块状堆积体边界抗力实验测定装置及试验方法与流程

本发明涉及一种块状堆积体边界抗力实验测定装置及试验方法。

背景技术：
：

灾后巷道失稳垮冒以至造成救援通道堵塞，从而导致救援受阻，延长救援人员到达待援人员驻留区的时间，此时，如何能够安全快速通过，成为灾后能否实现安全、快速、有效救援的关键。

技术实现要素：
：

本发明的目的是提供一种块状堆积体边界抗力实验测定装置及试验方法，给出了冒落堆积体是否能够将空间充填满的判定条件，推导出了冒落堆积体的高度、边界水平抗力、堆积体中任意一点位置处的横向和纵向作用力计算公式，给出了堆积体内块体之间纵横作用力分布曲线；从避免和减少对堆积体维系块体之间力学平衡的扰动角度出发，给出了救援通道的位置、形状及支护方式的选择路径及相应参考性指标。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种块状堆积体边界抗力实验测定装置，其组成包括：实验箱1、压力传感器2、数据线3，所述的实验箱1的侧面设置压力传感器2，所述的压力传感器2按纵向设置7排，每排4个排列，每个所述的压力传感器2均通过数据线3连接数据采集仪4，所述的数据采集仪4通过数据线3连接电脑5。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，所述的实验箱1的左侧面、右侧面与背面均为木板，所述的实验箱1的顶面、底面与前面均为有机玻璃板。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，所述的实验箱1的顶部设置下出口宽度可调的槽形块体分散入口，所述的槽形块体分散入口的两个侧面分别为等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ，所述的等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ之间的两个斜边侧面分别通过有机玻璃板Ⅰ(7)与有机玻璃板Ⅱ8相连接，所述的槽形块体分散入口的上入口的宽度大于下出口的宽度，所述的有机玻璃板Ⅱ8为可调节边，所述的有机玻璃板Ⅱ8的底端设置滑条9，所述的滑条9在滑槽10内滑动，所述的滑槽10分别设置在等腰梯形玻璃板Ⅰ 6与等腰梯形玻璃板Ⅱ的下出口端，所述的有机玻璃板Ⅱ8的顶端通过转轴11分别连接等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ的顶端。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，每行所述的压力传感器2之间的距离为100mm，每列所述的压力传感器2之间的距离为100mm。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，实验分方案一、方案二与方案三，方案一：

第一步：细沙作为堆积体介质，其粒径小于3mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的细沙，通过人工经槽形块体分散入口自由下落入实验箱内，在装入细沙的同时，通过有机玻璃板观测细沙在边界位置处滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，方案二：

第一步：煤块Ⅰ作为堆积体介质，其块径为5-20mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的煤块Ⅰ，通过人工经槽形块体分散入口自由下落入实验箱内，在装入煤块Ⅰ的同时，通过有机玻璃板观测煤块Ⅰ在边界位置处滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，方案二：

第一步：煤块Ⅱ作为堆积体介质，其块径为20-35mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的煤块Ⅱ，通过人工经槽形块体分散入口自由下落 入实验箱内，在装入煤块Ⅱ的同时，通过有机玻璃板观测煤块Ⅱ在边界位置处滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

本发明的有益效果为：首先，依据破碎带内块体大小、三维尺度特征，分析垮落堆积体形成过程中，块体之间的撞击、挤压、充填的特点，进而分析堆积体内块体之间的依存关系和力学关系；

其次，依据破碎带内块体大小、三维尺度特征，对比破碎带因冒落而处于临时稳定状态的空间大小和巷道尺寸，综合确定在分析垮落堆积体内块体时所应采用的力学理论；

再者，沿巷道轴线方向上，分析垮落堆积体在不同区段上(地质破碎带区段、非地质破碎带区段)的边界特征；

在此基础上，建立垮落堆积体的力学模型。

测定块状堆积体在堆积过程中对侧向限制体的作用力，以及堆积体的自然堆积角，据此分析堆积体边界抗力与埋深、块(粒)度、含水率之间的关系，以及堆积体内部块体之间纵横向作用力，从而为相关块(散)体力学行为研究提供基础数据。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的传感器编号示意图。

附图3是本发明的槽形块体分散入口的侧面示意图。

附图4是本发明的堆积体充满冒落空间时抗力计算图A。

附图5是本发明的堆积体充满冒落空间时抗力计算图B。

附图6是本发明的抗力计算图。

附图7是本发明的堆积体边界抗力分布图A。

附图8是本发明的堆积体边界抗力分布图B。

附图9是本发明的堆积体边缘所受抗力计算图A。

附图10是本发明的堆积体边缘所受抗力计算图B。

附图11是本发明的抗力计算简图。

附图12是本发明的堆积体边界抗力分布图A。

附图13是本发明的堆积体边界抗力分布图B。

具体实施方式：

实施例1

一种块状堆积体边界抗力实验测定装置，其组成包括：实验箱1、压力传感器2、数据线3，所述的实验箱1的侧面设置压力传感器2，所述的压力传感器2按纵向设置7排，每排4个排列，每个所述的压力传感器2均通过数据线3连接数据采集仪4，所述的数据采集仪4通过数据线3连接电脑5。

压力传感器型号：KAP10系列IP65

数据采集仪型号：UT7160静态采集仪

实施例2

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，所述的实验箱1的左侧面、右侧面与背面均为木板，所述的实验箱1的顶面、底面与前面均为有机玻璃板。

实施例3

实施例1或2所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，所述的实验箱1的顶部设置下出口宽度可调的槽形块体分散入口，所述的槽形块体分散入口的两个侧面分别为等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ，所述的等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ之间的两个斜边侧面分别通过有机玻璃板Ⅰ(7)与有机玻璃板Ⅱ8相连接，所述的槽形块体分散入口的上入口的宽度大于下出口的宽度，所述的有机玻璃板Ⅱ8为可调节边，所述的有机玻璃板Ⅱ8的底端设置滑条9，所述的滑条9在滑槽10内滑动，所述的滑槽10分别设置在等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ的下出口端，所述的有机玻璃板Ⅱ8的顶端通过转轴11分别连接等腰梯形玻璃板Ⅰ6与等腰梯形玻璃板Ⅱ的顶端。

实施例4

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置，每行所述的压力传感器2之间的距离为100mm，每列所述的压力传感器2之间的距离为100mm。

实施例5

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，实验分方案一、方案二与方案三，方案一：

第一步：细沙作为堆积体介质，其粒径小于3mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的细沙，通过人工经槽形块体分散入口自由下落入实验箱内，在装入细沙的同时，通过有机玻璃板观测细沙在边界位置处滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

实施例6

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，方案二：

第一步：煤块Ⅰ作为堆积体介质，其块径为5-20mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的煤块Ⅰ，通过人工经槽形块体分散入口自由下落入实验箱内，在装入煤块Ⅰ的同时，通过有机玻璃板观测煤块Ⅰ在边界位置处滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

实施例7

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的实验方法，方案二：

第一步：煤块Ⅱ作为堆积体介质，其块径为20-35mm；

第二步：实验前先将数据采集仪与压力传感器之间通过数据线连接好，录入压力传感器参数，平衡各数据通道，并将传感器数据清零；

第三步：将事先准备好的煤块Ⅱ，通过人工经槽形块体分散入口自由下落入实验箱内，在装入煤块Ⅱ的同时，通过有机玻璃板观测煤块Ⅱ在边界位置处 滑落堆积的高度，并测定堆积体的自然安息角；

第四步：在堆积体边界位置处，从堆积体与最下一排传感器所在位置平齐开始，沿纵向每增加100mm的堆积高度，则记录一次传感器的压力值。

实施例8

实施例1所述的块状堆积体边界抗力实验测定装置的理论基础

若冒落后的岩石碎块堆积体不能将整个空间充填满，则应满足的条件为：

k·S_m＜S_t-S₁ (1-1)

同时，设Q2的坐标为则Q1MQ2所圈定的椭圆范围内的面积Ss为：

三角形Q1Q2Q3的面积S2为：

式中，θ0为冒落岩石块体的自然堆积角。

由于冒落岩石块体的堆积体所占据的空间为图中阴影部分的面积，故有下式成立，即：

k(S_t-S_h-S₁)＝S_t-S₁-(S_s-S₂) (1-4)

式中，k为断层破碎带碎块充填物冒落后的碎胀系数。据式(1-4)有：

将St、Sh、Ss、S1、S2代入式(1-5)，可得或为一超越方程。在具体工程计算中，除和以外其它参数都已知或通过相应公式求得的条件下，采用迭代法可求得或的对应解析解。

于是可得到此时断层破碎带冒落后的堆积体两侧的高度为：

即：

而堆积体中部的最高高度为：

1.被动抗力计算

⑴当冒落后的岩石碎块堆积体能够将整个空间充填满(如图4)，根据对称性，取右半部分进行抗力分析(如图5)。

设Q₂点的坐标为(x₀₁，y₀₁)，Q₂点距离巷道底板的距离为h，则Q₂点的纵坐标y₀₁为：

于是根据椭圆方程式(3-3)可求得Q₂点的纵坐标x₀₁，即为：

设堆积体的自然堆积角为θ₀(参见图5)，则对于Q₂点，该点位置处的横向抗力Rx是由于MQ₃Q₂阴影部分堆积体沿Q₃Q₂迹线下滑而被动产生的。

将原坐标原点O向上平移到O₁点，则原椭圆在新坐标系中的方程为：

据此可得：

即在新坐标系中，椭圆满足方程：

同时，在新坐标系中，Q₃Q₂的直线方程为：

f(x′)＝-tgθ₀·(x′-x₀₁) (1-10)

故，MQ₃Q₂阴影部分堆积体的重量为：

式中，γ为岩石的容重。

将式(1-11)积分可得：

于是，图5阴影部分沿自然堆积角迹线Q₃Q₂的下滑可简化为图6。

由于抗力R_x是沿Q₃Q₂迹线下滑堆积而被动产生的，而自然堆积角θ₀是在堆积下滑之后所表现出来的，故简化图中的块体与斜面Q₃Q₂之间的摩擦力为零。故有下列等式成立：

即：

由式(1-72)可知：

同时由式(1-7)和式(1-8)可知：

f(x₀₁)＝f(h,a,b,H,a₀,a₁,λ)

f(y₀₁)＝f(h,H,a₀,a₁,λ)

故：

据此可知，抗力R_x也应为：f(R_x)＝f(h,γ,a,b,θ₀,a₀,a₁,H,λ)

即：当冒落堆积体能够充满冒空区时，在距离巷道底部高度为h的椭圆形垮落迹线上的Q₂点处，该点的横向抗力R_x可通过式(1-7)、式(1-8)、式(1-12)和式(1-13)联合求得。

于是，可获得堆积体边界位置处的抗力分布图，如图7所示。转换至直角坐标系，则分布如图8所示。

⑵当冒落后的岩石碎块堆积体不能够将整个空间充填满时(如图8)， 根据对称性，也取右半部分进行抗力分析(如图9)。

取堆积体边缘任何一点Q₄，该点距离巷道底边的距离为h，结合式(1-6)，相应Q₄点在堆积体中的埋深h_2-4为：

则Q₄点的纵坐标为：

式中，OD为O点到D的距离。

通过椭圆方程，可求得相应Q₄点的横坐标为：

由于Q₃Q₂所在直线的方程为：

Q₄Q₅所在直线的方程为：

而Q₂Q₄所在椭圆弧段满足曲线方程：

则Q₃Q₂Q₄Q₅所圈定区域的重量为：

将式(1-17)积分得：

式中符号同前。

于是，图9中Q₃Q₂Q₄Q₅对应堆积体沿自然堆积角迹线Q₅Q₄的下滑可简化 为如图11所示。由于抗力R_x是沿Q₅Q₄迹线下滑堆积而被动产生的，而自然堆积角θ₀是在堆积下滑之后所表现出来的，故简化图中的块体与斜面Q₅Q₄之间的摩擦力可视为零。

故有下列等式成立：

即：

同样，可获得当堆积体不能将整个冒空空间充填满时，在边界位置处的抗力分布如图12所示。转换至直角坐标系时，则对应边界位置处的抗力分布如图13所示。

通过冒落堆积体力学特征研究，在分析冒落堆积体边界特征的基础上，给出了冒落堆积体是否能够将空间充填满的条件，进而将冒落堆积体分成能够将空间充填满和不能够将空间充填满两种情况，并从理论上分别推导出了冒落堆积体的高度、边界水平抗力、堆积体中任意一点位置处的横向和纵向作用力计算公式，给出了堆积体边界上的水平抗力分布曲线，以及堆积体中任意横向和纵向剖面上作用力的分布曲线，并阐述了堆积体内部不同区域内岩石块体的移动特征。

通过救援通道关键技术参数研究，从避免和减少对堆积体维系块体之间力学平衡的扰动角度出发，救援通道宜选择在巷道中部稍靠上的位置。在通道形状选择上，直墙拱形和直墙尖顶两种断面形状则应优先考虑。在此基础之上，提出了交替式超前支护(包括钻孔-插管式和撞楔式两种)、超前注浆支护、强力顶管支护三种可供选择的支护方式，并给出了其选择参考性指标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。