一種平面應(yīng)變巷道圍巖模型加載觀測系統(tǒng)及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平面應(yīng)變巷道圍巖模型內(nèi)、外壓加載裝置及其變形、破壞及失穩(wěn)規(guī)律的光學(xué)觀測系統(tǒng)，屬于光測力學(xué)、工程材料力學(xué)性能測試、巖土力學(xué)、煤礦安全生產(chǎn)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓等災(zāi)害發(fā)生的頻率和震級越來越大。嚴重沖擊地壓的發(fā)生能造成重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。2005年2月，阜新孫家灣煤礦發(fā)生沖擊地壓誘發(fā)的瓦斯爆炸事故，造成214人遇難。據(jù)統(tǒng)計，超過70%的沖擊地壓發(fā)生在巷道中。目前，煤礦巷道的支護主要采用錨桿、錨索、鋼支架、混凝土支架及液壓支架等設(shè)備。甘肅華亭煤礦、河南義馬千秋煤礦及撫順老虎臺煤礦嘗試采用液壓支架配合其它設(shè)備支護有沖擊地壓危險的巷道或巷道的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，收到了不錯的巷道防沖效果。但是，尚有許多科學(xué)問題未搞清楚，例如，在來壓或沖擊過程中，深部巷道圍巖中的應(yīng)變場及能量場如何受液壓支架的影響，一個巷道圍巖-液壓支架系統(tǒng)能抵抗的沖擊地壓震級多大，弄清楚深部巷道圍巖在支護及沖擊或加載條件下的破壞及失穩(wěn)規(guī)律是科學(xué)控制圍巖穩(wěn)定性的必由之路。
[0003]在實驗室中，為了深入研宄巷道圍巖模型的變形、破壞及失穩(wěn)規(guī)律，研宄人員采用不同的加載系統(tǒng)對不同的巷道圍巖模型進行加載。巷道圍巖模型通過對現(xiàn)場采集的巖石塊體進行機加工制成，或者根據(jù)相似原理，由相似材料制成。加載方式多種多樣:平面應(yīng)力加載、準三維加載及三維加載等。在巷道軸線方向的加載適于研宄深部巖體的分區(qū)破裂化現(xiàn)象。常見的觀測手段包括:應(yīng)變片、位移計、電阻儀、鉆孔潛望鏡、鉆孔電視、熱紅外、標點法、數(shù)字圖像相關(guān)方法等。在目前發(fā)表的多數(shù)文獻中，未對巷道進行支護。巷道的支護形式主要包括下列幾種:(I)巷道中填充實物，例如，泡沫等；(2)在巷道圍巖中插入條狀物，模擬錨桿的作用；(3)在巷道中插入筒狀物，模擬支架的作用；(4)在巷道中放置與實際液壓支架相仿的連桿支撐的小型支架、鋼塊、樹脂塊等。應(yīng)當指出，上述各種作法都試圖對巷道圍巖施加某種力的作用，但力的大小卻難于測定，力的變化規(guī)律很難與實際情況一致，不適于液壓支架對圍巖作用效果的研宄。
[0004]實際上，液壓支架的主要特點在于其恒阻特性。在初撐階段結(jié)束后，當巷道頂板下沉時，液壓支架立柱下腔液體壓力升高，立柱推力隨之上升，這個階段稱之為增阻階段；當巷道頂板繼續(xù)下沉時，若立柱下腔液體壓力超過安全閥的動作壓力，安全閥溢流，立柱下縮，直至下腔的液體壓力小于安全閥的動作壓力，安全閥關(guān)閉，從而使立柱工作阻力基本保持恒定，這個階段稱之為恒阻階段。在實驗室中，在巷道中插入筒狀物、填充物、木塊、鋼塊、與實際液壓支架相仿的連桿支撐的小型支架等作法都無法模擬液壓支架的恒阻特性。上述小型支架一般并無液壓缸、立柱等元件，僅用連桿無法模擬液壓缸-立柱系統(tǒng)的復(fù)雜力學(xué)行為。
[0005]位移計法、標點法、應(yīng)變片法等盡管可觀測巷道圍巖的應(yīng)變或位移，但精度不高，費時費力，難于獲得全場的信息。相比之下，數(shù)字圖像相關(guān)方法不僅能保證精度，而且，對測量環(huán)境要求低，效率高，能獲得全場的信息。但是，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像相關(guān)方法(例如，Newton-Raphson迭代方法)具有下列缺點:(I)不適于測點位移較大的情形；(2)迭代的初值不容易確定；(3)容易陷入局部最優(yōu)。
[0006]本發(fā)明提供了一種平面應(yīng)變巷道圍巖模型內(nèi)、外壓加載裝置及觀測系統(tǒng)，主要包括:巷道表面壓力加載系統(tǒng)、圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)和光學(xué)觀測系統(tǒng)。與其他的模擬巷道的支護形式相比，本發(fā)明可以提供作用于巷道表面可精確控制的恒定的壓力，能準確、高效地獲得巷道圍巖模型全場的信息，為深入開展支護、應(yīng)力加載及沖擊加載等多種條件下的巷道圍巖模型變形、破壞及穩(wěn)定性研宄提供重要的技術(shù)裝備，所獲結(jié)果對于巷道沖擊地壓、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機理研宄及預(yù)防研宄具有重要的理論和實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有的巷道圍巖模型不能施加作用于巷道表面的恒定的內(nèi)壓及觀測數(shù)據(jù)有限的局限性，本發(fā)明提供了一種平面應(yīng)變巷道圍巖模型內(nèi)、外壓加載裝置及觀測系統(tǒng)；利用該裝置和系統(tǒng)能獲取巷道圍巖模型在支護、地應(yīng)力及沖擊載荷作用下的變形、破壞及失穩(wěn)規(guī)律，可為煤礦深部巷道沖擊地壓預(yù)測研宄提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考；該裝置和系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、測量精度高、數(shù)據(jù)量豐富、造價低的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種平面應(yīng)變巷道圍巖模型內(nèi)、外壓加載裝置及觀測系統(tǒng)，包括巷道表面壓力加載系統(tǒng)、圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)及光學(xué)觀測系統(tǒng)；巷道表面壓力加載系統(tǒng)由內(nèi)囊、加載筒、第一六通閥門、內(nèi)壓壓力表、第一調(diào)壓閥、第一減壓閥、內(nèi)壓加載氣瓶和高壓管線組成；圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)由側(cè)囊、側(cè)壓加載板、側(cè)箱、側(cè)箱連接板、底座、第二六通閥門、側(cè)壓壓力表、第二調(diào)壓閥、第二減壓閥、側(cè)壓加載氣瓶和高壓管線組成；圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)的側(cè)壓加載氣瓶與第二減壓閥相連通，第二減壓閥與第二調(diào)壓閥相連通，第二調(diào)壓閥與第二六通閥門和側(cè)壓壓力表相連通，第二六通閥門與第一、二支路相連通，每個支路與一個側(cè)囊相連通，每個側(cè)囊裝入每個側(cè)箱中，側(cè)箱在面向巷道圍巖模型的一側(cè)設(shè)置一個大小適當?shù)目锥?，?cè)囊充氣后，以上述孔洞作為通道對巷道圍巖模型進行側(cè)向加載，在擠出的側(cè)囊與巷道圍巖模型之間設(shè)置有側(cè)壓加載板；兩塊側(cè)壓加載板下方設(shè)置有側(cè)壓加載板墊塊；側(cè)壓加載板下方設(shè)置有側(cè)壓加載板墊塊；側(cè)壓加載板墊塊位于巷道圍巖模型和側(cè)箱之間；巷道表面壓力加載系統(tǒng)的內(nèi)壓加載氣瓶與第一減壓閥相連通，第一減壓閥與第一調(diào)壓閥相連通，第一調(diào)壓閥與第一六通閥門和內(nèi)壓壓力表相連通，第一六通閥門與內(nèi)囊相連通，內(nèi)囊外圍設(shè)置有加載筒，內(nèi)壓加載筒設(shè)置于巷道圍巖模型的巷道之內(nèi)，內(nèi)囊通過加載筒對巷道表面進行壓力加載；巷道圍巖模型前、后面設(shè)置有兩塊厚度適當?shù)耐该髌桨?；巷道圍巖模型上方和下方分別設(shè)置有用于垂直應(yīng)力加載墊塊和巷道圍巖模型墊塊；圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)的底座用于承載側(cè)壓加載板墊塊、巷道圍巖模型墊塊、側(cè)箱、側(cè)囊及透明平板等；側(cè)箱連接板用于連接兩個側(cè)箱，以避免側(cè)箱在底座上的側(cè)向傾斜。
[0008]所述圍巖側(cè)壓加載系統(tǒng)的任一個側(cè)箱由側(cè)箱主體、頂蓋、側(cè)箱底座和兩塊擋板組成；側(cè)箱的主體由三個表面組成:前、后表面和側(cè)面，前、后表面面積相等；側(cè)箱的底座包括3部分，分別與側(cè)箱的3個表面垂直固定，且這3部分的下表面與側(cè)箱主體的底面位于同一水平面內(nèi)；側(cè)箱的底座上設(shè)置有螺栓孔，側(cè)壓加載系統(tǒng)底座的相應(yīng)位置上也設(shè)置有螺栓孔，通過螺栓將側(cè)箱的底座和側(cè)壓加載系統(tǒng)底座固定；側(cè)箱的頂蓋和側(cè)箱的主體通過螺栓固定，側(cè)箱的頂蓋上設(shè)置有圓孔，允許側(cè)囊的氣嘴通過；側(cè)箱的兩塊擋板將側(cè)箱所圍的區(qū)域分成左、右兩部分，兩部分通過側(cè)箱面向巷道圍巖模型的孔洞相通；兩塊擋板與側(cè)箱的側(cè)面平行，且上擋板的上表面與側(cè)箱主體的頂面位于同一平面，下?lián)醢宓南卤砻媾c側(cè)箱主體的底面位于同一平面內(nèi)；兩塊擋板將側(cè)箱主體前、后內(nèi)表面分割成兩部分，一部分用于限制側(cè)囊的膨脹，一部分用于卡住位于巷道圍巖模型前、后方的透明平板，兩塊透明平板只能從垂直方向被抽出。
[0009]所述側(cè)囊由橡膠膜、氣嘴、禁錮卡環(huán)、密封螺栓組成；橡膠膜由底部、主體、頸部和口部組成；主體和口部呈圓柱形，頸部呈圓錐形，底部呈圓球形；側(cè)囊的橡膠膜口部內(nèi)表面與氣嘴的外表面固定，氣嘴中設(shè)置有內(nèi)螺紋和中通的中心孔，密封螺栓通過上述螺紋與氣嘴固定，密封螺栓中設(shè)置有中通的中心孔，在氣嘴和密封螺栓之間設(shè)置有密封小球，密封小球上設(shè)置有中通的中心孔，高壓管線通過密封螺栓、氣嘴和密封小球中的中心孔，伸展到橡膠膜所圍區(qū)域之內(nèi)；橡膠膜的口部外圍設(shè)置有禁錮卡環(huán)。
[0010]所述巷道表面壓力加載系統(tǒng)的內(nèi)囊由橡膠膜、底部限定板、氣嘴、密封螺栓和禁錮卡環(huán)組成；內(nèi)囊的橡膠膜口部內(nèi)表面與氣嘴的外表面固定，氣嘴中設(shè)置有內(nèi)螺紋和中通的中心孔，密封螺栓通過上述螺紋與氣嘴固定，密封螺栓中設(shè)置有中通的中心孔，在氣嘴和密封螺栓之間設(shè)置有密封小球，密封小球上設(shè)置有中通的中心孔，高壓管線通過密封螺栓、氣嘴和密封小球中的中心孔，伸展到橡膠膜底部，與固定于底部的底部限定板固定；在伸入橡膠膜的高壓管線上設(shè)置有凹形的出氣孔；內(nèi)囊的底部呈平面，與位于巷道圍巖模型前方的透明平板相接觸；內(nèi)囊的口部外表面設(shè)置有禁錮卡環(huán)。
[0011]所述巷道圍巖模型的上部設(shè)置有垂直應(yīng)力加載墊塊，下部設(shè)置有巷道圍巖模型墊塊，下方墊塊設(shè)置在側(cè)壓加載系統(tǒng)底座上，垂直應(yīng)力加載墊塊設(shè)置在試驗機壓頭與巷道圍巖模型之間，墊塊的尺寸應(yīng)適當，以避免試驗機的壓頭與從側(cè)箱頂蓋孔中伸出的高壓管線發(fā)生接觸和擠壓造成漏氣，巷道圍巖模型的垂直方向壓力通過試驗機施加；巷道圍巖模型左、右兩側(cè)的側(cè)壓加載板下方設(shè)置有側(cè)壓加載板墊塊；兩個側(cè)箱的前、后面的上部通過側(cè)箱連接板固定；位于巷道圍巖模型前方且被側(cè)箱的前表面限制的透明平板不設(shè)置圓孔，而位于巷道圍巖與模型后方的透明平板中部需設(shè)置允許內(nèi)囊氣嘴和高壓管線通過的圓孔。
[0012]所述光學(xué)觀測系統(tǒng)由拍攝設(shè)備(數(shù)碼相機或CCD攝像頭)、三角架、光源、計算機、數(shù)字圖像相關(guān)方法程序或軟件組成；拍攝設(shè)備固定在三角架平臺上，拍攝設(shè)備及三角架設(shè)置在巷道圍巖模型的正前方；數(shù)字圖像相關(guān)方法程序或軟件由前處理、計算和后處理模塊組成；前處理模塊用于選擇由拍攝設(shè)備記錄的大量圖像中的一部分和計算參數(shù)的設(shè)定以及計算模式的選擇；計算模塊用于被選擇圖像的應(yīng)變場和位移場的計算；后處理模塊用于奇異點校正和各種結(jié)果顯示；對于位移場可以有多種顯示方式:位移矢量圖和等值線圖，既可以顯示其總量，也可以顯示其增量，既可以顯示其全量，也可以顯示其分量。