[发明专利]一种巷道底板变形破坏可视化试验系统及其试验方法

说明书

本发明公开了一种巷道底板变形破坏可视化试验系统及其试验方法，由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成；试验装置为一侧可视的立式箱体；试验前，首先制备好模拟巷道底板岩体的相似材料模型放入立式箱体中，布置加压板和传力板，构成试验装置；将试验装置安放在岩石三轴实验机上，保证可视化一侧朝外；CCD摄像系统对准试验装置可视化一侧；岩石三轴实验机以位移模式输出压力，同时CCD摄像系统采集记录试验过程中相似材料模型的变化情况，利用光学试验方法得到变形各瞬时的位移场和应变场，本发明为研究底板变形破坏的规律提供依据，可以很好地揭示底板的破坏机制及变形演化规律。

技术领域

本发明涉及采矿工程巷道底板技术领域，尤其涉及一种用于研究煤矿巷道底板变形破坏的可视化试验装置。

背景技术

井下开采一直是我国煤炭资源开采的主要途径，在采掘过程中或受回采的影响，围岩应力状态发生变化，使巷道周围岩体产生变形并向巷道内移动，大量的底板变形会妨碍正常的通风、运输，甚至影响整个巷道的安全生产，因此保持巷道的稳定性和连通性对煤矿的建设和生产具有重要意义。针对巷道底板的变形破坏，国内外相关学者进行了大量的研究，但由于巷道围岩性质复杂、地质环境多变等因素，对巷道底板变形破坏机理的认识尚存在缺陷。因此，开展巷道底板变形破坏机理的研究具有十分重要的意义。

塑性流动变形是一种常见的底板破坏形式，当直接底板为软弱岩层，在两帮岩柱的压模效应作用下，底板软弱岩层被挤压流动到巷道内，出现持续的塑性流动变形。在以往的研究中，人们进行了大量的理论分析和数值仿真模拟以揭示巷道底板变形演化的规律。当然人们也尝试通过相似试验了解底板变形破坏的宏观过程，岳中文通过煤巷开挖掘进、锚杆与锚索一体化支护相似模拟实验研究了底板变形的类型及底板破坏时的应力状态，郑朋强等通过现场真三轴实验考察了导致巷道底板变形的各类因素，李运来通过改装的平面应变模型研究了软岩巷道的受力与变形特征。这些试验方法均为宏观试验，通过肉眼观察对比来描述底板变形破坏的规律，存在一定的主观性，无法客观反映底板岩体变形破坏的全过程，也不能通过定量分析得到底板位移演化的规律。因此，很需要一种能够从细观的角度对巷道底板变形破坏进行量化研究的试验系统和试验方法。

发明内容

本发明的目的是针对巷道底板变形破坏研究的需要，发明的一种巷道底板变形破坏试验系统，同时提供该系统的试验方法。

一种巷道底板变形破坏可视化试验系统，其特征在于，它由模拟试验装置、压力试验机以及光学采集系统组成，其中，所述的模拟试验装置包括一个单侧可视的长方形立式箱体，即立式箱体的前侧为部分透明的；立式箱体内装有模拟巷道底板岩体的相似材料模型，模型上方紧贴箱体两侧各布置有加压板，加压板上方支撑有凹槽形传力板。

所述的压力试验机为TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴实验机，为试验装置提供所需的压力。

所述的光学采集系统包括设置在试验装置外部的白光光源和CCD摄像采集系统，用于采用光学试验方法跟踪、观察、检测和计算底板岩体的位移场和应变场。

进一步，所述的立式箱体由废弃的混凝土模板改造拼装而成；箱体后侧由三块模板长边相接堆叠而成；箱体前侧为透明平面挡板，挡板上下两侧各压有一块模板，前侧模板、挡板以及后侧模板通过高强螺栓依次紧密连接；箱体左右两侧的模板通过水平拉杆连接，并用螺母上紧固定，用以限制相似材料模型的侧向位移。

进一步，所述的透明平面挡板为厚度为8mm的钢化玻璃板，以便直接观察或采用光学试验方法观察荷载作用下底板岩体相似材料模型的位移状态和变形运动规律。

进一步，所述的加压板用以模拟巷道两帮，加压板之间的净距即为模拟的巷道宽度。

进一步，所述的传力板槽腿支撑在加压板中部，槽背高出箱体顶端50mm，为位移模型加载预留空间。