[发明专利]深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于深部矿井巷道工程的围岩稳定性控制领域，特别是涉及一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国国民经济和矿山行业的迅速发展，矿井的开采深度在不断地增加，出现了一大批千米级的深井，如沈阳彩屯矿、开滦赵各庄矿、新坟孙村矿、北票冠山矿、徐州张小楼矿等等，在今后10-20年内，我国将有更多的矿井进入深部或超深部开采。随着采深的增加和开采条件的日益复杂，绝大部分的深部巷道普遍表现出明显的大变形、高应力、矿压显现剧烈、长时间持续变形的特征，导致了巷道严重底鼓、片帮及顶板垮冒事故灾害的频频发生，严重危害了矿井人员的正常工作及设备的正常运行，因此，深部巷道围岩的稳定性控制已成为制约深部开采矿井安全生产的瓶颈。

通过大量的理论研究和工程实践，人们逐渐意识到对于深部大变形巷道围岩控制采用一次刚性支护或强力支护是不能奏效的，“硬顶”的理念是行不通的，因而，提出了“先让后抗、让抗结合”、“先柔后刚、刚柔并济”的大变形控制原则，并开发了各种形式、不同支护阻力、不同延伸量的可伸长锚杆，形成了高阻让压锚杆支护、恒阻大变形锚杆支护、高阻柔性耦合支护、高预应力卸压锚杆支护、锚网索耦合让压支护系列技术。此类高阻可伸长锚杆的支护作用机理及现场工作状况是深部巷道围岩控制技术研究的关键，也是大变形巷道围岩控制理论的基础。由于数值仿真方法的计算参数不容易确定，现场支护试验又耗时耗力且条件受限，于是人们采用物理模拟实验的方法来进行研究和观察，通过构建二维或三维物理模型实验系统研究巷道围岩的变形及锚杆支护的作用过程，着重解决矿井巷道锚杆支护机理及实际工作状况的问题。然而，目前所建立的巷道锚杆支护模拟实验平台仍存在明显的缺陷，表现在：一是高阻可伸长锚杆的力学性能模拟效果不甚理想，在实验加载伸长过程中支护阻力较小甚至是完全丧失，锚杆的伸长量也十分有限，体现不出围岩大变形的控制效果；二是锚杆支护模拟实验大多为破坏性实验，费时制作的锚杆模型及围岩相似填充材料在实验过后不能再次利用，造成极大的浪费；三是锚杆支护的作用过程及其工况数据反映的不够清楚，由于锚杆被置于围岩内部，无法直接观察到其支护的工作过程与工作状态；此外，对于锚杆受力、变形等工作状况参数的获取及处理，通常采用埋设压力盒、压力计、应变片等方法，待实验完成后将收集到的数据资料进行整理、分析及曲线的绘制，显然，这种做法不能实时掌握锚杆的工作状态和围岩的变形情况，不利于围岩-支护作用机理的分析。

发明内容

为了解决常规巷道模型实验系统存在的以上技术问题，本发明提供了一种适用于深部大变形巷道锚杆支护的物理模拟实验系统及基于该系统的实验方法，实现了高阻可伸长锚杆支护作用过程的模拟及锚杆工作状态的实时监测。该模拟实验系统及实验方法具有操作简单、观察方便、可重复实验、节约模拟实验材料等优点，能体现高阻可伸长锚杆的支护力学特点及支护原理，特别是可实现巷道围岩变形的动态监测预警。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：包括模拟实验台、压力加载装置、高阻可伸长锚杆、巷道模型、围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器、数码显示屏、数据发射装置、数据接收装置、显示器、数据处理装置；所述的模拟实验台内设有巷道模型，模拟实验台内与巷道模型外侧之间等间距设有压力加载装置，巷道模型由锚固区外岩体、锚固区岩体及巷道孔洞组成，锚固区岩体与巷道孔洞之间等间距布置高阻可伸长锚杆，高阻可伸长锚杆上设有锚杆测力计和杆尾套管位移传感器，围岩位移传感器、锚杆测力计以及杆尾套管位移传感器的输出与数码显示屏及数据发射装置装置相连，数据接收装置与数据处理装置相连，数据处理装置与显示器相连。

上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的模拟实验台由承载底板、承载盖板、承载左侧板、承载右侧板和前、后侧板组成一个长方体结构，其内部为长方体空腔，承载底板分别与承载左侧板、承载右侧板焊接连接；承载盖板、侧板与承载左侧板、承载右侧的连接均采用螺栓连接，侧板在中央设有巷道轮廓的孔洞。

上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的压力加载装置与巷道模型外侧之间设有加载板。

上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的承载盖板、承载左侧板、承载右侧板均由方形钢板及纵向、横向肋板正交焊接而成。

上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的承载底板由两块平行钢板及其之间的正交肋板焊接形成。