道的壓力是均勻連續(xù)分 布的，如傳統(tǒng)相似材料模擬實驗，采用間隔的液壓千斤頂系統(tǒng)來實現(xiàn)巷道的加載，不能實現(xiàn) 均勻加壓。巷道圍巖受力對研究巷道變形破壞和支護十分重要。本發(fā)明是發(fā)明一種復合結 構，通過充填膨脹性材料提供巷道均勻壓力的原型混凝土巷道加載方法，可以實現(xiàn)巷道均 勻加載。本申請的技術方案是:澆筑一個內部為半圓拱體中空的混凝土試塊，留設一定空間 用來注膨脹性材料，制作一個(半圓拱形、三心拱形、圓形、馬蹄形、矩形或梯形）巷道模型， 在模型內側鋪設一層粘性材料，固定在模型上，在粘性材料上噴射混凝土，模擬巷道，封住 半圓柱體前后兩側，在前側留設一個注料孔便于注入膨脹性材料，注入材料后封死注料孔， 膨脹性材料發(fā)生化學反應，體積膨脹實現(xiàn)對巷道的均勻加壓，較為精準的反應巷道圍巖壓 力，利于對巷道變形破壞特征及巷道支護的研究。該方法實現(xiàn)了巷道圍巖的均勻加壓，更加 精準的反應了巷道圍巖的受力情況。
【附圖說明】
[0005] 圖為大尺寸模型示意圖
[0006] 圖例說明：1-砼試體，2-膨脹性材料，3-巷道模型，4-粘性材料，5-噴砼層，6-主料 孔，7-密封體
[0007] 具體實施方法
[0008] 本發(fā)明的巷道加載方法的具體實施方法如下：
[0009] 1、模型基本參量。砼是一種由粗細骨料、水泥水化物、未水化水泥顆粒等組成的多 相復合材料，其中夾雜著大量微孔隙及微裂紋等微缺陷。砼抗拉、抗壓性能相差懸殊，其抗 壓強度遠高于抗拉強度。砼巷道成型后，由于重力作用，巷道上部會對下部產生一個側壓， 經計算該側壓遠遠小于抗拉強度，可以忽略不計。根據任禹的《煤礦濕噴混凝土力學特性及 工程應用》文章提供的依據，當砼厚度小于80mm時，砼厚度相對較小，處于柔性階段，易發(fā)生 剪切破壞，載荷與砼厚度用公式
確定，式中：d為噴層厚度;p為荷載；1為危巖的尺 寸;b為危巖沿巷道縱向的尺寸；[τ]為允許剪切強度，|>] = 1/1^，1 = 〇.2￡。，1為噴砼的剪切 強度，fc為噴砼的單軸抗壓強度，k為安全系數(shù)。當噴砼厚度在80-120mm時，砼從柔性狀態(tài)向 剛性狀態(tài)過渡，破壞形式也從剪切破壞漸漸轉變?yōu)閺澢茐模d荷與砼厚度用公式d = AeTbR 確定，式中A、b為系數(shù)，R為輪立方體抗壓強度。當輪厚度大于120mm時，輪厚度相對較大，石全 處于剛性階段，易發(fā)生彎曲破壞，載荷與砼厚度用
確定，式中[0] = 〇/k，〇 =0.15匕，〇為噴砼的剪切強度。復合結構中的膨脹性材料水化反應，使晶體變形，產生體積 膨脹，由于受到模型的約束，這種膨脹壓力轉化為拉伸應力，實驗所需要的膨脹壓力，可以 在實驗室通過改變膨脹性材料骨料配比的實驗方法，用液壓式平衡測壓儀測定，得到砼破 壞時的極限拉應力，確定并記錄此時材料的配比，用該配比的膨脹性材料充填到模型中。對 于砼來說，通?？估瓘姸冗h小于它的抗壓強度，在拉伸應力作用下很容易就達到了極限值， 當切向拉伸應力所產生的變形超過砼的抗拉斷變形量時，便會產生變形破壞。
[0010] 2、在實驗室澆筑一個大型的內部為半圓拱體中空的砼試體（1)，模擬巷道外部圍 巖;留設一定的空間，用來充填膨脹性材料(2)。
[0011] 3、制作半圓拱巷道模型(3)，在模型(3)內側鋪設一層增加粘性的材料(4)，并固定 在模型（3)上，以增加砼和模型（3)之間的粘結力，然后，在粘性材料(4)上噴砼(5)，模擬巷 道。也可以通過先噴射一層薄砼層，打上錨桿，然后再噴砼形成巷道及支護系統(tǒng)。
[0012] 4、待噴砼巷道（5)凝固成型后，撤出巷道模型（3)，避免巷道模型（3)影響砼巷道 (5)受力情況。
[0013] 5、用密封體(7)密封充填膨脹性材料(2)空間的前后兩側，在前側密封體上留設注 料孔(6)，便于注射膨脹性材料(2)。
[0014] 6、制作膨脹性材料(2)，基本骨料為不同粒徑的石灰混合物，通過和水反應發(fā)生體 積膨脹。在膨脹性材料(2)中加入延緩劑，延緩膨脹性材料(2)的水和反應，保證在膨脹性材 料(2)全部注入空間之前不會發(fā)生反應，進而實現(xiàn)壓力均勻、增長。加入膠結增強劑，以增強 骨料間的膠結性，使變成一個彈性整體，實現(xiàn)均勻增壓。然后加入膨脹增力劑，在膨脹性材 料(2)中產生體積膨脹并產生體積膨脹壓力物質，可以產生足夠需要的壓力。
[0015] 7、通過注料孔(6)注入膨脹性材料(2)，然后密封注料孔(6)，膨脹性材料(2)發(fā)生 化學反應，體積膨脹，對巷道(5)產生一個均勻壓力。
【主權項】
1. 一種模擬噴砼巷道采用膨脹性材料體積膨脹加載方法，該方法發(fā)明一個復合結構， 并采用膨脹性材料體積膨脹來實現(xiàn)巷道均勻加壓，在材料中加入延緩劑、膠結增強劑和膨 脹增力劑，延緩劑實現(xiàn)材料水和反應時間的控制；膠結增強劑可以使材料成為一個完整彈 性體，實現(xiàn)巷道的均勻受力；膨脹曾力劑能夠增強材料體積膨脹壓力，保證實驗所需的壓 力。該方法可以實現(xiàn)巷道均勻受力，更真實的模擬井下巷道受力的真實情況，為巷道變形破 壞特性和巷道支護的研究提供更為準確的依據。2. 如要求1所述的混凝土巷道受力加載方法，其特征在于一種復合結構模型的建立。3. 如要求1所述的噴砼巷道受力加載方法，其特征在于采用膨脹性材料體積膨脹方法 實現(xiàn)對巷道的均勻加壓。4. 如要求1所述的噴砼巷道受力加載方法，其特征在于模型做好后，模型前后要密封， 防止膨脹性材料發(fā)生化學反應，體積膨脹，使得壓力從模型兩邊卸載。5. 如要求1所述的混凝土巷道受力加載方法，其特征在于模型內鋪設的一層粘性材料， 既能保證粘結性，又能順利取下模型，不影響模擬巷道的強度。
【文檔編號】G01N3/08GK105865921SQ201610304995
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】成云海, 田文元, 鄒成松, 牛西安
【申請人】安徽理工大學