[發明專利]一種用于模擬地下開采的實驗方法

在審

• 申請號: 201811242380.4
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109239312A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 張麗萍;蔣愛萍;鄧清海
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明公開了一種用于模擬地下開采的實驗方法，在正六面體的模型內置入一個直角六面體膠囊，膠囊下部各安裝一個閥門，并且膠囊下部連接一個導管，通過下部導管可以排出液體，向膠囊中注滿鹽水，且關閉上下閥門，在模型內放置兩根鋼化柱，鑄模前，將盛滿液體的膠囊安置在鋼化柱設定的位置上，然后進行鑄模，根據要鑄成模型的體積，將明膠、甘油和水混合，加熱攪拌，直至達到熔融狀態，將接近凝固點的熔體倒入安裝好的模具內進行鑄模。鑄模完成后，通過排出膠囊中的液體來實現地下開采模擬。本發明的有益效果是可利用小模型來實現不同厚度、不同深度的地下開挖三維模擬，并能及時有效地顯示地表下沉盆地的形狀。

技術領域

本發明屬于工程地質技術領域，涉及一種用于模擬地下開采的三維小模型及實驗方法。

背景技術

常用的物理模擬試驗方法，按照試驗裝置類型和對模型體施加外力作用方式的不同，大致可分為框架式模型試驗、底摩擦模擬試驗、離心模型試驗和三維及足尺模型試驗。這些物理模擬試驗方法，主要用在邊坡及擋土墻、地下結構及基坑開挖、地基路堤及隧洞圍巖的變形、破壞現象發生的條件和機制的研究方面。雖然，物理模型試驗方法在工程地質和巖石力學領域里得到了廣泛的應用，但現有方法在進行物理模擬時，尚存在一些不足，具體如下：

(1)在靜態模擬的條件下，模型的尺寸太大，耗時太長。至少也得兩米左右高；準備一個實驗，至少也得兩三個月；由于模型尺寸大，成本自然也會高。

(2)以往關于開挖問題的物理模擬中，一直存在著如何實現在自重體積力作用下小模型的變形和破壞的模擬問題。要想解決這個問題，必須找到或制成一種極低強度的彈性材料，用以組建模型體，使其在小尺寸模型的開挖條件下就能夠模擬出所發生的宏觀變形和破裂現象。

(3)在以往的研究中，多以平面應變模型、平面應力模型及小型的立體模擬實驗裝置為主，這在解決模型的邊界效應、加載及測試手段等問題中都存在一定的局限性。處在三維應力狀態的研究對象，采用三維模擬實驗較為理想。

(4)使用離心機模擬自重體積力作用下開挖引起地質體的變形、破壞，雖然也可以做到使模型小型化，但由于在模型體中不是每一點的旋轉半徑都相同，因此，當模型體受到慣性離心力的作用時，其中每一點的加速度并不都是相同的。另外，這種方法也不能消除彈性模型中的初始應變能，由于這個原因，從模擬的原理上說，不可能正確地模擬出開挖引起位移場中各點位移矢量的方向，并且也很難模擬出平面應變的條件。有的研究者在模型體表面粘貼塑料膜，那樣做，就會在很大程度上束縛了模型體在拉張區域的變形。加之成本較高、操作不方便、并且具有一定的危險性等缺點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于模擬地下開采的實驗方法，本發明的有益效果是：

(1)尺寸小。設計的模型材料具有相對較低的彈性模量和較大的泊松比，根據相似理論，模型的彈性模量如降低一個數量級，那么，它顯示開挖引起的位移就會增大到一個數量級。為此，本實驗采用軟材料小尺寸模型來模擬巖體變形現象，節省材料、空間，這是相對于大尺寸“硬”模型的優點。

(2)實驗準備時間短。可從以往常用模型準備所需時間的幾個月縮短至兩三天以內。

(3)實現三維變形監測。可及時有效地顯示地表下沉盆地的(俯視)形狀，反映盆地邊緣形狀的環型曲線，以及實現對地表變形量(水平位移，沉降量)的監測。

(4)重復利用，節省材料。用過的模型體，可以重熔，鑄制新的模板。這樣反復多次使用，就會使實驗材料的成本大大降低。