一种大型巷道支护实验室模拟系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种大型巷道支护实验室模拟系统，包括大型巷道支护模拟系统、加压传力系统和支护数据采集系统，大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成；加压传力系统包括底座、侧向加压传力机构、轴向加压传力机构、侧压动力系统和轴压动力系统；支护数据采集系统包括轴向引伸计、径向引伸计、计算机、EDC数字控制器和加压控制器；每根锚杆外露在橡胶圈内部的端部均安装有声发射传感器。本发明还公开了一种大型巷道支护实验室模拟方法。本发明能够根据不同矿井的地质情况真实模拟井下巷道的支护效果以及巷道在压力作用下产生巷帮变形、底鼓的条件，且能够模拟出巷道在扰动作用下蠕变失稳变形状态。
【专利说明】一种大型巷道支护实验室模拟系统及方法

【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿巷道支护【技术领域】，具体涉及一种大型巷道支护实验室模拟系统及方法。

【背景技术】
[0002]我国许多矿井的开采深度已超过800米，在大采深条件下，巷道围岩的应力状态已接近岩石强度极限，巷道稳定性差，很容易因掘进和开采扰动作用下而产生大的变形，研究巷道在扰动作用下的流变力学特性，建立巷道扰动理论，对深井软岩支护具有重要的工程实用价值。由于煤矿巷道深埋地下的原因导致现场试验无法进行，实验室内模拟系统可以通过对各种工程的模拟和试验观察，来研究工程围岩的变形、移动和破坏等现象，分析支护方案对巷道的作用，从而对巷道支护提供试验依据。
[0003]现有巷道支护模拟实验台，主要存在以下局限性，一是模型主要以平面应变模型为主，而不能研究三维应力均发生变化的研究对象；二是模型比例较小，这使得研究大比例巷道试验无法实现；三是模型不能研究巷道支护形式与支护参数等实验进行研究；四是模型只能分开研究巷道的顶板、底板和两帮进行研究，不能对巷道整体的支护进行实验研究；五是模型不能模拟巷道扰动的影响，煤矿巷道受采动影响明显，现有试验台主要对模拟装置加载均布载荷，不能模拟冲击和爆破扰动对巷道的影响。因此急需应用相似模拟理论、矿山压力与控制、结构力学等相关学科知识，开发出一种三维立体式大型巷道支护实验室模拟系统及方法。


【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、实现方便且成本低、使用操作简单、实验效率高、能够真实地模拟出煤矿井下巷道支护的情况的大型巷道支护实验室模拟系统。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括大型巷道支护模拟系统、加压传力系统和支护数据采集系统，
[0006]所述大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成，所述大型巷道外形模拟机构包括横截面为回字形的巷道模型箱和套装在巷道模型箱中间通道内的横截面为方形的橡胶圈，所述巷道模型箱内部填充有压实的用于模拟巷道围岩的相似模拟材料；所述支护模拟机构包括用于卡合连接在橡胶圈内部侧壁上和顶面上的方形钢网，以及用于固定连接在橡胶圈内部侧壁上、顶面上和底面上的多块矩形钢板，每块所述矩形钢板上均设置有多个用于安装锚杆的锚杆孔；
[0007]所述加压传力系统包括底座、侧向加压传力机构和轴向加压传力机构，以及用于为侧向加压传力机构加载侧压提供动力的侧压动力系统和用于为轴向加压传力机构加载轴压提供动力的轴压动力系统；所述侧向加压传力机构包括设置在底座上且位于巷道模型箱左侧的左立柱和位于巷道模型箱右侧的右立柱，所述左立柱紧贴巷道模型箱设置，位于所述右立柱与巷道模型箱之间的底座上设置有紧贴右立柱的侧向反力架，位于侧向反力架与巷道模型箱之间的底座上设置有紧贴侧向反力架和巷道模型箱的液压钢枕；所述轴向加压传力机构包括安装在左立柱和右立柱顶部的轴向反力架，以及均匀吊装在轴向反力架底部的四个液压千斤顶、安装在巷道模型箱顶部的传力板和安装在传力板顶部的垫板，所述垫板顶部安装有四个分别对应位于四个液压千斤顶正下方的传力座；所述侧压动力系统包括第一液压油箱和一端与第一液压油箱连接的液压钢枕进油管，所述液压钢枕进油管的另一端与液压钢枕的油口连接，所述液压钢枕进油管上从连接第一液压油箱到液压钢枕的油口的方向依次连接有第一双向油泵、第一换向阀和第一压力计，位于第一换向阀和第一压力计之间的一段液压钢枕进油管上连接有接入第一液压油箱的第一溢流管，所述第一溢流管上连接有第一溢流阀；所述轴压动力系统包括第二液压油箱和一端与第二液压油箱连接的液压千斤顶进油总管，所述液压千斤顶进油总管的另一端通过第一同步阀连接有第一液压千斤顶进油支管和第二液压千斤顶进油支管，所述第一液压千斤顶进油支管上通过第二同步阀连接有两条第二液压千斤顶进油分管，所述第二液压千斤顶进油支管上通过第三同步阀连接有两条第二液压千斤顶进油分管，四条第二液压千斤顶进油分管分别对应与四个液压千斤顶的油口连接，所述液压千斤顶进油总管上从连接第二液压油箱到第一同步阀的方向依次连接有第二双向油泵、第二换向阀和第二压力计，位于第二换向阀和第二压力计之间的一段液压千斤顶进油总管上连接有接入第二液压油箱的第二溢流管，所述第二溢流管上连接有第二溢流阀；
[0008]所述支护数据采集系统包括用于对巷道模型箱的轴向应变进行检测的轴向引伸计和用于对巷道模型箱的径向应变进行检测的径向引伸计，以及计算机、EDC数字控制器和加压控制器，所述EDC数字控制器和加压控制器均与计算机相接，所述轴向引伸计和径向引伸计十字交叉固定在固定器上后设置在橡胶圈内，所述轴向引伸计的两端分别与橡胶圈内部顶面和底面紧密贴合，所述径向引伸计的两端分别与橡胶圈内部左侧壁和右侧壁紧密贴合，所述轴向引伸计和径向引伸计均与EDC数字控制器相接；每根所述锚杆外露在橡胶圈内部的端部均安装有用于对巷道模型箱内部的相似模拟材料的声发射信号进行检测的声发射传感器，所述声发射传感器、第一压力计和第二压力计均与加压控制器的输入端相接，所述第一双向油泵、第一换向阀、第二双向油泵和第二换向阀均与加压控制器的输出端相接。
[0009]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括套装在四个液压千斤顶外围的冲击钢环和用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置，所述振动信号检测装置的测振型速度传感器探头连接在底座上，所述振动信号检测装置与计算机相接。
[0010]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置，所述底座内装有位于巷道模型箱的正下方且内部装有雷管的爆破箱，所述振动信号检测装置的测振型速度传感器探头连接在底座上，所述振动信号检测装置与计算机相接。
[0011]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述相似模拟材料为煤岩粉。
[0012]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述加压控制器包括单片机以及与单片机相接的晶振电路模块、复位电路模块和USB通信电路模块，所述单片机的输入端接有用于对信号进行放大、滤波和A/D转换处理的信号调理电路模块，所述声发射传感器、第一压力计和第二压力计均与信号调理电路模块的输入端相接，所述单片机的输出端接有第一双向油泵驱动器、第二双向油泵驱动器、第一换向阀驱动器和第二换向阀驱动器，所述第一双向油泵与第一双向油泵驱动器的输出端相接，所述第二双向油泵与第二双向油泵驱动器的输出端相接，所述第一换向阀与第一换向阀驱动器的输出端相接，所述第二换向阀与第二换向阀驱动器的输出端相接，所述USB通信电路模块通过USB数据线与计算机相接。
[0013]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述传力座的形状为圆台形。
[0014]上述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述振动信号检测装置为TPBOX型振动信号自记仪。
[0015]本发明还提供了一种能够能够根据不同矿井的地质情况真实模拟井下巷道的支护效果以及巷道在压力作用下产生巷帮变形、底鼓的条件的大型巷道支护实验室模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0016]步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料压实填充到巷道模型箱内部，巷道模型箱与其内部的相似模拟材料整体模拟出了巷道围岩；
[0017]步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模拟材料中的钻孔；接着，在橡胶圈内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网；然后，在橡胶圈上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板，且将所述矩形钢板上的锚杆孔对准所述钻孔；最后，在锚杆孔和所述钻孔中安装锚杆，并在锚杆外露在橡胶圈内部的端部安装声发射传感器；
[0018]步骤三、加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录:操作计算机，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器，所述加压控制器控制第一双向油泵、第一换向阀、第二双向油泵和第二换向阀打开，第一液压油箱内的液压油通过液压钢枕进油管进入液压钢枕内，液压钢枕对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱内的液压油通过液压千斤顶进油总管、第一液压千斤顶进油支管、第二液压千斤顶进油支管和四条液压千斤顶进油分管进入四个液压千斤顶内，液压千斤顶的活塞杆伸出，顶在传力座上，并将压力通过传力座传递到垫板上，垫板再将压力通过传力板传递到巷道模型箱上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计对液压钢枕进油管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器控制第一换向阀和第一双向油泵关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计对液压千斤顶进油总管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器控制第二换向阀和第二双向油泵关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0019]以上加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器对巷道模型箱内部的相似模拟材料的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器，加压控制器再将其接收到的声发射信号传输给计算机进行保存；同时，所述轴向引伸计对巷道模型箱的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器，所述径向引伸计对巷道模型箱的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器，EDC数字控制器再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机进行保存。
[0020]本发明还提供了一种能够为研究不同的冲击扰动对支护效果的影响提供数据支持、便于优化出最适合特定巷道的支护方案的大型巷道支护实验室模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0021]步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料压实填充到巷道模型箱内部，巷道模型箱与其内部的相似模拟材料整体模拟出了巷道围岩；
[0022]步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模拟材料中的钻孔；接着，在橡胶圈内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网；然后，在橡胶圈上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板，且将所述矩形钢板上的锚杆孔对准所述钻孔；最后，在锚杆孔和所述钻孔中安装锚杆，并在锚杆外露在橡胶圈内部的端部安装声发射传感器；
[0023]步骤三、在冲击扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下:
[0024]步骤301、操作计算机，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器，所述加压控制器控制第一双向油泵、第一换向阀、第二双向油泵和第二换向阀打开，第一液压油箱内的液压油通过液压钢枕进油管进入液压钢枕内，液压钢枕对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱内的液压油通过液压千斤顶进油总管、第一液压千斤顶进油支管、第二液压千斤顶进油支管和四条液压千斤顶进油分管进入四个液压千斤顶内，液压千斤顶的活塞杆伸出，顶在传力座上，并将压力通过传力座传递到垫板上，垫板再将压力通过传力板传递到巷道模型箱上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计对液压钢枕进油管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器控制第一换向阀和第一双向油泵关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计对液压千斤顶进油总管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器控制第二换向阀和第二双向油泵关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0025]步骤302、将冲击钢环提起再放开，使冲击钢环从高处沿着液压千斤顶自由下落到传力座上，形成对所述巷道围岩的冲击扰动；
[0026]冲击扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器对巷道模型箱内部的相似模拟材料的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器，加压控制器再将其接收到的声发射信号传输给计算机进行保存；同时，所述轴向引伸计对巷道模型箱的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器，所述径向引伸计对巷道模型箱的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器，EDC数字控制器再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机进行保存；所述振动信号检测装置对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机进行保存。
[0027]本发明还提供了一种能够为研究不同的爆破扰动对支护效果的影响提供数据支持、便于优化出最适合特定巷道的支护方案的大型巷道支护实验室模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0028]步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料压实填充到巷道模型箱内部，巷道模型箱与其内部的相似模拟材料整体模拟出了巷道围岩；
[0029]步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈上打出穿透巷道模型箱并穿入相似模拟材料中的钻孔；接着，在橡胶圈内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网；然后，在橡胶圈上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板，且将所述矩形钢板上的锚杆孔对准所述钻孔；最后，在锚杆孔和所述钻孔中安装锚杆，并在锚杆外露在橡胶圈内部的端部安装声发射传感器；
[0030]步骤三、在爆破扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下:
[0031]步骤301、操作计算机，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器，所述加压控制器控制第一双向油泵、第一换向阀、第二双向油泵和第二换向阀打开，第一液压油箱内的液压油通过液压钢枕进油管进入液压钢枕内，液压钢枕对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱内的液压油通过液压千斤顶进油总管、第一液压千斤顶进油支管、第二液压千斤顶进油支管和四条液压千斤顶进油分管进入四个液压千斤顶内，液压千斤顶的活塞杆伸出，顶在传力座上，并将压力通过传力座传递到垫板上，垫板再将压力通过传力板传递到巷道模型箱上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计对液压钢枕进油管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器控制第一换向阀和第一双向油泵关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计对液压千斤顶进油总管内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器，加压控制器将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器控制第二换向阀和第二双向油泵关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0032]步骤302、引爆爆破箱内的雷管，形成对所述巷道围岩的爆破扰动；
[0033]爆破扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器对巷道模型箱内部的相似模拟材料的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器，加压控制器再将其接收到的声发射信号传输给计算机进行保存；同时，所述轴向引伸计对巷道模型箱的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器，所述径向引伸计对巷道模型箱的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器，EDC数字控制器再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机进行保存；所述振动信号检测装置对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机进行保存。
[0034]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0035]1、本发明大型巷道支护实验室模拟系统的结构简单，实现方便且成本低。
[0036]2、本发明大型巷道支护实验室模拟系统中采用了自动化程度高的支护数据采集系统，不仅能够对实验过程中的巷道模型箱内部的相似模拟材料的声发射信号和巷道围岩产生的振动信号，以及巷道模型箱的轴向应变信号和巷道模型箱的径向应变信号进行自动采集和记录，且能够对加载给模拟出的巷道围岩的侧压大小和轴压大小进行自动调节，因此本发明的使用操作简单，实验效率高。
[0037]3、本发明能够对模拟出的巷道围岩同时加载侧压和轴压，且能够对加载给巷道围岩的侧压大小和轴压大小进行调节，因此能够依据不同矿井煤岩体的水平应力大小和地应力大小，真实地模拟出煤矿井下巷道支护的情况，能够用于研究各种工况下的巷道支护问题。
[0038]4、本发明轴向加压传力机构中采用了四个千斤顶进行传力，并采用了圆台形的传力座进行传力，且在轴压动力系统中采用了同步阀实现四个千斤顶的同步，最终能够将轴向力均匀地传递给巷道模型箱和其内部填充的相似模拟材料，因此采用本发明进行大型巷道支护实验室模拟的真实性更高，得到的数据更加可靠。
[0039]5、本发明通过设置冲击钢环，能够为研究人员研究冲击扰动下的锚杆支护效果提供数据支持，且能够研究不同的冲击扰动对支护效果的影响，便于优化出最适合特定巷道的支护方案。
[0040]6、本发明通过设置爆破箱，能够为研究人员研究爆破扰动下的锚杆支护效果提供数据支持，且能够研究不同的爆破扰动对支护效果的影响，便于优化出最适合特定巷道的支护方案。
[0041]综上所述，本发明的实验效率高，模拟真实性高，能够根据不同矿井的地质情况真实模拟井下巷道的支护效果以及巷道在压力作用下产生巷帮变形、底鼓的条件，并且能够模拟出巷道在扰动作用下蠕变失稳变形状态，能够用于优化不同的支护方案。
[0042]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【专利附图】

【附图说明】
[0043]图1为本发明实施例1中大型巷道支护实验室模拟系统的结构示意图。
[0044]图2为本发明实施例2中大型巷道支护实验室模拟系统的结构示意图。
[0045]图3为本发明实施例3中大型巷道支护实验室模拟系统的结构示意图。
[0046]图4为本发明大型巷道支护模拟系统的主视图。
[0047]图5为图4的A-A剖视图。
[0048]图6为图4的B-B剖视图。
[0049]图7为本发明实施例1中支护数据采集系统的电路原理框图。
[0050]图8为本发明实施例2和实施例3中支护数据采集系统的电路原理框图。
[0051]附图标记说明:
[0052]I 一轴向反力架；2—液压千斤顶；3—右立柱；
[0053]4 一侧向反力架；5—液压钢枕；6—底座；
[0054]7—爆破箱；8—锚杆；9一径向引伸计；
[0055]1—橡胶圈；11 一巷道模型箱；12—声发射传感器；
[0056]13—固定器；14 一轴向引伸计；16—传力板；
[0057]17—垫板；18—传力座；19一冲击钢环；
[0058]20一左立柱；21—相似模拟材料；23—第二液压油箱；
[0059]24—液压千斤顶进油总管；25—第二双向油泵；
[0060]26—第二换向阀；27—第二溢流阀；28—第二溢流管；
[0061]29一第二压力计；30—第一同步阀；31—第一压力计；
[0062]32—第一换向阀；33—第一双向油泵； 34—第一液压油箱；
[0063]35—液压钢枕进油管；36—加压控制器；
[0064]36-1一单片机；36-2—晶振电路模块；
[0065]36-3—复位电路模块；36-4 — USB通信电路模块；
[0066]36-5一信号调理电路模块；36-6—第一双向油泵驱动器；
[0067]36-7—第二双向油泵驱动器；36-8—第一换向阀驱动器；
[0068]36-9—第二换向阀驱动器；37—第一溢流阀；
[0069]38—第一溢流管；39 — EDC数字控制器；
[0070]40一计算机；41一矩形钢板；42—锚杆孔；
[0071]43一方形钢网；44一振动f目号检测装置；
[0072]45—第一液压千斤顶进油支管；46—第二液压千斤顶进油支管；
[0073]47一第二同步阀；48—第二同步阀；
[0074]49 一第二液压千斤顶进油分管。

【具体实施方式】
[0075]实施例1
[0076]如图1以及图4?图7所示，本发明的大型巷道支护实验室模拟系统，包括大型巷道支护模拟系统、加压传力系统和支护数据采集系统，
[0077]所述大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成，所述大型巷道外形模拟机构包括横截面为回字形的巷道模型箱11和套装在巷道模型箱11中间通道内的横截面为方形的橡胶圈10，所述巷道模型箱11内部填充有压实的用于模拟巷道围岩的相似模拟材料21 ;所述支护模拟机构包括用于卡合连接在橡胶圈10内部侧壁上和顶面上的方形钢网43，以及用于固定连接在橡胶圈10内部侧壁上、顶面上和底面上的多块矩形钢板41，每块所述矩形钢板41上均设置有多个用于安装锚杆8的锚杆孔42 ；
[0078]所述加压传力系统包括底座6、侧向加压传力机构和轴向加压传力机构，以及用于为侧向加压传力机构加载侧压提供动力的侧压动力系统和用于为轴向加压传力机构加载轴压提供动力的轴压动力系统；所述侧向加压传力机构包括设置在底座6上且位于巷道模型箱11左侧的左立柱20和位于巷道模型箱11右侧的右立柱3，所述左立柱20紧贴巷道模型箱11设置，位于所述右立柱3与巷道模型箱11之间的底座6上设置有紧贴右立柱3的侧向反力架4，位于侧向反力架4与巷道模型箱11之间的底座6上设置有紧贴侧向反力架4和巷道模型箱11的液压钢枕5 ;所述轴向加压传力机构包括安装在左立柱20和右立柱3顶部的轴向反力架1，以及均匀吊装在轴向反力架I底部的四个液压千斤顶2、安装在巷道模型箱11顶部的传力板16和安装在传力板16顶部的垫板17，所述垫板17顶部安装有四个分别对应位于四个液压千斤顶2正下方的传力座18 ;所述侧压动力系统包括第一液压油箱34和一端与第一液压油箱34连接的液压钢枕进油管35，所述液压钢枕进油管35的另一端与液压钢枕5的油口连接，所述液压钢枕进油管35上从连接第一液压油箱34到液压钢枕5的油口的方向依次连接有第一双向油泵33、第一换向阀32和第一压力计31，位于第一换向阀32和第一压力计31之间的一段液压钢枕进油管35上连接有接入第一液压油箱34的第一溢流管38，所述第一溢流管38上连接有第一溢流阀37 ;所述轴压动力系统包括第二液压油箱23和一端与第二液压油箱23连接的液压千斤顶进油总管24，所述液压千斤顶进油总管24的另一端通过第一同步阀30连接有第一液压千斤顶进油支管45和第二液压千斤顶进油支管46，所述第一液压千斤顶进油支管45上通过第二同步阀47连接有两条第二液压千斤顶进油分管49，所述第二液压千斤顶进油支管46上通过第三同步阀48连接有两条第二液压千斤顶进油分管49，四条第二液压千斤顶进油分管49分别对应与四个液压千斤顶2的油口连接，所述液压千斤顶进油总管24上从连接第二液压油箱23到第一同步阀30的方向依次连接有第二双向油泵25、第二换向阀26和第二压力计29，位于第二换向阀26和第二压力计29之间的一段液压千斤顶进油总管24上连接有接入第二液压油箱23的第二溢流管28，所述第二溢流管28上连接有第二溢流阀27 ；
[0079]所述支护数据采集系统包括用于对巷道模型箱11的轴向应变进行检测的轴向引伸计14和用于对巷道模型箱11的径向应变进行检测的径向引伸计9，以及计算机40、EDC数字控制器39和加压控制器36，所述EDC数字控制器39和加压控制器36均与计算机40相接，所述轴向引伸计14和径向引伸计9十字交叉固定在固定器13上后设置在橡胶圈10内，所述轴向引伸计14的两端分别与橡胶圈10内部顶面和底面紧密贴合，所述径向引伸计9的两端分别与橡胶圈10内部左侧壁和右侧壁紧密贴合，所述轴向引伸计14和径向引伸计9均与EDC数字控制器39相接；每根所述锚杆8外露在橡胶圈10内部的端部均安装有用于对巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号进行检测的声发射传感器12，所述声发射传感器12、第一压力计31和第二压力计29均与加压控制器36的输入端相接，所述第一双向油泵33、第一换向阀32、第二双向油泵25和第二换向阀26均与加压控制器36的输出端相接。
[0080]本实施例中，所述相似模拟材料21为煤岩粉。所述加压控制器36包括单片机36-1以及与单片机36-1相接的晶振电路模块36-2、复位电路模块36_3和USB通信电路模块36-4，所述单片机36-1的输入端接有用于对信号进行放大、滤波和A/D转换处理的信号调理电路模块36-5，所述声发射传感器12、第一压力计31和第二压力计29均与信号调理电路模块36-5的输入端相接，所述单片机36-1的输出端接有第一双向油泵驱动器36-6、第二双向油泵驱动器36-7、第一换向阀驱动器36-8和第二换向阀驱动器36-9,所述第一双向油泵33与第一双向油泵驱动器36-6的输出端相接，所述第二双向油泵25与第二双向油泵驱动器36-7的输出端相接，所述第一换向阀32与第一换向阀驱动器36-8的输出端相接，所述第二换向阀26与第二换向阀驱动器36-9的输出端相接，所述USB通信电路模块36_4通过USB数据线与计算机40相接。所述传力座18的形状为圆台形，能够将轴向力均匀地传递给巷道模型箱11和其内部填充的相似模拟材料21。
[0081]本发明的大型巷道支护实验室模拟方法，包括以下步骤:
[0082]步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料21压实填充到巷道模型箱11内部，巷道模型箱11与其内部的相似模拟材料21整体模拟出了巷道围岩；
[0083]步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈10上打出穿透巷道模型箱11并穿入相似模拟材料21中的钻孔；接着，在橡胶圈10内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网43 ;然后，在橡胶圈10上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板41，且将所述矩形钢板41上的锚杆孔42对准所述钻孔；最后，在锚杆孔42和所述钻孔中安装锚杆8，并在锚杆8外露在橡胶圈10内部的端部安装声发射传感器12 ；
[0084]步骤三、加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录:操作计算机40，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器36,所述加压控制器36控制第一双向油泵33、第一换向阀32、第二双向油泵25和第二换向阀26打开，第一液压油箱34内的液压油通过液压钢枕进油管35进入液压钢枕5内，液压钢枕5对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱23内的液压油通过液压千斤顶进油总管24、第一液压千斤顶进油支管45、第二液压千斤顶进油支管46和四条液压千斤顶进油分管49进入四个液压千斤顶2内，液压千斤顶2的活塞杆伸出，顶在传力座18上，并将压力通过传力座18传递到垫板17上，垫板17再将压力通过传力板16传递到巷道模型箱11上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计31对液压钢枕进油管35内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器36控制第一换向阀32和第一双向油泵33关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计29对液压千斤顶进油总管24内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器36控制第二换向阀26和第二双向油泵25关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0085]以上加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器12对巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器36，加压控制器36再将其接收到的声发射信号传输给计算机40进行保存；同时，所述轴向引伸计14对巷道模型箱11的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器39，所述径向引伸计9对巷道模型箱11的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器39，EDC数字控制器39再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机40进行保存。存储在计算机40内的巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号，以及巷道模型箱11的轴向应变信号和巷道模型箱11的径向应变信号，能够为研究人员研究锚杆支护效果提供数据支持；通过对不同的锚杆支护方案进行以上实验，就能够得到不同锚杆支护方案下的多组数据，研究人员通过对比数据，能够优化出最适合特定巷道的支护方案。
[0086]具体实施时，步骤三中输入的侧压设定值的大小等于要模拟的巷道的水平应力大小，步骤三中输入的轴压设定值的大小等于要模拟的巷道的地应力大小。
[0087]实施例2
[0088]结合图2和图8，本实施例中的大型巷道支护实验室模拟系统，与实施例1不同的是:本发明还包括套装在四个液压千斤顶2外围的冲击钢环19和用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置44，所述振动信号检测装置44的测振型速度传感器探头连接在底座6上，所述振动信号检测装置44与计算机40相接。所述振动信号检测装置44为TPB0X-508型振动信号自记仪。其余结构均与实施例1相同。
[0089]本实施例中的大型巷道支护实验室模拟方法，与实施例1不同的是:
[0090]步骤三、在冲击扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下:
[0091]步骤301、操作计算机40，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器36,所述加压控制器36控制第一双向油泵33、第一换向阀32、第二双向油泵25和第二换向阀26打开，第一液压油箱34内的液压油通过液压钢枕进油管35进入液压钢枕5内，液压钢枕5对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱23内的液压油通过液压千斤顶进油总管24、第一液压千斤顶进油支管45、第二液压千斤顶进油支管46和四条液压千斤顶进油分管49进入四个液压千斤顶2内，液压千斤顶2的活塞杆伸出，顶在传力座18上，并将压力通过传力座18传递到垫板17上，垫板17再将压力通过传力板16传递到巷道模型箱11上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计31对液压钢枕进油管35内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器36控制第一换向阀32和第一双向油泵33关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计29对液压千斤顶进油总管24内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器36控制第二换向阀26和第二双向油泵25关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0092]步骤302、将冲击钢环19提起再放开，使冲击钢环19从高处沿着液压千斤顶2自由下落到传力座18上，形成对所述巷道围岩的冲击扰动；
[0093]冲击扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器12对巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器36，加压控制器36再将其接收到的声发射信号传输给计算机40进行保存；同时，所述轴向引伸计14对巷道模型箱11的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器39，所述径向引伸计9对巷道模型箱11的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器39，EDC数字控制器39再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机40进行保存；所述振动信号检测装置44对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机40进行保存。存储在计算机40内的巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号和所述巷道围岩产生的振动信号，以及巷道模型箱11的轴向应变信号和巷道模型箱11的径向应变信号，能够为研究人员研究冲击扰动下的锚杆支护效果提供数据支持；通过对同一种锚杆支护方案多次进行以上实验，并在每次实验时选用不同重量的冲击钢环19，或者将冲击钢环19提起到不同的高度再放开，就能够得到同一种锚杆支护方案下的多组数据，研究人员通过对比数据，能够研究不同的冲击扰动对支护效果的影响；通过对不同的锚杆支护方案进行以上实验，就能够得到不同锚杆支护方案下的多组数据，研究人员通过对比数据，能够优化出最适合特定巷道的支护方案。
[0094]步骤一和步骤二均与实施例1相同。
[0095]实施例3
[0096]结合图3和图8，本实施例中的大型巷道支护实验室模拟系统，与实施例1不同的是:本发明还包括用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置44，所述底座6内装有位于巷道模型箱11的正下方且内部装有雷管的爆破箱7，所述振动信号检测装置44的测振型速度传感器探头连接在底座6上，所述振动信号检测装置44与计算机40相接。所述振动信号检测装置44为TPB0X-508型振动信号自记仪。其余结构均与实施例1相同。
[0097]本实施例中的大型巷道支护实验室模拟方法，与实施例1不同的是:
[0098]步骤三、在爆破扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下:
[0099]步骤301、操作计算机40，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器36,所述加压控制器36控制第一双向油泵33、第一换向阀32、第二双向油泵25和第二换向阀26打开，第一液压油箱34内的液压油通过液压钢枕进油管35进入液压钢枕5内，液压钢枕5对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱23内的液压油通过液压千斤顶进油总管24、第一液压千斤顶进油支管45、第二液压千斤顶进油支管46和四条液压千斤顶进油分管49进入四个液压千斤顶2内，液压千斤顶2的活塞杆伸出，顶在传力座18上，并将压力通过传力座18传递到垫板17上，垫板17再将压力通过传力板16传递到巷道模型箱11上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计31对液压钢枕进油管35内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器36控制第一换向阀32和第一双向油泵33关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计29对液压千斤顶进油总管24内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器36，加压控制器36将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器36控制第二换向阀26和第二双向油泵25关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩；
[0100]步骤302、引爆爆破箱7内的雷管，形成对所述巷道围岩的爆破扰动；
[0101]爆破扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器12对巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器36，加压控制器36再将其接收到的声发射信号传输给计算机40进行保存；同时，所述轴向引伸计14对巷道模型箱11的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器39，所述径向引伸计9对巷道模型箱11的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器39，EDC数字控制器39再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机40进行保存；所述振动信号检测装置44对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机40进行保存。存储在计算机40内的巷道模型箱11内部的相似模拟材料21的声发射信号和所述巷道围岩产生的振动信号，以及巷道模型箱11的轴向应变信号和巷道模型箱11的径向应变信号，能够为研究人员研究爆破扰动下的锚杆支护效果提供数据支持；通过对同一种锚杆支护方案多次进行以上实验，并在每次实验时在爆破箱7内装入不同数量的雷管，就能够得到同一种锚杆支护方案下的多组数据，研究人员通过对比数据，能够研究不同的爆破扰动对支护效果的影响；通过对不同的锚杆支护方案进行以上实验，就能够得到不同锚杆支护方案下的多组数据，研究人员通过对比数据，能够优化出最适合特定巷道的支护方案。
[0102]步骤一和步骤二均与实施例1相同。
[0103]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括大型巷道支护模拟系统、力口压传力系统和支护数据采集系统， 所述大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成，所述大型巷道外形模拟机构包括横截面为回字形的巷道模型箱(11)和套装在巷道模型箱(11)中间通道内的横截面为方形的橡胶圈(10)，所述巷道模型箱(11)内部填充有压实的用于模拟巷道围岩的相似模拟材料(21);所述支护模拟机构包括用于卡合连接在橡胶圈(10)内部侧壁上和顶面上的方形钢网(43)，以及用于固定连接在橡胶圈(10)内部侧壁上、顶面上和底面上的多块矩形钢板(41)，每块所述矩形钢板(41)上均设置有多个用于安装锚杆(8)的锚杆孔(42)； 所述加压传力系统包括底座(6)、侧向加压传力机构和轴向加压传力机构，以及用于为侧向加压传力机构加载侧压提供动力的侧压动力系统和用于为轴向加压传力机构加载轴压提供动力的轴压动力系统；所述侧向加压传力机构包括设置在底座(6)上且位于巷道模型箱(11)左侧的左立柱(20)和位于巷道模型箱(11)右侧的右立柱(3)，所述左立柱(20)紧贴巷道模型箱(11)设置，位于所述右立柱(3)与巷道模型箱(11)之间的底座(6)上设置有紧贴右立柱⑶的侧向反力架(4)，位于侧向反力架(4)与巷道模型箱(11)之间的底座(6)上设置有紧贴侧向反力架(4)和巷道模型箱(11)的液压钢枕(5);所述轴向加压传力机构包括安装在左立柱(20)和右立柱(3)顶部的轴向反力架(I)，以及均匀吊装在轴向反力架(I)底部的四个液压千斤顶(2)、安装在巷道模型箱(11)顶部的传力板(16)和安装在传力板(16)顶部的垫板(17)，所述垫板(17)顶部安装有四个分别对应位于四个液压千斤顶(2)正下方的传力座(18);所述侧压动力系统包括第一液压油箱(34)和一端与第一液压油箱(34)连接的液压钢枕进油管(35)，所述液压钢枕进油管(35)的另一端与液压钢枕(5)的油口连接，所述液压钢枕进油管(35)上从连接第一液压油箱(34)到液压钢枕(5)的油口的方向依次连接有第一双向油泵(33)、第一换向阀(32)和第一压力计(31)，位于第一换向阀(32)和第一压力计(31)之间的一段液压钢枕进油管(35)上连接有接入第一液压油箱(34)的第一溢流管(38)，所述第一溢流管(38)上连接有第一溢流阀(37);所述轴压动力系统包括第二液压油箱(23)和一端与第二液压油箱(23)连接的液压千斤顶进油总管(24)，所述液压千斤顶进油总管(24)的另一端通过第一同步阀(30)连接有第一液压千斤顶进油支管(45)和第二液压千斤顶进油支管(46)，所述第一液压千斤顶进油支管(45)上通过第二同步阀(47)连接有两条第二液压千斤顶进油分管(49)，所述第二液压千斤顶进油支管(46)上通过第三同步阀(48)连接有两条第二液压千斤顶进油分管(49)，四条第二液压千斤顶进油分管(49)分别对应与四个液压千斤顶(2)的油口连接，所述液压千斤顶进油总管(24)上从连接第二液压油箱(23)到第一同步阀(30)的方向依次连接有第二双向油泵(25)、第二换向阀(26)和第二压力计(29)，位于第二换向阀(26)和第二压力计(29)之间的一段液压千斤顶进油总管(24)上连接有接入第二液压油箱(23)的第二溢流管(28)，所述第二溢流管(28)上连接有第二溢流阀(27)； 所述支护数据采集系统包括用于对巷道模型箱(11)的轴向应变进行检测的轴向引伸计(14)和用于对巷道模型箱(11)的径向应变进行检测的径向引伸计(9)，以及计算机(40)、EDC数字控制器(39)和加压控制器(36)，所述EDC数字控制器(39)和加压控制器(36)均与计算机(40)相接，所述轴向引伸计(14)和径向引伸计(9)十字交叉固定在固定器(13)上后设置在橡胶圈(10)内，所述轴向引伸计(14)的两端分别与橡胶圈(10)内部顶面和底面紧密贴合，所述径向引伸计(9)的两端分别与橡胶圈(10)内部左侧壁和右侧壁紧密贴合，所述轴向引伸计(14)和径向引伸计(9)均与EDC数字控制器(39)相接；每根所述锚杆(8)外露在橡胶圈(10)内部的端部均安装有用于对巷道模型箱(11)内部的相似模拟材料(21)的声发射信号进行检测的声发射传感器(12)，所述声发射传感器(12)、第一压力计(31)和第二压力计(29)均与加压控制器(36)的输入端相接，所述第一双向油泵(33)、第一换向阀(32)、第二双向油泵(25)和第二换向阀(26)均与加压控制器(36)的输出端相接。
2.按照权利要求1所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括套装在四个液压千斤顶(2)外围的冲击钢环(19)和用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置(44)，所述振动信号检测装置(44)的测振型速度传感器探头连接在底座(6)上，所述振动信号检测装置(44)与计算机(40)相接。
3.按照权利要求1所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:包括用于对振动信号进行检测的振动信号检测装置(44)，所述底座￠)内装有位于巷道模型箱(11)的正下方且内部装有雷管的爆破箱(7)，所述振动信号检测装置(44)的测振型速度传感器探头连接在底座(6)上，所述振动信号检测装置(44)与计算机(40)相接。
4.按照权利要求1、2或3所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述相似模拟材料(21)为煤岩粉。
5.按照权利要求1、2或3所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述加压控制器(36)包括单片机(36-1)以及与单片机(36-1)相接的晶振电路模块(36_2)、复位电路模块(36-3)和USB通信电路模块(36-4)，所述单片机(36_1)的输入端接有用于对信号进行放大、滤波和A/D转换处理的信号调理电路模块(36-5)，所述声发射传感器(12)、第一压力计(31)和第二压力计(29)均与信号调理电路模块(36-5)的输入端相接，所述单片机(36-1)的输出端接有第一双向油泵驱动器(36-6)、第二双向油泵驱动器(36-7)、第一换向阀驱动器(36-8)和第二换向阀驱动器(36-9),所述第一双向油泵(33)与第一双向油泵驱动器(36-6)的输出端相接，所述第二双向油泵(25)与第二双向油泵驱动器(36-7)的输出端相接,所述第一换向阀(32)与第一换向阀驱动器(36-8)的输出端相接，所述第二换向阀(26)与第二换向阀驱动器(36-9)的输出端相接，所述USB通信电路模块(36-4)通过USB数据线与计算机(40)相接。
6.按照权利要求1、2或3所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述传力座(18)的形状为圆台形。
7.按照权利要求2或3所述的一种大型巷道支护实验室模拟系统，其特征在于:所述振动信号检测装置(44)为TPB0X-508型振动信号自记仪。
8.一种利用如权利要求1所述系统进行大型巷道支护实验室模拟的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料(21)压实填充到巷道模型箱(11)内部，巷道模型箱(11)与其内部的相似模拟材料(21)整体模拟出了巷道围岩； 步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模拟材料(21)中的钻孔；接着，在橡胶圈(10)内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网(43);然后，在橡胶圈(10)上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板(41)，且将所述矩形钢板(41)上的锚杆孔(42)对准所述钻孔；最后，在锚杆孔(42)和所述钻孔中安装锚杆(8)，并在锚杆(8)外露在橡胶圈(10)内部的端部安装声发射传感器(12)； 步骤三、加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录:操作计算机(40)，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器(36)，所述加压控制器(36)控制第一双向油泵(33)、第一换向阀(32)、第二双向油泵(25)和第二换向阀(26)打开，第一液压油箱(34)内的液压油通过液压钢枕进油管(35)进入液压钢枕(5)内，液压钢枕(5)对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱(23)内的液压油通过液压千斤顶进油总管(24)、第一液压千斤顶进油支管(45)、第二液压千斤顶进油支管(46)和四条液压千斤顶进油分管(49)进入四个液压千斤顶⑵内，液压千斤顶⑵的活塞杆伸出，顶在传力座(18)上，并将压力通过传力座(18)传递到垫板(17)上，垫板(17)再将压力通过传力板(16)传递到巷道模型箱(11)上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计(31)对液压钢枕进油管(35)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器(36)控制第一换向阀(32)和第一双向油泵(33)关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计(29)对液压千斤顶进油总管(24)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器(36)控制第二换向阀(26)和第二双向油泵(25)关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩； 以上加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器(12)对巷道模型箱(11)内部的相似模拟材料(21)的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)再将其接收到的声发射信号传输给计算机(40)进行保存；同时，所述轴向引伸计(14)对巷道模型箱(11)的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，所述径向引伸计(9)对巷道模型箱(11)的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，EDC数字控制器(39)再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机(40)进行保存。
9.一种利用如权利要求2所述系统进行大型巷道支护实验室模拟的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料(21)压实填充到巷道模型箱(11)内部，巷道模型箱(11)与其内部的相似模拟材料(21)整体模拟出了巷道围岩； 步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模拟材料(21)中的钻孔；接着，在橡胶圈(10)内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网(43);然后，在橡胶圈(10)上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板(41)，且将所述矩形钢板(41)上的锚杆孔(42)对准所述钻孔；最后，在锚杆孔(42)和所述钻孔中安装锚杆(8)，并在锚杆(8)外露在橡胶圈(10)内部的端部安装声发射传感器
(12)； 步骤三、在冲击扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下: 步骤301、操作计算机(40)，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器(36)，所述加压控制器(36)控制第一双向油泵(33)、第一换向阀(32)、第二双向油泵(25)和第二换向阀(26)打开，第一液压油箱(34)内的液压油通过液压钢枕进油管(35)进入液压钢枕(5)内，液压钢枕(5)对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱(23)内的液压油通过液压千斤顶进油总管(24)、第一液压千斤顶进油支管(45)、第二液压千斤顶进油支管(46)和四条液压千斤顶进油分管(49)进入四个液压千斤顶⑵内，液压千斤顶⑵的活塞杆伸出，顶在传力座(18)上，并将压力通过传力座(18)传递到垫板(17)上，垫板(17)再将压力通过传力板(16)传递到巷道模型箱(11)上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计(31)对液压钢枕进油管(35)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器(36)控制第一换向阀(32)和第一双向油泵(33)关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计(29)对液压千斤顶进油总管(24)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器(36)控制第二换向阀(26)和第二双向油泵(25)关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩； 步骤302、将冲击钢环(19)提起再放开，使冲击钢环(19)从高处沿着液压千斤顶(2)自由下落到传力座(18)上，形成对所述巷道围岩的冲击扰动； 冲击扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器(12)对巷道模型箱(11)内部的相似模拟材料(21)的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)再将其接收到的声发射信号传输给计算机(40)进行保存；同时，所述轴向引伸计(14)对巷道模型箱(11)的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，所述径向引伸计(9)对巷道模型箱(11)的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，EDC数字控制器(39)再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机(40)进行保存；所述振动信号检测装置(44)对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机(40)进行保存。
10.一种利用如权利要求3所述系统进行大型巷道支护实验室模拟的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、巷道围岩模拟:将相似模拟材料(21)压实填充到巷道模型箱(11)内部，巷道模型箱(11)与其内部的相似模拟材料(21)整体模拟出了巷道围岩； 步骤二、巷道支护模拟:首先，根据支护方案用电钻机在橡胶圈(10)上打出穿透巷道模型箱(11)并穿入相似模拟材料(21)中的钻孔；接着，在橡胶圈(10)内部侧壁上和顶面上卡合连接方形钢网(43);然后，在橡胶圈(10)上安装数量与所述钻孔数量相等的矩形钢板(41)，且将所述矩形钢板(41)上的锚杆孔(42)对准所述钻孔；最后，在锚杆孔(42)和所述钻孔中安装锚杆(8)，并在锚杆(8)外露在橡胶圈(10)内部的端部安装声发射传感器(12)； 步骤三、在爆破扰动下加载侧压及轴压给所述巷道围岩，并对侧压及轴压加载过程中的支护数据进行采集和记录，其具体过程如下: 步骤301、操作计算机(40)，输入侧压设定值和轴压设定值，并发出启动侧向加压传力机构和轴向加压传力机构的控制信号给加压控制器(36)，所述加压控制器(36)控制第一双向油泵(33)、第一换向阀(32)、第二双向油泵(25)和第二换向阀(26)打开，第一液压油箱(34)内的液压油通过液压钢枕进油管(35)进入液压钢枕(5)内，液压钢枕(5)对所述巷道围岩加载侧压；第二液压油箱(23)内的液压油通过液压千斤顶进油总管(24)、第一液压千斤顶进油支管(45)、第二液压千斤顶进油支管(46)和四条液压千斤顶进油分管(49)进入四个液压千斤顶⑵内，液压千斤顶⑵的活塞杆伸出，顶在传力座(18)上，并将压力通过传力座(18)传递到垫板(17)上，垫板(17)再将压力通过传力板(16)传递到巷道模型箱(11)上，对所述巷道围岩加载轴压；第一压力计(31)对液压钢枕进油管(35)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的侧压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的侧压液压油压力与所述侧压设定值相比对，当侧压液压油压力达到所述侧压设定值时，所述加压控制器(36)控制第一换向阀(32)和第一双向油泵(33)关闭，侧向加压传力机构加载与侧压设定值相等的侧压给所述巷道围岩；第二压力计(29)对液压千斤顶进油总管(24)内的液压油压力进行实时检测，并将所检测到的轴压液压油压力输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)将其接收到的轴压液压油压力与所述轴压设定值相比对，当轴压液压油压力达到所述轴压设定值时，所述加压控制器(36)控制第二换向阀(26)和第二双向油泵(25)关闭，轴向加压传力机构加载与轴压设定值相等的轴压给所述巷道围岩； 步骤302、引爆爆破箱(7)内的雷管，形成对所述巷道围岩的爆破扰动； 爆破扰动下加载侧压及轴压的过程中，所述声发射传感器(12)对巷道模型箱(11)内部的相似模拟材料(21)的声发射信号进行检测并将所检测到的声发射信号输出给加压控制器(36)，加压控制器(36)再将其接收到的声发射信号传输给计算机(40)进行保存；同时，所述轴向引伸计(14)对巷道模型箱(11)的轴向应变进行检测并将所检测到的轴向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，所述径向引伸计(9)对巷道模型箱(11)的径向应变进行检测并将所检测到的径向应变信号输出给EDC数字控制器(39)，EDC数字控制器(39)再将其接收到的轴向应变信号和径向应变信号传输给计算机(40)进行保存；所述振动信号检测装置(44)对在冲击扰动下所述巷道围岩产生的振动信号进行检测并将所检测到的信号输出给计算机(40)进行保存。
【文档编号】G01M99/00GK104198207SQ201410483291
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】张天军, 于胜红, 许龙星, 任金虎, 李伟, 宋爽, 张磊, 成小雨, 尚宏波, 魏文伟, 王乾, 包若羽 申请人:西安科技大学