一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置及其制备方法

1.本发明属于岩土工程的技术领域，具体涉及一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置及其制备方法。


背景技术：

2.自然界分布广泛的天然岩体均是岩块和结构面的组合体，节理裂隙是影响岩体稳定性的主要因素，随着人们对能源的需求愈来愈高，矿山资源的开采正在逐步的朝深部发展。然而，由于深部资源赋存地质条件极为复杂，节理等地质构造广泛分布，深部高地应力、强烈工程扰动等复杂地质及力学条件使得深部资源开采过程中的动力灾害愈加严重且复杂。因此，分析荷载作用下节理岩体的力学行为至关重要。
3.在实际的岩土工程中，节理岩体中的地下硐室往往最容易受到动载的影响，如爆破和地震。节理的力学性质与空间分布直接决定了应力波在节理面处的透反射规律，从而进一步影响了地下硐室的破坏程度。因此，亟需研究在初始地应力作用下节理岩石的动态力学特性以及动荷载作用下节理岩体地下硐室的动态响应，这对深部资源的精准开采具有重大的科学与工程意义。
4.有关节理岩体的研究一直是矿山能源开采的热点话题，但由于现场取样时，岩石的节理构造极不易辨识、所取试样的体积大小受限、所取节理岩石的非均质性等问题的存在，导致研究节理岩体中的相关力学行为仍有很大困难。相比较于现场取样，在实验室内通过岩体浆料制造不同角度的节理岩体，进而研究地下硐室在动载作用下的响应特征，无疑是一个较为可行的途径。
5.现有技术中，实验室条件下制备节理岩体主要存在以下几个问题：
6.(1)制备节理岩体的模具不具有节理角度可调功能；
7.(2)节理的材料选择与制作方法过于复杂；
8.(3)制备节理岩体的模具不可以同时制备节理与硐室；
9.因此，迫切需要一种简单易行、高效可靠的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置及其使用方法。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置及其制备方法。
11.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
12.一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置，包括挡板单元、节理单元、硐室单元。
13.所述挡板单元包括底板、前置下挡板、硐室定位板、限位板、侧挡板、后挡板、上挡板、限位杆。所述底板放置于固定支撑件与垫块上方，所述侧挡板、前置下挡板与后挡板均直接布置在底板之上；所述限位板与后挡板同一水平高度上均开设有若干限位孔；所述限
位杆穿过所述限位板和后挡板上开设的若干限位孔，对所述上挡板起到固定作用；所述前置下挡板与底板、侧挡板与底板、后挡板与底板、侧挡板与限位板、侧挡板与硐室定位板、侧挡板与前置下挡板之间通过所述直角固定件与所述固定螺母进行组合固定。
14.所述节理单元包括液压控制系统、铰链装置和节理材料。所述液压控制系统主要包括液压缸、液压管路和电动泵站；所述铰链装置位于底板左右两侧，左侧的铰链装置与底部的固定支撑件相连，右侧的铰链装置与液压缸相连，保证制备装置整体能够绕左侧的铰链装置旋转一定角度；所述节理材料选用原始木浆制作而成的薄纸。
15.所述硐室单元包括硐室模具、模具拉环、硐室定位板、硐室预留孔，所述硐室模具穿过硐室定位板与后挡板的硐室预留孔。
16.优选的，所述底板、前置下挡板、硐室定位板、限位板、侧挡板、后挡板以及上挡板的材料均为铝合金，具有自身重量轻、安装方便快捷、拆卸方便、运输难度小的特点。硐室模具的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，具有低价格、韧性好、不易破损、修复性强的特点，经久耐用。
17.优选的，所述后挡板与限位板在相同的水平、垂直位置处均设置有限位孔。
18.优选的，所述硐室模具的下表面与制备装置的底板平行，后挡板与硐室定位板在相同的水平、垂直位置处均设置有硐室预留孔。
19.优选的，所述预支节理面与硐室模具位置交叉时，铺设的节理材料在硐室模具位置处为非连续状态。
20.优选的，为了整个浇筑过程中砂浆加入与节理铺设的简单易行，所述前置下挡板、硐室定位板和限位板在与底板垂直的方向上尺寸可调。
21.优选的，若干限位孔等间距分布在限位板上，根据加入的水泥砂浆的实时高度安装所需的限位杆，固定上挡板，保证浇筑的水泥砂浆不从顶部外泄。
22.优选的，上挡板为若干个小挡板组成，根据浇筑高度的增加逐步添加小档板，直至装置中充满水泥砂浆；
23.优选的，所述固定支撑件、液压缸均与地面刚性固定，所述垫块的高度略大于固定支撑件、液压缸的初始高度。
24.本发明同时提出了一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置的制备方法，包括如下步骤：
25.1、底板放置在垫块之上，将固定支撑件、液压缸通过铰链装置与底板连接；
26.2、利用直角固定件、固定螺母安装拼接限位板、硐室板之外的挡板；
27.3、两个铰链之间的距离为l，根据所确定的节理角度β，启动电动泵站，将液压缸升至一定高度h，三者之间满足以下关系：
[0028][0029]
4、根据方案，在装置内壁不同水平高度做好节理所处位置标记；
[0030]
5、将水泥、细黄砂、水按照a：b：c的配比混合，配制水泥砂浆；
[0031]
6、将配置好的水泥砂浆加入装置并震荡均匀，当加入的砂浆高度达到第一处节理布置标记时，平整铺设节理材料；
[0032]
7、重复浇筑步骤6，当水泥砂浆即将溢出前置下挡板时，安装硐室定位板；当水泥
砂浆浇筑至硐室预留孔时，安装硐室模具；当水泥砂浆即将溢出硐室定位板时，安装限位板；当水泥砂浆即将溢出限位板时，逐个布置上挡板，直至水泥砂浆充满装置。
[0033]
8、等待5～8h，待水泥砂浆终凝时，及时通过模具拉环拽出硐室模具；
[0034]
9、24h后，拧松四周的固定螺栓，取下除底板之外的所有挡板；控制电动泵站调整液压缸恢复到初始未抬升状态；然后按照水泥砂浆试样养护方法，持续养护28d之后，试样浇筑完成。
[0035]
本发明的有益效果是：
[0036]
1、节理材料选用原始木浆制作而成的薄纸，纸张的厚度为0.07mm，远远小于爆破、地震等动载产生的应力波波长(50～715m)，完全可以看作为岩体之中的非连续面。
[0037]
2、根据液压缸的支撑高度h与两个铰链之间的距离l之间的三角函数关系，通过调整液压缸的支撑高度h，能够浇筑0～90
°
任意节理角度的含硐室岩体。
[0038]
3、可根据不同的浇筑方案，更换不同规格的硐室定位板与后置挡板，实现含有不同硐室形状、不同硐室位置或者不同硐室数量的节理岩体浇筑，简单易行，保质高效。
[0039]
4、装置整体具有低价格、高性能的特点，方便拆卸、经久耐用。
[0040]
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，不仅可以制备同时含有节理面和硐室的浇筑岩体，而且节理面与硐室的规格数量均可按需调整，其结构和方法简单，易于操作。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置主视图；
[0043]
图2为本发明的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置左视图；
[0044]
图3为本发明的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置右视图；
[0045]
图4为本发明的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置俯视图；
[0046]
图5为本发明的预支节理面可调的含硐室岩体制备装置具体制备示意图。
[0047]
图中，1—底板、2—前置下挡板、3—硐室定位板、4—限位板、5—侧挡板、6—后挡板、7—上挡板、8—限位杆、9—限位孔、10—液压缸、11—液压管路、12—电动泵站、13—铰链装置、14—节理材料、15—硐室模具、16—模具拉环、17—硐室预留孔、18—水泥砂浆、19—固定螺母、20—直角固定件、21—固定支撑件、22—垫块。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
请参阅图1和图5，本实施例提供了一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置，
该制备装置包括挡板单元、节理单元和硐室单元。
[0050]
所述挡板单元包括底板1、前置下挡板2、硐室定位板3、限位板4、侧挡板5、后挡板6、上挡板7和限位杆8。所述底板1放置于固定支撑件21与垫块22上方，所述侧挡板5、前置下挡板2与后挡板6均直接布置在底板1之上；所述限位板4与后挡板6在同一水平高度上均开设有若干限位孔9；所述限位杆8穿过限位孔9，对所述上挡板7起到固定作用；所述前置下挡板2与底板1、侧挡板5与底板1、后挡板6与底板1、侧挡板5与限位板4、侧挡板5与硐室定位板3、侧挡板5与前置下挡板2之间通过所述直角固定件20与固定螺母19进行组合。
[0051]
所述节理单元包括液压控制系统、铰链装置13和节理材料14。所述液压控制系统主要包括液压缸10、液压管路11和电动泵站12；所述铰链装置13位于底板1左右两侧，左侧的铰链装置13与底部固定支撑件21相连，右侧的铰链装置13与液压缸10相连，保证制备装置整体能够绕左侧的铰链装置13旋转一定角度；所述节理材料14选用原始木浆制作而成的薄纸。
[0052]
所述硐室单元包括硐室模具15、模具拉环16、硐室定位板3、硐室预留孔17，所述硐室模具15穿过硐室定位板3与后挡板6的硐室预留孔17。
[0053]
本实施例中，所述底板1、前置下挡板2、硐室定位板3、限位板4、侧挡板5、后挡板6以及上挡板7的材料均为铝合金，具有自身重量轻、安装方便快捷、拆卸方便、运输难度小的特点。硐室模具15的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，具有低价格、韧性好、不易破损、修复性强的特点，经久耐用。
[0054]
本实施例中，所述后挡板6与限位板4在相同的水平、垂直位置处均设置有限位孔9。
[0055]
本实施例中，所述硐室模具15的下表面与制备装置的底板1平行，后挡板6与硐室定位板3在相同的水平、垂直位置处均设置有硐室预留孔17。
[0056]
本实施例中，所述节理材料14与硐室模具15位置交叉时，铺设的节理材料14在硐室模具15位置处为非连续状态。
[0057]
本实施例中，为了保证整个浇筑过程中水泥砂浆18的加入工作与节理材料14的铺设工作简单易行，所述挡板单元中的前置面板被划分为3部分，即前置下挡板2、硐室定位板3、限位板4。
[0058]
本实施例中，上述预支节理面可调的含硐室岩体制备装置中，若干限位孔9等间距分布在限位板4上，根据加入水泥砂浆18的实时高度安装所需限位杆8，固定上挡板7，保证水泥砂浆18不从顶部外泄。
[0059]
本实施例中，上挡板7为若干个小挡板组成，根据浇筑高度的增加逐步添加小档板，直至装置中充满水泥砂浆18。
[0060]
本实施例中，所述固定支撑件21、液压缸10均与地面刚性固定，所述垫块22的高度略大于固定支撑件21、液压缸10的初始高度。
[0061]
本实施例还提供了一种预支节理面可调的含硐室岩体制备装置的制备方法，包括如下步骤：
[0062]
1)确定所需浇筑试样的尺寸为750mm
×
750mm
×
40mm，将制备装置的底板1放置在垫块22之上，将固定支撑件21、液压缸10通过铰链装置13与底板1连接，铰链装置13距底板1两侧外边缘的距离均为20mm；
[0063]
2)利用直角固定件20、固定螺母19安装拼接限位板4、硐室定位板3之外的各挡板；
[0064]
3)根据所确定的节理角度β为30
°
，此时两个铰链装置13之间的距离l为710mm根据下列公式计算液压缸需要升至的高度h：
[0065][0066]
4)根据制备方案，在制备装置内壁150mm、300mm、450mm、600mm以及750mm共5个不同水平高度做好节理所处位置标记；
[0067]
5)将普通硅酸盐水泥(pc32.5)、细黄砂、水按照1：2：0.6的配比混合，配制水泥砂浆18；
[0068]
6)将配置好的水泥砂浆18加入制备装置并震荡均匀，当加入的水泥砂浆18的高度达到第一个节理布置标记(150mm)时，平整铺设节理材料14；
[0069]
7)重复浇筑步骤6，当水泥砂浆18即将溢出前置下挡板2时，安装硐室定位板3；当水泥砂浆18浇筑至硐室预留孔17时，安装硐室模具15；当水泥砂浆18即将溢出硐室定位板3时，安装限位板4；当水泥砂浆18即将溢出限位板4时，布置上挡板7，直至水泥砂浆18充满装置；
[0070]
8)等待5～8h，待水泥砂浆18终凝时，及时通过模具拉环16拽出硐室模具15；
[0071]
9)24h之后，拧松四周的固定螺母19，取下除底板1之外的所有挡板；控制电动泵站12调整液压缸10恢复到初始未抬升状态；然后按照水泥砂浆试样养护方法，持续养护21d-28d之后，试样浇筑完成。
[0072]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。