CN109708972A - 三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三向加载与定点动荷载结合的大型三维相似模拟试验系统，包括试件箱和反力系统，试件箱包括底座、左螺孔带、右螺孔带、前螺孔带、后螺孔带、左侧板、前侧板、第一中间螺孔带、第二中间螺孔带、右侧板、后侧板；所述反力系统包括反力池、左静荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸、上静荷载加载液压缸；每列左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，前动荷载加载液压缸固定在前立柱上。基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验系统进行改进，改造成本低，动荷载加载液压缸设置位置巧妙，模拟试验效果更理想。

Description

三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种三维相似模拟试验系统，具体涉及一种用于研究矿体岩体应力分布的相似模拟试验系统。

背景技术

我国是世界上一次能源以煤炭为主的主要国家之一，且煤炭作为主要能源，在一次能源生产和消费结构中占70％左右。近几年来，得益于我国能源结构调整，致使煤炭在一次能源结构中的比例稍有下降趋势，但是总体产量依旧保持在高位。煤炭供应主要以井工开采煤炭为主，以此相伴的矿山地质灾害一直是制约煤矿安全生产的难题。因此研究动荷载作用下井下煤层开采过程中的力学与变形特性，对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产具有重要意义。

为研究地下空间开挖活动(如地下采矿、隧道开挖、地下人防工程等)中岩层压力分布、围岩变形、上覆岩层压力分布及岩层移动和破断规律等，通常采用相似模拟试验的方法进行室内试验研究。由于地下空间工程所处环境特殊，开挖过程不仅受到人为扰动应力的影响，同时还受到构造应力和地震波等其他因素的扰动作用。国家知识产权局公开的发明专利“201210376520.3三向加载大型三维相似模拟试验系统”，能够在三向不等压的情况下模拟井下开采过程中不同高度顶板岩层的活动规律及复杂应力分布情况，研究三向加载下地下矿山工程上覆围岩变形及破断规律，实现地下矿山在三向加载作用下岩层位移和破断的可视化，在大尺度空间工程开挖模拟试验研究中，该发明已取得一定的突破性进展。但是模拟试验过程中发现，该系统无法实现对地层在冲击荷载作用下变形和破断规律的试验研究，即无法将动荷载与静荷载相结合，存在一定的局限性，因此一种能实现静荷载与动荷载共同加载的模型试验系统成为了急需解决的关键性技术问题之一。

发明内容

本发明基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验系统进行改进，使其能满足静荷载与动荷载的同时加载，为更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆围岩变形及破断规律，实现地下矿山在静荷载与动荷载相结合作用下的岩层位移和破断的可视化。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种三向加载与定点动荷载结合的大型三维相似模拟试验系统，包括试件箱和反力系统，所述试件箱包括底座，所述底座的边缘设置有构成正方形的左螺孔带、右螺孔带、前螺孔带和后螺孔带；所述底座在左螺孔带处通过螺栓固定连接有左侧板，在前螺孔带处通过螺栓固定连接有前侧板；所述右螺孔带与左螺孔带之间设置有至少一个第一中间螺孔带；所述后螺孔带与前螺孔带之间设置有与第一中间螺孔带数量对应、垂直相接的第二中间螺孔带；相接的第一中间螺孔带、第二中间螺孔带、左螺孔带和前螺孔带构成正方形；所述右螺孔带或任一所述第一中间螺孔带上通过螺栓固定连接有右侧板；与所述右侧板相接的后螺孔带或任一第二中间螺孔带上通过螺栓固定连接有后侧板；

所述左侧板的内侧通过螺栓固定连接有左压座，左侧板上按均分区域设置有左压套；所述左压座上固定有数量和位置与左压套相对应的左压杆，左压杆穿出所述左压套；

所述前侧板的内侧通过螺栓固定连接有前压座，前侧板上按均分区域设置有前压套；所述前压座上固定有数量和位置与前压套相对应的前压杆，前压杆穿出所述前压套；

所述左压座与前压座间隔设置；

所述反力系统包括位于地面下的混凝土反力池，所述反力池的底部固定连接的第一反力座，所述第一反力座的右侧设置有第二反力座，第二反力座与所述反力池的底部固定，并同时与所述第一反力座通过螺栓固定连接；

所述反力池在所述试件箱的左侧设置有与所述第一反力座固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架；所述侧承力架上固定有数量和位置与所述左压杆相对应的左静荷载加载液压缸；所述反力池在所述试件箱的右侧设置有与所述第二反力座螺栓连接的反力架；所述反力架与所述试件箱通过螺栓固定连接；

所述第一反力座的前部固定有前立柱；所述前立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述前压杆相对应的前静荷载加载液压缸；

所述第一反力座的后部固定有后立柱，所述后立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述第一垫板相对应、并紧贴所述第一垫板的第二垫板；

所述前立柱和后立柱通过上方固定的横梁连接为一体结构，所述横梁上均布设置有与所述试件箱相对的上静荷载加载液压缸；

所述三向加载大型三维相似模拟试验系统还包括上压座；进行相似模拟试验时，所述上压座将所述上静荷载加载液压缸的加载力传递至所述试件箱内的相似材料上；

每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上。

作为上述方案的优选，所述左静荷载加载液压缸共三列，每列左静荷载加载液压缸共五个，相应地，所述左动荷载加载液压缸共三个，位于同一列的左静荷载加载液压缸与左动荷载加载液压缸由上到下依次等距间隔设置；所述前静荷载加载液压缸共三列，每列前静荷载加载液压缸共五个，相应地，所述前动荷载加载液压缸共三个，位于同一列的前静荷载加载液压缸与前动荷载加载液压缸由上到下依次等距间隔设置。

本发明的有益效果：

1)能够真实模拟开采过程中井下岩体在水平动荷载扰动下的变形和破断规律，且设置在两个水平方向的动荷载加载液压缸能够实现不同水平方向的动荷载加载工作，动荷载加载方便，效果较好。

2)和已有的三维相似模拟系统相比，通过三向静荷载加载液压缸与两向动荷载加载液压缸构成的反力系统进行静荷载与动荷载的同时加载，能够更好的模拟三向应力加载条件下地质灾害更复杂、扰动应力频发的地下工程开挖过程，也为研究矿山开采过程中突发地震波对上覆岩层破断影响提供试验条件。

3)本发明基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验系统进行改进，在不改变现有模拟试验系统的前提下，巧妙利用左静荷载加载液压缸的正下方的空间增加一排左动荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸的正下方的空间增加一排前动荷载加载液压缸，从而构成三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统，改造成本低，模拟试验效果更理想。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的俯视图。

图4是左静荷载加载液压缸、左动荷载加载液压缸的布置示意图。

图5是图3的E-E剖视图。

图6是图5的左视图。

图7是本发明中试件箱的结构示意图。

图8是图7的左视图。

图9是图7的俯视图。

图10是本发明中牵引机构的结构示意图。

其中：包括底座1、横梁2、左侧板3、右侧板4、前侧板5、后侧板6、左压座7、左压杆8、左压套9、前压座10、前压套11、前压杆12、左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15、后螺孔带16、第一中间螺孔带17、第二中间螺孔带18、传感器接线孔19、第一防干涉座20、第二防干涉座21、拉座22、反力池23、第一反力座24a、第二反力座24b、第三反力座24c、前动荷载加载液压缸25、侧承力架26、左静荷载加载液压缸27、反力架28、前立柱29、前静荷载加载液压缸30、第一垫板31、第二垫板32、后立柱33、上静荷载加载液压缸34、上压座35、上板35a、底板35b、立板35c、筋板35d、减速机36、第一联轴器37、第一卷筒38、第二联轴器39、传动轴40、第三联轴器41、第二卷筒42、钢丝绳43、第一钢丝绳固定座44、第二钢丝绳固定座 45、第一铰接座46、第二铰接座47铰接、第三铰接座48、第四铰接座49、油囊安装孔50、油缸支座51、油缸52、活塞杆53、推力支座54。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图10所示，一种三向加载与定点动荷载结合的大型三维相似模拟试验系统，主要由试件箱和反力系统两部分组成。

试件箱包括底座1，底座1的边缘设置有左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15和后螺孔带16，左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15和后螺孔带16构成正方形。

底座1在左螺孔带13处通过螺栓固定连接有左侧板3，在前螺孔带15 处通过螺栓固定连接有前侧板5。右螺孔带14与左螺孔带13之间设置有两个第一中间螺孔带17，后螺孔带16与前螺孔带15之间设置有两个与第一中间螺孔带17垂直相接的第二中间螺孔带18；相接的第一中间螺孔带17、第二中间螺孔带18、左螺孔带13和前螺孔带15构成正方形。

右螺孔带14和两个第一中间螺孔带17上均可通过螺栓固定连接右侧板 4。与右侧板14相接的后螺孔带16和两个第二中间螺孔带18上均可通过螺栓固定连接后侧板6。

本实施例中，当右侧板4设置于右螺孔带14、后侧板6设置于后螺孔带 16，则各侧板与底座1可合围成一3000mm×3000mm×3000mm的立体空间；当右侧板4设置于靠右的第一中间螺孔带17、后侧板6设置于靠后的第二中间螺孔带18，则各侧板与底座1可合围成一2000mm×2000mm×2000mm的立体空间；当右侧板4设置于靠左的第一中间螺孔带17、后侧板6设置于靠前的第二中间螺孔带18，则各侧板与底座1可合围成一1000mm×1000mm×1000mm的立体空间。

本实施例中，各侧板为可通过螺栓连接的分体式结构，以便于试件箱拼接成不同的尺寸。

在其它具体实施方式中，可根据需要灵活设置第一中间螺孔带17和第二中间螺孔带18的位置，以使试件箱拼接为其他尺寸或其他形状。

后侧板6上设置有传感器接线孔19，后侧板6的外侧间隔固定有第一垫板31。

左侧板3的内侧通过螺栓固定连接有左压座7，左侧板3上按均分区域设置有左压套9；左压座7上固定有数量和位置与左压套9相对应的左压杆8，左压杆8穿出左压套9。左侧板3为3000mm×3000mm，其可均分为9个1000mm ×1000mm的区域，每个区域设置有两个左压套9。

前侧板5的内侧通过螺栓固定连接有前压座10，前侧板5上按均分区域设置有前压套11；前压座10上固定有数量和位置与前压套11相对应的前压杆12，前压杆12穿出前压套1。前侧板5为3000mm×3000mm，其可均分为9 个1000mm×1000mm的区域，每个区域设置有两个前压套11。

左压座7与前压座10间隔设置。

反力系统包括位于地面下的混凝土反力池23，反力池23的底部固定连接的第一反力座24a，第一反力座24a的右侧设置有第二反力座24b，第二反力座24b与反力池23的底部固定，并同时与第一反力座24a通过螺栓固定连接。

反力池23在试件箱的左侧设置有与第一反力座24a固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架26。侧承力架26上固定有数量和位置与左压杆8相对应的左静荷载加载液压缸27。反力池23在试件箱的右侧设置有与第二反力座 24b螺栓连接的反力架28，反力架28与试件箱通过螺栓固定连接。

第一反力座24a的前部固定有前立柱29，前立柱29的一端面紧靠反力池 23的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与前压杆12相对应的前静荷载加载液压缸30。

第一反力座24a的后部固定有后立柱33，后立柱33的一端面紧靠反力池23的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与第一垫板31相对应、并紧贴第一垫板31的第二垫板32。

前立柱29和后立柱33通过上方固定的横梁2连接为一体结构，横梁2 上均布设置有与试件箱相对的上静荷载加载液压缸34。

三向加载大型三维相似模拟试验系统还包括上压座35。进行相似模拟试验时，上压座35将上静荷载加载液压缸34的加载力传递至试件箱内的相似材料上。上压座35包括上板35a和底板35b，上板35a和底板35b通过立板 35c连接为一体结构，立板35c上设置有筋板35d。

在高度方向上，前压座10与左压座7的转角处放置有与前压座10和左压座7接触的第一防干涉座20，左压座7的内侧放置有第二防干涉座21，第一防干涉座20和第二防干涉座21间隔设置。

第一防干涉座20远离左压座7一端为楔形结构；第一防干涉座20的顶端为楔形结构；第二防干涉板21靠近前压座10一端为楔形结构。

为便于试件箱的移入和移出，第一反力座24a上设置有滚动导轨。试件箱可放置在滚动导轨上，并在箱体左右两侧分别设置牵引装置，该牵引装置设有两根长度相等的牵引钢丝绳，该钢丝绳通过挂钩与试件箱相连，牵引装置通过电机带动，并牵引试件箱，为箱体移入和移出提供动力。

底座1的左右两侧均间隔设置有两个拉座22；在试件箱的左右两侧设置有与拉座22相对应的牵引机构。牵引机构包括减速机36，减速机36通过第一联轴器37与第一卷筒38的第一端连接，第一卷筒38的第二端通过第二联轴器39、传动轴40和第三联轴器41与第二卷筒42联接。第一卷筒38和第二卷筒42上缠绕有可与拉座22连接的钢丝绳43。

第二反力座24b的前侧设置有可固定第一卷筒38的钢丝绳的第一钢丝绳固定座44；第二反力座24b的后侧设置有可固定第二卷筒42的钢丝绳的第二钢丝绳固定座45。

第二反力座24b的右侧设置有第三反力座24c，第三反力座24c与反力池23的池底固定，并同时与第二反力座24b通过螺栓固定连接。

第三反力座24c的右端间隔设置有第一铰接座46和第二铰接座47，底座 1的右端设置可分别与第一铰接座46、第二铰接座47铰接的第三铰接座48 和第四铰接座49。

反力池23在第三反力座24c靠近第二反力座24b一侧的前后两端分别设置有油缸支座51，油缸支座51上铰接有油缸52。油缸52的活塞杆53端部铰接有推力支座54，推力支座54可与试件箱的底座1连接。

为模拟煤层开挖过程，前侧板5和后侧板6上对应设置有一列油囊安装孔50。

以上所述与现有的三向加载大型三维相似模拟试验系统相同，区别在于：

每列左静荷载加载液压缸27的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸 21，且左动荷载加载液压缸21固定在侧承力架26上；每列前静荷载加载液压缸30的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸25，且前动荷载加载液压缸 25固定在前立柱29上。

本发明的关键点在于：(1)在左、前、上静荷载加载液压缸的基础上增加左、前动荷载加载液压缸。换言之：静荷载加载液压缸进行三向加载，而动荷载加载液压缸进行两向加载。(2)每列左静荷载加载液压缸对应设置一个左动荷载加载液压缸，每列前静荷载加载液压缸对应设置一个前动荷载加载液压缸。换言之：左静荷载加载液压缸可以有多列，但每列左静荷载加载液压缸只能对应设置一个左动荷载加载液压缸；前静荷载加载液压缸可以有多列，但每列前静荷载加载液压缸只能对应设置一个前动荷载加载液压缸。 (3)左动荷载加载液压缸位于左静荷载加载液压缸的正下方，前动荷载加载液压缸位于前静荷载加载液压缸的正下方。换言之：左侧施加静荷载时，不能右侧施加动荷载，且左侧施加静荷载与左侧施加动荷载必须在同一纵列，不能前后错位；前侧施加静荷载时，不能后侧施加动荷载，且前侧施加静荷载与前侧施加动荷载必须在同一纵列，不能左右错位。

最好是，左静荷载加载液压缸27共三列，每列左静荷载加载液压缸27 共五个，相应地，左动荷载加载液压缸21共三个，位于同一列的左静荷载加载液压缸27与左动荷载加载液压缸21由上到下依次等距间隔设置。前静荷载加载液压缸30共三列，每列前静荷载加载液压缸30共五个，相应地，前动荷载加载液压缸25共三个，位于同一列的前静荷载加载液压缸30与前动荷载加载液压缸25由上到下依次等距间隔设置。

工作过程：

(1)试样制备

将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角。

(2)测点布置

根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置。

(3)相似材料制备

对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备。

(4)材料计算

根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量。

(5)岩层铺设

根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，同时根据步骤(2)中数值模拟的结果进行相关测点的布置和传感器的埋设，直到所有模拟地层铺设完毕。

(6)试件箱复位

待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置。

(7)施加荷载

以上下方向为z向，左右方向为x向，前后方向为y向，采用力控制的方式分别对x向、y向和z向进行加载，为模拟动荷载扰动下，矿层开采过程中上覆岩层位移和破断规律，现设计加载顺序为：

1)同时加载x向和y向，待加载至一定荷载后保持x向和y向荷载不变，施加z向荷载；

2)重复步骤1)，直至x向、y向和z向应力达到预定值，并保持该荷载；

3)通过微型真空泵抽取油囊中的油,从而形成开采层，油的抽取速度根据前述开挖速度确定。在形成开采层的过程中，控制相应的动荷载加载液压缸，使其按照预定的波形图进行设定振幅大小和频率的动荷载加载工作。

Claims (2)

1.一种三向加载与定点动荷载结合的大型三维相似模拟试验系统，包括试件箱和反力系统，所述试件箱包括底座，所述底座的边缘设置有构成正方形的左螺孔带(13)、右螺孔带(14)、前螺孔带(15)和后螺孔带(16)；所述底座在左螺孔带(13)处通过螺栓固定连接有左侧板(3)，在前螺孔带(15)处通过螺栓固定连接有前侧板(5)；所述右螺孔带(14)与左螺孔带(13)之间设置有至少一个第一中间螺孔带(17)；所述后螺孔带(16)与前螺孔带(15)之间设置有与第一中间螺孔带(17)数量对应、垂直相接的第二中间螺孔带(18)；相接的第一中间螺孔带(17)、第二中间螺孔带(18)、左螺孔带(13)和前螺孔带(15)构成正方形；所述右螺孔带(14)或任一所述第一中间螺孔带(17)上通过螺栓固定连接有右侧板(4)；与所述右侧板(14)相接的后螺孔带(16)或任一第二中间螺孔带(18)上通过螺栓固定连接有后侧板(6)；

所述左侧板(3)的内侧通过螺栓固定连接有左压座(7)，左侧板(3)上按均分区域设置有左压套(9)；所述左压座(7)上固定有数量和位置与左压套(9)相对应的左压杆(8)，左压杆(8)穿出所述左压套(9)；

所述前侧板(5)的内侧通过螺栓固定连接有前压座(10)，前侧板(5)上按均分区域设置有前压套(11)；所述前压座(10)上固定有数量和位置与前压套(11)相对应的前压杆(12)，前压杆(12)穿出所述前压套(11)；

所述左压座(7)与前压座(10)间隔设置；

所述反力系统包括位于地面下的混凝土反力池(23)，所述反力池(23)的底部固定连接的第一反力座(24a)，所述第一反力座(24a)的右侧设置有第二反力座(24b)，第二反力座(24b)与所述反力池(23)的底部固定，并同时与所述第一反力座(24a)通过螺栓固定连接；

所述反力池(23)在所述试件箱的左侧设置有与所述第一反力座(24a)固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架(26)；所述侧承力架(26)上固定有数量和位置与所述左压杆(8)相对应的左静荷载加载液压缸(27)；所述反力池(23)在所述试件箱的右侧设置有与所述第二反力座(24b)螺栓连接的反力架(28)；所述反力架(28)与所述试件箱通过螺栓固定连接；

所述第一反力座(24a)的前部固定有前立柱(29)；所述前立柱(29)的一端面紧靠所述反力池(23)的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述前压杆(12)相对应的前静荷载加载液压缸(30)；

所述第一反力座(24a)的后部固定有后立柱(33)，所述后立柱(33)的一端面紧靠所述反力池(23)的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述第一垫板(31)相对应、并紧贴所述第一垫板(31)的第二垫板(32)；

所述前立柱(29)和后立柱(33)通过上方固定的横梁(2)连接为一体结构，所述横梁(2)上均布设置有与所述试件箱相对的上静荷载加载液压缸(34)；

所述三向加载大型三维相似模拟试验系统还包括上压座(35)；进行相似模拟试验时，所述上压座(35)将所述上静荷载加载液压缸(34)的加载力传递至所述试件箱内的相似材料上；

其特征在于：每列所述左静荷载加载液压缸(27)的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸(21)，且左动荷载加载液压缸(21)固定在侧承力架(26)上；每列所述前静荷载加载液压缸(30)的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸(25)，且前动荷载加载液压缸(25)固定在前立柱(29)上。

2.按照权利要求1所述的三向加载与定点动荷载结合的大型三维相似模拟试验系统，其特征在于：所述左静荷载加载液压缸(27)共三列，每列左静荷载加载液压缸(27)共五个，相应地，所述左动荷载加载液压缸(21)共三个，位于同一列的左静荷载加载液压缸(27)与左动荷载加载液压缸(21)由上到下依次等距间隔设置；所述前静荷载加载液压缸(30)共三列，每列前静荷载加载液压缸(30)共五个，相应地，所述前动荷载加载液压缸(25)共三个，位于同一列的前静荷载加载液压缸(30)与前动荷载加载液压缸(25)由上到下依次等距间隔设置。