[發(fā)明專利]強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN111929221B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李夕兵;陳江湛;黃麟淇
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 謝浪

1.強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，包括用于對含有模擬巷道的圍巖物模試樣施加真三軸載荷的真三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)，所述真三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)包括上加載板、下加載板、前加載板、后加載板、左加載板和右加載板，其特征在于：

所述上加載板的加載端面上切割有縱橫交錯的滲流導(dǎo)槽，內(nèi)部設(shè)置與所述滲流導(dǎo)槽連通的進液孔道；所述下加載板的加載端面上切割有縱橫交錯的集液導(dǎo)槽，內(nèi)部設(shè)置與所述集液導(dǎo)槽連通的出液孔道，所述進液孔道和出液孔道均與高壓滲流加載機構(gòu)連接；

所述左加載板的中央開有貫通孔，所述貫通孔中滑動設(shè)有對圍巖物模試樣施加沖擊載荷的擾動入射桿，所述擾動入射桿與沖擊加載系統(tǒng)連接；

所述模擬巷道貫穿圍巖物模試樣的前后表面，所述前加載板和后加載板上設(shè)有與所述模擬巷道位置對應(yīng)的監(jiān)測孔，所述監(jiān)測孔內(nèi)朝向遠離所述模擬巷道的方向依次設(shè)有透明隔板、光源和高速攝像頭；

所述圍巖物模試樣的上下端面設(shè)有柔性滲流板，其他端面被柔性套包裹，所述柔性滲流板上均布有滲流孔，所述柔性套位于所述模擬巷道以及擾動入射桿位置處開孔；

所述貫通孔遠離所述圍巖物模試樣的一側(cè)上設(shè)有滑槽，所述擾動入射桿上設(shè)有與所述滑槽相配合的凸臺，所述滑槽的延伸方向與所述擾動入射桿的滑動方向平行；

所述左加載板對所述圍巖物模試樣加載時，所述凸臺的左側(cè)面與所述滑槽的左側(cè)壁接觸，并且所述擾動入射桿與所述左加載板的加載端面平齊；

所述柔性套和柔性滲流板的厚度為圍巖物模試件邊長的1％。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：所述貫通孔靠近所述圍巖物模試樣的一端與所述擾動入射桿之間設(shè)有密封圈。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：所述圍巖物模試樣的各個拐角被膠套架包裹，所述膠套架與上加載板、下加載板、前加載板、后加載板、左加載板和右加載板共同圍成與所述圍巖物模試樣適配且封閉的滲透加載室。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：所述膠套架、上加載板、下加載板、前加載板、后加載板、左加載板和右加載板設(shè)置于中空剛性框架內(nèi)，所述中空剛性框架內(nèi)設(shè)有緊壓所述膠套架的頂緊機構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：所述頂緊機構(gòu)包括頂緊油缸或頂緊氣缸。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：所述高壓滲流加載機構(gòu)包括水箱、高壓平流泵、中間容器、充氣蓄能器、滲流輸出管路和滲流回流管路；

所述中間容器通過中間隔板分隔為前容腔與后容腔，所述水箱、高壓平流泵和前容腔通過管道依次連接，所述后容腔通過所述滲流輸出管路與所述進液孔道連接，所述滲流輸出管路上設(shè)有充氣蓄能器，所述后容腔設(shè)置有滲流液注入口；

所述出液孔道通過所述滲流回流管路與液體收集容器連接，所述滲流回流管路和滲流輸出管路上均設(shè)有壓力傳感器和流量傳感器。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于：還包括連接至工控機的影像采集器和壓力流量采集器，所述影像采集器與所述高速攝像頭電性連接，所述壓力流量采集器與所述滲流輸出管路和滲流回流管路上的壓力傳感器和流量傳感器電性連接。

8.強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析方法，采用權(quán)利要求1-7任一項所述的強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，其特征在于，包括如下步驟：

S1：依據(jù)相似原理，根據(jù)既有巷道所處巖層的物理力學(xué)參數(shù)，制備含有模擬巷道的圍巖物模試樣；

S2：將圍巖物模試樣放置在真三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)的上加載板、下加載板、前加載板、后加載板、左加載板和右加載板圍成的加載腔室中；

S3：計算圍巖物模試樣所受三向靜載荷，利用真三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)對圍巖物模試樣進行分級加載至設(shè)定載荷；

S4：施加滲流壓力

利用高壓滲流加載機構(gòu)對圍巖物模試樣注入滲流液，待壓力穩(wěn)定后，根據(jù)進液孔道和出液孔道上的壓力傳感器和流量傳感器的示數(shù)，計算模擬圍巖的初始滲透系數(shù)K_m0，并根據(jù)既有巷道的設(shè)計排水能力計算的容許滲透系數(shù)，進而計算模擬圍巖物模試樣的容許滲透系數(shù)，如公式(2)所示：

K_am＝K_ay/C_K (2)

式中，K_am為容許的圍巖物模試樣滲透系數(shù)，K_ay為容許的實際巷道巖層滲透系數(shù)，C_K為滲透系數(shù)相似常數(shù)；

此外，利用高速攝像頭記錄該過程中模擬巷道內(nèi)的初始影像，獲得模擬巷道內(nèi)部的初始形態(tài)，根據(jù)既有巷道的容許變形參數(shù)計算圍巖物模試樣模擬巷道的容許變形參數(shù)，如公式(3)所示：

ε_am＝ε_ay/C_ε (3)

式中，ε_am為容許的圍巖物模試樣模擬巷道變形參數(shù)，ε_ay為容許的實際巷道變形參數(shù)，C_ε為變形相似常數(shù)；

S5：施加擾動載荷

啟動沖擊加載系統(tǒng)，根據(jù)實際圍巖中施加的強動力擾動載荷，設(shè)計模擬的擾動載荷的強度、波形以及沖擊循環(huán)次數(shù)參數(shù)，對擾動入射桿施加沖擊載荷，并作用于圍巖物模試樣；

S6：滲流與破壞監(jiān)測

在步驟S5開展的同時，利用高速攝像頭進一步記錄該過程中模擬巷道內(nèi)動態(tài)影像，并保持圍巖物模試樣上端面的滲流壓力穩(wěn)定，記錄試驗過程中高壓滲流加載機構(gòu)的壓力傳感器和流量傳感器的示數(shù)變化，獲得圍巖物模試樣強動力擾動后的滲透參數(shù)；

S7：容許動力擾動載荷確定

重復(fù)步驟S5和步驟S6，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，獲得動力擾動載荷與圍巖物模試樣滲透參數(shù)之間的擬合函數(shù)關(guān)系，如公式(4)所示：

K_m＝f(Max(σ_dm),σ_dm(t),F)(4)

式中：K_m為圍巖物模試樣滲透系數(shù)，Max(σ_dm)為動力擾動載荷強度，σ_dm(t)為單次動力擾動作用的波形函數(shù)，F(xiàn)為動力擾動載荷作用頻率；

以及，獲得動力擾動載荷與圍巖物模試樣模擬巷道變形參數(shù)之間的擬合函數(shù)關(guān)系，如公式(5)所示：

ε_m＝G(Max(σ_dm),σ_dm(t),F)(5)

式中：ε_m為圍巖物模試樣模擬巷道變形；

并按照公式(4)和(5)判斷，當(dāng)公式(4)求得的圍巖物模試樣滲透參數(shù)K_m小于K_am，且當(dāng)公式(5)求得的圍巖物模試樣模擬巷道變形ε_m小于ε_am，所施加的模擬動力擾動載荷及其對應(yīng)的實際動力擾動載荷為容許參數(shù)。