CN104330297A - 深立井马头门三维物理模型实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法，该装置包括：实验箱，用于放置井筒及马头门模型和填充围岩相似材料；光纤测试系统，包括多根光纤和与多根光纤连接的光纤数据读取模块，多根光纤设于实验箱中；电法测试系统，包括多根电法测线和与多根电法测线连接的测线数据读取模块；电阻式应变传感器测试系统，包括多个电阻式应变传感器和与多个电阻式应变传感器连接的电阻数据读取模块；加载系统，包括液压缸、反力架和液压控制模块，液压缸与液压控制模块连接，液压缸设于实验箱的上盖和反力架之间。本发明可系统全方位地分析马头门围岩动态响应问题，实现不同开挖工况下围岩动态力学响应的分析。

Description

深立井马头门三维物理模型实验装置与方法

技术领域

本发明涉及矿山建设工程领域，特别涉及一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法。

背景技术

马头门是指煤矿立井井筒与井底车场巷道相连接的部分，作为矿井的关键部位，它是设备、材料和人员的转运点。马头门的主要特点是位置特殊、设计断面大、服务年限长。

随着新建矿井越来越深，马头门围岩及衬砌在施工过程中的动态力学响应是影响支护安全的重要课题。深立井马头门施工过程中，马头门衬砌结构和围岩的受力及变形特性较复杂，物理模型实验是研究该问题的一种重要方法。

物理模型实验是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体介质物理力学特性研究方法。长期以来，模型实验一直是解决复杂工程问题的重要手段，在地下工程及其它岩土工程研究中已经得到广泛应用。

模型实验的基础是相似理论，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况。根据相似理论，在模型实验中用相似材料来制作模型。相似材料的选择、配比以及实验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响。此外，进行深井马头门物理模型实验时，还要求加载装置具有模拟稳定的高地压作用。

研究马头门及围岩施工动态力学响应，既要监测开挖面及衬砌结构的内力，又要获得围岩内部的损伤及变形情况，因此如何准确的监测上述项目是模型实验的关键问题之一。

目前，煤矿马头门这种特殊结构的施工力学模型试验开展很少，在实验装置、模型的制作及测试系统等方面难以形成系统化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法，以系统化地开展煤矿马头门的施工力学模型试验，研究马头门及围岩施工动态力学响应。

为了解决上述问题，本发明提供了如下一种技术方案：

一种深立井马头门三维物理模型实验方法，其包括以下步骤：步骤一，根据原型和模型结构刚度相等原则，制作井筒及马头门模型以模拟该处的喷射混凝土结构，以及制作岩体材料模型以模拟井筒及马头门开挖处的岩体材料；步骤二，根据荷载相似常数配制围岩相似材料；步骤三，在井筒和马头门模型中装入岩体材料模型，将井筒及马头门模型放入高强度实验箱中；步骤四，在井筒及马头门模型周围布设多根光纤传感器，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；在井筒及马头门模型的围岩内布设多条电法测线，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的松动圈范围；在井筒及马头门模型的马头门周围布设多个电阻式应变传感器，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；步骤五，在高强实验箱中填满围岩相似材料后，放置实验箱上盖，在上盖上方安装油缸和反力架；步骤六，拽出井筒及马头门模型中的岩体材料模型，以模拟井筒和马头门开挖过程，采用光纤传感器、电法测线、应变传感器和应变片，检测煤矿深立井马头门及连接硐室群在开挖过程中的应力场、位移场和松动范围变化规律；步骤七，保持油缸压力一设定时间，每间隔一段时间采集一次数据。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在步骤一中，采用白铁皮制成井筒及马头门模型模拟该处的喷射混凝土结构，用木块制成井筒及马头门开挖处的岩体材料模型。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在步骤二中，所述围岩相似材料包括砂子、石膏、石灰。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在所述围岩相似材料中，砂子、石膏、石灰的配合比为2～5：0.6：0.4。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在步骤四中，共布设17根光纤传感器，其中，竖向依次布设8根，横向依次布设5根，水平向依次布设4根；电法测线为5根，其中4根自井筒及马头门模型的马头门位置向东南西北四个方向向上呈发射状延伸，另一根为水平表面线；电阻式应变传感器包括14个条带式应变传感器和28片应变片，条带式应变传感器位于马头门上下两侧，部分应变片对应井筒环向和马头门走向，部分应变片分别对应井筒竖向和马头门环向。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在步骤六中，岩体材料模型为多段，并且先开挖井筒，再沿马头门南北方向分别开挖部分段高之后，再分别从两边开挖马头门剩余段高，同时采集数据。

为了解决上述问题，本发明提供了如下另一种技术方案：

一种深立井马头门三维物理模型实验装置，其包括：实验箱，包括箱体和上盖，用于放置井筒及马头门模型和填充围岩相似材料；光纤测试系统，包括多根光纤和与多根所述光纤连接的光纤数据读取模块，多根所述光纤设于所述实验箱中，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；电法测试系统，包括多根电法测线和与多根所述电法测线连接的测线数据读取模块，以测量井筒及马头门模型围岩的松动圈范围；电阻式应变传感器测试系统，包括多个电阻式应变传感器和与多个所述电阻式应变传感器连接的电阻数据读取模块，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；加载系统，包括液压缸、反力架和液压控制模块，所述液压缸与所述液压控制模块连接，所述液压缸设于所述实验箱的上盖和所述反力架之间。

在上述实验装置的一种优选实施方式中，所述反力架包括压板、螺柱，所述压板位于所述实验箱的上盖上方，所述螺柱下端固定，所述螺柱的上端通过多个螺母和所述压板固定连接。

在上述实验装置的一种优选实施方式中，所述压板呈十字形，所述螺柱为四个，四个所述螺柱分别与所述压板的四边固定连接。

在上述实验装置的一种优选实施方式中，所述反力架还包括盖板，所述盖板呈矩形，所述盖板位于所述压板下方，所述液压缸的活塞杆自由端直接抵顶在所述盖板的下方。

分析可知，本发明可重复多次实验，数据采集量大，可系统全方位地分析马头门围岩动态响应问题，实现不同开挖工况下围岩动态力学响应的分析。

附图说明

图1为本发明的实验装置实施例的主视结构示意图；

图2为本发明的实验装置实施例的实验箱的俯视结构示意图；

图3为本发明的实验装置实施例的实验箱的侧视结构示意图；

图4a、图4b、图4c、图4d分别为本发明的实验装置实施例中各传感器布置于井筒及马头门模型周围的立体结构、主视结构、俯视结构、侧视结构示意图；

图5、图6为本发明的实验方法实施例所应用到的岩体模型材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

需要提前说明的是，为了不产生赘述之感，下面将结合本发明的实验装置实施例的原理、结构及应用，对本发明的实验方法实施例进行详细描述。

准备一实验箱，该实验箱包括长方体状的箱体1及覆盖于箱体1上的上盖11，上盖11的中心区域设有一通孔，便于使井筒裸露于外。

根据原型和模型结构刚度相等原则，采用白铁皮制成井筒及马头门模型2，以模拟该处的喷射混凝土结构。如图1，井筒及马头门模型2包括井筒21、巷道23以及位于井筒21、巷道23结合处的马头门22。如图5、图6所示，用木块61、木块62模拟井筒及马头门开挖处的岩体材料，其中，木块61整体呈圆柱状，包括多块不同形状的小木块611，用于模拟井筒21中的岩体材料。木块62的上部呈半圆状，下部呈矩形，也包括多块不同形状的小木块621，用于模拟马头门22、巷道23中的岩体材料。

根据荷载相似常数配制围岩相似材料，该围岩相似材料主要包括砂子、石膏、石灰，优选地，三者的配合比为2～5：0.6：0.4，比如可以是2.5：0.6：0.4，2.9：0.6：0.4，3.2：0.6：0.4，3.6：0.6：0.4，4.0：0.6：0.4，4.2：0.6：0.4，4.5：0.6：0.4，4.8：0.6：0.4中的任一个或者任意两者之间的中间值。

井筒及马头门模型2及其他实验材料准备就绪后，按图1-图3所示，将井筒及马头门模型2至于箱体1中，在填埋围岩相似材料的同时，在井筒和马头门开挖扰动影响范围内，即井筒直径和马头门宽度3-5倍范围内，按照图4所示布置各传感器，并将木块61、木块62置入井筒及马头门模型2，实验箱填满围岩相似材料后放置上盖11。

为了更全面的研究马头门及围岩施工动态力学响应，在监测开挖面及衬砌结构的内力同时，检测围岩内部的损伤及变形情况，如图1、图4所示，本发明的装置实施例还包括光纤测试系统、电法测试系统、电阻式应变传感器测试系统。其中，光纤测试系统包括多根光纤503、504、505和与多根光纤连接的光纤数据读取模块51，多根光纤503、504、505设于实验箱中，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形。电法测试系统包括多根电法测线501、5021-5024和与多根电法测线连接的测线数据读取模块52，以测量开挖过程中井筒和马头门围岩松动圈范围。电阻式应变传感器测试系统包括多个电阻式应变传感器506、507和与多个电阻式应变传感器506、507连接的电阻数据读取模块53，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化。其中电阻式应变传感器506呈短条状，电阻式应变传感器507呈片状。

优选地，在井筒及马头门模型2的周围共布设17根光纤，竖向设置的光纤503共八根，依次设置在井筒21的两侧，分别距离井筒21外侧两边50mm、150mm、350mm、650mm。横向设置的光纤504共五根，巷道23上方三根，分别距离巷道23上边50mm、250mm、450mm；下方两根，分别距离巷道23下边50mm、150mm。水平方向设置的光纤505则有四根，依次设置在井筒21的两侧，分别距离井筒21中心100mm、200mm。

电法测线包括水平表面线501及四根分别从马头门22位置四侧，呈放射状沿图中纸面右方、纸面前方、纸面左方、纸面后方方向倾斜延伸的电法测线5021、5022、5023、5024。其中，水平表面线501位于马头门22和巷道23上方900mm处。沿纸面前方、纸面后方方向延伸的电法测线5022、5024起点位于马头门22拱基线，与水平方向呈68°；沿纸面右方、纸面左方方向延伸的电法测线5021、5023起点位于马头门22与井筒21相交处，与水平方向呈38°。

电阻式应变传感器506、507共42个，其中，14个电阻式应变传感器506位于巷道23上下两侧，并沿着巷道23长度方向延伸，用于测量马头门22开挖过程中的围岩应力变化。28片的电阻式应变传感器507中的一半沿着井筒21环向和马头门22走向设置，另一半则沿着井筒21竖向和马头门22环向设置，用于测量井筒21和马头门22开挖过程中的结构内力的变化，一般设置在井筒21和马头门22结构受力较大处。

传感器设置完毕及围岩相似材料填入箱体1之后，在箱体1上覆盖上盖11。接着，布置本发明实验装置实施例的加载系统。

如图1，加载系统包括液压缸4、反力架和液压控制模块54，反力架则包括压板33、盖板34、螺柱31、螺母32。

压板33呈十字形，矩形的盖板34紧贴压板33的下表面。四根螺柱31下端固定于地面30，上端分别通过多个螺母32和压板33固定连接。

竖直设置的液压缸4共四个，分别位于上盖11的四个角部区域，并均与液压控制模块54连接。液压缸4下端面位于实验箱1的上盖11上，其活塞杆的上端则抵顶在盖板34下表面。

各传感器系统及加载系统安装完毕之后，拽出井筒21、马头门22中的木块61、62，模拟井筒21和马头门22开挖过程。优选地，先开挖井筒21，再沿马头门22南北方向分别开挖4个段高(一个木块61的高度)。每开挖一个段高(井筒21共16个段高，马头门22共8个段高)，采用各传感器获得煤矿深井马头门及连接硐室群在开挖过程中的应力场、位移场和松动范围变化规律。

保持液压缸4的压力3小时，每小时三种类型的传感器数据测试系统均采集数据。

最后，分别从两边开挖马头门剩余段高，三种类型的传感器数据测试系统也采集数据。

通过对实验结果的分析，找出深井硐室群围岩应力演化规律，揭示煤矿深立井连接硐室群围岩扰动机理，为深井硐室群设计方法和控制技术等研究提供了理论基础。由上可知，本发明具有以下特点：

实施前，为了模拟深部高地应力作用，设计了大型实验加载装置，该装置包括钢板和型钢制作的高强实验箱、液压缸和反力架，液压缸加载通过反力架作用于实验箱体，其中油缸控制采用电机伺服，可实现稳压。

采用相似理论确定实验模型的几何尺寸，选择河砂、石膏以及生石灰等材料进行不同比例的配合来模拟不同地层的特性。

在井筒和马头门模型中装入木块，拽出井筒和马头门木块模拟井筒和马头门开挖过程。

用白铁皮制成井筒及马头门模型模拟该处的喷射混凝土结构，最终确定荷载相似常数。

在井筒和马头门围岩中预埋光纤传感器、高密度电阻率测试电极和电阻式应变传感器，在支护结构表面安置应变片，在开挖的各个阶段，通过电阻式应变传感器测试系统、光纤测试系统和电法测试系统，监测井筒和马头门不同开挖阶段的围岩应力和变形情况。

通过上述，本发明可获得深立井马头门围岩的应力、变形分布一般性规律以及受开挖影响的塑性区范围。可见，本发明可以取得多项优点，例如：实验系统稳定，可重复多次实验。可实现不同开挖工况下围岩动态力学响应的分析。数据采集量大，可系统全方位地分析马头门围岩动态响应问题。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据原型和模型结构刚度相等原则，制作井筒及马头门模型以模拟该处的喷射混凝土结构，以及制作岩体材料模型以模拟井筒及马头门开挖处的岩体材料；

步骤二，根据荷载相似常数配制围岩相似材料；

步骤三，在井筒和马头门模型中装入岩体材料模型，将井筒及马头门模型放入高强度实验箱中；

步骤四，在井筒及马头门模型周围布设多根光纤传感器，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；

在井筒及马头门模型的围岩内布设多条电法测线，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩松动圈范围；

在井筒及马头门模型的马头门周围布设多个电阻式应变传感器，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；

步骤五，在高强实验箱中填满围岩相似材料后，放置实验箱上盖，在上盖上方安装油缸和反力架；

步骤六，拽出井筒及马头门模型中的岩体材料模型，以模拟井筒和马头门开挖过程，采用光纤传感器、电法测线、应变传感器和应变片，检测煤矿深立井马头门及连接硐室群在开挖过程中的应力场、位移场和松动范围变化规律；

步骤七，保持油缸压力一设定时间，每间隔一段时间采集一次数据。

2.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤一中，采用白铁皮制成井筒及马头门模型模拟该处的喷射混凝土结构，用木块制成井筒及马头门开挖处的岩体材料模型。

3.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤二中，所述围岩相似材料包括砂子、石膏、石灰。

4.根据权利要求3所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在所述围岩相似材料中，砂子、石膏、石灰的配合比为2～5：0.6：0.4。

5.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤四中，共布设17根光纤传感器，其中，竖向依次布设8根，横向依次布设5根，水平向依次布设4根；

电法测线为5根，其中4根自井筒及马头门模型的马头门位置向东南西北四个方向向上呈发射状延伸，另一根为水平表面线；

电阻式应变传感器包括14个条带式应变传感器和28片应变片，条带式应变传感器位于马头门上下两侧，部分应变片对应井筒环向和马头门走向，部分应变片分别对应井筒竖向和马头门环向。

6.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤六中，岩体材料模型为多段，并且先开挖井筒，再沿马头门南北方向分别开挖部分段高之后，再分别从两边开挖马头门剩余段高，同时采集数据。

7.一种深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，包括：

实验箱，包括箱体和上盖，用于放置井筒及马头门模型和填充围岩相似材料；

光纤测试系统，包括多根光纤和与多根所述光纤连接的光纤数据读取模块，多根所述光纤设于所述实验箱中，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；

电法测试系统，包括多根电法测线和与多根所述电法测线连接的测线数据读取模块，以测量井筒及马头门模型围岩的松动；

电阻式应变传感器测试系统，包括多个电阻式应变传感器和与多个所述电阻式应变传感器连接的电阻数据读取模块，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；

加载系统，包括液压缸、反力架和液压控制模块，所述液压缸与所述液压控制模块连接，所述液压缸竖直地设于所述实验箱的上盖和所述反力架之间。

8.根据权利要求7所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述反力架包括压板、螺柱，所述压板位于所述实验箱的上盖上方，所述螺柱下端固定，所述螺柱的上端通过多个螺母和所述压板固定连接。

9.根据权利要求8所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述压板呈十字形，所述螺柱为四个，四个所述螺柱分别与所述压板的四边固定连接。

10.根据权利要求8所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述反力架还包括盖板，所述盖板呈矩形，所述盖板位于所述压板下方，所述液压缸的活塞杆自由端直接抵顶在所述盖板的下方。