CN109975129B - 一种可移动框架、模拟试验系统及其模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可移动框架、模拟试验系统及其模拟方法，属于物理模拟实验领域。本发明的可移动框架包括框架和传动机构，所述的传动机构带动所述的框架，用于控制框架在模拟试验系统中移动。所述模拟试验系统是指开采扰动下的相关模拟试验系统，该系统中存在荷载加载区，通过施加荷载模拟开采扰动。控制框架在模拟试验系统中移动，能够使框架远离荷载加载区，此时，试验人员在框架内进行操作，其人身安全得到保障。

Description

一种可移动框架、模拟试验系统及其模拟方法
技术领域
本发明属于物理模拟试验技术领域，具体地说，涉及一种可移动框架、模拟试验系统及其模拟方法。
背景技术
物理模拟是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的试样，借助测试仪表观测试样内力学参数及其分布规律，利用在试样上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。
由于建立物理模拟试验系统的初衷是研究动力扰动下岩体的力学动态响应特性，因此，对物理模拟试验系统的改进，都集中于模拟环境，使其更接近复杂的真实环境，如压力加载方式由原有的静荷载改进为动静荷载组合。但是，对于其他方面的改进则往往容易忽略，即物理模拟试验系统中用于装载试样的框架位于荷载加载区的范围内，这就意味着试样的制作过程或者试样的装载过程必须在荷载加载区的范围内进行，存在极大的安全隐患。
专利公开号：CN108007781A，公开日：2018年5月8日，发明创造名称为：动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统及其方法。其中，一种动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统，其包括相似材料铺设系统、液压加载系统、动力系统、监测系统和控制系统，相似材料铺设系统包括一个至少由底板和两立板组成的试验槽，试验槽内部放置有铺设台，铺设台上设置有煤岩类似层；在试验槽两立板上方焊接有顶梁，液压加载系统固定在顶梁上；液压加载系统包括静载液压油缸、动载冲击油缸和侧向压力机构，静载液压油缸和动载冲击油缸交错固定顶梁的下表面，用于对铺设的煤岩类似层施加垂直压力；该试验系统在使用时，由于试验槽的位置固定且始终位于液压加载系统的荷载加载区，而试验人员需要在试验槽铺设煤岩类似层，此时，试验人员的人身安全存在极大的安全隐患。
专利公开号：CN108827578A，公开日：2018年11月16日，发明创造名称为：一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验装置及方法。其中，一种双向静动加载的顶板关键块冒落试验方法。其公开了步骤：将巷道整体试样放置到整体框架内，根据边界力条件通过横向压力加载系统和竖向压力加载系统向巷道整体试样施加横向静荷载力和竖向静荷载力。通过分析可知，整体框架位于横向静荷载力和竖向静荷载力的加载范围内，巷道整体试样的装载也是在横向静荷载力和竖向静荷载力的加载范围内进行。此时，在试样的装载的过程中，试验人员的人身安全存在极大的安全隐患。
综上所述，现有技术中存在的问题：由于框架固定而导致在试样的制作过程或者试样的装载过程存在极大的安全隐患。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中由于框架固定而导致在试样的制作过程或者试样的装载过程存在极大的安全隐患，本发明提供一种可移动框架、模拟试验系统及其模拟方法。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供了一种可移动框架，包括框架和传动机构，所述的传动机构带动所述的框架，用于控制框架在模拟试验系统中移动。这里，模拟试验系统是指开采扰动下的相关模拟试验系统，例如用于研究开采扰动对巷道支护体破坏规律的巷道支护体力学模拟试验系统、用于研究开挖对岩层破坏规律的巷道开挖模拟试验系统等。
于本发明一种可能的实施方式中，所述的模拟试验系统为巷道开挖模拟试验系统。该试验系统用于研究岩层开挖过程中的力学动态响应特性。
于本发明一种可能的实施方式中，所述的传动机构为链传动机构。
本发明还提供一种模拟试验系统，包括如上所述的可移动框架，其中，所述的可移动框架用于装载试样。
于本发明一种可能的实施方式中，还包括竖直压力加载机构，用于向试样提供竖直方向的荷载；水平压力加载机构，用于向试样提供水平方向的荷载；起升机构，用于带动水平压力加载机构向上或者向下运动。
于本发明一种可能的实施方式中，所述的水平压力加载机构包括第一伸缩缸，第一伸缩缸具有施加荷载的第一活塞杆。
于本发明一种可能的实施方式中，所述起升机构包括第二伸缩缸，第二伸缩缸具有可沿竖直方向伸缩的第二活塞杆，水平压力加载机构安装于第二活塞杆上。
于本发明一种可能的实施方式中，所述的竖直压力加载机构包括落锤冲击组件，该组件用于加载冲击荷载，即通过自由下落的落锤冲击试样，模拟开挖。
本发明还提供一种模拟试验系统的模拟方法，包括以下步骤：
(1)通过传动机构带动框架至非荷载加载区，非荷载加载区即不受荷载影响的区域，此时，框架远离竖直压力加载机构和水平压力加载机构；
(2)将试样装载于框架内部；
(3)通过传动机构带动框架至荷载加载区，荷载加载区即受荷载影响的区域，此时，框架进入竖直压力加载机构的荷载加载区和水平压力加载机构的荷载加载区；
(4)通过竖直压力加载机构和水平压力加载机构向试样施加荷载；
(5)通过监测单元对试样的力学动态响应特性进行监测。
于本发明一种可能的实施方式中，步骤(4)中，通过落锤冲击组件冲击试样，模拟开挖，落锤冲击组件包括落锤，所述落锤的自由下落起始高度H，按照如下方式确定：
Figure BDA0002021252450000031
其中，开挖形成圆孔，R为所述的圆孔的理论半径参数，h为所述的圆孔的理论轴向长度参数，C为待开挖位置的理论内聚力参数，σ为试样剪切面的理论正应力参数，
Figure BDA0002021252450000032
为理论摩擦角参数，G1为落锤重量，G2为开挖得到开挖体的理论重量参数，τ为试样被冲击剪断的时间。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种可移动框架，通过传动机构带动所述的框架，控制框架在模拟试验系统中移动；这里，模拟试验系统是指开采扰动下的相关模拟试验系统，该系统中存在荷载加载区，通过施加荷载模拟开采扰动，控制框架在模拟试验系统中移动，能够使框架远离荷载加载区，此时，试验人员在框架内进行操作，其人身安全得到保障。
(2)本发明的一种可移动框架，该可移动框架可结合巷道开挖模拟试验系统进行使用，该试验系统用于研究岩层在开挖过程中的力学动态响应特性；目前，研究岩层在开挖过程中的力学动态响应特性是实验室的一个重要课题，需要进行多次模拟试验，在此基础上，将可移动框架结合巷道开挖模拟试验系统进行使用以保证试验人员的人身安全就显得尤为重要。
(3)本发明的一种可移动框架，所述的传动机构为链传动机构，链传动机构的现有技术较为成熟，其结构简单、易于实现。
(4)本发明的一种模拟试验系统，搭载可移动框架；通过模拟试验系统进行模拟试验，是实验室常用手段，在此基础上，将可移动框架结合巷道开挖模拟试验系统进行使用以保证试验人员的人身安全就显得尤为重要。
(5)本发明的一种模拟试验系统，所述的水平压力加载机构包括第一伸缩缸，通过第一伸缩缸的第一活塞杆施加荷载，伸缩缸一般分为液压缸、气压缸以及电动缸，其在市场上较为普遍，易于获得。
(6)本发明的一种模拟试验系统，所述的竖直压力加载机构包括落锤冲击组件，而落锤冲击组件通过自由下落的落锤冲击试样，模拟开挖。
(7)本发明的一种模拟试验系统的模拟方法，通过所述的传动机构带动所述的框架至非荷载加载区，此时，框架远离竖直压力加载机构和水平压力加载机构，一方面，框架上方与框架四周的空间较大，便于试验人员将试样装载于所述的框架内部；另一方面，在试验人员装载试样过程中，试验人员的人身安全得到保障。
(8)本发明的一种模拟试验系统的模拟方法，通过构建落锤自由下落高度H的公式，使落锤冲击到试样的待开挖位置开挖出尺寸精度更高的圆孔，即开挖后的圆孔的实际尺寸参数更接近理论尺寸参数，使得试样与原型的相似度更高，从而提高模拟程度；这里，通过圆孔模拟巷道；而现有技术中，落锤冲击试验虽然比较常见，但多用于各种管材、板材的耐外冲击性能的测定，落锤只提供冲击荷载的作用；因此，本发明构建了落锤自由下落高度H的公式，以保证试样受落锤冲击开挖后的几何形状与原型的相似度更高。
附图说明
图1为本发明一种模拟试验系统的结构示意图；
图2为本发明一种模拟试验系统所述水平压力加载机构的结构示意图。
图中：1、可移动框架；2、竖直压力加载机构；3、水平压力加载机构；4、起升机构；5、主框体；11、框架；12、传动机构；21、落锤；22、定位梁；23、导向滑轮；24、起吊框架；25、卷扬机；26、导向轮；31、反力架；32、第一伸缩缸；33、压力传递板；51、底部支撑座；52、导向立柱；53、顶梁钢板。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种可移动框架1，用于模拟试验系统，其包括框架11和传动机构12，通过传动机构12带动框架11，从而控制框架11在模拟试验系统中移动，框架11用于装载试样。
这里，传动机构12采用链传动机构，具体的来说，链传动机构包括电机、主动链轮、从动链轮和链条，链条套设于主动链轮和从动链轮上，电机与主动链轮动力连接。可在链条上放置托盘，然后将框架11放置在托盘上。通过电机驱动主动链轮，使链传动机构运转，带动框架11沿水平方向移动，框架11连同试样在模拟试验系统中移动。
当然，传动机构12还可以采用带传动机构。
需要说明的是，在实际模拟试验中，可在框架11中直接铺设相似材料原料，完成试样的制作，试样呈长方体结构，其长度、宽度均为3m，其厚度为0.2～0.3m，试样的密度与岩体的密度相同。一方面，模拟试验系统的作用就是进行模拟试验，试验人员主要精力都集中于改善模拟条件上；另一方面，试样是否移动，对模拟试验结果是不产生影响的，且试样较为笨重，不易搬动，因此，现有技术中，不考虑对试样进行移动，模拟试验系统所采用的框架均是不可移动的。
这里，模拟试验系统是指开采扰动下的相关模拟试验系统，该系统中存在荷载加载区，通过施加荷载模拟开采扰动。本实施方式中，可移动框架1结合模拟试验系统进行使用，通过电机驱动主动链轮，使链传动机构运转，从而控制框架在该模拟试验系统中移动，能够使框架远离荷载加载区，此时，试验人员在框架内进行操作，其人身安全得到保障。
另外，开采扰动下的相关模拟试验系统有多种，比如用于研究开采扰动对巷道支护体破坏规律的巷道支护体力学模拟试验系统、用于研究开挖对岩层破坏规律的巷道开挖模拟试验系统等。
实施例2
如图1所示，本实施例的一种模拟试验系统，该模拟试验系统为巷道开挖模拟试验系统，用于岩层在开挖过程中的力学动态响应特性。该模拟试验系统包括可移动框架1、竖直压力加载机构2和水平压力加载机构3，通过框架11装载试样。其中，可移动框架1采用实施例1中的可移动框架1，试样采用的是岩层模型。
一直以来，开采都是国内外矿业界特别关注的问题，研究岩层在开挖过程中的力学动态响应特性是实验室的一个重要课题，需要进行多次模拟试验，在此基础上，将可移动框架1结合巷道开挖模拟试验系统进行使用以保证试验人员的人身安全就显得尤为重要
这里，竖直压力加载机构2可向试样提供竖直方向的荷载，模拟竖直方向的扰动；水平压力加载机构3向试样提供水平方向的荷载，模拟地应力；在此基础上，本实施方式还包括起升机构4，通过起升机构4带动水平压力加载机构3向上或者向下运动，使试样离开水平压力加载机构3的荷载加载区或者进入水平压力加载机构3的荷载加载区；起升机构4配合可移动框架1使用，当框架11离开水平压力加载机构3的荷载加载区时，传动机构12带动框架11，控制框架11在模拟试验系统中移动，使框架11进入或者离开竖直压力加载机构2的荷载加载区。框架11远离竖直压力加载机构2的荷载加载区时，试验人员可在框架11内进行操作，比如在框架11内装载试样，该过程中，由于试验人员远离荷载加载区，其人身安全得到了保障。
为了使该模拟试验系统整体更为紧凑，可将可移动框架1、竖直压力加载机构2和水平压力加载机构3以及起升机构4搭载在同一主框体5上。
具体的来说，主框体5包括底部支撑座51、导向立柱52和顶梁钢板53，顶梁钢板53与底部支撑座51上下平行设置，导向立柱52固定安装于顶梁钢板53与底部支撑座51之间。
可移动框架1的主动链轮、从动链轮和电机均安装于底部支撑座51上。
竖直压力加载机构2包括落锤冲击组件，该落锤冲击组件包括落锤21、定位梁22、导向滑轮23、起吊框架24、卷扬机25、导向轮26和电磁吸盘；定位梁22外缘四周旋转连接有导向滑轮23，导向滑轮23滑动连接于导向立柱52上设有的导向槽内部，导向槽沿竖直方向布置，使得导向滑轮23可沿导向立柱52上下滑动，落锤21卡接于定位梁22中心下方，两者之间实现可拆卸式连接，起吊框架24固定连接于顶梁钢板53上方，卷扬机25固定安装于顶梁钢板53上，导向轮26安装于起吊框架24上，卷扬机25上的钢丝绳绕过导向轮26与电磁吸盘连接。
电磁吸盘通电产生磁力，吸附定位梁22，从而将落锤21提起；电磁吸盘断电退磁，释放定位梁22，落锤21自由落下；落锤21自由下落过程中，定位梁22外缘四周的导向滑轮23沿导向立柱52向下滑动，防止落锤21下落过程中发生偏移。
试样采用岩层模型，落锤21冲击到试样上，模拟爆破开挖，冲击产生的圆孔用来模拟巷道。试样在开挖后形成巷道围岩模型。为了便于理解，这里对落锤21的结构进行简单介绍，落锤21包括锤柄、锤头，锤柄上端与定位梁22连接，锤柄下端与锤头上端连接，锤头下端为开口向下的筒体。
如图2所示，水平压力加载机构3包括反力架31、第一伸缩缸32和压力传递板33，反力架31呈矩形环状，用于套装于框架11外部，反力架31上固定安装有第一伸缩缸32，第一伸缩缸32有四个且分布在反力架31四周，第一伸缩缸32靠近反力架31内部的一端具有第一活塞杆，第一活塞杆端部安装有压力传递板33，压力传递板33将第一伸缩缸32产生的力传递至框架11侧面，从而向框架11侧向施加水平荷载，模拟地应力。第一伸缩缸32可采用液压缸、气压缸以及电动缸中的任意一种，在本实施方式中，使用的是液压缸。
起升机构4包括第二伸缩缸，第二伸缩缸具有可沿竖直方向伸缩的第二活塞杆，第二伸缩缸安装于底部支撑座51设有的安装槽内部，第二伸缩缸上端具有第二活塞杆，第二活塞杆上端与反力架31下端连接。其中，第二伸缩缸可采用液压缸、气压缸以及电动缸中的任意一种，在本实施方式中，使用的是液压缸。
启动第二伸缩缸带动水平压力加载机构3向上或者向下运动；水平压力加载机构3向上运动之后，水平压力加载机构3与支撑座51之间形成通道，框架11可穿过通道进行移动。
本实施方式一般通过监测单元监测试样在开挖过程中的的力学动态响应特性，该监测单元包括位移测试模块、应变测试模块、岩层断裂模块以及冲击速度测试模块，其中，位移测试模块包括摄像机和位移监测点，在试样上布设位移监测点，摄像仪用于连续拍照记录位移监测点的变化，以此监测试样表面的应变场变化；应变测试模块，应变测试模块包括应变仪、光线光栅分析仪、应变片和分布式光纤，应变片和分布式光纤均埋设在试样中，通过应变仪采集应变片信号，以此监测应力状态；通过光线光栅分析仪采集分布式光纤；岩层断裂模块，包括声发射仪和声发探头，声发探头埋设在试样中，声发射仪采集声发探头的信号，用于测试试样中微裂纹的扩展规律；冲击速度测试模块，包括支架和测速传感器，测速传感器安装于支架上，支架可安装于导向立柱52上，测速传感器靠近试样上表面，测速传感器用于获取落锤21冲击试样的速度。
实施例3
基于实施例2所述的模拟试验系统，本实施例还提供一种模拟试验系统的模拟方法，用于研究岩层在开挖过程中的力学动态响应特性，该模拟方法包括以下步骤：
(1)通过所述的传动机构12带动所述的框架11至非荷载加载区；此时，框架11移动至模拟试验系统的右端，框架11远离竖直压力加载机构和水平压力加载机构；这里，通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11离开竖直压力加载机构2的荷载加载区。
(2)将试样装载于所述的框架11内部；具体的来说，试样采用岩层模型，试验人员根据收集到的资料，选择合适的相似材料原料，常用的相似材料原料包括石英砂、水泥、石膏、减水剂和缓凝剂，根据相似理论确定的相似比参数，根据相似比参数将各相似材料原料混合制作相似材料，沿水平方向将相似材料一层层铺设并压实；在铺设过程中，将应变片、分布式光纤和声发探头埋设于相似材料中；对相似材料进行晾干，晾干后在相似材料表面标定位移监测点，完成试样的制作及装载。
在铺设过程中，相似材料需要在一层铺设、压实之后再进行另一层的铺设、压实，因此，相似材料的铺设时间通常不低于5小时。在本实施方式中，相似材料的铺设是在框架11移出竖直压力加载机构2的荷载加载区之后进行的，从而保证试验人员在安全的环境下长时间作业。
(3)通过所述的传动机构12带动所述的框架11至荷载加载区；此时，框架11移动至模拟试验系统的左端；具体的来说，通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11进入竖直压力加载机构2的荷载加载区；在此基础上，启动第二伸缩缸，带动水平压力加载机构3向下运动，使试样进入水平压力加载机构3的荷载加载区。
(4)通过竖直压力加载机构2和水平压力加载机构3向试样提供荷载；这里，通过落锤21冲击试样，模拟爆破开采；启动第一伸缩缸32，向框架11侧向施加水平荷载，进而将荷载传递到巷道围岩模型侧向，模拟地应力；控制第一伸缩缸32的第一活塞杆收缩，对框架11卸压，实现模拟原型处于不同的地应力作用下的受力环境。
这里，落锤21自由落下并冲击到试样上，模拟开挖；对落锤21自由下落高度为H，构建落锤21自由下落高度H的公式：
Figure BDA0002021252450000081
其中，开挖得到圆孔，R为所述的圆孔的理论半径参数，h为所述的圆孔的理论轴向长度参数，C为待开挖位置的理论内聚力参数，σ为试样剪切面的理论正应力参数，
Figure BDA0002021252450000088
为理论摩擦角参数，G1为落锤21重量，G2为开挖得到开挖体的理论重量参数，τ为试样被冲击剪断的时间。R、h、C、σ、
Figure BDA0002021252450000089
G2均根据原型尺寸参数和相似常数计算确定，根据G1的参数值可准确确定H的取值。
假设原型中巷道半径尺寸Ry＝2.5m，一次爆破轴向长度hy＝3m，取几何相似常数均为K1＝25，则可知模型中待开挖材料的半径即圆孔的理论半径参数
Figure BDA0002021252450000082
圆孔的理论轴向长度参数
Figure BDA0002021252450000083
相似材料平均干容重取γ＝1760KN/m3，原型平均干容重γy＝2250KN/m3，则应力相似常数为
Figure BDA0002021252450000084
取原型中内聚力为Cy＝25Mpa，待开挖位置的理论内聚力参数
Figure BDA0002021252450000085
取原型剪切面上的正应力σy＝35Mpa，试样剪切面的理论正应力参数
Figure BDA0002021252450000086
理论摩擦角参数
Figure BDA0002021252450000087
开挖得到开挖体的理论重量参数G2＝γπR2h＝12.96KN。
由于模型试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；由此可知，相似度对材料的物理力学性质具有很大的影响；这里，通过构建落锤21自由下落高度H的公式，使落锤21冲击到试样的待开挖位置开挖出尺寸精度更高的圆孔，即开挖后的圆孔的实际尺寸参数更接近理论尺寸参数，即模型和原型的相似度更高。而现有技术中，落锤21自由下落高度都是试验人员根据经验估计出来的，并不能保证圆孔的尺寸精度。
(5)通过监测单元对试样在开挖过程中的的力学动态响应特性进行监测；这里，通过摄像仪连续拍照并记录位移监测点的变化，以此试样表面的应变场变化；通过应变仪采集应变片信号，以此监测应力状态；通过光线光栅分析仪采集分布式光纤，以此试样内部错动位移的变化过程；通过声发射仪采集声发探头的信号，以此测试试样中微裂纹的扩展规律。
(6)模拟结束后，对试样进行清理；这里，先启动第二伸缩缸，带动水平压力加载机构3向上运动，使巷道围岩模型离开水平压力加载机构3的荷载加载区；再通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11离开竖直压力加载机构2的荷载加载区，从而方便对框架11内部的试样进行清理。
实施例4
基于实施例2所述的模拟试验系统，本实施例还提供一种模拟试验系统的模拟方法，用于研究岩层在开挖过程中的力学动态响应特性，该模拟方法包括以下步骤：
(1)通过所述的传动机构12带动所述的框架11至非荷载加载区；此时，框架11移动至模拟试验系统的右端，框架11远离竖直压力加载机构和水平压力加载机构；这里，通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11离开竖直压力加载机构2的荷载加载区。
(2)将试样装载于所述的框架11内部；具体的来说，试样采用岩层模型，试验人员根据收集到的资料，选择合适的相似材料原料，常用的相似材料原料包括石英砂、水泥、石膏、减水剂和缓凝剂，根据相似理论确定的相似比参数，根据相似比参数将各相似材料原料混合制作相似材料，沿竖直方向将相似材料一层层铺设并压实；在铺设过程中，将应变片、分布式光纤和声发探头埋设于相似材料中；对相似材料进行晾干，晾干后在相似材料表面标定位移监测点，完成试样的制作及装载。
在铺设过程中，相似材料需要在一层铺设、压实之后再进行另一层的铺设、压实，因此，相似材料的铺设时间通常不低于5小时。在本实施方式中，相似材料的铺设是在框架11移出竖直压力加载机构2的荷载加载区之后进行的，从而保证试验人员在安全的环境下长时间作业。
(3)通过所述的传动机构12带动所述的框架11至荷载加载区；此时，框架11移动至模拟试验系统的左端；具体的来说，通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11进入竖直压力加载机构2的荷载加载区；在此基础上，启动第二伸缩缸，带动水平压力加载机构3向下运动，使试样进入水平压力加载机构3的荷载加载区。
(4)通过竖直压力加载机构2和水平压力加载机构3向试样提供荷载；这里，通过落锤21冲击试样，模拟爆破开采；启动第一伸缩缸32，向框架11侧向施加水平荷载，进而将荷载传递到巷道围岩模型侧向，模拟地应力；控制第一伸缩缸32的第一活塞杆收缩，对框架11卸压，实现模拟原型处于不同的地应力作用下的受力环境。
这里，落锤21自由落下并冲击到试样上，模拟开挖；对落锤21自由下落高度为H，构建落锤21自由下落高度H的公式：
Figure BDA0002021252450000101
其中，开挖得到圆孔，R为所述的圆孔的理论半径参数，h为所述的圆孔的理论轴向长度参数，C为待开挖位置的理论内聚力参数，σ为试样剪切面的理论正应力参数，
Figure BDA0002021252450000108
为理论摩擦角参数，G1为落锤21重量，G2为开挖得到开挖体的理论重量参数，τ为试样被冲击剪断的时间。R、h、C、σ、
Figure BDA0002021252450000109
G2均根据原型尺寸参数和相似常数计算确定，根据G1的参数值可准确确定H的取值。
假设原型中巷道半径尺寸Ry＝2.5m，一次爆破轴向长度hy＝3m，取几何相似常数均为K1＝25，则可知模型中待开挖材料的半径即圆孔的理论半径参数
Figure BDA0002021252450000102
圆孔的理论轴向长度参数
Figure BDA0002021252450000103
相似材料平均干容重取γ＝1760KN/m3，原型平均干容重γy＝2250KN/m3，则应力相似常数为
Figure BDA0002021252450000104
取原型中内聚力为Cy＝25Mpa，待开挖位置的理论内聚力参数
Figure BDA0002021252450000105
取原型剪切面上的正应力σy＝35Mpa，试样剪切面的理论正应力参数
Figure BDA0002021252450000106
理论摩擦角参数
Figure BDA0002021252450000107
开挖得到开挖体的理论重量参数G2＝γπR2h＝12.96KN。
由于模型试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；由此可知，相似度对材料的物理力学性质具有很大的影响；这里，通过构建落锤21自由下落高度H的公式，使落锤21冲击到试样的待开挖位置开挖出尺寸精度更高的圆孔，即开挖后的圆孔的实际尺寸参数更接近理论尺寸参数，即模型和原型的相似度更高。而现有技术中，落锤21自由下落高度都是试验人员根据经验估计出来的，并不能保证圆孔的尺寸精度。
(5)通过监测单元对试样在开挖过程中的的力学动态响应特性进行监测；这里，通过摄像仪连续拍照并记录位移监测点的变化，以此试样表面的应变场变化；通过应变仪采集应变片信号，以此监测应力状态；通过光线光栅分析仪采集分布式光纤，以此试样内部错动位移的变化过程；通过声发射仪采集声发探头的信号，以此测试试样中微裂纹的扩展规律。
(6)模拟结束后，对试样进行清理；这里，先启动第二伸缩缸，带动水平压力加载机构3向上运动，使巷道围岩模型离开水平压力加载机构3的荷载加载区；再通过电机驱动主动链轮，使得传动机构12运转，带动框架11移动，直至框架11离开竖直压力加载机构2的荷载加载区，从而方便对框架11内部的试样进行清理。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟试验系统，其特征在于：包括用于装载试样的框架（11）和传动机构（12），所述的传动机构（12）带动所述的框架（11），用于控制框架（11）在模拟试验系统中移动；
所述的模拟试验系统为巷道开挖模拟试验系统；
所述模拟试验系统还包括竖直压力加载机构（2），用于向试样提供竖直方向的荷载；
包括水平压力加载机构（3），用于向试样提供水平方向的荷载，所述的水平压力加载机构（3）包括第一伸缩缸（32），第一伸缩缸（32）具有施加荷载的第一活塞杆；
包括起升机构（4），所述起升机构（4）包括第二伸缩缸，第二伸缩缸具有可沿竖直方向伸缩的第二活塞杆，第二活塞杆上端与所述水平压力加载机构（3）的反力架（31）下端连接，用于带动水平压力加载机构（3）向上或者向下运动；
所述传动机构（12）带动框架（11）至非荷载加载区，将试样装载于框架（11）内部，所述传动机构（12）带动所述框架（11）至荷载加载区，所述竖直压力加载机构（2）和水平压力加载机构（3）向试样施加荷载，通过监测单元对试样的力学动态响应特性进行监测。
2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于：所述的竖直压力加载机构（2）包括落锤冲击组件。
3.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，通过落锤冲击组件冲击试样，模拟开挖，落锤冲击组件包括落锤（21），所述落锤（21）的自由下落起始高度H，按照如下方式确定：
Figure 878216DEST_PATH_IMAGE001
其中，开挖形成圆孔，R为所述的圆孔的理论半径参数，h为所述的圆孔的理论轴向长度参数，C为待开挖位置的理论内聚力参数，σ为试样剪切面的理论正应力参数，φ为理论摩擦角参数，G1为落锤重量，G2为开挖得到开挖体的理论重量参数，τ为试样被冲击剪断的时间。
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