CN115615830A - 地下工程动力破坏模拟试验系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供地下工程动力破坏模拟试验系统与方法，涉及岩爆控制物理模拟试验领域，包括岩爆相似模拟材料双因素评价，岩爆模拟试验系统多参量选择，隧巷道模型逆序组合搭建，试验结果监测及综合评价反馈。岩爆相似模拟材料双因素评价为通过综合考虑强度和岩爆现象进行相似材料选择和配比选择。岩爆模拟试验系统多参量选择包括加载装置选择、反力装置选择、监测体系选择、系统保护装置选择。隧巷道模型逆序组合搭建包括隧道物理模型组合搭建和巷道物理模型逆序搭建。试验结果监测及综合评价反馈包括试验结果监测及反馈优化。能够实现地下工程岩爆现象成功模拟和模拟过程监测数据的精准采集。

Description

地下工程动力破坏模拟试验系统与方法
技术领域
本发明涉及岩爆控制物理模拟试验领域，具体涉及地下工程动力破坏模拟试验系统与方法。
背景技术
随着地下工程不断向深部发展，深埋矿山巷道、深埋隧道的建设已经成为工程建设中的最为常见的工程类型。由于埋深大，建设过程面临着高地应力、特殊地质条件等问题，在高应力与特殊地质条件影响下，常导致岩爆现象的发生，造成了大量的人员伤亡和经济损失。物理模拟试验是研究地下工程灾变机理与控制方法的有效手段，如何模拟岩爆现象的发生和控制是成功开展岩爆物理模拟试验至关重要的因素。目前在岩爆物理试验模拟方面存在以下不足：
1. 目前的模型试验相似材料在加载条件下，发生的主要为大变形破环，无法产生岩爆现象。缺乏能够成功模拟岩爆现场的相似材料。
2. 无法提前考虑预制隧巷道。隧巷道主要通过开挖模型体制成，对于隧巷道断面形状无法做到精准把控，且容易把提前埋设的监测元件的信号传输线破坏。
3. 模型试验系统无法提供能使相似材料发生岩爆现象的加载能力，对于岩爆后的试验现象和试验数据无法有效收集。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供地下工程动力破坏模拟试验系统与方法，通过制作不同配比的多种骨料与复合材料、粘结剂的相似配备试件，并进行试验获取满足需求的相似配比材料，在模型试验系统外制作隧道、巷道模型体，还原现场支护顺序，保护预埋传输线，并进行模拟过程中数据的准确采集。
本发明的第一目的是提供一种地下工程动力破坏模拟试验系统，采用以下方案：包括：
加载装置，安装于反力装置，并能够对模型加载；
监测装置，分布在待试验的模型上，监测模型内部岩爆现象及围岩应力；
模型采用相似材料和配比并通过模型搭建系统获取，于加载装置作用下模拟岩爆现象。
进一步地，还包括保护装置，监测系统受力状态，对应力集中或变形值进行预警。
本发明的第二目的是提供一种地下工程动力破坏模拟试验方法，采用以下方案：包括：
基于强度测试和岩爆现象测试对岩爆物理模拟进行相似材料选择和配比选择；
建立岩爆模拟试验系统，并对其加载装置、反力装置和检测体系进行配置；
基于选择的相似材料和配比制作隧道模型体和巷道模型体，并通过岩爆模拟试验系统对隧道模型体和巷道模型体分别进行试验；
采集试验过程中的数据，获取试验结果反馈优化岩爆模拟相似材料和岩爆模拟试验系统。
进一步地，所述强度测试为选择多种相似材料与设计配比进行组合并制作试件，对试件进行抗压强度试验获取抗压强度试验数据，所述岩爆现象测试为对试件进行三面围压加载下的岩爆现象测试试验，获取岩爆试验效果数据。
进一步地，依据岩爆现象碎屑掉落范围对岩爆试验效果分级，对每次岩爆现象测试试验的结果判定等级并记录。
进一步地，基于强度测试和岩爆现象测试建立岩爆模拟相似材料确定指标，以指标最大为基准确定相似材料选择和配比选择。
进一步地，所述岩爆模拟试验系统还包括系统保护装置，同时考虑动载、循环荷载、反力装置强度、装置保护、试验数据和效果监测建立岩爆模拟试验系统。
进一步地，所述隧道模型体搭建包括：
布置模型制作盒，使模型制作盒非封闭面的法线与水平x轴或y轴重合，模型制作盒内z向为隧道走向；
模型制作盒内表面进行减摩处理，于模型制作盒内进行分步填料、埋设支护构件和埋设监测元件；
待模型制作盒内的隧道模型体干燥成型后拆模，抽出隧道断面成型模具，获取隧道模型体。
进一步地，所述模型制作盒由多块可拆卸成型板拼接而成，模型制作盒一侧面开口，侧面开口位置配合有多块可拆卸挡板；分布填料时采用断面成型模具。
进一步地，所述巷道模型体搭建包括：
顶面开口的主体仓和底板仓内表面均进行减摩处理；
在主体仓内将顶板按设计厚度完全填实，并将顶板监测元件与支护构件预埋在顶板内；
将两块巷道成型板在设定位置放置，巷道成型板开设锚索自由端通孔；
完成帮部围岩填料和锚杆、监测元件埋设，并在两巷道成型板间安装预紧固定装置；
在可拆卸底板仓内，将所有体积填满，并压实；
调整主体仓和底板仓并将二者开口对接合并，调整姿态后等待巷道模型体成型后，取出巷道成型板并脱模，获取巷道模型体。
进一步地，调整主体仓和底板仓包括：将主体仓反转90°，使得主体仓的开口面的法线与水平面x轴或y轴重合；将底板仓反转90°，使得底板仓的开口面的法线与主体仓的法线共线；将主体仓和底板仓的开口面合并后，以可拆卸加载仓为底，整体反转90°后等待巷道模型体成型。
进一步地，采集试验过程中的数据包括通过高速摄像机拍摄图像、围岩应力、锚索受力数据，分析对岩爆现象模拟的准确性。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
（1）通过制作不同配比的多种骨料与复合材料、粘结剂的相似配备试件，开展单轴抗压强度及岩爆现象测试试验，得到符合发生岩爆要求的相似配比材料。
（2）进行预制模型体制作工艺及流程的设计，能够保证在模型试验系统外将设计形状的隧巷道模型制作完成，且能还原现场支护顺序，准确模拟隧巷道断面形状，保护预埋监测构建数据传输线。
（3）提供了能够满足岩爆相似材料发生岩爆条件的模型试验系统，实现岩爆现象成功模拟和模拟过程监测数据的精准采集。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1和2中地下工程动力破坏模拟试验系统与方法的示意图。
图2为本发明实施例1和2中隧道模型制作盒的结构示意图。
图3为本发明实施例1和2中主体仓及底板仓的结构示意图。
图4为本发明实施例1和2巷道成型板的结构示意图。
图中，1 模型制作盒，2可拆卸挡板，3 可拆卸成型板，4主体仓，5 巷道成型板，6支护构件通孔。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种地下工程动力破坏模拟试验系统。
目前深埋的地下工程由于埋深大，建设过程面临着高地应力、特殊地质条件等问题，在高应力与特殊地质条件影响下，常导致岩爆现象的发生。而目前模拟岩爆现象的发生和控制还存在一些不足，目前的模型试验相似材料在加载条件下，发生的主要为大变形破环，无法产生岩爆现象，同时，对于岩爆后的试验现象和试验数据无法有效收集。
基于此，本实施例中提供一种地下工程动力破坏模拟试验系统，提供了能够满足岩爆相似材料发生岩爆条件的模型试验系统，实现岩爆现象成功模拟和模拟过程监测数据的精准采集。
下面，结合附图本实施例中地下工程动力破坏模拟试验系统进行说明。
如图1所示，地下工程动力破坏模拟试验系统包括加载装置、监测装置和保护装置。其中，加载装置安装于反力装置，并能够对模型加载；监测装置分布在待试验的模型上，监测模型内部岩爆现象及围岩应力；保护装置监测系统受力状态，对应力集中或变形值进行预警。
模型采用相似材料和配比并通过模型搭建系统获取，于加载装置作用下模拟岩爆现象。
结合图1-图4，基于岩爆模拟试验过程中所需的多种参量来进行试验系统的配置，包括加载装置选择、反力装置选择、监测体系选择、系统保护装置选择。
加载装置需具有高应力施加的能力，且能够提供动力荷载及扰动荷载，采用气液复合式油缸加载和多级加载油缸串联加载的方式，且配合着荷载作动器进行使用。
反力装置要能够承受由于施加高应力所带来的巨大反力，反力框架要采用交叉加强筋加强或井字加强筋加强的加强方式，将高强螺栓作为定位构件，不能选择高强螺栓作为受力构件。在反力框架上开设凹槽，形成榫卯结构，由榫卯结构作为主要的受力方式。
监测体系满足内部岩爆现象监测与围岩应力监测要求，选择无线传输的高速摄像机，配合灯带，进行岩爆现象的采集。且配备声发射设备，对围岩应力变化情况进行监测。
系统保护装置在施加高地应力、制造动力荷载和扰动荷载时起作用，当试验系统整体受力增大，且附加着动力荷载和扰动荷载产生的动态循环反力时，对整体系统受力状态进行监测，当局部出现应力集中或变形值超过允许范围，则报警，应对试验系统进行加固处理。
对于进行地下工程动力破坏模拟试验的模型，区分隧道物理模型体和巷道物理模型体，根据强度和岩爆现象进行相似材料选择和配比选择制作对应的模型体进行岩爆模拟试验。
实施例2
本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种地下工程动力破坏模拟试验方法。
如图1所示，地下工程动力破坏模拟试验系统与方法包含岩爆相似模拟材料双因素评价、岩爆模拟试验系统多参量选择、隧巷道模型逆序组合搭建、试验结果监测及综合评价反馈。
岩爆相似模拟材料双因素评价为通过综合考虑强度和岩爆现象进行相似材料选择和配比选择。
岩爆模拟试验系统多参量选择以同时考虑动载、循环荷载、反力装置强度、装置保护、试验数据和效果监测，进行加载装置选择、反力装置选择、监测体系选择、系统保护装置选择。
隧巷道逆序组合搭建为采用组合搭建和逆序搭建的方法配合隧道模型搭建系统和巷道模型搭建系统进行对模型体进行搭建。
试验结果监测及综合评价反馈为通过采集的图像、围岩应力、支护构件受力等数据进行统计，以试验结果作为指导依据进一步反馈优化岩爆模拟相似材料和岩爆模拟试验系统选择。
其中，相似材料选择包括骨料确定、复合材料确定、粘结剂确定。骨料主要选择吸水效果好、脆性大的材料，如：石膏、滑石粉等，复合材料主要选择能够调节容重的材料，如：重晶石粉、珍珠岩等，粘结剂选择粘性较强且易挥发的液体，例如：将松香打成粉末，溶于酒精。
以能够模拟岩体大变形的相似材料及配比为基础，将其中的骨料和粘结剂含量以等差数列进行提升设计。
将选择的多种相似材料与设计配比自由排列组合，形成多种试验方案，根据多种试验方案制作成单轴抗压强度试件，开展单轴抗压强度试验，记单轴抗压强度试验结果为σ1、σ2···σn。
根据多种试验方案制作成岩爆现象模拟试件，开展在三面围压加载下的岩爆现象测试试验，将岩爆试验效果分为一级效果、二级效果、三级效果。一级效果为岩爆现象未发生或微弱，主要为大变形破坏。二级效果为能够发生岩爆，但岩爆发生后，碎屑掉落范围在以试件为中心5cm范围内，三级效果为岩爆现场明显，岩爆碎屑能够掉落至以试件为中心5cm范围外。
建立岩爆模拟相似材料确定指标ξ i，以指标最大的确定相似材料和配比。ξ i=λ 1 σ i+λ 2 γ i，λ 1 、λ 2 为修正系数。σ i为第i个方案的单轴抗压强度，γ i为第i个方案的岩爆试验效果评价值。一级效果评价值取0，二级效果取1，三级效果取2。
岩爆模拟试验系统可以采用如实施例1中的地下工程动力破坏模拟试验系统，其中，对于岩爆模拟试验系统的多参量选择包括加载装置选择、反力装置选择、监测体系选择、系统保护装置选择。
加载装置需具有高应力施加的能力，且能够提供动力荷载及扰动荷载，采用气液复合式油缸加载和多级加载油缸串联加载的方式，且配合着荷载作动器进行使用。
反力装置要能够承受由于施加高应力所带来的巨大反力，反力框架要采用交叉加强筋加强或井字加强筋加强的加强方式，将高强螺栓作为定位构件，不能选择高强螺栓作为受力构件。在反力框架上开设凹槽，形成榫卯结构，由榫卯结构作为主要的受力方式。
监测体系满足内部岩爆现象监测与围岩应力监测要求，选择无线传输的高速摄像机，配合灯带，进行岩爆现象的采集。且配备声发射设备，对围岩应力变化情况进行监测。
系统保护装置在施加高地应力、制造动力荷载和扰动荷载时起作用，当试验系统整体受力增大，且附加着动力荷载和扰动荷载产生的动态循环反力时，对整体系统受力状态进行监测，当局部出现应力集中或变形值超过允许范围，则报警，应对试验系统进行加固处理。
隧巷道模型逆序组合搭建包括隧道物理模型组合搭建和巷道物理模型逆序搭建。
对于隧道物理模型搭建，选择隧道模型搭建系统，隧道模型搭建系统由可拆卸成型板3、热流回转管、变形观测镜、隧道断面成型模具组成，可拆卸成型板3包括可拆卸整体成型板和可拆卸挡板2组成，各可拆卸成型板3之间通过高强螺栓固定，且螺栓可拆卸。
可拆卸整体成型板连接成一面不封闭的模型制作盒1，模型制作盒1布置时不封闭面的法线与水平面x重合或与水平面y轴重合，模型体制作时z轴方向为隧道走向的方向。
隧道模型制作时选择隧道断面成型模具，模具采用3D打印技术进行打印，且模具由多个不规则块组成，保证每两个不规则块之间无挤压面。与模型接触的面上做光滑减摩处理。在有支护构件的位置，模具上设置凹槽，凹槽大小与支护构件自由端相匹配，且能满足监测原件引线需求。
隧道物理模型组合搭建过程分为以下五步：
第一步：布置模型制作盒1，将不封闭面的法线与水平面x或y轴重合，竖直z向为隧道走向方向。
第二步：将模型体走向方向等分为n等份，每份长度不大于20cm。
第三步：将模型制作盒1内表面粘贴聚四氟乙烯板，以实现模型制作盒1内表面的减摩处理。
第四步：进行分步填料和埋设支护构件、监测元件。分布填料时，先将隧道断面成型模具放置在指定位置，再开始分布填料，每次填料高度与模型体等分段高度一致，每填完一段高度，安装可拆卸挡板2后再进行下一段填料。埋设支护构件、监测元件时，需填料至设计高度的5cm以上，夯实后，将模型体刮至埋设支护构件、监测元件的设计高度进行埋设。
第五步：填料完成后，将隧道断面成型模具抽出，将热流回转管放置在隧道中央，并持续采用变形观测镜持续观测，待模型体内干燥后进行拆模。。
结合图3和图4，对于巷道物理模型搭建，选择巷道模型搭建系统，巷道模型搭建系统由可拆卸主体仓4、可拆卸底板仓、巷道成型板5、预紧固定装置、热流回转管、变形观测镜组成。可拆卸主体仓4和可拆卸底板仓均为一面不封口设置。
对于巷道物理模型逆序搭建分为以下七步：
第一步：可拆卸主体仓4和可拆卸底板仓分别将不封口的一面朝上布置。且可拆卸主体仓4和开拆卸底板仓内壁均粘贴聚四氟乙烯材料，以实现减摩处理。
第二步：在可拆卸主体仓4内将顶板厚度按设计厚度完全填实，并将顶板监测元件与支护构件预埋在顶板内。
第三步：将两块巷道成型板5在设定位置放置，巷道成型板5上开设有支护构件通孔6，巷道成型板5开设锚索自由端通孔。
第四步：完成帮部围岩填料和锚杆、监测元件埋设，并在两巷道成型板5间安装预紧固定装置。
第五步：在可拆卸底板仓内，将所有体积填满，并压实。
第六步：将可拆卸主体仓4反转90°，使得不封口面的法线与水平面x轴或y轴重合。将可拆卸底板仓反转90°，使得不封口面的法线与可拆卸主体仓4的法线共线。
第七步：将两仓不封口面合并后，以可拆卸加载仓为底，整体反转90°。取出预紧固定装置，取出巷道成型板5，将热流回转管架设于巷道中心，持续用变形观测镜进行监测，在模型干燥且表面无变形时，进行脱模。
试验结果监测及综合评价反馈包括将高速摄像机拍摄图像与围岩应力、锚杆索受力数据进行统计，对岩爆现象模拟的准确性进行分析。以试验结果作为指导依据进一步反馈优化岩爆模拟相似材料配置和岩爆模拟试验系统选择。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.地下工程动力破坏模拟试验系统，其特征在于，包括：
加载装置，安装于反力装置，并能够对模型加载；
监测装置，分布在待试验的模型上，监测模型内部岩爆现象及围岩应力；
模型采用相似材料和配比并通过模型搭建系统获取，于加载装置作用下模拟岩爆现象。
2.如权利要求1所述地下工程动力破坏模拟试验系统，其特征在于，还包括保护装置，监测系统受力状态，对应力集中或变形值进行预警。
3.地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，包括：
基于强度测试和岩爆现象测试对岩爆物理模拟进行相似材料选择和配比选择；
建立岩爆模拟试验系统，并对其加载装置、反力装置和检测体系进行配置；
基于选择的相似材料和配比制作隧道模型体和巷道模型体，并通过岩爆模拟试验系统对隧道模型体和巷道模型体分别进行试验；
采集试验过程中的数据，获取试验结果反馈优化岩爆模拟相似材料和岩爆模拟试验系统。
4.如权利要求3所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，所述强度测试为选择多种相似材料与设计配比进行组合并制作试件，对试件进行抗压强度试验获取抗压强度试验数据，所述岩爆现象测试为对试件进行三面围压加载下的岩爆现象测试试验，获取岩爆试验效果数据。
5.如权利要求3所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，依据岩爆现象碎屑掉落范围对岩爆试验效果分级，对每次岩爆现象测试试验的结果判定等级并记录。
6.如权利要求4或5所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，基于强度测试和岩爆现象测试建立岩爆模拟相似材料确定指标，以指标最大为基准确定相似材料选择和配比选择。
7.如权利要求3所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，所述隧道模型体搭建包括：
布置模型制作盒，使模型制作盒非封闭面的法线与水平x轴或y轴重合，模型制作盒内z向为隧道走向；
模型制作盒内表面进行减摩处理，于模型制作盒内进行分步填料、埋设支护构件和埋设监测元件；
待模型制作盒内的隧道模型体干燥成型后拆模，抽出隧道断面成型模具，获取隧道模型体。
8.如权利要求7所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，所述模型制作盒由多块可拆卸成型板拼接而成，模型制作盒一侧面开口，侧面开口位置配合有多块可拆卸挡板；分布填料时采用断面成型模具。
9.如权利要求3所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，所述巷道模型体搭建包括：
顶面开口的主体仓和底板仓内表面均进行减摩处理；
在主体仓内将顶板按设计厚度完全填实，并将顶板监测元件与支护构件预埋在顶板内；
将两块巷道成型板在设定位置放置，巷道成型板开设锚索自由端通孔；
完成帮部围岩填料和锚杆、监测元件埋设，并在两巷道成型板间安装预紧固定装置；
在可拆卸底板仓内，将所有体积填满，并压实；
调整主体仓和底板仓并将二者开口对接合并，调整姿态后等待巷道模型体成型后，取出巷道成型板并脱模，获取巷道模型体。
10.如权利要求3所述的地下工程动力破坏模拟试验方法，其特征在于，采集试验过程中的数据包括通过高速摄像机拍摄图像、围岩应力、锚索受力数据，分析对岩爆现象模拟的准确性。
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