地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，系统包括高压试验台、压力加载系统、冻结系统和数据采集系统；高压试验台包括承压筒、上端盖和底座；压力加载系统中，四个互相垂直的液压囊施加双向不等地压，上封口板的加压孔向加压腔内注水施加轴向荷载，下封口板的加压孔向土体内注水施加孔隙水压；冻结系统中，模型井壁作为冻结液循环通道，通过进液管、出液管与外部冷源连接用于冻结及解冻；数据采集系统中，传感器粘贴于井壁内、外壁及埋设于土体内部，能实时获取应变、温度和应力信息。本系统可实现富水地层中各施工阶段不均匀地压与孔隙水压共同作用对斜井冻结井壁的影响模拟，为井壁的研究设计提供支持和试验指导。

Simulated test system and method of inclined shaft lining stress under combined ground pressure and water pressure loading

The invention discloses a stress simulation test system and method for inclined shaft lining under combined loading of ground pressure and water pressure. The system includes a high-pressure test bed, a pressure loading system, a freezing system and a data acquisition system; a high-pressure test bed includes a pressure bearing cylinder, an upper cover and a base; in a pressure loading system, four mutually vertical hydraulic bags exert bidirectional unequal ground pressure, and the pressure orientation of the upper seal plate. In the freezing system, the model shaft lining acts as the circulation channel of freezing liquid, which is connected with the external cold source through the inlet and outlet pipes for freezing and thawing. In the data acquisition system, sensors are attached to the shaft lining, the outer wall and the embedded inside of the soil, so strain and temperature can be obtained in real time. Degree and stress information. The system can simulate the effect of the combined action of uneven ground pressure and pore water pressure on the frozen shaft lining of inclined shaft in water-rich formation, and provide support and experimental guidance for the research and design of the shaft lining.

【技术实现步骤摘要】
地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法
本专利技术涉及一种对斜井井壁施加不等围压及孔隙水压的模拟实验系统，具体涉及一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，属于井下模拟实验系统

技术介绍
随着斜井开拓方式在大型煤矿中被越来越多的采用，含水丰富的地层冻结斜井井壁的设计问题日益受到关注，例如在冻结壁解冻过程中孔隙水压作用对井壁的影响问题，永久使用阶段孔隙水压和地层压力的共同作用对井壁的影响问题等方面，只有深入了解上述问题才能解决含水地层冻结斜井井壁设计中遇到的难题。现有技术大多通过模型试验作为理论基础，并通过试验获得的各相似准则间的关系推广到原型，从而获得原型参数间的变化规律，一方面能够真实地还原原型的工作状态，另一方面通过模型试验深入了解各施工阶段井壁在孔隙水压及地层压力作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。而现有针对井下的模拟试验装置，如竖井高压试验台，能够满足高孔隙水压的加载要求，但其围压加载空间均为圆形，只能施加均布的围压，而斜井井壁为异形结构，在实际施工过程中承受的压力为不均匀地压，常用的模拟试验系统无法真实地模拟斜井井壁的实际受力情况，故无法为斜井的设计提供可靠的参考。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的各种不足，本专利技术提供一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统与方法，可对各施工过程中井壁在孔隙水压及不均匀地层压力作用下的受力变形规律进行测试，充分了解斜井冻结井壁在各阶段不同荷载作用下的受力变形规律，为含水地层冻结斜井井壁的设计提供指导和参考。为了解决上述问题，本专利技术一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒、上端盖和底座，上端盖通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的上端，底座通过螺母、螺杆和垫片固定在承压筒的下端，模型井壁设在承压筒内，模型井壁的上端和下端分别通过变径环与圆形接头相连，上端的圆形接头连接出液管，下端的圆形接头连接进液管；高压试验台还包括上封口板和下封口板，上端盖和底座的内壁孔径均小于承压筒的内壁孔径，且上端盖内壁下端以及底座的内壁上端均具有台阶面，上端盖的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰，底座的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰，上封口板紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆与上拉紧法兰相连，下封口板紧贴在底座的上端并通过下拉紧螺杆与下拉紧法兰相连，上封口板和下封口板的中间位置均开设有与圆形接头外径相当的内孔，并与圆形接头的连接位置通过密封圈密封，上端盖、上封口板、承压筒、下封口板和底座之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊、加压钢板和反力钢板，加压钢板、液压囊和反力钢板组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着X方向和Y方向两两对称设置，反力钢板与承压筒内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板和反力钢板的两端且相对的一侧均设有肋板，反力钢板通过肋板悬挂在加压钢板上，液压囊被设在反力钢板和加压钢板之间，液压囊通过加压管路与外部液压源相连，承压筒侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔；下封口板的上部铺设有薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上面铺设土体，土体的上部铺设有粘土密封层，粘土密封层的上端均匀涂有黄油密封层，上封口板与黄油密封层之间的空腔构成轴向加压腔，并通过上封口板上开设的轴向加压孔向加压腔内注水；下封口板上开设有水压加压孔，水泵通过水压加压孔向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机，传感器组被布置在模型井壁和土体中，传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。模型井壁模拟斜井井壁的不规则形状，因此为了方便与外界密封隔绝，通过变径环与圆形接头与上封口板和下封口板之间密封；上封口板下端通过粘土密封层与黄油密封层设置一个轴向加压腔，通过向轴向加压腔注水达到施加轴向地压的目的，这种轴向地压的施加与其他方向压力的施加相互独立，且压力均匀，易于控制，所述粘土密封层可依据密封效果及压力大小增加其填充厚度；土体的四周对称布置水平加压装置，通过向液压囊注入压力水使其膨胀，从而推动加压钢板移动将荷载传递给土体，所述反力钢板为液压囊提供反力支撑，借助其后侧浇筑的混凝土垫层，进一步将反力传递给承压筒，水平力压的加载更加均匀稳定；水由水压孔注入便可在碎石层内迅速扩散并均匀向上传递，实现孔隙水压的加载；有效模拟正常使用阶段斜井井壁与地层的相互作用、孔隙水压对井壁的作用、不均匀地压对井壁以及地层的影响等试验。进一步的，还包括冻结系统，所述冻结系统包括低温制冷机和冻结液循环通道，模型井壁的两端分别通过变径环、圆形接头与下端的进液管、上端的出液管组成冻结液循环通道，进液管进口和出液管出口分别与低温制冷机相连。通过低温制冷机向冻结液循环通道内通入低温冻结液体，模拟地层的冻结过程。进一步的，所述传感器组包括粘贴于模型井壁内壁、外壁的若干应变传感器和若干温度传感器，以及埋设于土体内的温度传感器和土压计，土体内温度传感器的导线、土压计的导线，粘附于模型井壁外壁的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过承压筒上的引线孔一和引线孔二引出至数据采集仪；粘附于模型井壁内壁上的应变传感器的导线、温度传感器的导线通过出液管外壁上设置的圆形法兰接头引出至数据采集仪。进一步的，承压筒内沿着X方向设置的两个水平加压装置中的液压囊共同连接一个液压源，沿着Y方向设置的两个水平加压装置中的液压囊共同连接另一个液压源，两个液压源沿着X方向和Y方向施加不等的油压。通过向两个液压源施加不同的油压，实现X、Y向双向不等地压加载，模拟斜井在横截面上的不均匀地压。为了减小加压钢板与土体之间的摩擦阻力，提高力的传递，所述加压钢板与土体接触的界面置有双层聚四氟乙烯薄板。优选的，进液管与出液管采用耐低温的柔性材料。如硅胶、橡胶制作的管路。为了进一步提高系统的保温性能，整个高压试验台外侧包裹保温棉材料，进行绝热处理。一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验方法，包括以下步骤：第一步，制作模型井壁、变径环和圆形接头，并将模型井壁与变径环、圆形接头焊接连接，然后在模型井壁的内壁、外壁粘贴若干应变传感器和温度传感器；第二步，将承压筒与底座固定连接，二者之间接触部位通过密封圈密封；第三步，通过下拉紧螺杆及下拉紧法兰固定下封口板，下封口板的中心线与底座重合；第四步，分别定位四个反力钢板，反力钢板与承压内筒内壁之间浇注有混凝土垫层，反力钢板的背面通过焊接的钢筋固定在混凝土垫层，其下部通过混凝土固定在底座上；第五步，依次安装液压囊及加压钢板，液压囊通过加压管路经承压筒筒壁上的加压孔与液压源连接；第六步，将模型井壁底端的圆接头插入下封口板，二者间通过密封圈进行密封；第七步，在下封口板上表面铺设薄碎石层或者砂层，分层铺设土体，并将温度传感器和土压计置于预埋点，然后将各传感器导线通过承压筒筒壁上引线孔一和引线孔二引出并做好密封；第八步，土体上方铺厚粘土密封层，锤击密实，在粘土密封层上继续铺黄油密封层；第九步，吊装固定好上封口板的上端盖，上紧螺栓；并通过上拉紧螺杆及上拉紧法兰将上封口板固定在上端盖的下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒(1)、上端盖(2)和底座(3)，上端盖(2)通过螺母(33)、螺杆(34)和垫片(32)固定在承压筒(1)的上端，底座(3)通过螺母(33)、螺杆(34)和垫片(32)固定在承压筒(1)的下端，其特征在于，模型井壁(17)设在承压筒(1)内，模型井壁(17)的上端和下端分别通过变径环(18)与圆形接头(19)相连，上端的圆形接头(19)连接出液管(30)，下端的圆形接头(19)连接进液管(29)；高压试验台还包括上封口板(6)和下封口板(7)，上端盖(2)和底座(3)的内壁孔径均小于承压筒(1)的内壁孔径，且上端盖(2)内壁下端以及底座(3)的内壁上端均具有台阶面，上端盖(2)的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰(8)，底座(3)的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰(9)，上封口板(6)紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆(10)与上拉紧法兰(8)相连，下封口板(7)紧贴在底座(3)的上端并通过下拉紧螺杆(11)与下拉紧法兰(9)相连，上封口板(6)和下封口板(7)的中间位置均开设有与圆形接头(19)外径相当的内孔，并与圆形接头(19)的连接位置通过密封圈密封，上端盖(2)、上封口板(6)、承压筒(1)、下封口板(7)和底座(3)之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊(16)、加压钢板(14)和反力钢板(15)，加压钢板(14)、液压囊(16)和反力钢板(15)组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着X方向和Y方向两两对称设置，反力钢板(15)与承压筒内壁(1)之间浇注有混凝土垫层(21)，反力钢板(15)的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板(14)和反力钢板(15)的两端且相对的一侧均设有肋板(4)，反力钢板(15)通过肋板(4)悬挂在加压钢板(14)上，液压囊(16)被设在反力钢板(15)和加压钢板(14)之间，液压囊(16)通过加压管路与外部液压源相连，承压筒(1)侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔(25)；下封口板(7)的上部铺设有一层薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上面为土体(20)，土体(20)的上部铺设有粘土密封层(22)，粘土密封层(22)的上端均匀涂有黄油密封层(23)，上封口板(6)与黄油密封层(23)之间的空腔构成轴向加压腔(5)，并通过上封口板(6)上开设的轴向加压孔(27)向轴向加压腔(5)内注水；下封口板(7)上开设有水压加压孔(28)，水泵通过水压加压孔(28)向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机，传感器组被布置在模型井壁(17)和土体(20)中，传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。...

【技术特征摘要】
1.一种地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统，高压试验台包括承压筒(1)、上端盖(2)和底座(3)，上端盖(2)通过螺母(33)、螺杆(34)和垫片(32)固定在承压筒(1)的上端，底座(3)通过螺母(33)、螺杆(34)和垫片(32)固定在承压筒(1)的下端，其特征在于，模型井壁(17)设在承压筒(1)内，模型井壁(17)的上端和下端分别通过变径环(18)与圆形接头(19)相连，上端的圆形接头(19)连接出液管(30)，下端的圆形接头(19)连接进液管(29)；高压试验台还包括上封口板(6)和下封口板(7)，上端盖(2)和底座(3)的内壁孔径均小于承压筒(1)的内壁孔径，且上端盖(2)内壁下端以及底座(3)的内壁上端均具有台阶面，上端盖(2)的内壁台阶面上固定有上拉紧法兰(8)，底座(3)的内壁台阶面上固定有下拉紧法兰(9)，上封口板(6)紧贴在上端盖的下端并通过上拉紧螺杆(10)与上拉紧法兰(8)相连，下封口板(7)紧贴在底座(3)的上端并通过下拉紧螺杆(11)与下拉紧法兰(9)相连，上封口板(6)和下封口板(7)的中间位置均开设有与圆形接头(19)外径相当的内孔，并与圆形接头(19)的连接位置通过密封圈密封，上端盖(2)、上封口板(6)、承压筒(1)、下封口板(7)和底座(3)之间的连接接触位置之间均通过密封圈密封；压力加载系统包括液压源、加压管路、水泵、液压囊(16)、加压钢板(14)和反力钢板(15)，加压钢板(14)、液压囊(16)和反力钢板(15)组成水平加压装置，所述水平加压装置具有四组分别沿着X方向和Y方向两两对称设置，反力钢板(15)与承压筒内壁(1)之间浇注有混凝土垫层(21)，反力钢板(15)的底端浇筑于混凝土内固定，加压钢板(14)和反力钢板(15)的两端且相对的一侧均设有肋板(4)，反力钢板(15)通过肋板(4)悬挂在加压钢板(14)上，液压囊(16)被设在反力钢板(15)和加压钢板(14)之间，液压囊(16)通过加压管路与外部液压源相连，承压筒(1)侧壁上开设有容许加压管路通过的加压孔(25)；下封口板(7)的上部铺设有一层薄的碎石层或者砂层，碎石层或砂层上面为土体(20)，土体(20)的上部铺设有粘土密封层(22)，粘土密封层(22)的上端均匀涂有黄油密封层(23)，上封口板(6)与黄油密封层(23)之间的空腔构成轴向加压腔(5)，并通过上封口板(6)上开设的轴向加压孔(27)向轴向加压腔(5)内注水；下封口板(7)上开设有水压加压孔(28)，水泵通过水压加压孔(28)向碎石层或者砂层内加载孔隙水压；所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机，传感器组被布置在模型井壁(17)和土体(20)中，传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。2.根据权利要求1所述的地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，其特征在于，还包括冻结系统，所述冻结系统包括低温制冷机和冻结液循环通道，模型井壁(17)的两端分别通过变径环(18)、圆形接头(19)与下端的进液管(29)、上端的出液管(30)组成冻结液循环通道，进液管(29)进口和出液管(30)出口分别与低温制冷机相连。3.根据权利要求2所述的地压与水压联合加载斜井井壁受力模拟试验系统，其特征在于，所述传感器组包括粘贴于模型井壁(17)内壁、外壁的若干应变传感器和若干温度传感器，以及埋设于土体(20)内的温度传感器和土压计，土体内温度传感器的导线、土压计的导线，粘附于模型井壁外壁的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过承压筒(1)上的引线孔一(24)和引线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文，杨维好，王勇，黄家会，杨志江，张旭，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32