一種大型巷道支護實驗室模擬系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種大型巷道支護實驗室模擬系統，包括大型巷道支護模擬系統、加壓傳力系統和支護數據采集系統，大型巷道支護模擬系統由大型巷道外形模擬機構和支護模擬機構組成；加壓傳力系統包括底座、側向加壓傳力機構、軸向加壓傳力機構、側壓動力系統和軸壓動力系統；支護數據采集系統包括軸向引伸計、徑向引伸計、計算機、EDC數字控制器和加壓控制器；每根錨桿外露在橡膠圈內部的端部均安裝有聲發射傳感器。本發明還公開了一種大型巷道支護實驗室模擬方法。本發明能夠根據不同礦井的地質情況真實模擬井下巷道的支護效果以及巷道在壓力作用下產生巷幫變形、底鼓的條件，且能夠模擬出巷道在擾動作用下蠕變失穩變形狀態。
【專利說明】一種大型巷道支護實驗室模擬系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于煤礦巷道支護【技術領域】，具體涉及一種大型巷道支護實驗室模擬系統及方法。
【背景技術】
[0002]我國許多礦井的開采深度已超過800米，在大采深條件下，巷道圍巖的應力狀態已接近巖石強度極限，巷道穩定性差，很容易因掘進和開采擾動作用下而產生大的變形，研究巷道在擾動作用下的流變力學特性，建立巷道擾動理論，對深井軟巖支護具有重要的工程實用價值。由于煤礦巷道深埋地下的原因導致現場試驗無法進行，實驗室內模擬系統可以通過對各種工程的模擬和試驗觀察，來研究工程圍巖的變形、移動和破壞等現象，分析支護方案對巷道的作用，從而對巷道支護提供試驗依據。
[0003]現有巷道支護模擬實驗臺，主要存在以下局限性，一是模型主要以平面應變模型為主，而不能研究三維應力均發生變化的研究對象；二是模型比例較小，這使得研究大比例巷道試驗無法實現；三是模型不能研究巷道支護形式與支護參數等實驗進行研究；四是模型只能分開研究巷道的頂板、底板和兩幫進行研究，不能對巷道整體的支護進行實驗研究；五是模型不能模擬巷道擾動的影響，煤礦巷道受采動影響明顯，現有試驗臺主要對模擬裝置加載均布載荷，不能模擬沖擊和爆破擾動對巷道的影響。因此急需應用相似模擬理論、礦山壓力與控制、結構力學等相關學科知識，開發出一種三維立體式大型巷道支護實驗室模擬系統及方法。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、實現方便且成本低、使用操作簡單、實驗效率高、能夠真實地模擬出煤礦井下巷道支護的情況的大型巷道支護實驗室模擬系統。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括大型巷道支護模擬系統、加壓傳力系統和支護數據采集系統，
[0006]所述大型巷道支護模擬系統由大型巷道外形模擬機構和支護模擬機構組成，所述大型巷道外形模擬機構包括橫截面為回字形的巷道模型箱和套裝在巷道模型箱中間通道內的橫截面為方形的橡膠圈，所述巷道模型箱內部填充有壓實的用于模擬巷道圍巖的相似模擬材料；所述支護模擬機構包括用于卡合連接在橡膠圈內部側壁上和頂面上的方形鋼網，以及用于固定連接在橡膠圈內部側壁上、頂面上和底面上的多塊矩形鋼板，每塊所述矩形鋼板上均設置有多個用于安裝錨桿的錨桿孔；
[0007]所述加壓傳力系統包括底座、側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構，以及用于為側向加壓傳力機構加載側壓提供動力的側壓動力系統和用于為軸向加壓傳力機構加載軸壓提供動力的軸壓動力系統；所述側向加壓傳力機構包括設置在底座上且位于巷道模型箱左側的左立柱和位于巷道模型箱右側的右立柱，所述左立柱緊貼巷道模型箱設置，位于所述右立柱與巷道模型箱之間的底座上設置有緊貼右立柱的側向反力架，位于側向反力架與巷道模型箱之間的底座上設置有緊貼側向反力架和巷道模型箱的液壓鋼枕；所述軸向加壓傳力機構包括安裝在左立柱和右立柱頂部的軸向反力架，以及均勻吊裝在軸向反力架底部的四個液壓千斤頂、安裝在巷道模型箱頂部的傳力板和安裝在傳力板頂部的墊板，所述墊板頂部安裝有四個分別對應位于四個液壓千斤頂正下方的傳力座；所述側壓動力系統包括第一液壓油箱和一端與第一液壓油箱連接的液壓鋼枕進油管，所述液壓鋼枕進油管的另一端與液壓鋼枕的油口連接，所述液壓鋼枕進油管上從連接第一液壓油箱到液壓鋼枕的油口的方向依次連接有第一雙向油泵、第一換向閥和第一壓力計，位于第一換向閥和第一壓力計之間的一段液壓鋼枕進油管上連接有接入第一液壓油箱的第一溢流管，所述第一溢流管上連接有第一溢流閥；所述軸壓動力系統包括第二液壓油箱和一端與第二液壓油箱連接的液壓千斤頂進油總管，所述液壓千斤頂進油總管的另一端通過第一同步閥連接有第一液壓千斤頂進油支管和第二液壓千斤頂進油支管，所述第一液壓千斤頂進油支管上通過第二同步閥連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管，所述第二液壓千斤頂進油支管上通過第三同步閥連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管，四條第二液壓千斤頂進油分管分別對應與四個液壓千斤頂的油口連接，所述液壓千斤頂進油總管上從連接第二液壓油箱到第一同步閥的方向依次連接有第二雙向油泵、第二換向閥和第二壓力計，位于第二換向閥和第二壓力計之間的一段液壓千斤頂進油總管上連接有接入第二液壓油箱的第二溢流管，所述第二溢流管上連接有第二溢流閥；
[0008]所述支護數據采集系統包括用于對巷道模型箱的軸向應變進行檢測的軸向引伸計和用于對巷道模型箱的徑向應變進行檢測的徑向引伸計，以及計算機、EDC數字控制器和加壓控制器，所述EDC數字控制器和加壓控制器均與計算機相接，所述軸向引伸計和徑向引伸計十字交叉固定在固定器上后設置在橡膠圈內，所述軸向引伸計的兩端分別與橡膠圈內部頂面和底面緊密貼合，所述徑向引伸計的兩端分別與橡膠圈內部左側壁和右側壁緊密貼合，所述軸向引伸計和徑向引伸計均與EDC數字控制器相接；每根所述錨桿外露在橡膠圈內部的端部均安裝有用于對巷道模型箱內部的相似模擬材料的聲發射信號進行檢測的聲發射傳感器，所述聲發射傳感器、第一壓力計和第二壓力計均與加壓控制器的輸入端相接，所述第一雙向油泵、第一換向閥、第二雙向油泵和第二換向閥均與加壓控制器的輸出端相接。
[0009]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括套裝在四個液壓千斤頂外圍的沖擊鋼環和用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置，所述振動信號檢測裝置的測振型速度傳感器探頭連接在底座上，所述振動信號檢測裝置與計算機相接。
[0010]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置，所述底座內裝有位于巷道模型箱的正下方且內部裝有雷管的爆破箱，所述振動信號檢測裝置的測振型速度傳感器探頭連接在底座上，所述振動信號檢測裝置與計算機相接。
[0011]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述相似模擬材料為煤巖粉。
[0012]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述加壓控制器包括單片機以及與單片機相接的晶振電路模塊、復位電路模塊和USB通信電路模塊，所述單片機的輸入端接有用于對信號進行放大、濾波和A/D轉換處理的信號調理電路模塊，所述聲發射傳感器、第一壓力計和第二壓力計均與信號調理電路模塊的輸入端相接，所述單片機的輸出端接有第一雙向油泵驅動器、第二雙向油泵驅動器、第一換向閥驅動器和第二換向閥驅動器，所述第一雙向油泵與第一雙向油泵驅動器的輸出端相接，所述第二雙向油泵與第二雙向油泵驅動器的輸出端相接，所述第一換向閥與第一換向閥驅動器的輸出端相接，所述第二換向閥與第二換向閥驅動器的輸出端相接，所述USB通信電路模塊通過USB數據線與計算機相接。
[0013]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述傳力座的形狀為圓臺形。
[0014]上述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述振動信號檢測裝置為TPBOX型振動信號自記儀。
[0015]本發明還提供了一種能夠能夠根據不同礦井的地質情況真實模擬井下巷道的支護效果以及巷道在壓力作用下產生巷幫變形、底鼓的條件的大型巷道支護實驗室模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0016]步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料壓實填充到巷道模型箱內部，巷道模型箱與其內部的相似模擬材料整體模擬出了巷道圍巖；
[0017]步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模擬材料中的鉆孔；接著，在橡膠圈內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網；然后，在橡膠圈上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板，且將所述矩形鋼板上的錨桿孔對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔和所述鉆孔中安裝錨桿，并在錨桿外露在橡膠圈內部的端部安裝聲發射傳感器；
[0018]步驟三、加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄:操作計算機，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器，所述加壓控制器控制第一雙向油泵、第一換向閥、第二雙向油泵和第二換向閥打開，第一液壓油箱內的液壓油通過液壓鋼枕進油管進入液壓鋼枕內，液壓鋼枕對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管、第一液壓千斤頂進油支管、第二液壓千斤頂進油支管和四條液壓千斤頂進油分管進入四個液壓千斤頂內，液壓千斤頂的活塞桿伸出，頂在傳力座上，并將壓力通過傳力座傳遞到墊板上，墊板再將壓力通過傳力板傳遞到巷道模型箱上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計對液壓鋼枕進油管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器控制第一換向閥和第一雙向油泵關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計對液壓千斤頂進油總管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器控制第二換向閥和第二雙向油泵關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0019]以上加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器對巷道模型箱內部的相似模擬材料的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器，加壓控制器再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機進行保存；同時，所述軸向引伸計對巷道模型箱的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器，所述徑向引伸計對巷道模型箱的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器，EDC數字控制器再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機進行保存。
[0020]本發明還提供了一種能夠為研究不同的沖擊擾動對支護效果的影響提供數據支持、便于優化出最適合特定巷道的支護方案的大型巷道支護實驗室模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0021]步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料壓實填充到巷道模型箱內部，巷道模型箱與其內部的相似模擬材料整體模擬出了巷道圍巖；
[0022]步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模擬材料中的鉆孔；接著，在橡膠圈內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網；然后，在橡膠圈上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板，且將所述矩形鋼板上的錨桿孔對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔和所述鉆孔中安裝錨桿，并在錨桿外露在橡膠圈內部的端部安裝聲發射傳感器；
[0023]步驟三、在沖擊擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下:
[0024]步驟301、操作計算機，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器，所述加壓控制器控制第一雙向油泵、第一換向閥、第二雙向油泵和第二換向閥打開，第一液壓油箱內的液壓油通過液壓鋼枕進油管進入液壓鋼枕內，液壓鋼枕對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管、第一液壓千斤頂進油支管、第二液壓千斤頂進油支管和四條液壓千斤頂進油分管進入四個液壓千斤頂內，液壓千斤頂的活塞桿伸出，頂在傳力座上，并將壓力通過傳力座傳遞到墊板上，墊板再將壓力通過傳力板傳遞到巷道模型箱上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計對液壓鋼枕進油管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器控制第一換向閥和第一雙向油泵關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計對液壓千斤頂進油總管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器控制第二換向閥和第二雙向油泵關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0025]步驟302、將沖擊鋼環提起再放開，使沖擊鋼環從高處沿著液壓千斤頂自由下落到傳力座上，形成對所述巷道圍巖的沖擊擾動；
[0026]沖擊擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器對巷道模型箱內部的相似模擬材料的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器，加壓控制器再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機進行保存；同時，所述軸向引伸計對巷道模型箱的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器，所述徑向引伸計對巷道模型箱的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器，EDC數字控制器再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機進行保存；所述振動信號檢測裝置對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機進行保存。
[0027]本發明還提供了一種能夠為研究不同的爆破擾動對支護效果的影響提供數據支持、便于優化出最適合特定巷道的支護方案的大型巷道支護實驗室模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0028]步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料壓實填充到巷道模型箱內部，巷道模型箱與其內部的相似模擬材料整體模擬出了巷道圍巖；
[0029]步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模擬材料中的鉆孔；接著，在橡膠圈內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網；然后，在橡膠圈上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板，且將所述矩形鋼板上的錨桿孔對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔和所述鉆孔中安裝錨桿，并在錨桿外露在橡膠圈內部的端部安裝聲發射傳感器；
[0030]步驟三、在爆破擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下:
[0031]步驟301、操作計算機，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器，所述加壓控制器控制第一雙向油泵、第一換向閥、第二雙向油泵和第二換向閥打開，第一液壓油箱內的液壓油通過液壓鋼枕進油管進入液壓鋼枕內，液壓鋼枕對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管、第一液壓千斤頂進油支管、第二液壓千斤頂進油支管和四條液壓千斤頂進油分管進入四個液壓千斤頂內，液壓千斤頂的活塞桿伸出，頂在傳力座上，并將壓力通過傳力座傳遞到墊板上，墊板再將壓力通過傳力板傳遞到巷道模型箱上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計對液壓鋼枕進油管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器控制第一換向閥和第一雙向油泵關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計對液壓千斤頂進油總管內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器，加壓控制器將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器控制第二換向閥和第二雙向油泵關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0032]步驟302、引爆爆破箱內的雷管，形成對所述巷道圍巖的爆破擾動；
[0033]爆破擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器對巷道模型箱內部的相似模擬材料的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器，加壓控制器再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機進行保存；同時，所述軸向引伸計對巷道模型箱的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器，所述徑向引伸計對巷道模型箱的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器，EDC數字控制器再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機進行保存；所述振動信號檢測裝置對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機進行保存。
[0034]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0035]1、本發明大型巷道支護實驗室模擬系統的結構簡單，實現方便且成本低。
[0036]2、本發明大型巷道支護實驗室模擬系統中采用了自動化程度高的支護數據采集系統，不僅能夠對實驗過程中的巷道模型箱內部的相似模擬材料的聲發射信號和巷道圍巖產生的振動信號，以及巷道模型箱的軸向應變信號和巷道模型箱的徑向應變信號進行自動采集和記錄，且能夠對加載給模擬出的巷道圍巖的側壓大小和軸壓大小進行自動調節，因此本發明的使用操作簡單，實驗效率高。
[0037]3、本發明能夠對模擬出的巷道圍巖同時加載側壓和軸壓，且能夠對加載給巷道圍巖的側壓大小和軸壓大小進行調節，因此能夠依據不同礦井煤巖體的水平應力大小和地應力大小，真實地模擬出煤礦井下巷道支護的情況，能夠用于研究各種工況下的巷道支護問題。
[0038]4、本發明軸向加壓傳力機構中采用了四個千斤頂進行傳力，并采用了圓臺形的傳力座進行傳力，且在軸壓動力系統中采用了同步閥實現四個千斤頂的同步，最終能夠將軸向力均勻地傳遞給巷道模型箱和其內部填充的相似模擬材料，因此采用本發明進行大型巷道支護實驗室模擬的真實性更高，得到的數據更加可靠。
[0039]5、本發明通過設置沖擊鋼環，能夠為研究人員研究沖擊擾動下的錨桿支護效果提供數據支持，且能夠研究不同的沖擊擾動對支護效果的影響，便于優化出最適合特定巷道的支護方案。
[0040]6、本發明通過設置爆破箱，能夠為研究人員研究爆破擾動下的錨桿支護效果提供數據支持，且能夠研究不同的爆破擾動對支護效果的影響，便于優化出最適合特定巷道的支護方案。
[0041]綜上所述，本發明的實驗效率高，模擬真實性高，能夠根據不同礦井的地質情況真實模擬井下巷道的支護效果以及巷道在壓力作用下產生巷幫變形、底鼓的條件，并且能夠模擬出巷道在擾動作用下蠕變失穩變形狀態，能夠用于優化不同的支護方案。
[0042]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1為本發明實施例1中大型巷道支護實驗室模擬系統的結構示意圖。
[0044]圖2為本發明實施例2中大型巷道支護實驗室模擬系統的結構示意圖。
[0045]圖3為本發明實施例3中大型巷道支護實驗室模擬系統的結構示意圖。
[0046]圖4為本發明大型巷道支護模擬系統的主視圖。
[0047]圖5為圖4的A-A剖視圖。
[0048]圖6為圖4的B-B剖視圖。
[0049]圖7為本發明實施例1中支護數據采集系統的電路原理框圖。
[0050]圖8為本發明實施例2和實施例3中支護數據采集系統的電路原理框圖。
[0051]附圖標記說明:
[0052]I 一軸向反力架；2—液壓千斤頂；3—右立柱；
[0053]4 一側向反力架；5—液壓鋼枕；6—底座；
[0054]7—爆破箱；8—錨桿；9一徑向引伸計；
[0055]1—橡膠圈；11 一巷道模型箱；12—聲發射傳感器；
[0056]13—固定器；14 一軸向引伸計；16—傳力板；
[0057]17—墊板；18—傳力座；19一沖擊鋼環；
[0058]20一左立柱；21—相似模擬材料；23—第二液壓油箱；
[0059]24—液壓千斤頂進油總管；25—第二雙向油泵；
[0060]26—第二換向閥；27—第二溢流閥；28—第二溢流管；
[0061]29一第二壓力計；30—第一同步閥；31—第一壓力計；
[0062]32—第一換向閥；33—第一雙向油泵； 34—第一液壓油箱；
[0063]35—液壓鋼枕進油管；36—加壓控制器；
[0064]36-1一單片機；36-2—晶振電路模塊；
[0065]36-3—復位電路模塊；36-4 — USB通信電路模塊；
[0066]36-5一信號調理電路模塊；36-6—第一雙向油泵驅動器；
[0067]36-7—第二雙向油泵驅動器；36-8—第一換向閥驅動器；
[0068]36-9—第二換向閥驅動器；37—第一溢流閥；
[0069]38—第一溢流管；39 — EDC數字控制器；
[0070]40一計算機；41一矩形鋼板；42—錨桿孔；
[0071]43一方形鋼網；44一振動f目號檢測裝置；
[0072]45—第一液壓千斤頂進油支管；46—第二液壓千斤頂進油支管；
[0073]47一第二同步閥；48—第二同步閥；
[0074]49 一第二液壓千斤頂進油分管。
【具體實施方式】
[0075]實施例1
[0076]如圖1以及圖4?圖7所示，本發明的大型巷道支護實驗室模擬系統，包括大型巷道支護模擬系統、加壓傳力系統和支護數據采集系統，
[0077]所述大型巷道支護模擬系統由大型巷道外形模擬機構和支護模擬機構組成，所述大型巷道外形模擬機構包括橫截面為回字形的巷道模型箱11和套裝在巷道模型箱11中間通道內的橫截面為方形的橡膠圈10，所述巷道模型箱11內部填充有壓實的用于模擬巷道圍巖的相似模擬材料21 ;所述支護模擬機構包括用于卡合連接在橡膠圈10內部側壁上和頂面上的方形鋼網43，以及用于固定連接在橡膠圈10內部側壁上、頂面上和底面上的多塊矩形鋼板41，每塊所述矩形鋼板41上均設置有多個用于安裝錨桿8的錨桿孔42 ；
[0078]所述加壓傳力系統包括底座6、側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構，以及用于為側向加壓傳力機構加載側壓提供動力的側壓動力系統和用于為軸向加壓傳力機構加載軸壓提供動力的軸壓動力系統；所述側向加壓傳力機構包括設置在底座6上且位于巷道模型箱11左側的左立柱20和位于巷道模型箱11右側的右立柱3，所述左立柱20緊貼巷道模型箱11設置，位于所述右立柱3與巷道模型箱11之間的底座6上設置有緊貼右立柱3的側向反力架4，位于側向反力架4與巷道模型箱11之間的底座6上設置有緊貼側向反力架4和巷道模型箱11的液壓鋼枕5 ;所述軸向加壓傳力機構包括安裝在左立柱20和右立柱3頂部的軸向反力架1，以及均勻吊裝在軸向反力架I底部的四個液壓千斤頂2、安裝在巷道模型箱11頂部的傳力板16和安裝在傳力板16頂部的墊板17，所述墊板17頂部安裝有四個分別對應位于四個液壓千斤頂2正下方的傳力座18 ;所述側壓動力系統包括第一液壓油箱34和一端與第一液壓油箱34連接的液壓鋼枕進油管35，所述液壓鋼枕進油管35的另一端與液壓鋼枕5的油口連接，所述液壓鋼枕進油管35上從連接第一液壓油箱34到液壓鋼枕5的油口的方向依次連接有第一雙向油泵33、第一換向閥32和第一壓力計31，位于第一換向閥32和第一壓力計31之間的一段液壓鋼枕進油管35上連接有接入第一液壓油箱34的第一溢流管38，所述第一溢流管38上連接有第一溢流閥37 ;所述軸壓動力系統包括第二液壓油箱23和一端與第二液壓油箱23連接的液壓千斤頂進油總管24，所述液壓千斤頂進油總管24的另一端通過第一同步閥30連接有第一液壓千斤頂進油支管45和第二液壓千斤頂進油支管46，所述第一液壓千斤頂進油支管45上通過第二同步閥47連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管49，所述第二液壓千斤頂進油支管46上通過第三同步閥48連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管49，四條第二液壓千斤頂進油分管49分別對應與四個液壓千斤頂2的油口連接，所述液壓千斤頂進油總管24上從連接第二液壓油箱23到第一同步閥30的方向依次連接有第二雙向油泵25、第二換向閥26和第二壓力計29，位于第二換向閥26和第二壓力計29之間的一段液壓千斤頂進油總管24上連接有接入第二液壓油箱23的第二溢流管28，所述第二溢流管28上連接有第二溢流閥27 ；
[0079]所述支護數據采集系統包括用于對巷道模型箱11的軸向應變進行檢測的軸向引伸計14和用于對巷道模型箱11的徑向應變進行檢測的徑向引伸計9，以及計算機40、EDC數字控制器39和加壓控制器36，所述EDC數字控制器39和加壓控制器36均與計算機40相接，所述軸向引伸計14和徑向引伸計9十字交叉固定在固定器13上后設置在橡膠圈10內，所述軸向引伸計14的兩端分別與橡膠圈10內部頂面和底面緊密貼合，所述徑向引伸計9的兩端分別與橡膠圈10內部左側壁和右側壁緊密貼合，所述軸向引伸計14和徑向引伸計9均與EDC數字控制器39相接；每根所述錨桿8外露在橡膠圈10內部的端部均安裝有用于對巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號進行檢測的聲發射傳感器12，所述聲發射傳感器12、第一壓力計31和第二壓力計29均與加壓控制器36的輸入端相接，所述第一雙向油泵33、第一換向閥32、第二雙向油泵25和第二換向閥26均與加壓控制器36的輸出端相接。
[0080]本實施例中，所述相似模擬材料21為煤巖粉。所述加壓控制器36包括單片機36-1以及與單片機36-1相接的晶振電路模塊36-2、復位電路模塊36_3和USB通信電路模塊36-4，所述單片機36-1的輸入端接有用于對信號進行放大、濾波和A/D轉換處理的信號調理電路模塊36-5，所述聲發射傳感器12、第一壓力計31和第二壓力計29均與信號調理電路模塊36-5的輸入端相接，所述單片機36-1的輸出端接有第一雙向油泵驅動器36-6、第二雙向油泵驅動器36-7、第一換向閥驅動器36-8和第二換向閥驅動器36-9,所述第一雙向油泵33與第一雙向油泵驅動器36-6的輸出端相接，所述第二雙向油泵25與第二雙向油泵驅動器36-7的輸出端相接，所述第一換向閥32與第一換向閥驅動器36-8的輸出端相接，所述第二換向閥26與第二換向閥驅動器36-9的輸出端相接，所述USB通信電路模塊36_4通過USB數據線與計算機40相接。所述傳力座18的形狀為圓臺形，能夠將軸向力均勻地傳遞給巷道模型箱11和其內部填充的相似模擬材料21。
[0081]本發明的大型巷道支護實驗室模擬方法，包括以下步驟:
[0082]步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料21壓實填充到巷道模型箱11內部，巷道模型箱11與其內部的相似模擬材料21整體模擬出了巷道圍巖；
[0083]步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈10上打出穿透巷道模型箱11并穿入相似模擬材料21中的鉆孔；接著，在橡膠圈10內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網43 ;然后，在橡膠圈10上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板41，且將所述矩形鋼板41上的錨桿孔42對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔42和所述鉆孔中安裝錨桿8，并在錨桿8外露在橡膠圈10內部的端部安裝聲發射傳感器12 ；
[0084]步驟三、加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄:操作計算機40，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器36,所述加壓控制器36控制第一雙向油泵33、第一換向閥32、第二雙向油泵25和第二換向閥26打開，第一液壓油箱34內的液壓油通過液壓鋼枕進油管35進入液壓鋼枕5內，液壓鋼枕5對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱23內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管24、第一液壓千斤頂進油支管45、第二液壓千斤頂進油支管46和四條液壓千斤頂進油分管49進入四個液壓千斤頂2內，液壓千斤頂2的活塞桿伸出，頂在傳力座18上，并將壓力通過傳力座18傳遞到墊板17上，墊板17再將壓力通過傳力板16傳遞到巷道模型箱11上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計31對液壓鋼枕進油管35內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器36控制第一換向閥32和第一雙向油泵33關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計29對液壓千斤頂進油總管24內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器36控制第二換向閥26和第二雙向油泵25關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0085]以上加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器12對巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器36，加壓控制器36再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機40進行保存；同時，所述軸向引伸計14對巷道模型箱11的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器39，所述徑向引伸計9對巷道模型箱11的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器39，EDC數字控制器39再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機40進行保存。存儲在計算機40內的巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號，以及巷道模型箱11的軸向應變信號和巷道模型箱11的徑向應變信號，能夠為研究人員研究錨桿支護效果提供數據支持；通過對不同的錨桿支護方案進行以上實驗，就能夠得到不同錨桿支護方案下的多組數據，研究人員通過對比數據，能夠優化出最適合特定巷道的支護方案。
[0086]具體實施時，步驟三中輸入的側壓設定值的大小等于要模擬的巷道的水平應力大小，步驟三中輸入的軸壓設定值的大小等于要模擬的巷道的地應力大小。
[0087]實施例2
[0088]結合圖2和圖8，本實施例中的大型巷道支護實驗室模擬系統，與實施例1不同的是:本發明還包括套裝在四個液壓千斤頂2外圍的沖擊鋼環19和用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置44，所述振動信號檢測裝置44的測振型速度傳感器探頭連接在底座6上，所述振動信號檢測裝置44與計算機40相接。所述振動信號檢測裝置44為TPB0X-508型振動信號自記儀。其余結構均與實施例1相同。
[0089]本實施例中的大型巷道支護實驗室模擬方法，與實施例1不同的是:
[0090]步驟三、在沖擊擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下:
[0091]步驟301、操作計算機40，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器36,所述加壓控制器36控制第一雙向油泵33、第一換向閥32、第二雙向油泵25和第二換向閥26打開，第一液壓油箱34內的液壓油通過液壓鋼枕進油管35進入液壓鋼枕5內，液壓鋼枕5對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱23內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管24、第一液壓千斤頂進油支管45、第二液壓千斤頂進油支管46和四條液壓千斤頂進油分管49進入四個液壓千斤頂2內，液壓千斤頂2的活塞桿伸出，頂在傳力座18上，并將壓力通過傳力座18傳遞到墊板17上，墊板17再將壓力通過傳力板16傳遞到巷道模型箱11上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計31對液壓鋼枕進油管35內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器36控制第一換向閥32和第一雙向油泵33關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計29對液壓千斤頂進油總管24內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器36控制第二換向閥26和第二雙向油泵25關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0092]步驟302、將沖擊鋼環19提起再放開，使沖擊鋼環19從高處沿著液壓千斤頂2自由下落到傳力座18上，形成對所述巷道圍巖的沖擊擾動；
[0093]沖擊擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器12對巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器36，加壓控制器36再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機40進行保存；同時，所述軸向引伸計14對巷道模型箱11的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器39，所述徑向引伸計9對巷道模型箱11的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器39，EDC數字控制器39再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機40進行保存；所述振動信號檢測裝置44對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機40進行保存。存儲在計算機40內的巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號和所述巷道圍巖產生的振動信號，以及巷道模型箱11的軸向應變信號和巷道模型箱11的徑向應變信號，能夠為研究人員研究沖擊擾動下的錨桿支護效果提供數據支持；通過對同一種錨桿支護方案多次進行以上實驗，并在每次實驗時選用不同重量的沖擊鋼環19，或者將沖擊鋼環19提起到不同的高度再放開，就能夠得到同一種錨桿支護方案下的多組數據，研究人員通過對比數據，能夠研究不同的沖擊擾動對支護效果的影響；通過對不同的錨桿支護方案進行以上實驗，就能夠得到不同錨桿支護方案下的多組數據，研究人員通過對比數據，能夠優化出最適合特定巷道的支護方案。
[0094]步驟一和步驟二均與實施例1相同。
[0095]實施例3
[0096]結合圖3和圖8，本實施例中的大型巷道支護實驗室模擬系統，與實施例1不同的是:本發明還包括用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置44，所述底座6內裝有位于巷道模型箱11的正下方且內部裝有雷管的爆破箱7，所述振動信號檢測裝置44的測振型速度傳感器探頭連接在底座6上，所述振動信號檢測裝置44與計算機40相接。所述振動信號檢測裝置44為TPB0X-508型振動信號自記儀。其余結構均與實施例1相同。
[0097]本實施例中的大型巷道支護實驗室模擬方法，與實施例1不同的是:
[0098]步驟三、在爆破擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下:
[0099]步驟301、操作計算機40，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器36,所述加壓控制器36控制第一雙向油泵33、第一換向閥32、第二雙向油泵25和第二換向閥26打開，第一液壓油箱34內的液壓油通過液壓鋼枕進油管35進入液壓鋼枕5內，液壓鋼枕5對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱23內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管24、第一液壓千斤頂進油支管45、第二液壓千斤頂進油支管46和四條液壓千斤頂進油分管49進入四個液壓千斤頂2內，液壓千斤頂2的活塞桿伸出，頂在傳力座18上，并將壓力通過傳力座18傳遞到墊板17上，墊板17再將壓力通過傳力板16傳遞到巷道模型箱11上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計31對液壓鋼枕進油管35內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器36控制第一換向閥32和第一雙向油泵33關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計29對液壓千斤頂進油總管24內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器36，加壓控制器36將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器36控制第二換向閥26和第二雙向油泵25關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖；
[0100]步驟302、引爆爆破箱7內的雷管，形成對所述巷道圍巖的爆破擾動；
[0101]爆破擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器12對巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器36，加壓控制器36再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機40進行保存；同時，所述軸向引伸計14對巷道模型箱11的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器39，所述徑向引伸計9對巷道模型箱11的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器39，EDC數字控制器39再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機40進行保存；所述振動信號檢測裝置44對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機40進行保存。存儲在計算機40內的巷道模型箱11內部的相似模擬材料21的聲發射信號和所述巷道圍巖產生的振動信號，以及巷道模型箱11的軸向應變信號和巷道模型箱11的徑向應變信號，能夠為研究人員研究爆破擾動下的錨桿支護效果提供數據支持；通過對同一種錨桿支護方案多次進行以上實驗，并在每次實驗時在爆破箱7內裝入不同數量的雷管，就能夠得到同一種錨桿支護方案下的多組數據，研究人員通過對比數據，能夠研究不同的爆破擾動對支護效果的影響；通過對不同的錨桿支護方案進行以上實驗，就能夠得到不同錨桿支護方案下的多組數據，研究人員通過對比數據，能夠優化出最適合特定巷道的支護方案。
[0102]步驟一和步驟二均與實施例1相同。
[0103]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括大型巷道支護模擬系統、力口壓傳力系統和支護數據采集系統， 所述大型巷道支護模擬系統由大型巷道外形模擬機構和支護模擬機構組成，所述大型巷道外形模擬機構包括橫截面為回字形的巷道模型箱(11)和套裝在巷道模型箱(11)中間通道內的橫截面為方形的橡膠圈(10)，所述巷道模型箱(11)內部填充有壓實的用于模擬巷道圍巖的相似模擬材料(21);所述支護模擬機構包括用于卡合連接在橡膠圈(10)內部側壁上和頂面上的方形鋼網(43)，以及用于固定連接在橡膠圈(10)內部側壁上、頂面上和底面上的多塊矩形鋼板(41)，每塊所述矩形鋼板(41)上均設置有多個用于安裝錨桿(8)的錨桿孔(42)； 所述加壓傳力系統包括底座(6)、側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構，以及用于為側向加壓傳力機構加載側壓提供動力的側壓動力系統和用于為軸向加壓傳力機構加載軸壓提供動力的軸壓動力系統；所述側向加壓傳力機構包括設置在底座(6)上且位于巷道模型箱(11)左側的左立柱(20)和位于巷道模型箱(11)右側的右立柱(3)，所述左立柱(20)緊貼巷道模型箱(11)設置，位于所述右立柱(3)與巷道模型箱(11)之間的底座(6)上設置有緊貼右立柱⑶的側向反力架(4)，位于側向反力架(4)與巷道模型箱(11)之間的底座(6)上設置有緊貼側向反力架(4)和巷道模型箱(11)的液壓鋼枕(5);所述軸向加壓傳力機構包括安裝在左立柱(20)和右立柱(3)頂部的軸向反力架(I)，以及均勻吊裝在軸向反力架(I)底部的四個液壓千斤頂(2)、安裝在巷道模型箱(11)頂部的傳力板(16)和安裝在傳力板(16)頂部的墊板(17)，所述墊板(17)頂部安裝有四個分別對應位于四個液壓千斤頂(2)正下方的傳力座(18);所述側壓動力系統包括第一液壓油箱(34)和一端與第一液壓油箱(34)連接的液壓鋼枕進油管(35)，所述液壓鋼枕進油管(35)的另一端與液壓鋼枕(5)的油口連接，所述液壓鋼枕進油管(35)上從連接第一液壓油箱(34)到液壓鋼枕(5)的油口的方向依次連接有第一雙向油泵(33)、第一換向閥(32)和第一壓力計(31)，位于第一換向閥(32)和第一壓力計(31)之間的一段液壓鋼枕進油管(35)上連接有接入第一液壓油箱(34)的第一溢流管(38)，所述第一溢流管(38)上連接有第一溢流閥(37);所述軸壓動力系統包括第二液壓油箱(23)和一端與第二液壓油箱(23)連接的液壓千斤頂進油總管(24)，所述液壓千斤頂進油總管(24)的另一端通過第一同步閥(30)連接有第一液壓千斤頂進油支管(45)和第二液壓千斤頂進油支管(46)，所述第一液壓千斤頂進油支管(45)上通過第二同步閥(47)連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管(49)，所述第二液壓千斤頂進油支管(46)上通過第三同步閥(48)連接有兩條第二液壓千斤頂進油分管(49)，四條第二液壓千斤頂進油分管(49)分別對應與四個液壓千斤頂(2)的油口連接，所述液壓千斤頂進油總管(24)上從連接第二液壓油箱(23)到第一同步閥(30)的方向依次連接有第二雙向油泵(25)、第二換向閥(26)和第二壓力計(29)，位于第二換向閥(26)和第二壓力計(29)之間的一段液壓千斤頂進油總管(24)上連接有接入第二液壓油箱(23)的第二溢流管(28)，所述第二溢流管(28)上連接有第二溢流閥(27)； 所述支護數據采集系統包括用于對巷道模型箱(11)的軸向應變進行檢測的軸向引伸計(14)和用于對巷道模型箱(11)的徑向應變進行檢測的徑向引伸計(9)，以及計算機(40)、EDC數字控制器(39)和加壓控制器(36)，所述EDC數字控制器(39)和加壓控制器(36)均與計算機(40)相接，所述軸向引伸計(14)和徑向引伸計(9)十字交叉固定在固定器(13)上后設置在橡膠圈(10)內，所述軸向引伸計(14)的兩端分別與橡膠圈(10)內部頂面和底面緊密貼合，所述徑向引伸計(9)的兩端分別與橡膠圈(10)內部左側壁和右側壁緊密貼合，所述軸向引伸計(14)和徑向引伸計(9)均與EDC數字控制器(39)相接；每根所述錨桿(8)外露在橡膠圈(10)內部的端部均安裝有用于對巷道模型箱(11)內部的相似模擬材料(21)的聲發射信號進行檢測的聲發射傳感器(12)，所述聲發射傳感器(12)、第一壓力計(31)和第二壓力計(29)均與加壓控制器(36)的輸入端相接，所述第一雙向油泵(33)、第一換向閥(32)、第二雙向油泵(25)和第二換向閥(26)均與加壓控制器(36)的輸出端相接。
2.按照權利要求1所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括套裝在四個液壓千斤頂(2)外圍的沖擊鋼環(19)和用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置(44)，所述振動信號檢測裝置(44)的測振型速度傳感器探頭連接在底座(6)上，所述振動信號檢測裝置(44)與計算機(40)相接。
3.按照權利要求1所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:包括用于對振動信號進行檢測的振動信號檢測裝置(44)，所述底座￠)內裝有位于巷道模型箱(11)的正下方且內部裝有雷管的爆破箱(7)，所述振動信號檢測裝置(44)的測振型速度傳感器探頭連接在底座(6)上，所述振動信號檢測裝置(44)與計算機(40)相接。
4.按照權利要求1、2或3所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述相似模擬材料(21)為煤巖粉。
5.按照權利要求1、2或3所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述加壓控制器(36)包括單片機(36-1)以及與單片機(36-1)相接的晶振電路模塊(36_2)、復位電路模塊(36-3)和USB通信電路模塊(36-4)，所述單片機(36_1)的輸入端接有用于對信號進行放大、濾波和A/D轉換處理的信號調理電路模塊(36-5)，所述聲發射傳感器(12)、第一壓力計(31)和第二壓力計(29)均與信號調理電路模塊(36-5)的輸入端相接，所述單片機(36-1)的輸出端接有第一雙向油泵驅動器(36-6)、第二雙向油泵驅動器(36-7)、第一換向閥驅動器(36-8)和第二換向閥驅動器(36-9),所述第一雙向油泵(33)與第一雙向油泵驅動器(36-6)的輸出端相接，所述第二雙向油泵(25)與第二雙向油泵驅動器(36-7)的輸出端相接,所述第一換向閥(32)與第一換向閥驅動器(36-8)的輸出端相接，所述第二換向閥(26)與第二換向閥驅動器(36-9)的輸出端相接，所述USB通信電路模塊(36-4)通過USB數據線與計算機(40)相接。
6.按照權利要求1、2或3所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述傳力座(18)的形狀為圓臺形。
7.按照權利要求2或3所述的一種大型巷道支護實驗室模擬系統，其特征在于:所述振動信號檢測裝置(44)為TPB0X-508型振動信號自記儀。
8.一種利用如權利要求1所述系統進行大型巷道支護實驗室模擬的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料(21)壓實填充到巷道模型箱(11)內部，巷道模型箱(11)與其內部的相似模擬材料(21)整體模擬出了巷道圍巖； 步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模擬材料(21)中的鉆孔；接著，在橡膠圈(10)內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網(43);然后，在橡膠圈(10)上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板(41)，且將所述矩形鋼板(41)上的錨桿孔(42)對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔(42)和所述鉆孔中安裝錨桿(8)，并在錨桿(8)外露在橡膠圈(10)內部的端部安裝聲發射傳感器(12)； 步驟三、加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄:操作計算機(40)，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器(36)，所述加壓控制器(36)控制第一雙向油泵(33)、第一換向閥(32)、第二雙向油泵(25)和第二換向閥(26)打開，第一液壓油箱(34)內的液壓油通過液壓鋼枕進油管(35)進入液壓鋼枕(5)內，液壓鋼枕(5)對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱(23)內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管(24)、第一液壓千斤頂進油支管(45)、第二液壓千斤頂進油支管(46)和四條液壓千斤頂進油分管(49)進入四個液壓千斤頂⑵內，液壓千斤頂⑵的活塞桿伸出，頂在傳力座(18)上，并將壓力通過傳力座(18)傳遞到墊板(17)上，墊板(17)再將壓力通過傳力板(16)傳遞到巷道模型箱(11)上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計(31)對液壓鋼枕進油管(35)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第一換向閥(32)和第一雙向油泵(33)關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計(29)對液壓千斤頂進油總管(24)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第二換向閥(26)和第二雙向油泵(25)關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖； 以上加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器(12)對巷道模型箱(11)內部的相似模擬材料(21)的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機(40)進行保存；同時，所述軸向引伸計(14)對巷道模型箱(11)的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，所述徑向引伸計(9)對巷道模型箱(11)的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，EDC數字控制器(39)再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機(40)進行保存。
9.一種利用如權利要求2所述系統進行大型巷道支護實驗室模擬的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料(21)壓實填充到巷道模型箱(11)內部，巷道模型箱(11)與其內部的相似模擬材料(21)整體模擬出了巷道圍巖； 步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模擬材料(21)中的鉆孔；接著，在橡膠圈(10)內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網(43);然后，在橡膠圈(10)上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板(41)，且將所述矩形鋼板(41)上的錨桿孔(42)對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔(42)和所述鉆孔中安裝錨桿(8)，并在錨桿(8)外露在橡膠圈(10)內部的端部安裝聲發射傳感器
(12)； 步驟三、在沖擊擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下: 步驟301、操作計算機(40)，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器(36)，所述加壓控制器(36)控制第一雙向油泵(33)、第一換向閥(32)、第二雙向油泵(25)和第二換向閥(26)打開，第一液壓油箱(34)內的液壓油通過液壓鋼枕進油管(35)進入液壓鋼枕(5)內，液壓鋼枕(5)對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱(23)內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管(24)、第一液壓千斤頂進油支管(45)、第二液壓千斤頂進油支管(46)和四條液壓千斤頂進油分管(49)進入四個液壓千斤頂⑵內，液壓千斤頂⑵的活塞桿伸出，頂在傳力座(18)上，并將壓力通過傳力座(18)傳遞到墊板(17)上，墊板(17)再將壓力通過傳力板(16)傳遞到巷道模型箱(11)上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計(31)對液壓鋼枕進油管(35)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第一換向閥(32)和第一雙向油泵(33)關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計(29)對液壓千斤頂進油總管(24)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第二換向閥(26)和第二雙向油泵(25)關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖； 步驟302、將沖擊鋼環(19)提起再放開，使沖擊鋼環(19)從高處沿著液壓千斤頂(2)自由下落到傳力座(18)上，形成對所述巷道圍巖的沖擊擾動； 沖擊擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器(12)對巷道模型箱(11)內部的相似模擬材料(21)的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機(40)進行保存；同時，所述軸向引伸計(14)對巷道模型箱(11)的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，所述徑向引伸計(9)對巷道模型箱(11)的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，EDC數字控制器(39)再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機(40)進行保存；所述振動信號檢測裝置(44)對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機(40)進行保存。
10.一種利用如權利要求3所述系統進行大型巷道支護實驗室模擬的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、巷道圍巖模擬:將相似模擬材料(21)壓實填充到巷道模型箱(11)內部，巷道模型箱(11)與其內部的相似模擬材料(21)整體模擬出了巷道圍巖； 步驟二、巷道支護模擬:首先，根據支護方案用電鉆機在橡膠圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模擬材料(21)中的鉆孔；接著，在橡膠圈(10)內部側壁上和頂面上卡合連接方形鋼網(43);然后，在橡膠圈(10)上安裝數量與所述鉆孔數量相等的矩形鋼板(41)，且將所述矩形鋼板(41)上的錨桿孔(42)對準所述鉆孔；最后，在錨桿孔(42)和所述鉆孔中安裝錨桿(8)，并在錨桿(8)外露在橡膠圈(10)內部的端部安裝聲發射傳感器(12)； 步驟三、在爆破擾動下加載側壓及軸壓給所述巷道圍巖，并對側壓及軸壓加載過程中的支護數據進行采集和記錄，其具體過程如下: 步驟301、操作計算機(40)，輸入側壓設定值和軸壓設定值，并發出啟動側向加壓傳力機構和軸向加壓傳力機構的控制信號給加壓控制器(36)，所述加壓控制器(36)控制第一雙向油泵(33)、第一換向閥(32)、第二雙向油泵(25)和第二換向閥(26)打開，第一液壓油箱(34)內的液壓油通過液壓鋼枕進油管(35)進入液壓鋼枕(5)內，液壓鋼枕(5)對所述巷道圍巖加載側壓；第二液壓油箱(23)內的液壓油通過液壓千斤頂進油總管(24)、第一液壓千斤頂進油支管(45)、第二液壓千斤頂進油支管(46)和四條液壓千斤頂進油分管(49)進入四個液壓千斤頂⑵內，液壓千斤頂⑵的活塞桿伸出，頂在傳力座(18)上，并將壓力通過傳力座(18)傳遞到墊板(17)上，墊板(17)再將壓力通過傳力板(16)傳遞到巷道模型箱(11)上，對所述巷道圍巖加載軸壓；第一壓力計(31)對液壓鋼枕進油管(35)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的側壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的側壓液壓油壓力與所述側壓設定值相比對，當側壓液壓油壓力達到所述側壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第一換向閥(32)和第一雙向油泵(33)關閉，側向加壓傳力機構加載與側壓設定值相等的側壓給所述巷道圍巖；第二壓力計(29)對液壓千斤頂進油總管(24)內的液壓油壓力進行實時檢測，并將所檢測到的軸壓液壓油壓力輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)將其接收到的軸壓液壓油壓力與所述軸壓設定值相比對，當軸壓液壓油壓力達到所述軸壓設定值時，所述加壓控制器(36)控制第二換向閥(26)和第二雙向油泵(25)關閉，軸向加壓傳力機構加載與軸壓設定值相等的軸壓給所述巷道圍巖； 步驟302、引爆爆破箱(7)內的雷管，形成對所述巷道圍巖的爆破擾動； 爆破擾動下加載側壓及軸壓的過程中，所述聲發射傳感器(12)對巷道模型箱(11)內部的相似模擬材料(21)的聲發射信號進行檢測并將所檢測到的聲發射信號輸出給加壓控制器(36)，加壓控制器(36)再將其接收到的聲發射信號傳輸給計算機(40)進行保存；同時，所述軸向引伸計(14)對巷道模型箱(11)的軸向應變進行檢測并將所檢測到的軸向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，所述徑向引伸計(9)對巷道模型箱(11)的徑向應變進行檢測并將所檢測到的徑向應變信號輸出給EDC數字控制器(39)，EDC數字控制器(39)再將其接收到的軸向應變信號和徑向應變信號傳輸給計算機(40)進行保存；所述振動信號檢測裝置(44)對在沖擊擾動下所述巷道圍巖產生的振動信號進行檢測并將所檢測到的信號輸出給計算機(40)進行保存。
【文檔編號】G01M99/00GK104198207SQ201410483291
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】張天軍, 于勝紅, 許龍星, 任金虎, 李偉, 宋爽, 張磊, 成小雨, 尚宏波, 魏文偉, 王乾, 包若羽 申請人:西安科技大學
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