CN109238761A - 一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置，涉及地下工程领域，选取满足相似理论的模型试样材料，将混合好的材料放入模具内，压力传感器和电阻传感器埋入材料内的相应位置，成型压实成试验件，将试验件放置于模型架中，千斤顶通过传力板将集中荷载转化为均布荷载对模型进行施加，使用模拟开挖装置对试件进行开挖，并记录模拟开挖过程中以及开挖完成后的相应巷道受力情况、关键部位岩体的位移和力学特性变化。该模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置，可用于研究巷道深部受力条件下的力学行为、变形、破坏机理。能够更加真实、准确、直观、全面的反映巷道在深部受力状态下的各方面变化。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，具体为一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置。
背景技术
世界经济的迅速发展，使得地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，同时人类生存发展需求和对未知世界的探索也再不断拓展地下活动空间。就地球尺度而言，大陆地壳平均厚度达30~40km，地幔厚度则达到2700km，地壳和地幔顶部组成的岩石圈平均厚度约200km。从资源开采来说，目前煤炭开采深度已达1500m，地热开采深度超过3000m，有色金属矿开采深度超过4350m，油气资源开采深度达7500m，但是相对于地球，仅仅是一层表皮，未来深部资源开采将成为常态。
为了进行资源开发和掌握地质构造和运动，世界上各个国家均开展了大量地应力测试工作。通过地应力测试工作得知，当埋深大于3500m时，最大水平应力和最小水平应力与垂直(自重)应力的比值均逐渐趋向于1，这意味着岩体处于完全静水压力状态。地应力状态从浅部构造应力主导应力状态向深部静水压力状态转变，这是深部岩体应力状态的典型基本特征。
世界范围内岩土工程实践已大大超前于力学基础理论研究。但是普遍存在盲目性、低效性和不确定性，人们对深部的岩石性质和行为还缺乏了解，一些基本概念和基本理论还尚未建立，因此地下资源开采或开挖过程和地下空间建设常伴随着大量的工程灾害，难以预测和有效防治，现有的岩石力学体系还不能对深部资源开采、深部能源储存，CO2和核废料地质埋置以及地震预测预报等重大工程问题进行科学指导。
模型试验由于是真实的物理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真实、全面、直观、准确地反映实际情况下岩石开挖过程以及开挖后各方面的变化和影响，使人们能够认识岩石相互作用机理，更加深入了解有关的力学性质。
模型试验对相关岩石理论研究和工程研发的发展起着十分重要的作用，目前许多科研人员研究并开发了一些巷道模型试验装置，能够反映巷道模型在某些情况下法的特点，这些装置仍有以下的不足：（1）现有的巷道模型试验装置只是根据某一个特定的科研课题或者施工工程来设计，具有一定的局限性，不能应用于其他条件下的巷道模型试验。（2）现有的巷道模型试验装置加载准确性差，如背景资料所述，深部地下工程受力实际情况应为完全静水压力状态，现有的地下工程模型试验系统尚不能准确模拟实际受力状态。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种能准确的模拟深部受力的问题，以更好的研究实际受力状态下的模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法，包括以下步骤：
步骤一：选取几何相似比的模型试样材料，将混合好的材料放入模具内，压力传感器和电阻传感器埋入材料内的相应位置，成型压实成试验件。
步骤二：将试验件放置于模型架中，盖上端盖，复位压力传感器与电阻传感器，千斤顶通过传力板将集中荷载转化为均布荷载对模型进行施加。
步骤三：使用模拟开挖装置对试件进行开挖，并记录模拟开挖过程中以及开挖完成后的相应巷道受力情况、关键部位岩体的位移和力学特性变化。
一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，包括环形的模型架、若干传力板、用于施加荷载的模拟加载机构、可将试验件送入模型架的运输机构以及用于模拟开挖试验件的模拟开挖机构，所述运输机构和模拟开挖机构设置在模型架的两侧且处于同一轴线上，所述传力板设置在模型架的内壁上且绕模型架轴心等角度分布，所述模拟加载机构设置在模型架上且与传力板相连。
还包括压力传感器、电阻传感器、微处理器与显示设备，所述压力传感器和电阻传感器均埋设在试验件内，所述压力传感器和电阻传感器通过微处理器与显示设备相连。
优选的，所述模型架的内壁和外壁为正八边形，所述传力板均布在模型架内壁的每一边上，传力板要求刚度足够大，在承担荷载时不产生变形。
优选的，所述模拟加载机构为若干千斤顶，所述千斤顶均布在模型架外壁的每一边上且与传力板相连，要求每组千斤顶对传力板施加的荷载大小一致，与所加载模型贴合。
优选的，所述传力板面向试验件的一侧为凹弧面，若干传力板上的凹弧面围成圆形结构。
优选的，还包括可盖合模型架的两个端盖，两个端盖均铰接在模型架上。
优选的，所述端盖上设置有用于固定试验件的固定件。
优选的，所述运输机构包括可伸入模型架内的托盘、滑轨一以及滑动配合于滑轨一上的滑动座一，所述托盘设置在滑动座一上，所述试验件放置在托盘上。
优选的，所述模拟开挖机构包括用于模拟开挖的切削刀盘、电机、滑轨二以及滑动配合于滑轨二上的滑动座二，所述电机设置在滑动座二上且与切削刀盘相连，所述切削刀盘处于模型架的轴线上。
（三）有益效果
本发明提供了一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置。具备以下有益效果：
1、该模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置，可用于研究巷道深部受力条件下的力学行为、变形、破坏机理。使用千斤顶传力装置改变传统试验机加载方式，使其能环向均布加载于试验模型，与深部巷道受力情况更为相符，能够更加真实、准确、直观、全面的反映巷道在深部受力状态下的各方面变化，从而更好的认识巷道在深部条件下的受力状态和变化，深入了解相关力学性质。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明图3中的A处放大图；
图5为本发明的原理示意图。
图中：1端盖、2模型架、3机架、4千斤顶、5传力板、6试验件、7运输机构、8模拟开挖机构、9压力传感器、10电阻传感器、71滑动座一、72托盘、73滑轨一、81滑轨二、82滑动座二、83电机、84切削刀盘、9压力传感器、10电阻传感器、11微处理器、12显示设备、13固定件。
具体实施方式
本发明实施例提供一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法及其装置，如图1-5所示，包括机架3、正八边形的环形的模型架2、八个传力板5、用于施加荷载的模拟加载机构、可将试验件6送入模型架2的运输机构7以及用于模拟开挖试验件6的模拟开挖机构8，模型架2、运输机构7、模拟开挖机构8均设置在机架3上，运输机构7和模拟开挖机构8设置在模型架2的两侧且处于同一轴线上，传力板5设置在模型架2的内壁上且绕模型架2轴心等角度分布，模型架2的内壁和外壁为正八边形，传力板5均布在模型架2内壁的每一边上，传力板5面向试验件6的一侧为凹弧面，若干传力板5上的凹弧面围成圆形结构，模拟加载机构设置在模型架2上且与传力板5相连，模拟加载机构为若干千斤顶4，千斤顶4为八组，两两对称设置，每组千斤顶4均布在模型架2外壁的每一边上且与传力板5相连。
还包括可盖合模型架2的两个端盖1，两个端盖1均铰接在模型架2上，端盖1上设置有用于固定试验件6的固定件13，端盖1盖上模型架2后固定件13刚好与试验件6抵触。
运输机构7包括可伸入模型架2内的托盘72、滑轨一73以及滑动配合于滑轨一73上的滑动座一71，托盘72设置在滑动座一71上，试验件6放置在托盘72上，滑动座一71在滑轨一73上轴向滑动可带动托盘72进入模型架2内，将试验件6送入模型架2内。
模拟开挖机构8包括用于模拟开挖的切削刀盘84、电机83、滑轨二81以及滑动配合于滑轨二81上的滑动座二82，电机83设置在滑动座二82上且与切削刀盘84相连，切削刀盘84处于模型架2的轴线上，滑动座二82在滑轨二81上轴向滑动可带动切削刀盘84进入模型架2内并对试验件6进行模拟开挖。
还包括压力传感器9、电阻传感器10、微处理器11与显示设备12，压力传感器9和电阻传感器10均埋设在试验件6内，压力传感器9和电阻传感器10通过微处理器11与显示设备12相连，微处理器3采用i.MX6处理器芯片。i.MX6处理器芯片具有ARMCortex-A9架构的高效处理能力、前沿性的2D与3D图形以及高清晰视频功能实现一流水平的集成，i.MX6系列可提供令人瞩目的数据处理性能，压力传感器9、电阻传感器10均为现有技术，显示设备12为计算机。
具体实验过程如下：
首先，采用预定的几何相似比模型试样材料，选择相似材料的依据是：模型与原型相应部分材料的主要物理、力学性质相似。力学指标稳定，不因温度、湿度等因素影响而改变。改变配比后，能使其力学指标有较大的变化幅度，以便选择适应。制作方便，凝固时间短，成本低。模型试样制备，模型试样的相似原理是指模型上重现，要求模型材料、模型形状和荷载等均需遵守一定的规律。
然后，选定好所需的配合比材料后，将混合好的材料提前放入模具内，压力传感器9和电阻传感器10埋入材料内的相应位置，成型压实。取出试样利用运输机构7运输并放置于模型架2中，盖上端盖1，复位压力传感器9和电阻传感器10，启动所有的设备和软件，进行初步的调试，保证传力板5各个位置的位移均相等，从而可以将千斤顶4传递的集中荷载转化为均布荷载对模型试验件6进行施加。通过加载时对千斤顶4组数和位置进行精 确控制，可以将均布荷载施加于整个模型试验件6表面，以便准确的模拟深部巷道受力。
接着，检查无误后，可以按照需要在加压同时启动模拟开挖机构8，通过调整开挖机构8的使用时机，可以模拟开挖过程中以及开挖完成后的相应巷道受力情况。以便记录关键部位岩体的位移，力学特性变化，根据试验目的进行各种开挖或使用过程试验，试验完成后得到一系列数据，分析数据可以进一步了解围岩的力学行为。
最后，在试样达到预定破坏程度后，先停止压力机，再依次停止各个系统，保存试验数据，并将数据清零。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：选取满足相似理论的模型试样材料，将混合好的材料放入模具内，压力传感器和电阻传感器埋入材料内的相应位置，成型压实成试验件；
步骤二：将试验件放置于模型架中，盖上端盖，复位压力传感器与电阻传感器，千斤顶通过传力板将集中荷载转化为均布荷载对模型进行施加；
步骤三：使用模拟开挖装置对试件进行开挖，并记录模拟开挖过程中以及开挖完成后的相应巷道受力情况、关键部位岩体的位移和力学特性变化。
2.一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：包括环形的模型架、若干传力板、用于施加荷载的模拟加载机构、可将试验件送入模型架的运输机构以及用于模拟开挖试验件的模拟开挖机构，所述运输机构和模拟开挖机构设置在模型架的两侧且处于同一轴线上，所述传力板设置在模型架的内壁上且绕模型架轴心等角度分布，所述模拟加载机构设置在模型架上且与传力板相连；
还包括压力传感器、电阻传感器、微处理器与显示设备，所述压力传感器和电阻传感器均埋设在试验件内，所述压力传感器和电阻传感器通过微处理器与显示设备相连。
3.根据权利要求2所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述模型架的内壁和外壁为正八边形，所述传力板均布在模型架内壁的每一边上。
4.根据权利要求3所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述模拟加载机构为若干千斤顶，所述千斤顶均布在模型架外壁的每一边上且与传力板相连。
5.根据权利要求3所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述传力板面向试验件的一侧为凹弧面，若干传力板上的凹弧面围成圆形结构。
6.根据权利要求2所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：还包括可盖合模型架的两个端盖，两个端盖均铰接在模型架上。
7.根据权利要求6所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述端盖上设置有用于固定试验件的固定件。
8.根据权利要求2所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述运输机构包括可伸入模型架内的托盘、滑轨一以及滑动配合于滑轨一上的滑动座一，所述托盘设置在滑动座一上，所述试验件放置在托盘上。
9.根据权利要求2所述的一种模拟深部条件下的巷道试验的模型试验装置，其特征在于：所述模拟开挖机构包括用于模拟开挖的切削刀盘、电机、滑轨二以及滑动配合于滑轨二上的滑动座二，所述电机设置在滑动座二上且与切削刀盘相连，所述切削刀盘处于模型架的轴线上。
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| 李金生: "《工程变形监测》", 28 February 2013 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111638135A (zh) * | 2020-06-07 | 2020-09-08 | 河南工程学院 | 一种巷道围岩破坏与支护模拟装置及其实验方法 |
| CN111764888A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-10-13 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 模拟隧道开挖的可视化装置 |
| CN111764888B (zh) * | 2020-07-01 | 2021-03-16 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 模拟隧道开挖的可视化装置 |
| CN112461669A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-03-09 | 中国矿业大学 | 一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法和装置 |
| CN112461670A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-03-09 | 中国矿业大学 | 一种模拟井下巷道掘进和打钻作业的静动加载实验机及方法 |
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