一种用于真三轴试验的煤矿巷道模型制样装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置及方法，尤其涉及一种用于真三轴试验的不同形状煤矿巷道模型的制样装置及方法，其中包括圆形巷道、矩形巷道、梯形巷道、直墙半圆拱巷道、马蹄形巷道等形状，该装置适用于水泥砂浆、混凝土等可固化的人工制样材料。

背景技术

煤炭开采进入1000m以上深部后高地应力、强采动应力共同作用导致围岩压力增强，巷道围岩处于真三轴应力状态σ

目前真三轴试验的研究中，更多研究于整块试样的真三轴力学特性，而对三向应力下的巷道破坏特性的研究较少。然而深层高应力作用下，巷道围岩经常发生剥落破坏，对巷道支护结构产生不利影响，威胁地下施工和设备的安全。因此，对巷道的整体变形破坏特征研究具有重要意义。

人工制样的装置通常为长方体装置，使用配比后的水泥砂浆或混凝土进行制样。目前，巷道破坏试验基本使用水钻或线切割法在完整立方体中制作巷道，这种方法增加了试样的制作流程，操作较为复杂，切割时间长，且机械加工可能会对成形巷道造成一定影响，影响试验结果。并且，由于巷道在试样制作完成后才进行切割，不能很好的研究巷道注浆支护后的力学破坏特征。

因此，提供一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置及方法，可进行三向应力试验，对煤矿巷道安全性、稳定性研究提供了基础保证。

发明内容

本发明涉及一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置及方法，尤其涉及一种用于真三轴试验的不同形状煤矿巷道模型的制样装置及方法，其中包括圆形巷道、矩形巷道、梯形巷道、直墙半圆拱巷道、马蹄形巷道等形状，该装置适用于水泥砂浆、混凝土等可固化的人工制样材料，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置，包括模具盒和不同形状巷道件，所述巷道件底部预制固定螺纹孔，所述巷道件与模具盒通过固定螺纹孔连接；所述模具盒底部有一个定位孔和两个气孔。

优选的，所述模具盒有三个空腔，所述空腔底部中心有一个定位孔，所述定位孔用于保证巷道件在试样中心，所述定位孔两侧有两个气孔，所述气孔可通过高压气顶出成形试样；

进一步的，所述空腔为第一试样盒，第二试样盒，第三试样盒，所述试样盒为独立盒，相互不连通，所述第一试样盒底部有一号定位孔和两个一号位气孔，所述第二试样盒底部有二号定位孔和两个二号位气孔，所述第三试样盒底部有三号定位孔和两个三号位气孔；

优选的，所述巷道件底部存在内置螺纹孔，所述螺纹孔为巷道固定孔，可固定巷道件在模具盒底部，避免水或其他液体介质渗入，所述巷道固定孔为巷道件底部中心位置，所述巷道固定孔通过固定螺栓与模具盒连接；

优选的，所述巷道件包括但不限于圆形、矩形、梯形、直墙半圆拱、马蹄形等巷道形状；

优选的，所述模具盒底部预留出螺栓空间，所述模具盒底部四周存在一圈挡板，抬高整体模具；

优选的，所述固定螺栓、巷道件、定位孔应在一条中心线；

优选的，所述模具盒可用于制作不含巷道的完整试样，所述定位孔及气孔不影响完整试样的制作；

一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样方法，包括如下步骤：

步骤一、确定巷道模型件的形状及尺寸以及模型制作材料；

步骤二、将巷道模型件和模具盒通过紧固螺栓拧紧固定，保证巷道件处在模型的中心位置；

步骤三、在模具盒体内及边缘、巷道件表面等涂脱模剂，可用凡士林、食用油等替代，在模具盒底部气孔位置放置隔纸，避免气孔阻塞；

步骤四、将模型材料倒入模具盒中，使用振动机对模型进行振动2分钟，材料固化后，使用高压气泵吹出试样，即可得到适用于真三轴试验的巷道模型。

一种用于真三轴试验的煤矿巷道模型试验方法，包括如下步骤：

步骤一、确定试样的巷道形状、尺寸及加载方式；

步骤二、将试样放置到真三轴试验机的加载空间；

步骤三、对试样施加应力σ

本发明的技术效果和优点：

第一，通过紧固螺栓保证巷道件在振动过程中不移位，保持巷道方位固定，避免在使用粘胶方式固定巷道件时出现的旋转、移位现象，保证了模型的成形率；

第二，可通过改变巷道件的形状及尺寸制成不同形状、不同尺寸的巷道模型；更换巷道件方法简单，操作灵活，可以随意变动制作所需巷道模型；

第三，模具底部左右两边设有两个气孔，气孔可单独使用也可同时使用，该设计有利于含巷道件模型的脱模，且区别于现有模具气孔设置在中心，分布在左右两侧不会影响巷道的制作；

第四，本方案在浇筑时，所用材料可以使用水泥砂浆、混凝土、透明固化等液体注入材料，固化后形成与巷道断面相同的模型。

第五，模具一套三个，实现真三轴试验中的每组3个样本量，标记清晰，不易出错。

附图说明

图1为一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置整体示意图；

图2为一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置的制样盒俯视图；

图3为制样装置的正视剖面图；

图4为图3的分体图；

图5为固定螺栓的结构示意图；

图6为一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的试验方法。

其中，1-模具盒；2-一号定位孔；3-一号位气孔；4-二号定位孔；5-二号位气孔；6-三号定位孔；7-三号位气孔；8-一号预制巷道件；9-一号固定螺栓；10-二号预制巷道件；11-二号固定螺栓；12-三号预制巷道件；13-三号固定螺栓；14-巷道固定孔

具体实施方案

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。具体为

本发明采用以下技术方案：一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样装置，包括模具盒1和三个巷道件，所述巷道件为一号预制巷道件8，所述二号预制巷道件10，所述三号预制巷道件12，所述三个巷道件底部预制固定螺纹孔14，所述巷道件8与模具盒1通过一号固定螺栓9连接，所述巷道件10与模具盒1通过二号固定螺栓11连接，所述巷道件12与模具盒1通过三号固定螺栓连接；

作为本发明进一步的，从左到右所述空腔为第一试样盒，第二试样盒，第三试样盒，所述试样盒为独立盒，相互不连通，所述第一试样盒底部有一号定位孔2和两个一号位气孔3，所述第二试样盒底部有二号定位孔4和两个二号位气孔5，所述第三试样盒底部有三号定位孔6和两个三号位气孔7；

所述每个定位孔2、4、6用于保证巷道件在试样中心，所述气孔可通过高压气顶出成形试样，例所述模具盒1和巷道件8通过一号固定螺栓9穿过定位孔2连接，该方式可以保证制作完成后的巷道在试样正中心；

作为本发明进一步优选的，所述巷道件底部存在内置螺纹孔14，所述螺纹孔为巷道固定孔，可固定巷道件8、10、12在模具盒底部，避免水或其他液体介质渗入，

作为本发明进一步优选优选的，所述巷道件包括但不限于圆形、矩形、梯形、直墙半圆拱、马蹄形等巷道形状；

作为本发明进一步优选优选的，例如所述固定螺栓14、巷道件8及定位孔2应在一条中心线；

作为本发明进一步优选优选的，所述模具盒可用于制作不含巷道的完整试样，例所述定位孔2及气孔3不影响完整试样的制作；

需要说明的是，本发明使用的连接方式采用现有技术中成熟的螺栓，例固定螺栓14的尺寸与巷道件8的尺寸及模具盒1底部定位孔2的尺寸相关，推荐定位孔尺寸小于或等于10mm。

一种用于真三轴试验的煤矿巷道试样的制样方法，包括如下步骤：

步骤一、确定巷道模型件的形状及尺寸以及模型制作材料；

步骤二、将巷道模型件和模具盒通过紧固螺栓拧紧固定，保证巷道件处在模型的中心位置；

步骤三、在模具盒体内及边缘、巷道件表面等涂脱模剂，可用凡士林、食用油等替代，在模具盒底部气孔位置放置隔纸，避免气孔阻塞；

步骤四、将模型材料倒入模具盒中，使用振动机对模型进行振动2分钟，材料固化后，取出固定螺栓，使用高压气泵吹出试样，即可得到适用于真三轴试验的巷道模型。

一种用于真三轴试验的煤矿巷道模型试验方法，包括如下步骤：

步骤一、确定试样的巷道形状、尺寸及加载方式；

步骤二、将试样放置到真三轴试验机的加载空间；

步骤三、对试样施加应力σ

基于此，本发明方法实现了深部多维应力下的煤矿巷道真三轴试验制样及试验方法，可以真三轴应力下不同形状煤矿巷道进行研究。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。