CN102446447B - 深部矿井建设工程三维模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部矿井建设工程三维模型试验系统，包括液压加载系统、操控系统、数据监测系统和反力框架装置，液压加载系统包括对应连通的伺服油源组和伺服做动器组，以及用于支撑伺服做动器组的做动器支撑架，反力框架装置包括‘回’字形主架体、门式反力架、后加载架、驱动装置和轮式支架，门式反力架轴连接在‘回’字形主架体的侧面，后加载架对应于门式反力架，伺服做动器组通过做动器支撑架分别固定在“回”字形主架体和后加载架工作端的内侧端面上。其整体结构设计合理，操作简单，使用方便、灵活，三维模型空间模拟真实、可靠，适用范围广、适应性强。

Description

深部矿井建设工程三维模型试验系统

技术领域

本发明涉及一种深部矿井建设工程三维模型的试验系统，可用于矿山建设方面的理论、试验研究和实践教学。

背景技术

大型岩土工程领域科学研究的主要方法包括：理论推导、实验室模型试验、现场试验和计算机仿真模拟。这其中，实验室模型试验有着其他几种研究方法不可替代的优越性。

自上世纪初开始，西方一些国家开始用模型试验的方法来研究结构问题，并由此建立了相似理论。随着相似模型理论的发展，西方多个国家开始将相似模型理论应用到地下工程领域，设计了多个地下工程模型实验装置。国内从70年代开始，中科院武汉分院、中国矿业大学、西南交通大学、清华大学、总参三所等多个科研院校也设计了自己的模型试验系统，开始这方面的研究。

要进行实验室模型试验研究，就需要有模型试验系统，目前有关地下工程领域模型试验系统的研究现状如下：

解放军工程兵三所地质力学模型试验装置的最大模型尺寸为160cm×140cm×40cm，最大加载能力垂直和水平方向均为2.5MPa。可进行洞室、洞群、边坡和基坑等4类典型工程的地质力学模型试验，可按平面应力与准平面应变两种条件进行模型试验；模型边界可加均布荷载，也可加阶梯形荷载；但该装置是平面模型试验系统，不能进行三维试验。

中国矿业大学(北京)的城市地下工程相似模拟试验系统，可以模拟地铁隧道、基础工程、边坡稳定和非开挖等各种城市地下工程，并可实现地下水对地下工程影响的模拟；但该试验系统主要应用于浅层地下工程，不能进行深部地质力学模型试验。

中国矿业大学(徐州)的真三轴巷道平面模型试验台，模型尺寸为1m×1m×0.2m，加载方式为液压枕加载，属于准平面模型，主要用于巷道模型加载，但其模型尺寸较小且试验台允许变形较小，不能进行高地应力模型试验。

山东大学的高地应力准三维可视化模型试验台架装置及组合式三维地质力学模型试验台，试验系统装置尺寸均比较大，可进行多种地质条件下的模型试验，但试验装置不够灵活，可扩展功能较少。

另外一些三维模型试验系统也存在不同的问题，诸如不能进行水固耦合试验、不能模拟爆破工程、不能同时进行采场模型试验和巷道模型试验等。

发明内容

鉴于上述现有模型试验系统存在的不足，本发明旨在于提供一种深部矿井建设工程三维模型试验系统，除能进行一般模型试验外，还可对高地应力、地下爆破工程、富水工程、热岩工程、冲击地压、放射性物质储备工程等进行模型试验。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

深部矿井建设工程三维模型试验系统，包括液压加载系统、操控系统、数据监测系统和反力框架装置，液压加载系统包括对应连通的伺服油源组和伺服做动器组，以及用于支撑伺服做动器组的做动器支撑架；反力框架装置中主架体为‘回’字形结构，‘回’字形主架体的前端设有门式反力架，后端设有后加载架；门式反力架轴连接在‘回’字形主架体的侧面，门式反力架的内侧面为平板状；后加载架的工作端活动插接在‘回’字形主架体的后端开口上，后加载架的工作端面与门式反力架相对应；伺服做动器组通过做动器支撑架分别固定在‘回’字形主架体和后加载架工作端的内侧端面上，伺服做动器均匀排列；数据监测系统安装在反力框架装置内的试验样品上；操控系统分别与液压加载系统和数据监测系统信号连接。

所述反力框架装置还包括驱动装置和轮式支架，后加载架与‘回’字形主架体相对独立，轮式支架分别连接在主架体和后加载架底部，驱动装置设置在后加载架上，并与后加载架底部轮式支架的支撑轮相连接。

所述后加载架包括支撑架和拉杆组件，驱动装置和连接在后加载架底部的轮式支架分别连接在支撑架上，支撑架的工作端插接在‘回’字形主架体的后端开口上；拉杆组件由带有螺纹的拉杆和套在拉杆内侧起调节、限位作用的套筒组组成，支撑架顶部通过拉杆和套筒组与‘回’字形主架体连接固定。

所述门式反力架上还设有制模挡板，制模挡板位于门式反力架内侧面与试验样品之间。

所述门式反力架上还设有模拟巷道开挖口，开挖口上设有可拆装的堵板。

本发明所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，其有益效果为：

(1)系统为可变动结构。既可以实现平面模型试验，又可以进行三维模型试验，达到一机多用的目的。

(2)反力架采用门式结构。用整体门式结构代替通常采用的加载架槽钢梁作为开挖面板，门式结构通过门轴转动来实现开合，安装和拆卸试验样品方便、灵活、快捷。克服了目前大部分加载架前挡板由型钢组装而成，安装时需要行车和人工操作，存在安全隐患和劳动强度大的缺点。

(3)本发明可模拟地下爆破试验。目前爆破试验均是采用相似材料在无约束的条件下进行的，这种无围压条件与地下工程爆破施工条件不符，在该加载系统中完成爆破试验更能反映地层爆破的特点。

(4)本发明可实现富水条件下水-岩耦合的巷道(隧道)工程试验研究。

(5)可实现真实应力环境下模拟开挖与支护研究。与传统的模型试验为先铺模后开挖加载方式不同，本发明模拟真实应力环境实现先加载后开挖，真实施工情况的模拟更能揭示巷道工程围岩的变形破坏特征，并可实现复杂工程的人工开挖、爆破开挖、机械自动连续模拟开挖等多种开挖方式。

(6)模拟巷道围岩性能的范围更广。本发明的高应力设计可以实现从完整围岩到节理发育围岩的模拟，三维高应力条件的围岩和工程特征模拟。

(7)可研究中间应力对工程的影响。常规的平面加载模型无法实现中间应力的模拟，本发明无论用于理论研究或工程研究都更加合理和真实。

(8)可实现围岩碎涨力的测试。在相同的地压和不同支护反力作用下巷道围岩的松动圈不同，现有的试验装置不易控制支护阻力的大小，测试围岩的碎涨力也不甚方便。本发明系统在巷道内增加了一套加载装置，其支护反力可以人为控制，从而可以更方便的研究围岩松动圈和碎涨力等关键问题。

附图说明

图1为本发明的侧向结构示意图；

图2为本发明的正向结构示意图。

具体实施方式

本发明的中心思想是：利用‘回’字形主架体和前、后端对应设置的门式反力架及后加载架，在模拟试验系统中形成一个相对封闭的三维模拟空间，通过分析三维模拟空间中试验样品在各种模拟环境和负载状态下的受力、变形情况，得出模拟环境状态下试验样品的试验数据，为实际深部矿井建设施工过程提供理论和数据依据，保证施工过程能够安全、顺利、有序进行。

下面结合附图1、图2对本发明做进一步的描述：

本发明所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，包括液压加载系统、操控系统9、数据监测系统10和反力框架装置。操控系统9通过控制液压加载系统在反力框架装置中形成所需三维模型空间的压力环境，对试验样品11进行环境模拟再现，同时，接收来自试验样品11中分布的数据监测系统10采集的试验数据信息，经汇总、处理后形成所需试验数据，为真实环境下地质受力变化情况提供理论依据。

其中，反力框架装置包括主架体2、门式反力架1、后加载架、驱动装置5和轮式支架6。主架体2为‘回’字形结构，由优质钢板、槽钢、工字钢等材料通过焊接、螺栓连接等方式组合而成，主架体2主要由上下横梁、左右立柱和反力支撑梁等部件组成。为形成封闭的试验空间，在‘回’字形主架体2的前端设有门式反力架1，门式反力架1通过立轴12连接在‘回’字形主架体2的侧面，通过把手19可以方便地将门式反力架1开启或关闭，以便于试验样品11在反力框架装置内的拆卸和安装。门式反力架1的内侧面为平板状，为增加强度，门式反力架1的外侧表面还设有加强筋和反力支撑。后加载架则与‘回’字形主架体2保持相对独立，与‘回’字形主架体2一起构成两个相对独立的力系。后加载架主要包括支撑架3和拉杆组件，轮式支架6分别连接在支撑架3和‘回’字形主架体2的底部。支撑架3的工作端活动插接在‘回’字形主架体2的后端开口上，工作端面与门式反力架1相对，从而与‘回’字形主架体2一起在反力框架装置内部形成了一个相对封闭的密封空间。为使反力框架装置内部试验空间实现可调，驱动装置5连接在后加载架的支撑架3上，驱动装置5与支撑架3底部轮式支架6的支撑轮连接传动，推动和调节支撑架工作端插入‘回’字形主架体2中的深度，从而实现试验空间的厚度调节。为保证工作中支撑架3位置相对固定，支撑架3顶部通过拉杆组件还与‘回’字形主架体2连接。其中，拉杆组件由带有螺纹的拉杆4和套在拉杆4内侧起调节、限位作用的多个套筒8组成，拉杆4一端固定在‘回’字形主架体2的端面上，另一端穿过支撑架3顶部后由螺母固定，拉杆4的内侧则由套筒8进行组合支撑，当支撑架3移动时，相应增减套筒8个数和旋动螺母即可实现位置调整。

为进一步提高通用性，在门式反力架1上还设有制模挡板16。制模挡板16位于门式反力架1的内侧面上，用于支撑散状试验样品11，以简化安装过程，保证试验过程能够可靠、顺利进行。

而为进一步扩展适用性，在门式反力架1上还设有模拟巷道开挖口，开挖口上设有可拆装的堵板17。开挖口用于试验样品11在负载状态下的巷道模拟挖掘过程使用，对深部矿井巷道挖掘进行模拟研究。平时不用时，开挖口被堵板17密封，不会对门式反力架1的使用造成影响。

液压加载系统包括对应连通的伺服油源组7和伺服做动器组15，以及用于支撑伺服做动器组15的做动器支撑架18，伺服油源组7负责产生所需的液压压力，保证伺服做动器组15工作；伺服做动器用于对试验样品11进行加压动作，模拟试验样品11在真实环境下的受力情况。为使试验样品11实现三维负载，伺服做动器组15通过做动器支撑架18被分别设置在‘回’字形主架体2和支撑架3工作端的内侧端面上，各个伺服做动器组15中的伺服做动器都为均匀分布，并通过伺服油源组7实现相应地压力控制。通常情况下，一个伺服油源可为一个伺服做动器组15中的多个伺服做动器同时提供动力，从而在某一方向上形成所需的均衡压力。多个伺服油源组7的组合使用，即可实现试验样品11的三维模拟负载，保证了模拟环境的真实性和可靠性以及有效性，模拟过程灵活、方便。当然，也可根据需要，由一个伺服油源为一个伺服做动器提供动力，使压力控制更精细，调节更灵活、准确，以适应特殊条件下的模拟需要。

数据监测系统10主要包括各种压力、应力探测器或传感器，探测器或传感器被安装在反力框架装置内试验样品11中的不同位置上，在试验过程中，探测器或传感器不断采集各个位置上试验样品11的受力变化情况，并将数据信息传送到操控系统9中，最终在操控系统9中汇总形成所需的试验数据和图表，为实际地下深部挖掘过程提供理论依据。

为保证移动方便性和支撑稳定性，整个反力框架装置通过前、后轮式支架6放置在地面轨道14上。实际试验过程中，首先，将门式反力架1绕立轴12转开，根据试验样品11所需厚度，将支撑架3上拉杆螺母松开，对拉杆4上套筒8的个数进行增减，使套筒8的组合长度满足支撑使用的需要；接着，通过操控系统9控制驱动装置5运转，位于支撑架3底部的轮式支架6带动支撑架3在轨道14上移动，支撑架3的工作端在‘回’字形主架体2后端开口内进行伸缩调整。当移动位置符合模拟空间的厚度要求时，停止支撑架3移动，拧紧拉杆4上的螺母，同时，套筒8也正好支撑在支撑架3与‘回’字形主架体2端面之间，后加载架位置固定。接着，将试验样品11从‘回’字形主架体2前端开口处放入，将各种探测器或传感器放置在试验样品11中所需测量的位置上，导线与操控系统9连通，根据需要，在门式反力架1内侧放置制模挡板16，并随门式反力架1的关闭支撑在试验样品11的前端侧面上。再接着，通过操控系统9控制各个伺服油源组7工作，相应地带动上下、左右和后侧方向上各个伺服做动器组15进行伸缩运动，完成对试验样品11的三维负载施加过程。由于上下方向做动器相互垂直，并承受相反的作用力，在上下方向上构成了一个相对独立的力系，施压过程不会对左右方向和前后方向的受力情况产生影响，保证了试验样品11受力的可靠性和准确性。同样，左右方向及前后方向受力情况与上下方向一致，都不会对其它独立力系产生影响，只是在前后方向上，‘回’字形主架体2前端采用门式反力架1进行空间密封，试验样品11前后方向受力的大小只与后端支撑架3上的伺服做动器组15的工作有关。再接着，根据试验项目的需要，随着试验进程的推进，探测器或传感器将探测到的信息不断传送到操控系统9中，在操控系统9中汇总后形成所需的图表、数据，直至模拟加载过程完成。当然，由于门式反力架1上还设有开挖口，当需要进行巷道挖掘试验时，还可将堵板17拆除，利用开挖口就可进行模拟巷道挖掘过程，大大提高了三维模型试验系统的适用性，真实再现了三维负载状态下矿井巷道的挖掘过程。最后，利用操控系统9控制伺服油源组7卸载伺服做动器组15的压力后，开启门式反力架1，卸下试验样品11后，整个三维模拟试验过程完成。

Claims (5)

1.深部矿井建设工程三维模型试验系统，其特征在于，包括液压加载系统、操控系统、数据监测系统和反力框架装置，所述液压加载系统包括对应连通的伺服油源组和伺服做动器组，以及用于支撑伺服做动器组的做动器支撑架；所述反力框架装置中主架体为‘回’字形结构，‘回’字形主架体的前端设有门式反力架，后端设有后加载架；所述门式反力架轴连接在‘回’字形主架体的侧面，门式反力架的内侧面为平板状；所述后加载架的工作端活动插接在‘回’字形主架体的后端开口上，后加载架的工作端面与门式反力架相对应；所述伺服做动器组通过做动器支撑架分别固定在‘回’字形主架体和后加载架工作端的内侧端面上，伺服做动器均匀排列；所述数据监测系统安装在反力框架装置内的试验样品上；所述操控系统分别与液压加载系统和数据监测系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，其特征在于，所述反力框架装置还包括驱动装置和轮式支架，所述后加载架与‘回’字形主架体相对独立，轮式支架分别连接在主架体和后加载架底部，所述驱动装置设置在后加载架上，并与后加载架底部轮式支架的支撑轮相连接。

3.根据权利要求2所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，其特征在于，所述后加载架包括支撑架和拉杆组件，驱动装置和连接在后加载架底部的轮式支架分别连接在支撑架上，支撑架的工作端插接在‘回’字形主架体的后端开口上；所述拉杆组件由带有螺纹的拉杆和套在拉杆内侧起调节、限位作用的套筒组组成，支撑架顶部通过拉杆和套筒组与‘回’字形主架体连接固定。

4.根据权利要求1或2所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，其特征在于，所述门式反力架上还设有制模挡板，所述制模挡板位于门式反力架内侧面与试验样品之间。

5.根据权利要求1或2所述的深部矿井建设工程三维模型试验系统，其特征在于，所述门式反力架上还设有模拟巷道开挖口，开挖口上设有可拆装的堵板。

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