CN111337651A - 一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，包括试验台架、地应力加载系统、水压力加载系统、数据采集系统和泥水突出物回收系统；试验台架中设有用于填充围岩介质和断层等介质的试验箱体，地应力加载系统位于试验箱体顶部，由恒温恒压水箱和高压氮气瓶等组成的水压力加载系统出水端设置于断层等突水构造的砾石滤层中，数据采集系统由设置于围岩或断层介质内部的若干传感器以及试验台架外部数据采集仪组成，泥水突出物回收系统通过导流管与巷道或隧道排水口连接。
Description
技术领域
本发明属于地下工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，能够模拟不同形状和断面尺寸、不同蓄水构造、不同温度水压力、不同埋深情况下的巷道和隧道突水突泥的试验系统，属于岩土工程领域。
背景技术
随着我国国民经济建设的快速发展，诸如地下矿山开采、交通建设、水电开发等一系列国家战略性工程的建设不断向深部开发。在此大背景下，深部巷道和隧道工程的地质条件也越来越复杂，深部巷道和隧道突水突泥灾害日益严重。巷道和隧道突水突泥灾害，轻者会造成机械损坏，重者则会造成重大人员伤亡。巷道和隧道等地下工程突水突泥灾害严重，很大程度上是由于对巷道和隧道等地下工程突水突泥的灾变机制研究不尚清楚，这与相关突水突泥试验系统和设备研发滞后有关。室内物理模拟试验是研究地下工程突水突泥最好的研究方法之一，然而，目前针对地下工程突水突泥试验系统研发相对滞后，已不能满足实际需求。由于巷道和隧道突水突泥灾变过程中涉及的应力、渗流、损伤耦合等复杂科学问题，因此，目前的试验装置真正实现三维流固耦合问题的相对较少。针对深部巷道和隧道突水突泥流固耦合试验的实际需求，如果能研发一种模拟深部地应力、恒温恒水压力和开挖环境下的巷道和隧道突水突泥三维流固耦合物理模拟试验系统，则能够较好的揭示巷道和隧道突水突泥灾害的孕育演化与触发机理，有助于提出隧道突水突泥的变演化过程和超前预警方法，对于减少或避免隧道突水突泥灾害具有重要的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，可以模拟不同隧道断面形状和尺寸、不同隧道埋深、不同断层等蓄水构造和充填介质、以及不同突水压力和水温等复杂因素影响下的巷道和隧道突水突泥的灾变过程。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征是，包括试验台架、地应力加载系统、水压力加载系统、数据采集系统和泥水突出物回收系统；试验台架中设有用于填充围岩介质和断层等介质的试验箱体，地应力加载系统位于试验箱体顶部，水压力加载系统出水端设置于断层等突水构造的砾石滤层中，数据采集系统包括设置于围岩介质和断层介质内部的若干传感器，传感器与试验台架外部数据采集仪相连，泥水突出物回收系统通过导流管与巷道或隧道排水口连接。
进一步的，所述试验台架包括约束反力板、侧面钢架、均布盖板、试验箱体、透明有机玻璃面板、钢板框架、加劲肋板、工字钢底座；所述约束反力板与侧面钢架采用螺栓连接，所述侧面钢架焊接在试验箱体上，所述钢板框架(第一层)上设置了一圈法兰盘和一圈防水槽，所述透明有机玻璃面板(第二层)中部设有三个正方形预留口，所述透明有机玻璃面板周围设有一圈法兰盘，所述试验箱体前后面为三块可拆卸的长方形加劲肋板(第三层)，所述加劲肋板两短边各设有三个法兰盘，与第二层透明有机玻璃面板和第一层钢板框架采用螺栓连接，所述试验箱体内部为围岩介质和断层等蓄水构造介质，所述试验箱体焊接在三条工字钢上。
进一步的，所述地应力加载系统包括液压油泵、油泵压力表、输油管道、液压缸；所述油泵压力表安装在液压油泵上，所述输油管道连接液压油泵和液压缸，所述液压缸通过螺栓连接在约束反力板上，柱塞前端作用在均布盖板上。
进一步的，所述水压力加载系统包括氮气瓶、储气量与气体压力表、阀门，输气管道、恒压水箱、输水水管、突水管道；所述储气量和气体压力表安装在氮气瓶上，所述阀门分别安装在输气管道和输水管道上，所述输气管道连接氮气瓶和恒温恒压水箱，所述输水管道连接恒温恒压水箱和突水管道，所述突水管道安装在试验箱体内部的断层等构造砾石滤层中。
进一步的，所述恒温恒压水箱包括恒温恒压水箱压力表、进水口、封水塞、加热装置、加热腔体、微电脑控制器、水位计，所述恒温恒压水箱压力表安装在恒温恒压水箱顶部，所述封水塞试验时旋紧在进水口上，所述加热装置安装在加热腔体内，所述微电脑控制器安装在加热腔体外表面上部，所述水位计安装在恒温恒压水箱中部，所述恒温恒压水箱底部为自由旋转车轮。
进一步的，所述数据采集系统包括传感器、传输光纤、数据采集仪、电脑，所述传感器安装在围岩介质和断层等构造介质内部，所述传感器通过传输光纤连接在数据采集仪上，所述数据采集仪通过数据线连接在电脑上。
进一步的，所述泥水突出物回收系统包括粒径为0.2mm的圆筒状过滤筛、封水圈、粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛、透明塑料面板、储水容器、容量刻度板、车轮支架、定位标尺、出水口；所述封水圈放置于每层过滤筛连接处，所述透明塑料面板安装在粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛侧壁，所述储水容器底部为圆弧状，所述容量刻度板安装在储水容器侧壁，所述出水口安装在储水容器最低处，所述车轮支架安装在储水容器底部，所述车轮支架采用可伸缩设计，所述定位标尺位于车轮支架上，所述定位标尺用于调整泥水突出物回收系统的平整度和高度。
有益效果：本发明一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，采用如上技术方案，可以进行不同埋深、不同断面形状、不同尺寸、不同蓄水构造和充填物等多因素耦合作用下的深部巷道和隧道突水突泥流固耦合物理模拟试验。具体体现为：1)通过装置正面透明有机玻璃板上的三个正方形预留口可以模拟不同形状、不同尺寸以及不同埋深的巷道和隧道突水突泥试验；2)通过约束反力板和侧面钢架可以不同地应力情况下的巷道和隧道突水突泥试验；3)通过试验箱体内部布置断层等蓄水构造的位置及大小可以模拟不同断层等蓄水构造条件下的深部巷道和隧道突水突泥试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或装置描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统示意图；
图2为试验台架示意图；
图3为地应力加载系统示意图；
图4为水压力加载系统示意图；
图5为数据采集系统示意图；
图6为泥水突出物回收系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图6，一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征是，包括试验台架、地应力加载系统、水压力加载系统、数据采集系统和泥水突出物回收系统；试验台架中设有用于填充围岩介质和断层等介质的试验箱体，地应力加载系统位于试验箱体顶部，水压力加载系统出水端设置于断层等突水构造的砾石滤层中，数据采集系统包括设置于围岩介质和断层介质内部的若干传感器，传感器与试验台架外部数据采集仪相连，泥水突出物回收系统通过导流管与巷道或隧道排水口连接。
如图2，所述试验台架包括约束反力板1、侧面钢架2、均布盖板3、试验箱体4、透明有机玻璃面板5、钢板框架6、加劲肋板7、工字钢底座8；所述约束反力板1与侧面钢架2采用螺栓连接，所述侧面钢架2焊接在试验箱体4上，所述试验箱体4前后面为钢板框架6，所述钢板框架6周围设置了一圈法兰盘，所述透明有机玻璃面板5中部设有三个正方形预留口9，所述透明有机玻璃面板5周围设置了一圈法兰盘，所述加劲肋板7两短边设置了一排法兰盘，所述加劲肋板7与透明有机玻璃面板5和钢板框架6采用螺栓连接，所述均布盖板3位于试验箱体4顶部，所述试验箱体4内部为围岩介质和断层等蓄水构造介质，所述试验箱体4焊接在三条工字钢8上。
如图3，所述地应力加载系统包括液压油泵10、油泵压力表11、输油管道12、液压缸13；所述油泵压力表11安装在液压油泵10上，所述输油管道12连接液压油泵10和液压缸13，所述液压缸13通过螺栓连接在约束反力板1上，柱塞前端作用在均布盖板3上。
如图4，所述水压力加载系统包括氮气瓶15、储气量和气体压力表16、阀门17、输气管道18、恒温恒压水箱19、输水管道20、突水管道21；所述储气量和气体压力表16安装在氮气瓶15上，所述阀门17分别安装在输气管道18和输水管道20上，所述输气管道18连接氮气瓶15和恒温恒压水箱19，所述输水管道20连接恒温恒压水箱19和突水管道21，所述突水管道21安装在试验箱体4内部的断层等蓄水构造介质砾石滤层中。
如图4，所述恒温恒压水箱19包括恒温恒压水箱压力表22、进水口23、封水塞24、加热装置25、加热腔体26、微电脑控制器27、水位计28，所述恒温恒压水箱压力表22安装在恒温恒压水箱19顶部，所述封水塞24试验时旋紧在进水口23上，所述加热装置25安装在加热腔体26内，所述微电脑控制器27安装在加热腔体26外表面上部，所述恒温恒压水箱19底部为自由旋转车轮。
如图5，所述数据采集系统包括传感器29、传输光纤30、数据采集仪31、电脑32，所述传感器29安装在围岩介质和断层等介质内部，所述传感器29通过传输光纤30连接在数据采集仪31上，所述数据采集仪29通过数据线33连接在电脑32上。
如图6，所述泥水突出物回收系统包括粒径为0.2mm的圆筒状过滤筛34、封水圈35、粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛36、透明塑料面板37、储水容器38、容量刻度板39、车轮支架40、定位标尺41、出水口42，所述封水圈35放置于每层过滤筛连接处，所述透明塑料面板37安装在粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛36侧壁，所述储水容器38底部为圆弧状，所述容量刻度板39安装在储水容器38侧壁，所述出水口42安装在储水容器38最低处，所述车轮支架40安装在储水容器38底部，所述车轮支架40采用可伸缩设计，所述定位标尺41位于车轮支架40上，所述定位标尺41用于调整泥水突出物回收系统的平整度和高度。
Claims (7)
1.一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：包括试验台架、地应力加载系统、水压力加载系统、数据采集系统和泥水突出物回收系统；试验台架中设有用于填充围岩介质和断层等介质的试验箱体，地应力加载系统位于试验箱体顶部，水压力加载系统出水端设置于断层等突水构造的砾石滤层中，数据采集系统包括设置于围岩介质和断层介质内部的若干传感器，传感器与试验台架外部数据采集仪相连，泥水突出物回收系统通过导流管与巷道或隧道排水口连接。
2.根据权利要求1所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述试验台架包括约束反力板(1)、侧面钢架(2)、均布盖板(3)、试验箱体(4)、透明有机玻璃面板(5)、钢板框架(6)、加劲肋板(7)、工字钢底座(8)；所述约束反力板(1)与侧面钢架(2)采用螺栓连接，所述侧面钢架(2)焊接在试验箱体(4)上，所述试验箱体(4)前后面为钢板框架(6)，所述钢板框架(6)周围设置一圈法兰盘，所述透明有机玻璃面板(5)中部设有三个正方形预留口(9)，所述透明有机玻璃面板(5)周围设置了一圈法兰盘，所述加劲肋板(7)两短边设置了一排法兰盘，所述加劲肋板(7)与透明有机玻璃面板(5)和钢板框架(6)采用螺栓连接，所述均布盖板(3)位于试验箱体(4)顶部，所述试验箱体(4)内部为围岩介质和断层等介质，所述试验箱体(4)焊接在三条工字钢(8)上。
3.根据权利要求1所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述地应力加载系统包括液压油泵(10)、油泵压力表(11)、输油管道(12)、液压缸(13)、柱塞(14)；所述油泵压力表(11)安装于液压油泵(10)上，所述输油管道(12)连接液压油泵(10)和液压缸(13)，所述液压缸(13)通过螺栓连接在约束反力板(1)上，柱塞(14)作用在均布盖板(3)上。
4.根据权利要求1所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述水压力加载系统包括氮气瓶(15)、储气量和气体压力表(16)、阀门(17)、输气管道(18)、恒温恒压水箱(19)、输水管道(20)、突水管道(21)；所述储气量和气体压力表(16)安装在氮气瓶(15)上，所述阀门(17)分别安装在输气管道(18)和输水管道(20)上，所述输气管道(18)连接氮气瓶(15)和恒温恒压水箱(19)，所述输水管道(20)连接恒温恒压水箱(19)和突水管道(21)，所述突水管道(21)安装在试验箱体(4)内部的断层等突水构造砾石滤层中。
5.根据权利要求4所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述恒温恒压水箱(19)包括恒温恒压水箱压力表(22)、进水口(23)、封水塞(24)、加热装置(25)、加热腔体(26)、微电脑控制器(27)、水位计(28)，所述恒温恒压水箱压力表(22)安装在恒温恒压水箱(19)顶部，所述封水塞(24)试验时旋紧在进水口(23)上，所述加热装置(25)安装在加热腔体(26)内，所述微电脑控制器(27)安装在加热腔体(26)外表面上部，所述水位计(28)安装在恒温恒压水箱(19)中部，所述恒温恒压水箱(19)底部为自由旋转车轮。
6.根据权利要求1所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述数据采集系统包括传感器(29)、传输光纤(30)、数据采集仪(31)、电脑(32)，所述传感器(29)安装在断层介质和围岩介质交界处以及内部，所述传感器(29)通过传输光纤(30)连接在数据采集仪(31)上，所述数据采集仪(31)通过数据线(33)连接在电脑(32)上。
7.根据权利要求1所述一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统，其特征在于：所述泥水突出物回收系统包括粒径为0.2mm的圆筒状过滤筛(34)、封水圈(35)、粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛(36)、透明塑料面板(37)、储水容器(38)、容量刻度板(39)、车轮支架(40)、定位标尺(41)、出水口(42)，所述封水圈(35)设置于每层过滤筛连接处，所述透明塑料面板(37)安装在粒径为0.03mm的圆筒状过滤筛(36)侧壁，所述储水容器(38)底部为圆弧状，所述容量刻度板(39)安装在储水容器(38)侧壁，所述出水口(42)安装在储水容器(38)最低处，所述车轮支架(40)安装在储水容器(38)底部，所述车轮支架(40)采用可伸缩设计，所述定位标尺(41)位于车轮支架(40)上，所述定位标尺(41)用于调整泥水突出物回收系统的平整度和高度。
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| CN202010308287.XA CN111337651A (zh) | 2020-04-18 | 2020-04-18 | 一种深部巷道和隧道突水突泥三维物理模拟试验系统 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111653183A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-09-11 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统 |
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2020
- 2020-04-18 CN CN202010308287.XA patent/CN111337651A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN111653183A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-09-11 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统 |
| US11048002B1 (en) | 2020-07-01 | 2021-06-29 | Institute Of Geology And Geophysics, Chinese Academy Of Sciences | Visualization system for simulating excavation of fluid-structure interaction tunnel |
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