[发明专利]一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置及方法

权利要求书

1.一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：包括组合试验箱（1），以及设置于组合试验箱（1）内的围岩分层模拟系统（25）、加载系统（23）、监测系统（24），其中组合试验箱（1）为可拆装的透明长方体结构，包括主体部，以及与主体部固定的箱体顶层（18）和箱体底层（4），箱体顶层（18）模拟上覆岩层，箱体底层（4）模拟下覆岩层；围岩分层模拟系统（25）包括模拟的巷道围岩（26a）、巷旁支护体（9）、直接顶（8）、直接底（6）、煤帮（7）和垮落矸石（10）；铰接块A（12a）和铰接块B（12b）铰接，模拟铰接岩梁（11）结构，设置在直接顶（8）以及垮落矸石（10）的上方，铰接点（19）的位置能够调节；所述加载系统（23）位于铰接岩梁（11）结构的上方，加载系统（23）包括高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17），高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17）分别连接液压管路（13），液压管路（13）连接液压机，管路上安装安全阀（14）和压力显示器（14a），随着加载压力变化，高压微变形气囊（16）和低压变形气囊（17）能够变形，所述高压微变形气囊（16）具有压力大，变形小的特点，所述低压变形气囊（17）具有压力低，变形大的特点，能对所述铰接岩梁（11）不同区段产生高压、低压分段挤压力；监测系统（24）由压力监测计（20）和位移计（21）组成，监测系统（24）安装在围岩分层模拟系统（25）内部，所述铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置能实现分区加载，铰接岩梁（11）的下沉、回转，能监测反馈铰接岩梁（11）动载下巷道围岩（26a）的动压变化规律、破坏位置及程度，能反馈垮落矸石（10）承载力与体积变化规律；所述组合试验箱（1），其整体框架为长方体钢结构框架，两侧焊接三角稳定架（1a），前、后、左、右面安装亚克力透明板（1c），亚克力透明板（1c）的两侧设置安装孔（1b）；组合试验箱（1）内部的两侧对称设置有夹板（2），夹板（2）的上下端与箱体底层（4）和箱体顶层（18）以及组合试验箱（1）固连为一体；所述位移计（21）安装在模拟巷道（26）内侧十字中线的四个点位和垮落矸石（10）内部，能监测铰接岩梁动载下巷道（26）位移与垮落矸石（10）位移；压力监测计（20）沿巷道围岩（26a）空间安装，能监测直接顶（8）、煤帮（7）和巷旁支护体（9）垂直压力、巷旁支护体（9）与垮落矸石（10）交界面的水平压力、垮落矸石（10）对直接顶（8）倾斜面的压力、垮落矸石（10）对铰接岩梁的承载压力；透明箱能观测到铰接岩梁下沉、回转时，垮落矸石（10）的体积压缩变化；所述高压微变形气囊（16）长度与铰接块A（12a）相匹配，低压变形气囊（17）长度与铰接块B（12b）相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：箱体底层（4）和箱体顶层（18）分别为长方体钢性块结构，钢性块上分别横向开设两个水平设置的导孔一（4a）、导孔二（18a），夹板（2）上开设导孔三（2a），所述导孔一（4a）、导孔二（18a）以及导孔三（2a）均与组合试验箱（1）的安装孔（1b）对应，通过固定刚梁（3）依次穿过所述导孔一（4a）和导孔三（2a）以及导孔二（18a）和导孔三（2a），用螺母（5）将夹板（2）、箱体底层（4）以及箱体顶层（18）与组合试验箱（1）固连。

3.根据权利要求1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：所述铰接点（19）位于所述模拟的煤帮（7）上部、巷道（26）上部、巷旁支护体（9）上部以及所述垮落矸石（10）上部。

4.据权利要求1所述的一种铰接岩梁动载下巷道围岩响应装置，其特征在于：在组合试验箱（1）和箱体前和/或后面粘贴透明刻度贴（22），方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力。

5.利用权利要求1~4任意一项权利要求所述的装置的铰接岩梁动载下巷道围岩响应方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）组合试验箱（1）组装，先安装箱体底层（4），用两根固定刚梁（3）分别穿过组合试验箱（1）的安装孔（1b）、夹板（2）的导孔（2a），以及箱体底层（4）的导孔（4a），在固定刚梁（3）的两端安装螺母（5）并拧紧，将刚性块固定在试验箱底部，等到其他系统都安装完成时，用同样的方法安装箱体顶层（18），并在箱体表面粘贴透明刻度贴（22），方便试验人员观测分析，适当调整试验加载压力；

步骤2）围岩分层模拟，在箱体底层（4）上铺设混凝土，用于模拟直接底（6），直接底（6）起到垫层的作用，之后采用分层向上模拟方法，用不同比例混凝土模拟煤帮（7）、巷旁支护体（9）、垮落矸石（10）及直接顶（8），基本顶采用铰接岩梁（11）模拟，相邻两段铰接岩梁（11）的下部铰接，上部设置安装孔，通过安装固定梁（19a）固定铰接位置，取出上部固定梁（19a），铰接岩梁（11）能沿着下铰接点（19）旋转；

步骤3）监测系统布置，在煤帮（7）宽为X，巷旁支护体（9）宽为N，直接顶（8）宽为L，直接底（6）宽为R，垮落矸石（10）宽为F的范围内，水平方向均匀布置压力监测计（20），在巷旁支护体高为H的范围内，纵向均匀布置压力监测计（20），沿直接顶（8）倾斜面边长为M，倾斜均匀布置多个压力监测计（20）；在巷道（26）内侧十字中线的四个点位上分别布置位移计（21）；在垮落矸石（10）宽为F的距离均匀布置位移计（21），压力监测计（20）和位移计（21）间隔设置；压力监测计（20）监测并实时记录压力分布，位移计（21）监测并实时记录巷道围岩（26a）和垮落矸石（10）位移变化；

步骤4）加载系统布置，通过液压管路（13），同时向两个气囊加压，高压微变形气囊（16）随着压力增加变形小，对铰接块A（12a）挤压作用小，铰接块A（12a）下沉量小、回转角度小；低压变形气囊（17）随着压力增加变形大，对铰接块B（12b）挤压作用大，铰接块B（12b）下沉大，回转角度大，挤压垮落矸石（10），对直接顶（8）倾斜断面和巷旁支护体（9）的接触面产生挤压，且压力大小及压力分布随着铰接岩梁（11）下沉、回转运动发生变化；模拟铰接岩梁（11）受上部分段载荷作用，发生下沉、回转，其中铰接块A（12a）处于高压力，铰接块B（12b）处于低压力，通过监测系统（24）实时监测，反馈铰接岩梁（11）动载下巷道围岩（26a）的动压变化规律、承载能力、破坏位置及程度，结合透明刻度贴（22）反馈垮落矸石（10）承载力与体积变化规律，为科学合理认识铰接岩梁（11）动载下巷道围岩响应特征提供模拟及监测方法，并为铰接岩梁（11）动载下巷道支护提供重要的参考价值。