CN114323972B - 一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法，涉及地下工程室内模拟试验技术领域。该用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，包括移动平台、箱体、支撑框架、巷道掘进装置和数据监测单元。本发明的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法，可以再现巷道开挖全过程，模拟深部巷道多向受载，深部巷道受动静载叠加扰动影响，还原深部巷道真实受力状态；解决了目前大型实验装置中只能实现单向静态加载，缺乏多向动静加载条件下研究不足的问题，并且通过数据监测单元实时反映巷道围岩的应力及变形情况。

Description

一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程室内模拟试验技术领域，具体地说是涉及一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法。

背景技术

鉴于冲击地压的危害性和复杂性，冲击地压问题的研究已成为岩石力领域中的一个研究热点和难点问题。统计分析表明，冲击地压灾害多发生于巷道内部，随着矿山开采深度的增加，开采条件也更加复杂，易引发因巷道围岩失稳而产生破坏，甚至导致更重大的灾害发生。

目前，对于深部工程开采重大灾害难以遏制的原因在于对灾害发生的机理缺乏深入研究，而利用物理相似材料模型试验研究地下灾害防治是一种有效的方法。然而，现有的物理相似材料模拟试验系统，多以单向加载模拟巷道围岩应力环境，而在高地应力状态下，深部巷道围岩多向受载，单向加载不足以完全反应深部巷道围岩真实应力状态。其次，现有的相似材料模拟试验系统侧重于静载稳定施加，对井下巷道瞬时动载扰动行为考虑较少，当巷道围岩受动静载叠加扰动影响时，现有试验系统无法确切模拟巷道围岩应力条件。此外，现有的物理相似材料模拟试验系统，难以实现人工分层开挖，无法安置注浆锚杆等；试验装置移动操作不便，且难以观测模型巷道围岩渐进破裂过程。由此可见，现有的相似材料模拟试验系统的操作与功能有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法，再现巷道开挖全过程，模拟深部巷道多向受载，深部巷道受动静载叠加扰动影响，还原深部巷道真实受力状态。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，包括移动平台、箱体、支撑框架、巷道掘进装置和数据监测单元；

所述移动平台上设置有支撑台，所述支撑台可相对于移动平台移动，所述支撑台上放置箱体；

所述箱体呈长方体结构，箱体内放置有相似材料模型，箱体上可拆卸设置有观察窗，箱体内部左端及右端均设置有侧向承压板，箱体内部顶端设置有轴向承压板；

所述支撑框架架设在移动平台及箱体的左端、右端及顶端；

支撑框架的左端设置有若干个摆锤冲击单元，所述摆锤冲击单元包括第一冲击杆、摆动杆、摆锤、第一定滑轮和第一拉绳；第一冲击杆穿过箱体，第一冲击杆可沿着水平方向移动，第一冲击杆的一端接触箱体内部左端的侧向承压板，摆动杆的上端铰接支撑框架，摆动杆的下端设置摆锤，第一定滑轮设置于支撑框架上，第一拉绳的一端连接摆锤，第一拉绳的另一端经第一定滑轮引出；拉动第一拉绳并松开第一拉绳后，摆动杆相对于支撑框架摆动，摆锤撞击第一冲击杆的另一端；

支撑框架的左端设置有若干个侧向作动器，侧向作动器连接第二冲击杆的一端，第二冲击杆穿过箱体，第二冲击杆可沿着水平方向移动，第二冲击杆的另一端接触箱体内部左端的侧向承压板；

支撑框架的右端设置有若干个侧向加载油缸，侧向加载油缸的加载端穿过箱体，侧向加载油缸的加载端沿着水平方向加载，侧向加载油缸的加载端接触箱体内部右端的侧向承压板；

支撑框架的顶端设置有若干个落锤冲击单元，所述落锤冲击单元包括第三冲击杆、落锤、第二定滑轮和第二拉绳；第三冲击杆穿过箱体，第三冲击杆可沿着竖直方向移动，第三冲击杆的一端接触箱体内部顶端的轴向承压板，第二定滑轮设置于支撑框架上，第二拉绳的一端连接落锤，第二拉绳的另一端经第二定滑轮引出；拉动第二拉绳并松开第二拉绳后，落锤撞击第三冲击杆的另一端；

支撑框架的顶端设置有若干个轴向作动器，轴向作动器连接第四冲击杆的一端，第四冲击杆穿过箱体，第四冲击杆可沿着竖直方向移动，第四冲击杆的另一端接触箱体内部顶端的轴向承压板；

支撑框架的顶端设置有若干个轴向加载油缸，轴向加载油缸的加载端穿过箱体，轴向加载油缸的加载端沿着竖直方向加载，轴向加载油缸的加载端接触箱体内部顶端的轴向承压板；

所述巷道掘进装置用于在相似材料模型挖掘模拟巷道；

所述数据监测单元用于在相似材料模型被挖掘模拟巷道的过程中，监测相似材料模型的参数。

优选的，所述数据监测单元包括声发射监测单元、应力监测单元、应变监测单元、位移监测单元和变形监测单元；

所述声发射监测单元包括声发射监测控制主机和声发射探头，声发射探头布置于相似材料模型中的不同位置，声发射探头经信号线缆连接声发射监测控制主机；

所述应力监测单元包括应力监测控制主机、应变砖和土压力盒，应变砖及土压力盒布置于相似材料模型中的不同位置，应变砖及土压力盒均经信号线缆连接应力监测控制主机；

所述应变监测单元包括应变监测控制主机和光纤传感器，光纤传感器布置于相似材料模型中的不同位置，光纤传感器经信号线缆连接应变监测控制主机；

所述位移监测单元包括位移监测控制主机和光栅位移传感器，光栅位移传感器布置于相似材料模型中的不同位置，光栅位移传感器经信号线缆连接位移监测控制主机；

所述变形监测单元包括变形监测控制主机、散斑相机和三维扫描仪，散斑相机和三维扫描仪经信号线缆连接变形监测控制主机。

优选的，所述移动平台包括支撑底座、长台和导轨，支撑底座的中间位置设置长台，所述长台沿着支撑底座的前、后方向延伸，支撑底座的左、右两侧位置均设置导轨，所述导轨沿着支撑底座的前、后方向延伸；

支撑台的前、后侧的边沿位置均设置有第一支撑座，第一支撑座上设置有升降油缸，升降油缸的伸缩端朝向下方，升降油缸的伸缩端的末端设置有轮座，所述轮座上转动连接有滚轮，所述滚轮位于所述长台的上方，所述升降油缸的伸缩端伸长后，所述滚轮接触所述长台；

支撑台的左、右侧的边沿位置均设置有第二支撑座，第二支撑座上设置有升降油缸，升降油缸的伸缩端朝向下方，升降油缸的伸缩端的末端设置有滑块，所述滑块滑动连接于所述导轨上；

支撑底座与支撑台之间连接有伸缩油缸。

优选的，支撑框架与箱体之间设置有空心传力筒，第一冲击杆、第二冲击杆、第三冲击杆和第四冲击杆均位于所述空心传力筒内。

优选的，支撑框架上设置有螺纹孔，空心传力筒的外表面设置有外螺纹，所述空心传力筒螺纹连接于螺纹孔内。

优选的，所述箱体由多个块状体可拆卸拼接形成。

优选的，侧向作动器和轴向作动器均设置为电液伺服作动器，侧向作动器、轴向作动器、侧向加载油缸和轴向加载油缸共用高压泵箱。

优选的，还包括主控制单元、静载加载控制单元和动载加载控制单元；

静载加载控制单元分别信号连接侧向加载油缸和轴向加载油缸，侧向加载油缸和轴向加载油缸内均设置有液压传感器，静载加载控制单元和液压传感器均信号连接主控制单元；

动载加载控制单元分别信号连接侧向作动器和轴向作动器，动载加载控制单元信号连接主控制单元。

优选的，所述巷道掘进装置包括移动底盘、行驶驱动机构、转盘、转动驱动机构、悬臂架、多级油缸、支撑油缸、旋转钻头、旋转驱动机构、应力传感器和挖掘控制单元；所述移动底盘可经行驶驱动机构带动行驶，所述转盘转动连接于移动底盘上，所述转盘可经转动驱动机构带动转动，所述悬臂架设置于转盘上，转盘上设置悬臂架，多级油缸的缸体端铰接悬臂架，支撑油缸的一端铰接悬臂架，支撑油缸的另一端铰接多级油缸的缸体端，多级油缸的伸缩端的末端设置旋转钻头，所述旋转钻头由旋转驱动机构带动转动，所述旋转钻头上设置应力传感器；挖掘控制单元分别信号连接行驶驱动机构、转动驱动机构、多级油缸、支撑油缸、旋转驱动机构和应力传感器，挖掘控制单元信号连接主控制单元。

一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验方法，应用上述的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，所述方法如下：

步骤1、模型铺设及传感器布置

将箱体随支撑台相对于移动平台向前方移出，将相似材料模型放置于箱体的内部，根据不同岩层的力学参数及相似比调整材料配比，铺设材料形成相似材料模型；在材料铺设过程中，在相似材料模型内相应位置埋设声发射探头、应变砖、土压力盒、光纤传感器和光栅位移传感器；在材料铺设完成后，将相似材料模型放置设定时间；待相似材料模型风干成型后，取下观察窗，在相似材料模型于模拟巷道待开挖位置喷涂散斑点，并将观察窗重新安装至箱体上，将箱体随支撑台相对于移动平台向后方移入；

步骤2、初始地应力模拟

根据试验方案，对相似材料模型进行加载以模拟巷道开挖初始地应力状态；加载方式为应力控制下分级加载，利用侧向加载油缸和轴向加载油缸对模型分级同步加载，每完成一级加载后保载设定时间；

步骤3、巷道开挖模拟

利用巷道掘进装置在相似材料模型中挖掘模拟巷道，模拟巷道的开挖参数根据相似比设定，巷道掘进装置挖掘出的模拟巷道利用钢签模拟锚杆(锚索)支护；

步骤4、动载模拟

待模拟巷道开挖完毕后，设置轴向作动器的冲击形式，利用轴向作动器对模型施加轴向动载；设置侧向作动器的冲击形式，利用侧向作动器对模型施加侧向动载；利用落锤冲击单元对模型施加轴向冲击；利用摆锤冲击单元对模型施加侧向冲击；

在步骤2至步骤4的过程中，利用数据监测单元监测相似材料模型的参数。

本发明的有益技术效果是：

本发明的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法，可以再现巷道开挖全过程，模拟深部巷道多向受载，深部巷道受动静载叠加扰动影响，还原深部巷道真实受力状态；解决了目前大型实验装置中只能实现单向静态加载，缺乏多向动静加载条件下研究不足的问题，并且通过数据监测单元实时反映巷道围岩的应力及变形情况。

附图说明

图1为本发明实施例用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统的主视图；

图2为本发明实施例用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统的侧视图；

图3为本发明实施例用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统的俯视图；

图4为本发明实施例箱体的主视图；

图5为本发明实施例箱体的侧视图；

图6为本发明实施例箱体的俯视图；

图7为本发明实施例侧向承压板及轴向承压板的立体图；

图8为本发明实施例移动平台、支撑台及箱体的主视图；

图9为本发明实施例移动平台、支撑台及箱体的侧视图；

图10为本发明实施例移动平台、支撑台及箱体的俯视图；

图11为本发明实施例巷道掘进装置的主视图；

图12为本发明实施例巷道掘进装置的俯视图；

图13为本发明实施例数据监测单元的布置图；

图14为本发明实施例利用轴向加载油缸对模型加载方案的负荷-时间示意图；

图15为本发明实施例作动器(轴向作动器、侧向作动器)对模型施加动载(轴向动载、侧向动载)方案的负荷-时间示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例中，提供一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，请参考图1至图15所示。

一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，包括移动平台7、箱体8、支撑框架、巷道掘进装置和数据监测单元等。

在移动平台7上设置支撑台28，支撑台28可相对于移动平台7移动，在支撑台28上放置箱体8。支撑台28相对于移动平台7移动，以带动箱体8移动。

具体的，移动平台7包括支撑底座30、长台29和导轨27，支撑底座30的中间位置设置长台29，长台29沿着支撑底座30的前、后方向延伸，支撑底座30的左、右两侧位置均设置导轨27，导轨27沿着支撑底座30的前、后方向延伸。支撑台28的前、后侧的边沿位置均各设置有两个第一支撑座，第一支撑座上设置有升降油缸24，升降油缸24的伸缩端朝向下方，升降油缸24的伸缩端的末端设置有轮座，轮座上转动连接有滚轮26。滚轮26位于长台29的上方，升降油缸24的伸缩端伸长后，滚轮26接触长台29。支撑台28的左、右侧的边沿位置均设置有两个第二支撑座，第二支撑座上设置有升降油缸24，升降油缸24的伸缩端朝向下方，升降油缸24的伸缩端的末端设置滑块，滑块滑动连接于导轨27上。伸缩油缸31的缸体端连接支撑底座30，伸缩油缸31的伸缩端经连接件25连接支撑台28。

箱体8为钢制结构，体积较大，其内部放置的相似材料模型重量较重，因而通过人力搬运费时费力。

支撑台28相对于移动平台7移动的过程如下：

1、需要将箱体8随支撑台28相对于移动平台7向前方移出时，将第二支撑座上的升降油缸24的伸缩端伸长，以带动支撑台28向上抬升；在支撑台28抬升设定高度后，将第一支撑座上的升降油缸24的伸缩端伸长，滚轮26接触长台29；将第二支撑座上的升降油缸24的伸缩端缩回设定距离，使滑块不再对导轨施加压力，保持滑块滑动连接于导轨27；将伸缩油缸31的伸缩端伸长，以推动滚轮26沿着长台29向前方滚动，以带动支撑台28相对于移动平台7向前方移出，移出过程中，滑块与导轨27滑动配合实现导向，支撑台28移出后，将第一支撑座、第二支撑座上升降油缸24的伸缩端缩回，使支撑台28压覆在长台29上，以方便试验人员进行模型铺设及传感器布置操作。

2、需要将箱体8随支撑台28相对于移动平台7向后方移入时，将第二支撑座上的升降油缸24的伸缩端伸长，以带动支撑台28向上抬升；在支撑台28抬升设定高度后，将第一支撑座上的升降油缸24的伸缩端伸长，滚轮26接触长台29；将第二支撑座上的升降油缸24的伸缩端缩回设定距离，使滑块不再对导轨施加压力，保持滑块滑动连接于导轨27；将伸缩油缸31的伸缩端缩回，以推动滚轮26沿着长台29向后方滚动，以带动支撑台28相对于移动平台7向后方移入，移入过程中，滑块与导轨27滑动配合实现导向，支撑台28移入后，将第一支撑座、第二支撑座上升降油缸24的伸缩端缩回，使支撑台28压覆在长台29上，以进行后续的试验。

箱体8呈长方体结构，箱体8的前后左右对称分布，箱体8由多个块状体21可拆卸拼接形成。块状体21均为钢材料，中间为中空结构，块状体21的侧壁开设装配孔，相邻的块状体21经高强度螺栓22连接。如此，可以根据试验需要由块状体21拼接形成若干种不同规格尺寸的箱体8。箱体8内放置有相似材料模型，箱体8上可拆卸设置有观察窗19，用于透过观察窗19观察围岩的变形和破坏形式，观察窗19为钢化玻璃材质。箱体8内部左端及右端均设置有侧向承压板23，箱体8内部顶端设置有轴向承压板17。侧向承压板23用于在侧向加载油缸18的加载端与相似材料模型之间实现力的传递，轴向承压板17用于在轴向加载油缸15的加载端与与相似材料模型之间实现力的传递。

支撑框架包括外框架5和内框架6，外框架5和内框架6均呈n形结构，支撑框架架设在移动平台7及箱体8的左端、右端及顶端。

支撑框架的左端设置有若干个摆锤冲击单元，摆锤冲击单元包括第一冲击杆91、摆动杆56、摆锤12、第一定滑轮和第一拉绳57。第一冲击杆91穿过箱体8，第一冲击杆91可沿着水平方向移动，第一冲击杆91的一端接触箱体8内部左端的侧向承压板23。支撑框架上设置支架，摆动杆56的上端铰接支架，摆动杆56的下端设置摆锤12。第一定滑轮设置于支架上，第一拉绳57的一端连接摆锤12，第一拉绳57的另一端经第一定滑轮引出。拉动第一拉绳57并松开第一拉绳57后，摆动杆56相对于支架摆动，摆锤12撞击第一冲击杆91的另一端，第一冲击杆91的一端冲击箱体8内部左端的侧向承压板23。通过第一拉绳57改变拉动摆锤12的摆动高度，以调节摆锤12撞击第一冲击杆91的作用力。

支撑框架的左端设置有若干个侧向作动器10，侧向作动器10连接第二冲击杆92的一端，第二冲击杆92穿过箱体8，第二冲击杆92可沿着水平方向移动，第二冲击杆92的另一端接触箱体8内部左端的侧向承压板23。

支撑框架的右端设置有若干个侧向加载油缸18，侧向加载油缸18的加载端穿过箱体8，侧向加载油缸18的加载端沿着水平方向加载，侧向加载油缸18的加载端接触箱体8内部右端的侧向承压板23。

支撑框架的顶端设置有若干个落锤冲击单元，落锤冲击单元包括第三冲击杆93、落锤13、第二定滑轮和第二拉绳58。第三冲击杆93穿过箱体8，第三冲击杆93可沿着竖直方向移动，第三冲击杆93的一端接触箱体8内部顶端的轴向承压板17。第二定滑轮设置于支撑框架的外框架5上，第二拉绳58的一端连接落锤13，第二拉绳58的另一端经第二定滑轮引出。拉动第二拉绳58并松开第二拉绳58后，落锤13撞击第三冲击杆93的另一端，第三冲击杆93的一端冲击箱体8内部顶端的轴向承压板17。通过第二拉绳58改变拉动落锤13的上升高度，以调节落锤13撞击第三冲击杆93的作用力。

支撑框架的顶端设置有若干个轴向作动器14，轴向作动器14连接第四冲击杆94的一端，第四冲击杆94穿过箱体8，第四冲击杆94可沿着竖直方向移动，第四冲击杆94的另一端接触箱体8内部顶端的轴向承压板17。

支撑框架与箱体8之间设置有空心传力筒11，第一冲击杆91、第二冲击杆92、第三冲击杆93和第四冲击杆94均位于空心传力筒11内。图中，第二冲击杆92、第三冲击杆93和第四冲击杆94位置的空心传力筒11省略，以便于清晰表达第二冲击杆92、第三冲击杆93和第四冲击杆94。由空心传力筒11实现对各冲击杆的导向。其中，支撑框架上设置有螺纹孔，空心传力筒11的外表面设置有外螺纹，空心传力筒11螺纹连接于螺纹孔内。将空心传力筒11相对于螺纹孔转动，以根据箱体8的规格尺寸调节空心传力筒11的位置。

支撑框架的顶端设置有若干个轴向加载油缸15，轴向加载油缸15的加载端穿过箱体8，轴向加载油缸15的加载端沿着竖直方向加载，轴向加载油缸15的加载端接触箱体8内部顶端的轴向承压板17。

侧向作动器10和轴向作动器14均设置为电液伺服作动器，侧向作动器10、轴向作动器14、侧向加载油缸18和轴向加载油缸15共用高压泵箱4，由高压泵箱4为侧向作动器10、轴向作动器14、侧向加载油缸18和轴向加载油缸15提供液压动力。

静载加载控制单元设置于静载加载控制柜2内，静载加载控制单元分别信号连接侧向加载油缸18和轴向加载油缸15，侧向加载油缸18和轴向加载油缸15内均设置有液压传感器16，静载加载控制单元和液压传感器16均信号连接主控制单元3。由主控制单元3控制静载加载控制单元以使侧向加载油缸18和轴向加载油缸15的加载端进行静力加载、卸载及保载，还可以实现伺服控制，实现位移控制及应力控制等加载方式。由液压传感器16实时反馈侧向加载油缸18和轴向加载油缸15内的油压，在油缸内油缸过大使通过液压传感器16实现加载过程的安全预警。

动载加载控制单元分别信号连接侧向作动器10和轴向作动器14，动载加载控制单元信号连接主控制单元3。由主控制单元3控制动载加载控制单元使侧向作动器10和轴向作动器14施加设定冲击形式的动载，改变冲击作用力和冲击频率。

侧向加载油缸18、轴向加载油缸15对相似材料模型施加静载，以模拟初始地应力。侧向作动器10、轴向作动器14对相似材料模型施加振动，用于模拟周边巷道掘进、周边工作面回采工程持续性扰动。摆锤冲击单元、落锤冲击单元对相似材料模型施加冲击，用于模拟断层滑移、顶板破坏地质构造突变瞬时扰动。

由电源1实现对主控制单元3、静载加载控制单元、动载加载控制单元及数据监测单元的供电。

巷道掘进装置用于在相似材料模型挖掘模拟巷道20。具体的，巷道掘进装置包括移动底盘39、行驶驱动机构、转盘37、转动驱动机构、悬臂架35、多级油缸34、支撑油缸36、旋转钻头32、旋转驱动机构、应力传感器33和挖掘控制单元。移动底盘39可经行驶驱动机构带动行驶，转盘37转动连接于移动底盘39上，转盘37可经转动驱动机构带动转动，悬臂架35设置于转盘37上，转盘37上设置悬臂架35，多级油缸34的缸体端铰接悬臂架35，支撑油缸36的一端铰接悬臂架35，支撑油缸36的另一端铰接多级油缸34的缸体端，多级油缸34的伸缩端的末端设置旋转钻头32，旋转钻头32由旋转驱动机构带动转动，旋转钻头32上设置应力传感器33。挖掘控制单元38分别信号连接行驶驱动机构、转动驱动机构、多级油缸34、支撑油缸36、旋转驱动机构和应力传感器33，挖掘控制单元信号连接主控制单元3。

由主控制单元3经挖掘控制单元38控制行驶驱动机构以带动移动底盘39前进、后退、停止或转弯，控制转动驱动机构以带动转盘37相对于移动底盘39转动设定角度以调整开挖角度，控制多级油缸34的伸缩以带动旋转钻头32前移或后退，控制支撑油缸36伸缩以带动多级油缸34摆动实现对多级油缸34俯仰角度的调节，控制旋转驱动机构以带动旋转钻头32转动以挖掘出模拟巷道20，通过应力传感器33以实时监测挖掘模拟巷道20过程中的钻压。

数据监测单元用于在相似材料模型被挖掘模拟巷道20的过程中，监测相似材料模型的参数。

具体的，数据监测单元包括声发射监测单元、应力监测单元、应变监测单元、位移监测单元和变形监测单元。

声发射监测单元包括声发射监测控制主机40和声发射探头45，声发射探头45设置于钢钉46上，将钢钉46插入模型中，使声发射探头45布置于相似材料模型中的不同位置(包括模拟巷道20内部任意位置)，声发射探头45经信号线缆连接声发射监测控制主机40。利用声发射监测单元监测模拟巷道20开挖前中后期围岩裂隙发育情况。

应力监测单元包括应力监测控制主机41、应变砖47和土压力盒48，应变砖47及土压力盒48布置于相似材料模型中的不同位置，应变砖47及土压力盒48均经信号线缆连接应力监测控制主机41。应力监测单元用于监测模型局部区域应力变化情况，其中，应变砖47用于监测模型局部X、Y、Z三个方向受力情况，土压力盒48用于监测模型局部单个方向受力情况。

应变监测单元包括应变监测控制主机42和光纤传感器53，光纤传感器53布置于相似材料模型中的不同位置，光纤传感器53经信号线缆连接应变监测控制主机42。应变监测单元用于监测模型区域和局部范围应变变化情况，将光纤传感器53埋入于模型周边或者巷道周边，可根据监测要求垂直或者弯曲布置，监测某一测线应变(一维应变)情况。

位移监测单元包括位移监测控制主机43和光栅位移传感器49，光栅位移传感器49布置于相似材料模型中的不同位置，光栅位移传感器49经信号线缆连接位移监测控制主机43。位移监测单元用于监测模型局部区域位移变化量，可将光栅位移传感器49布置于巷道周围，测量巷道围岩位移，也可将光栅位移传感器49布置于模型边缘，测量模型整体变形。

变形监测单元包括变形监测控制主机44、散斑相机51和三维扫描仪50，散斑相机51和三维扫描仪50经信号线缆连接变形监测控制主机44。变形监测单元用于监测模型区域变形或巷道内部变形，在模型表面喷涂均匀散斑点52，利用散斑相机51透过观察窗19监测模型表面变形(二维应变)场演化过程；利用三维扫描仪50，对巷道内壁进行扫描，分析巷道变形(三维应变)情况。

在本发明实施例中，还提供一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验方法，应用上述的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，所述方法如下：

步骤1、试验方案设计

首先制定本次试验方案，包括箱体8体积、开挖巷道的类型、模型的材料、加载方案以及监测方案等。在确定试验方案后，利用块状体21组装箱体8。待箱体8组装完成后，将侧向承压板23放入箱体8内部左右两侧，并在箱体8前后安装观察窗19。

步骤2、模型铺设及传感器布置

将箱体8随支撑台28相对于移动平台7向前方移出，将相似材料模型放置于箱体8的内部，根据不同岩层的力学参数及相似比调整材料配比，铺设材料形成相似材料模型。具体的，采用人工铺料的方式，根据不同岩层的力学参数及相似比调整材料配比，采用分层铺料方式，每铺一层材料进行夯实，确保相似材料模型有足够大的刚度以保持力的均匀传递。在材料铺设过程中，在相似材料模型内相应位置埋设声发射探头45、应变砖47、土压力盒48、光纤传感器53和光栅位移传感器49；在材料铺设完成后，在相似材料模型的上方放置轴向承压板17对模型定形，将相似材料模型放置设定时间(2-3周)；待相似材料模型风干成型后，取下观察窗19，在相似材料模型于模拟巷道待开挖位置喷涂散斑点52，并将观察窗19重新安装至箱体8上，将箱体8随支撑台28相对于移动平台7向后方移入。

步骤3、初始地应力模拟

根据试验方案，对相似材料模型进行加载以模拟巷道开挖初始地应力状态；加载方式为应力控制下分级加载，利用侧向加载油缸18和轴向加载油缸15对模型分级同步加载，每完成一级加载后保载设定时间(约30min)。

步骤4、巷道开挖模拟

利用巷道掘进装置在相似材料模型中挖掘模拟巷道20，模拟巷道20的开挖参数根据相似比设定，巷道掘进装置挖掘模拟巷道20一个进尺后，利用不同长度的钢签54模拟锚杆(锚索)支护，在钢签54底端安装测力计55，以通过测力计55实时监测锚杆(索)受力状态。

步骤5、动载模拟

待模拟巷道20开挖完毕后，设置轴向作动器14的冲击形式(包括波形、波长、频率、振幅等参数)，利用轴向作动器14对模型施加轴向动载；设置侧向作动器10的冲击形式(包括波形、波长、频率、振幅等参数)，利用侧向作动器10对模型施加侧向动载；利用落锤冲击单元对模型施加轴向冲击；利用摆锤冲击单元对模型施加侧向冲击。轴向作动器14、侧向作动器10、落锤冲击单元及摆锤冲击单元均设置有若干个，都是通过各冲击杆向内部模型传递动态荷载，且冲击位置可以调换。

在步骤3至步骤5的过程中，利用数据监测单元监测相似材料模型的参数。具体的，利用声发射监测单元监测模拟巷道20开挖前中后期围岩裂隙发育情况，利用应力监测单元监测模型局部区域应力变化情况，利用应变监测单元监测模型区域和局部范围应变变化情况，利用位移监测单元监测模型局部区域位移变化量，利用变形监测单元监测模型区域变形或巷道内部变形。

此外，利用静态加载(侧向加载油缸18和轴向加载油缸15)长期保载功能，对模型施加地应力，利用监测系统长期观测巷道围岩应力、位移及变形情况，以实现蠕变测试。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统有了清楚的认识。本发明的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统及方法，可以再现巷道开挖全过程，模拟深部巷道多向受载，深部巷道受动静载叠加扰动影响，还原深部巷道真实受力状态；解决了目前大型实验装置中只能实现单向静态加载，缺乏多向动静加载条件下研究不足的问题，并且通过数据监测单元实时反映巷道围岩的应力及变形情况。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：包括移动平台、箱体、支撑框架、巷道掘进装置、数据监测单元、动载加载控制单元和主控制单元；

所述移动平台上设置有支撑台，所述支撑台可相对于移动平台移动，所述支撑台上放置箱体；

所述箱体呈长方体结构，箱体内放置有相似材料模型，箱体上可拆卸设置有观察窗，箱体内部左端及右端均设置有侧向承压板，箱体内部顶端设置有轴向承压板；

所述支撑框架架设在移动平台及箱体的左端、右端及顶端；

支撑框架的左端设置有若干个摆锤冲击单元，所述摆锤冲击单元包括第一冲击杆、摆动杆、摆锤、第一定滑轮和第一拉绳；第一冲击杆穿过箱体，第一冲击杆可沿着水平方向移动，第一冲击杆的一端接触箱体内部左端的侧向承压板，摆动杆的上端铰接支撑框架，摆动杆的下端设置摆锤，第一定滑轮设置于支撑框架上，第一拉绳的一端连接摆锤，第一拉绳的另一端经第一定滑轮引出；拉动第一拉绳并松开第一拉绳后，摆动杆相对于支撑框架摆动，摆锤撞击第一冲击杆的另一端；

支撑框架的左端设置有若干个侧向作动器，侧向作动器连接第二冲击杆的一端，第二冲击杆穿过箱体，第二冲击杆可沿着水平方向移动，第二冲击杆的另一端接触箱体内部左端的侧向承压板；

支撑框架的右端设置有若干个侧向加载油缸，侧向加载油缸的加载端穿过箱体，侧向加载油缸的加载端沿着水平方向加载，侧向加载油缸的加载端接触箱体内部右端的侧向承压板；

支撑框架的顶端设置有若干个落锤冲击单元，所述落锤冲击单元包括第三冲击杆、落锤、第二定滑轮和第二拉绳；第三冲击杆穿过箱体，第三冲击杆可沿着竖直方向移动，第三冲击杆的一端接触箱体内部顶端的轴向承压板，第二定滑轮设置于支撑框架上，第二拉绳的一端连接落锤，第二拉绳的另一端经第二定滑轮引出；拉动第二拉绳并松开第二拉绳后，落锤撞击第三冲击杆的另一端；

支撑框架的顶端设置有若干个轴向作动器，轴向作动器连接第四冲击杆的一端，第四冲击杆穿过箱体，第四冲击杆可沿着竖直方向移动，第四冲击杆的另一端接触箱体内部顶端的轴向承压板；

侧向作动器和轴向作动器均设置为电液伺服作动器，侧向作动器、轴向作动器、侧向加载油缸和轴向加载油缸共用高压泵箱；

动载加载控制单元分别信号连接侧向作动器和轴向作动器，动载加载控制单元信号连接主控制单元；

由主控制单元控制动载加载控制单元使侧向作动器和轴向作动器施加设定冲击形式的动载，改变冲击作用力和冲击频率；侧向作动器、轴向作动器对相似材料模型施加轴向动载，用于模拟周边巷道掘进、周边工作面回采工程持续性扰动；

支撑框架的顶端设置有若干个轴向加载油缸，轴向加载油缸的加载端穿过箱体，轴向加载油缸的加载端沿着竖直方向加载，轴向加载油缸的加载端接触箱体内部顶端的轴向承压板；

所述巷道掘进装置用于在相似材料模型挖掘模拟巷道；

所述数据监测单元用于在相似材料模型被挖掘模拟巷道的过程中，监测相似材料模型的参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：所述数据监测单元包括声发射监测单元、应力监测单元、应变监测单元、位移监测单元和变形监测单元；

所述声发射监测单元包括声发射监测控制主机和声发射探头，声发射探头布置于相似材料模型中的不同位置，声发射探头经信号线缆连接声发射监测控制主机；

所述应力监测单元包括应力监测控制主机、应变砖和土压力盒，应变砖及土压力盒布置于相似材料模型中的不同位置，应变砖及土压力盒均经信号线缆连接应力监测控制主机；

所述应变监测单元包括应变监测控制主机和光纤传感器，光纤传感器布置于相似材料模型中的不同位置，光纤传感器经信号线缆连接应变监测控制主机；

所述位移监测单元包括位移监测控制主机和光栅位移传感器，光栅位移传感器布置于相似材料模型中的不同位置，光栅位移传感器经信号线缆连接位移监测控制主机；

所述变形监测单元包括变形监测控制主机、散斑相机和三维扫描仪，散斑相机和三维扫描仪经信号线缆连接变形监测控制主机。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：所述移动平台包括支撑底座、长台和导轨，支撑底座的中间位置设置长台，所述长台沿着支撑底座的前、后方向延伸，支撑底座的左、右两侧位置均设置导轨，所述导轨沿着支撑底座的前、后方向延伸；

支撑台的前、后侧的边沿位置均设置有第一支撑座，第一支撑座上设置有升降油缸，升降油缸的伸缩端朝向下方，升降油缸的伸缩端的末端设置有轮座，所述轮座上转动连接有滚轮，所述滚轮位于所述长台的上方，所述升降油缸的伸缩端伸长后，所述滚轮接触所述长台；

支撑台的左、右侧的边沿位置均设置有第二支撑座，第二支撑座上设置有升降油缸，升降油缸的伸缩端朝向下方，升降油缸的伸缩端的末端设置有滑块，所述滑块滑动连接于所述导轨上；

支撑底座与支撑台之间连接有伸缩油缸。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：支撑框架与箱体之间设置有空心传力筒，第一冲击杆、第二冲击杆、第三冲击杆和第四冲击杆均位于所述空心传力筒内。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：支撑框架上设置有螺纹孔，空心传力筒的外表面设置有外螺纹，所述空心传力筒螺纹连接于螺纹孔内。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：所述箱体由多个块状体可拆卸拼接形成。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：还包括静载加载控制单元，

静载加载控制单元分别信号连接侧向加载油缸和轴向加载油缸，侧向加载油缸和轴向加载油缸内均设置有液压传感器，静载加载控制单元和液压传感器均信号连接主控制单元。

8.根据权利要求7所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，其特征在于：所述巷道掘进装置包括移动底盘、行驶驱动机构、转盘、转动驱动机构、悬臂架、多级油缸、支撑油缸、旋转钻头、旋转驱动机构、应力传感器和挖掘控制单元；所述移动底盘可经行驶驱动机构带动行驶，所述转盘转动连接于移动底盘上，所述转盘可经转动驱动机构带动转动，所述悬臂架设置于转盘上，转盘上设置悬臂架，多级油缸的缸体端铰接悬臂架，支撑油缸的一端铰接悬臂架，支撑油缸的另一端铰接多级油缸的缸体端，多级油缸的伸缩端的末端设置旋转钻头，所述旋转钻头由旋转驱动机构带动转动，所述旋转钻头上设置应力传感器；挖掘控制单元分别信号连接行驶驱动机构、转动驱动机构、多级油缸、支撑油缸、旋转驱动机构和应力传感器，挖掘控制单元信号连接主控制单元。

9.一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验方法，其特征在于：应用权利要求1至8任一项所述的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统，所述方法如下：

步骤1、模型铺设及传感器布置

将箱体随支撑台相对于移动平台向前方移出，将相似材料模型放置于箱体的内部，根据不同岩层的力学参数及相似比调整材料配比，铺设材料形成相似材料模型；在材料铺设过程中，在相似材料模型内相应位置埋设声发射探头、应变砖、土压力盒、光纤传感器和光栅位移传感器；在材料铺设完成后，将相似材料模型放置设定时间；待相似材料模型风干成型后，取下观察窗，在相似材料模型于模拟巷道待开挖位置喷涂散斑点，并将观察窗重新安装至箱体上，将箱体随支撑台相对于移动平台向后方移入；

步骤2、初始地应力模拟

根据试验方案，对相似材料模型进行加载以模拟巷道开挖初始地应力状态；加载方式为应力控制下分级加载，利用侧向加载油缸和轴向加载油缸对模型分级同步加载，每完成一级加载后保载设定时间；

步骤3、巷道开挖模拟

利用巷道掘进装置在相似材料模型中挖掘模拟巷道，模拟巷道的开挖参数根据相似比设定，巷道掘进装置挖掘出的模拟巷道利用钢签模拟锚杆或锚索支护；

步骤4、动载模拟

待模拟巷道开挖完毕后，设置轴向作动器的冲击形式，利用轴向作动器对模型施加轴向动载；设置侧向作动器的冲击形式，利用侧向作动器对模型施加侧向动载；利用落锤冲击单元对模型施加轴向冲击；利用摆锤冲击单元对模型施加侧向冲击；

在步骤2至步骤4的过程中，利用数据监测单元监测相似材料模型的参数。

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