[发明专利]地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法

说明书

本发明公开了一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，系统包括高压试验台、压力加载系统、冻结系统和数据采集系统；高压试验台包括承压筒、上端盖和底座；压力加载系统中，四个互相垂直的液压囊施加双向不等地压，上封口板的加压孔向加压腔内注水施加轴向荷载，下封口板的加压孔向土体内注水施加孔隙水压；冻结系统中，模型井壁作为冻结液循环通道，通过进液管、出液管与外部冷源连接用于冻结及解冻；数据采集系统中，传感器粘贴于井壁内、外壁及埋设于土体内部，能实时获取应变、温度和应力信息。本系统可实现富水地层中各施工阶段不均匀地压与孔隙水压共同作用对斜井冻结井壁的影响模拟，为井壁的研究设计提供支持和试验指导。

技术领域

本发明涉及一种对斜井井壁施加不等围压及孔隙水压的模拟实验系统，具体涉及一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，属于井下模拟实验系统技术领域。

背景技术

随着斜井开拓方式在大型煤矿中被越来越多的采用，含水丰富的地层冻结斜井井壁的设计问题日益受到关注，例如在冻结壁解冻过程中孔隙水压作用对井壁的影响问题，永久使用阶段孔隙水压和地层压力的共同作用对井壁的影响问题等方面，只有深入了解上述问题才能解决含水地层冻结斜井井壁设计中遇到的难题。现有技术大多通过模型试验作为理论基础，并通过试验获得的各相似准则间的关系推广到原型，从而获得原型参数间的变化规律，一方面能够真实地还原原型的工作状态，另一方面通过模型试验深入了解各施工阶段井壁在孔隙水压及地层压力作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。

而现有针对井下的模拟试验装置，如竖井高压试验台，能够满足高孔隙水压的加载要求，但其围压加载空间均为圆形，只能施加均布的围压，而斜井井壁为异形结构，在实际施工过程中承受的压力为不均匀地压，常用的模拟试验系统无法真实地模拟斜井井壁的实际受力情况，故无法为斜井的设计提供可靠的参考。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，可对各施工过程中井壁在孔隙水压及不均匀地层压力作用下的受力变形规律进行测试，充分了解斜井冻结井壁在各阶段不同荷载作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。

为了解决上述问题，本发明一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒、上端盖和底座，上端盖通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的上端，底座通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的下端，模型井壁设在承压筒内，模型井壁的上端和下端分别通过变径环与圆形接头相连，上端的圆形接头连接出液管，下端的圆形接头连接进液管；高压试验台还包括上封口板和下封口板，上端盖和底座的内壁孔径均小于承压筒的内壁孔径，且上端盖内壁下端以及底座的内壁上端均具有台阶面，上端盖的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰，底座的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰，上封口板紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆与上拉紧法兰相连，下封口板紧贴在底座的上端并通过下拉紧螺杆与下拉紧法兰相连，上封口板和下封口板的中间位置均开设有与圆形接头外径相当的内孔，并与圆形接头的连接位置通过密封圈密封，上端盖、上封口板、承压筒、下封口板和底座之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；

压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊、加压钢板和反力钢板，加压钢板、液压囊和反力钢板组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着X方向和Y方向两两对称设置，反力钢板与承压筒内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板和反力钢板的两端且相对的一侧均设有肋板，反力钢板通过肋板悬挂在加压钢板上，液压囊被设在反力钢板和加压钢板之间，液压囊通过加压管路与外部液压源相连，承压筒侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔；下封口板的上部铺设有薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上面铺设土体，土体的上部铺设有粘土密封层，粘土密封层的上端均匀涂有黄油密封层，上封口板与黄油密封层之间的空腔构成轴向加压腔，并通过上封口板上开设的轴向加压孔向加压腔内注水；下封口板上开设有水压加压孔，水泵通过水压加压孔向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；