三維物理模型試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖體力學(xué)的三維物理模型試驗裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維物理模型試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國民經(jīng)濟(jì)的需求，地下礦山及隧道建設(shè)向深部轉(zhuǎn)移，巖石力學(xué)的研究重點日益轉(zhuǎn)向地下，在采礦工程和水電工程領(lǐng)域，地下巷道的長度、跨度及埋深也越來越大，因此在復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道開挖造成的圍巖應(yīng)力調(diào)整過程及穩(wěn)定性問題變得尤為重要，而現(xiàn)場圍巖監(jiān)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(yīng)力分布情況不能直接觀測到，在監(jiān)測時又經(jīng)常受到現(xiàn)場條件的限制，難以取得較好的成果。
[0003]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(chǔ)的模型試驗在配制與工程巖體性質(zhì)相似的物理材料基礎(chǔ)上，對試件進(jìn)行加載、開挖和支護(hù)等，研究地下洞室的受力、變形和穩(wěn)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(yīng)力調(diào)整過程、位移分布特征及位移最大值發(fā)生部位等。
[0004]物理模型試驗中圓形巷道使用鉆機(jī)開挖較容易實現(xiàn)，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(yù)埋與隧洞形狀一樣的柱體。手動開挖費(fèi)時費(fèi)力且成巷效果不好，預(yù)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(xiàn)場實際開挖過程差距太大，后者在高應(yīng)力和多條巷道交錯時較難實現(xiàn)。在采煤工作面回采三維模擬中，基本采用人工和簡易機(jī)械開挖，與實際開挖過程不符，無法實現(xiàn)采煤機(jī)割煤回采及一定傾角的傾斜回采。
[0005]實際生產(chǎn)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(xiàn)地壓管理的采礦方法;即隨著崩落礦石，強(qiáng)制(或自然)崩落圍巖充填采空區(qū)，以控制和管理地壓。
[0006]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(qū)(水平、微傾斜礦床)劃分成若干個礦房與礦柱(留有規(guī)則的不連續(xù)的礦柱)?；夭晒ぷ髟诘V房中進(jìn)行，礦柱在一般情祝下不進(jìn)行回收。
[0007]這些實際生產(chǎn)的情況，現(xiàn)有的簡單物理模型試驗?zāi)Ｐ秃茈y模擬實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述存在問題，本發(fā)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:
[0009]步驟1:在立方體框架面上設(shè)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(shè)置多塊并排的矩形小鋼板；
[0010]在反力架內(nèi)設(shè)置巖體模型，并安裝垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)、水平左右加載系統(tǒng)；
[0011]設(shè)定垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)、水平左右加載系統(tǒng)對巖體模型加載壓力；
[0012]步驟2:在模擬的巷道掘進(jìn)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(jìn)面；
[0013]步驟3:在拆除矩形小鋼板的位置放入挖掘機(jī)器人，或者人工模擬挖掘巖體模型至目標(biāo)位置；
[0014]步驟4:重復(fù)步驟2和3，直到完成第一個巷道的模擬開挖。
[0015]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；
[0016]步驟5:重復(fù)步驟2?4，完成工作面推進(jìn)的模擬。
[0017]上述試驗方案中，所述的步驟4完成后:
[0018]步驟5:控制垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)、水平左右加載系統(tǒng)制造震動，模擬一個工作面的一次現(xiàn)場爆破；
[0019]步驟6:直接將崩落下來的震動形成的巖體模型碎塊排出。
[0020]上述試驗方案中，所述的步驟6之后:
[0021]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；
[0022]步驟8:操控垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)、水平左右加載系統(tǒng)，控制并制造震動，再次模擬一個工作面的一次現(xiàn)場爆破；
[0023]步驟9:重復(fù)步驟7、8，直至完成本區(qū)段開采模擬。
[0024]上述試驗方案中，所述的步驟4之后；
[0025]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(jī)器人，或者人工模擬挖掘巖體模型至目標(biāo)位置。
[0026]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(fù)步驟2?5，形成縱橫交錯的巷道。
[0027]本發(fā)明設(shè)計的上述三維物理模型試驗方法，具有以下優(yōu)點:
[0028]1、全方位三維模擬巖體內(nèi)、外受力以及震動等情形，模擬還原實際巖體的預(yù)應(yīng)力受力情況。
[0029]2、實際生產(chǎn)中，巷道及煤層開挖受到地形、巖體等多方限制，往往呈現(xiàn)各種傾斜和迂回，利用矩形大鋼板設(shè)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。
[0030]3、巷道和開挖面由機(jī)器人或人工開挖處理，能夠真實的模擬盾構(gòu)等設(shè)備的掘進(jìn)過程，以及采礦時的各種開挖操作，相比現(xiàn)有的預(yù)埋法的模擬效果更接近實際情況。
[0031]4、在上述掘進(jìn)模擬過程中，還可以利用各個加載系統(tǒng)及各個千斤頂給巖體模型施加外力，同步模擬實際巖體受到的內(nèi)部、外部的應(yīng)力;可以適應(yīng)更多、更復(fù)雜的模擬情況。
[0032]5、將兩塊矩形大鋼板之間的一排矩形小鋼板拆除，露出的巖體模型即模擬巖體。通過拆除不同位置的矩形小鋼板，留下一部分巖體模型不開挖，是模擬開挖中保留的巖體部分。通過不同尺寸的矩形大、小鋼板之間相互配合，可以實現(xiàn)不同尺寸的巷道、工作面以及保留巖體之間的模擬。
[0033]本發(fā)明設(shè)計的三維物理模型試驗方法，還可以配合機(jī)器人使用，能夠自動化開采模擬模擬各種巖體內(nèi)開挖巷道、工作面、掘進(jìn)面等情形，外部可調(diào)控巖體模型的受力情況，同時還可以利用機(jī)器人或人工在指定位置設(shè)置錨桿、進(jìn)行圍巖噴漿等操作。該試驗的裝置整體結(jié)構(gòu)堅固，試驗方法操作簡單，保證巖體挖掘的模擬試驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可廣泛應(yīng)用于各種隧洞、圍巖、巷道、掘進(jìn)面等巖體開挖的模擬生產(chǎn)情形，配合相應(yīng)的巖體的試驗和研究。
【附圖說明】
[0034]圖1為一種三維物理模型試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2是圖1中外力架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖3是圖2中外力架的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖4是圖1中連接螺栓將矩形大鋼板安裝在立柱上的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖5是圖1中立方體框架面的布置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖6是圖5中矩形大鋼板和矩形小鋼板連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖7是矩形大鋼板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖8為矩形小鋼板的結(jié)構(gòu)左視圖。
[0042]圖9為矩形小鋼板的結(jié)構(gòu)正視圖。
[0043]圖10是巖體模型及加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖11是巖體模型及加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖中:反力架AO、水平梁Al、立柱A2(其中:立柱A2.1、立柱A2.2)、螺栓安裝凹槽A3、卡口 A4、凸條A5、矩形大鋼板A6 (其中:矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2、矩形大鋼板連接螺栓孔A6.3)、矩形小鋼板A7 (其中:手柄A7.1、矩形小鋼板連接螺栓孔A7.2)、連接螺栓AS、長螺栓A9、反力架面板A10、立方體框架面All、巖體模型A12、水平左右加載系統(tǒng)A13、水平前后加載系統(tǒng)A14、垂直加載系統(tǒng)A15、左側(cè)震動千斤頂A16、后側(cè)震動千斤頂A17、上側(cè)震動千斤頂Al 8、左承壓板Al 9、后承壓板A21、上承壓板A22。
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，以便于人們對本發(fā)明的理解。
[0047]如圖1?11所示，本發(fā)明設(shè)計了一種三維物理模型試驗方法，其采用的試驗?zāi)Ｐ偷耐獠繛榉戳蹵0，所述反力架AO的立方體形框架由八個橫向設(shè)置的水平梁Al和四個縱向設(shè)置的立柱A2組成，所述反力架AO的至少一個立方體框架面All上有如下設(shè)置: