巷道掌子面突水模擬試驗裝置及其試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巷道掌子面突水模擬試驗方法及監(jiān)測系統(tǒng)，屬于模擬試驗技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著淺部資源的枯竭，礦山開采逐漸轉(zhuǎn)入深部，此時高應(yīng)力、高滲透壓條件下的巷道突水成為威脅開采安全的重要因素之一。施工過程中的掌子面突水事故輕者淹沒設(shè)備、增加礦井排水負(fù)擔(dān)，重者造成重大人員傷亡，嚴(yán)重威脅礦工生命安全。因此加強(qiáng)巷道突水的研究，建立有效的監(jiān)測系統(tǒng)對于保障礦山的安全施工，最大程度上降低突水所造成的損失具有重要意義。
[0003]巷道掌子面突水現(xiàn)象突發(fā)性強(qiáng)，危害大，要想研究突水前兆信息單單從現(xiàn)場獲得的資料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，因此從模型試驗的角度研究突水前兆信息是一個即安全又實際的方法。然而通過模擬試驗來研究巷道掌子面突水多場前兆信息的并不多，一般的試驗只能研究突水發(fā)生前一兩個場的信息變化，或者使用相似材料對突水過程進(jìn)行研究，不能研究不同水壓、不同應(yīng)力條件、不同巷道尺寸以及不同巖性情況下掌子面突水的多場時空前兆規(guī)律，且相似材料不完全等同于巖石，使用相似材料得到的結(jié)果與礦山實際仍有一定差升。
[0004]研究巷道掌子面突水前兆規(guī)律，進(jìn)而實驗對巷道突水的準(zhǔn)確預(yù)測，應(yīng)當(dāng)從多場角度出發(fā)，綜合分析各信息之間相關(guān)性，找到突水前兆信息的主要演化規(guī)律，應(yīng)當(dāng)充分考慮水壓、巷道尺寸、應(yīng)力條件以及巖性等條件對巷道突水前多場前兆信息演化特征的影響，從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。
[0005]—般的模型試驗只能研究突水發(fā)生前一兩個場的信息變化，或者使用相似材料對突水過程進(jìn)行研究，不能研究不同應(yīng)力條件、不同水壓、不同巷道尺寸以及不同巖性情況下掌子面突水的多場時空前兆規(guī)律，且相似材料不完全等同于巖石，使用相似材料得到的結(jié)果與礦山實際仍有一定差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種巷道掌子面突水模擬試驗方法以及其監(jiān)測系統(tǒng)，充分考慮不同水壓、不同應(yīng)力條件、不同巷道尺寸以及不同巖性條件下巷道掌子面突水發(fā)生前的多場前兆信息的演化規(guī)律，能夠?qū)δM實驗中應(yīng)力場、變形場、溫度場、聲發(fā)射場以及可見光進(jìn)行實時監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)豐富，可靠性強(qiáng)。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]巷道掌子面突水模擬試驗裝置，包括應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)、水壓加載機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射傳感器和可見光監(jiān)測機(jī)構(gòu)，實驗試件放置應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)的墊塊上，水壓加載機(jī)構(gòu)通過水管接頭與實驗試件的注水孔連接，聲發(fā)射傳感器布置于實驗試件的表面，并通過放大器與外部主機(jī)相連，變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)和可見光監(jiān)測機(jī)構(gòu)布置于實驗試件的正前方并與外部計算機(jī)相連，聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)布置在實驗試件一側(cè)，并與外部計算機(jī)相連。
[0009]巷道掌子面突水模擬試驗方法，包括以下步驟:
[0010](1)實驗試件制備:選用巷道施工中的粉砂巖為研究對象，將其加工成150mmX 150mmX 150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，用鉆孔機(jī)在實驗試件一個表面中心部位鉆直徑為45mm、深度為90mm的圓孔作為注水孔，然后在與其相對的表面中心鉆直徑為45mm、深度為50mm的圓孔作為觀察孔；
[0011](2)安裝水管接頭:用云石膠將水管接頭與實驗試件的注水孔粘接；
[0012](3)連接水管:將粘接好水管接頭的實驗試件放置于應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)上，將軸壓加載至100kN、側(cè)壓加載至200kN ；
[0013](4)監(jiān)測設(shè)備調(diào)試；
[0014](5)注水:將水壓加載機(jī)構(gòu)水壓設(shè)置為0.5Mpa，向注水孔內(nèi)注水，并保持0.5Mpa ；
[0015](6)加載及監(jiān)測:應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)的側(cè)壓不變，軸向以0.3mm/min速率加載，同時溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、可見光監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)和聲發(fā)射傳感器進(jìn)行同步采集，并保證各設(shè)備采集同步進(jìn)行，直至掌子面破裂突水。
[0016](7)改變側(cè)壓、水壓、實驗試件巖性及開孔直徑大小，重復(fù)步驟⑴?(6)。
[0017](8)通過以上步驟得到的信息，得出不同的受力情況、不同水壓、不同巖性以及不同巷道尺寸下巷道掌子面突水的多場前兆信息演化規(guī)律。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的巷道掌子面突水模擬試驗裝置及其試驗方法，巖石試樣通過試驗的方法來研究巷道掌子面突水的多場前兆信息變化，與工程實際相似度更高；能夠研究不同水壓、不同應(yīng)力條件、不同巷道尺寸以及不同巖性條件下的巷道掌子面突水的多場前兆信息演化規(guī)律。本發(fā)明提供的巷道掌子面突水模擬試驗裝置及其試驗方法，數(shù)據(jù)采集豐富，試驗精度高，能夠?qū)崟r監(jiān)測，且采用的監(jiān)測設(shè)備多為非接觸式不易受水的影響。具有和工程相似度高、適用范圍廣、可靠度高、采集數(shù)據(jù)豐富和實驗精度高等特點(diǎn)。
[0019]本發(fā)明提供的巷道掌子面突水模擬試驗裝置及其試驗方法，實現(xiàn)對模型試驗中應(yīng)力場、變形場、溫度場、聲發(fā)射場以及可見光進(jìn)行實時監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)豐富，實驗精度高，可靠性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明實驗試件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0023]如圖1和圖2所示，巷道掌子面突水模擬試驗裝置，包括應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)1、水壓加載機(jī)構(gòu)2、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)4、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)3、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)6、聲發(fā)射傳感器7和可見光監(jiān)測機(jī)構(gòu)5，實驗試件放置應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)1的墊塊上，水壓加載機(jī)構(gòu)2通過水管接頭與實驗試件的注水孔連接，聲發(fā)射傳感器7布置于實驗試件的表面，并通過放大器與外部主機(jī)相連，變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)4、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)3和可見光監(jiān)測機(jī)構(gòu)5布置于實驗試件的正前方并與外部計算機(jī)相連，聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)6布置在實驗試件一側(cè)，并與外部計算機(jī)相連。
[0024]巷道掌子面突水模擬試驗方法，包括以下步驟:
[0025](1)實驗試件制備:選用巷道施工中的粉砂巖為研究對象，將其加工成150mmX 150mmX 150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，用鉆孔機(jī)在實驗試件一個表面中心部位鉆直徑為45mm、深度為90mm的圓孔作為注水孔，然后在與其相對的表面中心鉆直徑為45mm、深度為50mm的圓孔作為觀察孔8