[发明专利]一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，属于岩石力学、采矿工程、煤矿安全生产、光测力学等领域。

背景技术

随着经济建设与国防建设的不断发展，地下空间开发和资源开采不断走向深部。在深部，岩体工程面临一系列新的岩体力学问题，这与浅部岩体工程相比具有较大的差异。例如，在深部开挖巷道时，在围岩中常会出现破裂区与非破裂区交替出现的奇怪现象，这种现象称之为分区破裂化。分区破裂化的出现给传统岩体力学理论和巷道支护的传统观念和技术体系提出了新的挑战。众多的科技人员普遍认识到分区破裂化研究的重要性和紧迫性，近年来，提出了不少理论模型和分析方法，例如，波动模型、滑移线模型、非欧模型、梯度模型、相变模型、流变模型、断裂力学模型、空间局部化模型（WangX,PanY,ZhangZ.Aspatialstrainlocalizationmechanismofzonaldisintegrationthroughnumericalsimulation.JournalofMiningScience,2013,49(3):357-367）、基于连续介质的颗粒体模型（WangX,PanY,WuX.Acontinuumgrain-interface-matrixmodelforslabbingandzonaldisintegrationofthecirculartunnelsurroundingrock,JournalofMiningScience,2013,49(2):220-232）等。但是，目前，关于分区破裂化的机理及过程尚未形成定论，任何一种模型因其局限性，还不能解释所有的分区破裂化现象，亟待深入开展研究。

在分区破裂化室内实验研究方面，通常采用下列两种模型：

（1）巷道轴线方向不受力的双向或单向加载模型，这种模型便于观测，但一般难于模拟出分区破裂化现象；

（2）巷道轴线方向受力的三维模型，这种模型不便于观测，不容易模拟巷道开挖，有时能模拟出分区破裂化现象。另外，在有些三维模型中，将模型置于金属筒中，金属筒对于模型的侧向或径向的变形具有一定的限制作用，但模型受到约束力的大小并不清楚。

现有的分区破裂化物理模拟实验存在的主要问题在于：巷道开挖模拟费时费力；无法实现分区破裂化形成过程的实时观测，一旦在巷道的轴线方向上施加力的作用，与这个方向垂直的面上的变形及破坏规律难以采用应变片、位移计、热红外技术、数字图像相关方法等现有的大多数手段实现测量。大量的观测结果都是通过对加载破坏后的模型进行切片后凭肉眼观察获得的，费时费力，精度低。据此，仅知道一个最终的结果，并不清楚分区破裂化的萌生及发展规律。

本发明为一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法，其装置由巷道开挖系统、围岩侧压加载系统和光学观测系统组成。本发明通过控制含孔洞的推进头的匀速推进，伴随预先充填于巷道之内散体的下落，实现巷道逐渐开挖的模拟；通过侧囊对巷道围岩模型施加侧向压力；通过试验机对该模型施加垂直压力（巷道轴线方向）；通过在过巷道轴线的平面内设置透明平板，使采用光测方法观测分区破裂化现象成为可能。在地应力（垂直应力和两个方向的侧向应力）、巷道开挖及支护的作用下，本发明可为深部巷道围岩分区破裂化研究提供大量的可靠数据，这对于深部巷道围岩的破坏及失稳机理研究以及防灾减灾措施制定具有重要的意义。

发明内容

针对现有的深部巷道围岩分区破裂化室内实验观测数据有限且难于模拟巷道逐渐开挖的局限性，本发明提供了一种模拟巷道开挖诱发围岩分区破裂化的装置及方法；利用该装置和方法能获取巷道围岩模型在地应力、开挖卸荷及支护作用下的变形、破坏及失稳规律，可为煤矿深部巷道围岩破坏规律研究和灾害防治研究提供基础数据和技术参考；该装置具有结构紧凑、操作方便、造价低廉的优势。