[發明專利]三維物理模型試驗方法

有效

• 申請號: 201610278811.7
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105699629B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 周輝;胡明明;張勇慧;張傳慶;高陽;盧景景;黃磊;魏天宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所42214
• 代理人: 周宗貴

技術領域

本發明屬于巖體力學的三維物理模型試驗裝置技術領域，具體涉及一種三維物理模型試驗方法。

背景技術

隨著社會經濟的發展及國民經濟的需求，地下礦山及隧道建設向深部轉移，巖石力學的研究重點日益轉向地下，在采礦工程和水電工程領域，地下巷道的長度、跨度及埋深也越來越大，因此在復雜地質條件下巷道開挖造成的圍巖應力調整過程及穩定性問題變得尤為重要，而現場圍巖監測需要較多的人力、物力和財力，付出的工作量大、周期長，而圍巖的變化和應力分布情況不能直接觀測到，在監測時又經常受到現場條件的限制，難以取得較好的成果。

物理模型試驗是研究深埋巷道及礦山壓力的重要研究手段之一，以相似理論為基礎的模型試驗在配制與工程巖體性質相似的物理材料基礎上，對試件進行加載、開挖和支護等，研究地下洞室的受力、變形和穩定性問題。物理模型試驗可以模擬巷道開挖、工作面回采等對圍巖應力調整過程、位移分布特征及位移最大值發生部位等。

物理模型試驗中圓形巷道使用鉆機開挖較容易實現，對于矩形巷道、直墻拱型巷道一般是采用手動開挖的方法或者預埋與隧洞形狀一樣的柱體。手動開挖費時費力且成巷效果不好，預埋柱體的方法分為加載前取出柱體一次成巷和加載過程中頂出柱體分段成巷，前者與現場實際開挖過程差距太大，后者在高應力和多條巷道交錯時較難實現。在采煤工作面回采三維模擬中，基本采用人工和簡易機械開挖，與實際開挖過程不符，無法實現采煤機割煤回采及一定傾角的傾斜回采。

實際生產中，金屬礦還會采用崩落采礦法，它是一種以崩落圍巖來實現地壓管理的采礦方法；即隨著崩落礦石，強制(或自然)崩落圍巖充填采空區，以控制和管理地壓。

此外，還有房柱法，它是空場采礦法的一種，將階段〔緩傾斜、傾斜礦床)或盤區(水平、微傾斜礦床)劃分成若干個礦房與礦柱(留有規則的不連續的礦柱)。回采工作在礦房中進行，礦柱在一般情祝下不進行回收。

這些實際生產的情況，現有的簡單物理模型試驗模型很難模擬實現。

發明內容

針對上述存在問題，本發明的目的在于提供一種三維物理模型試驗方法，包括以下步驟：

步驟1：在立方體框架面上設置水平面夾角α的多個相互平行的矩形大鋼板，并在兩塊矩形大鋼板之間設置多塊并排的矩形小鋼板；

在反力架內設置巖體模型，并安裝垂直加載系統、水平前后加載系統、水平左右加載系統；

設定垂直加載系統、水平前后加載系統、水平左右加載系統對巖體模型加載壓力；

步驟2：在模擬的巷道掘進位置處拆除一塊或多塊矩形小鋼板；形成和水平面夾角為α的巷道掘進面；

步驟3：在拆除矩形小鋼板的位置放入挖掘機器人，或者人工模擬挖掘巖體模型至目標位置；

步驟4：重復步驟2和3，直到完成第一個巷道的模擬開挖。

上述試驗方案中，所述的步驟4為：在已拆除的第一個矩形小鋼板的相鄰位置拆除下一塊矩形小鋼板；

步驟5：重復步驟2～4，完成工作面推進的模擬。

上述試驗方案中，所述的步驟4完成后：

步驟5：控制垂直加載系統、水平前后加載系統、水平左右加載系統制造震動，模擬一個工作面的一次現場爆破；

步驟6：直接將崩落下來的震動形成的巖體模型碎塊排出。

上述試驗方案中，所述的步驟6之后：

步驟7：在已拆除的第一個矩形小鋼板的相鄰位置拆除下一塊矩形小鋼板；

步驟8：操控垂直加載系統、水平前后加載系統、水平左右加載系統，控制并制造震動，再次模擬一個工作面的一次現場爆破；

步驟9：重復步驟7、8，直至完成本區段開采模擬。

上述試驗方案中，所述的步驟4之后；

步驟5：在已拆除的矩形小鋼板同一排、間隔一個或多個矩形小鋼板拆除下一塊矩形小鋼板；在拆除矩形小鋼板的位置放入挖掘機器人，或者人工模擬挖掘巖體模型至目標位置。

步驟6：同一排矩形小鋼板的上的挖掘完成后，再在另外兩個矩形大鋼板之間的一排矩形小鋼板上重復步驟2～5，形成縱橫交錯的巷道。

本發明設計的上述三維物理模型試驗方法，具有以下優點：

1、全方位三維模擬巖體內、外受力以及震動等情形，模擬還原實際巖體的預應力受力情況。

2、實際生產中，巷道及煤層開挖受到地形、巖體等多方限制，往往呈現各種傾斜和迂回，利用矩形大鋼板設計模擬保留巖體，一個或多個矩形小鋼板模擬巷道或開挖面，能夠保證巷道和開挖面的傾斜角度合適，模擬效果真實。