一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法与流程

本发明涉及一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法，适用于开展巷道(硐室)、隧道、地铁等地下工程开挖与支护安装的相似模型试验，属于矿山与地下工程安全技术。

背景技术：

目前，研究矿山压力规律最广泛的技术手段是现场实测，通过借助围岩变形、压力等测试仪器来揭示矿山压力的显现规律。但是，现场实测时需要安装大量的传感器，所花费的人力、物力、财力较大；通常开展现场矿压观测工作，需要数月甚至延续数年，受现场生产条件、工程和地质条件等因素的影响，所得到的实测资料有一定的局限性，并有一定的不安全隐患；尤其对围岩体内部的移动、压力的精确监测较为困难，再加上监测仪器的精度和老化问题，使得监测数据的可信度不高。相似材料模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺度研究的一种方法，主要用来研究地下工程在外荷载作用下的变形形态与破坏机制等。相似材料模型试验可定量或定性反映出围岩体的变形特性，为发现新的力学规律、建立新的理论和数学模型提供依据。目前在研究矿山压力规律方面，普遍认为相似材料模型试验可在规律的定性方面起较大作用，在相似条件得到较好遵守的条件下，理论上通过相似材料模型试验可得到实际问题的直接答案。对于研究采动前后围岩体的变形、移动及破坏规律，尤其对研究围岩体破碎、垮落等多种物理与力学过程的岩体力学问题，采用相似材料模型试验不失为一种有效的研究方法。相似材料模型试验是相似理论为基础，通过建立相似材料模型，来观测研究难用数学描述的系统特性及原型系统与模型系统间的相似特性。相似材料模型试验可对物理模型进行开挖、支护的模拟和围岩位移、应力等特征的测量，利用相似准则来反推实际原型，进而更直观地反映巷道围岩在开挖与支护条件下的变形特征、覆岩移动规律等。因此，相似材料模型试验可直接观测到矿山压力显现现象的整个过程，提供较有价值的参考数据，从而解决目前用理论分析方法尚不能解决的一些工程难题。

总的来说，相似材料模型试验可模拟多种工程地质与水文地质条件、开采条件下的巷道或采场围岩变形破坏特征和应力演化规律，直观地反映所研究系统的物理、力学现象，可弥补理论分析与现场试验的不足。相似材料模型试验具有其独特的优越性，在国内外岩土工程与采矿工程界得到了广泛应用，成为地下工程研究的必要手段之一。但是，目前相似材料模型试验在开挖与支护方面存在两个主要问题：

一、相似材料模型试验多采用人工开挖成巷，即相似材料模型试验台前挡板处于敞开状态，并且对相似材料模型不施加荷载，进行不带压开挖；若将相似材料模型试验台前后挡板闭合后进行巷道开挖，则会造成相似材料模型试验台厚度过大，难以在暗箱中进行巷道的人工开挖。因此，受相似材料模型试验台尺寸与巷道开挖方式的影响，一方面地下工程开挖过程的模拟基本采用“先开巷后逐级加荷载至设计值”的非带压开挖方式，这与实际地下工程先加载后开挖(带压开挖方式)的物理过程有本质区别，无法真实再现地下工程开挖、支护平衡演化的过程，使得试验结果往往与工程实际情况严重不符。另一方面，即使在巷道开挖过程中采用小型钻机成巷，但在巷道开挖过程中没有配备定位装置，造成人工开挖或小型钻机掘进的巷道形状不规则、表面不光滑，则造成支护结构安装后与围岩不能充分接触，易产生应力集中而失稳破坏，难以充分发挥支护结构的承载作用。

二、相似材料模型试验也采用预留巷道的埋设方式，主要采用泡沫、塑料、木材、钢材等辅助材料制作成巷道形状的模具，将其预埋在相似材料模型试验台中；待相似材料浇筑完毕后，将模具拨出进而可形成巷道。由于没有研发合适的支护结构输送安装设备，在大多数情况下支护结构也是预埋的(在巷道开挖之前，预先埋设在相似材料模型试验台中)，无法真实模拟巷道的开挖与支护过程，对支护效果的体现具有一定的局限性。

因此，亟需研发一种简便可行、灵活适用、定位可靠、施工便捷的相似材料模型试验开挖与支护结构安装新工艺。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法，是一种简便可行、灵活适用、定位可靠、施工便捷的相似材料模型试验开挖与支护结构安装新方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法，包括相似材料模型试验台、相似材料模型试验巷道开挖装置和相似材料模型试验支护结构安装装置三个部分，

所述相似材料模型试验台，用于开展各类工程地质与水文地质及采矿条件下的相似材料模型试验，完成对相似材料模型的约束与加载；

所述相似材料模型试验巷道开挖装置，通过激光传感器定位系统实现对相似材料模型巷道开挖位置的精确定位，并通过可360°圆周和四周灵活移动的钻进系统完成对相似材料模型巷道的低扰动精准开挖；既能够保证开挖过程中巷道围岩的基本稳定，以防止巷道塌落破坏而造成试验失败；又能够保持巷道成型规则和围岩表面光滑，有利于支护结构与巷道围岩的充分接触，避免巷道因局部受力集中而失稳破坏；

所述相似材料模型试验支护结构安装装置，通过可调式限位器与激光传感器定位系统，保证支护结构的安装位置准确；并通过伞杆运输装置，实现对支护结构的有效输运，防止支护结构在输运过程中发生倾倒、扭偏等，保证支护结构的安装质量，有利于支护结构及时发挥承载作用。

具体的，所述相似材料模型试验台包括试验台底座、试验台后挡板、试验台前挡板、操作平台滑道和操作平台，试验台底座上设置有试验台底座滑道，试验台后挡板固定在试验台底座上，试验台前挡板安装在试验台底座滑道上，试验台后挡板和试验台前挡板位置正对；

所述试验台后挡板中部设置有试验台操作空间，在试验台后挡板上、试验台操作空间的周侧设置有加载液压装置；

所述操作平台放置在试验台底座上，位于试验台后挡板和试验台前挡板之间，在操作平台上设置有操作平台滑道，在操作平台滑道上安装有模型托板，模型托板用于放置相似材料模型；通过操作平台的位置调整和模型托板的移动，将相似材料模型推送到试验台操作空间内；

所述试验台前挡板中部设置有试验台开挖窗口；通过移动试验台前挡板，使得试验台后挡板和试验台前挡板向贴合，试验台开挖窗口正对相似材料模型的待开挖位置。

具体的，所述相似材料模型试验巷道开挖装置包括钻孔装置、控制装置和支撑装置；

所述钻孔装置包括低速电机、旋转杆、中空钻杆、钻机滑动与连接装置和钻机套筒，钻机滑动与连接装置与钻机套筒固定；低速电机的输出轴与旋转杆的一端连接，旋转杆的另一端通过弹簧卡瓦与中空钻杆的一端连接，弹簧卡瓦安装在钻机滑动与连接装置上，中空钻杆从钻机滑动与连接装置内伸出，置于钻机套筒内；

所述控制装置包括数据采集与信号控制系统、电机控制系统和激光传感器，电机控制系统对低速电机进行控制，激光传感器安装在钻机套筒朝向试验台开挖窗口的一端，数据采集与信号控制系统与电机控制系统和激光传感器进行信号连接；

所述支撑装置包括操作工具台和三角支架，数据采集与信号控制系统和电机控制系统置于操作工具台上，三角支架用于支撑钻机滑动与连接装置和钻机套筒。

具体的，所述相似材料模型试验支护结构安装装置包括支护装置、伞杆运输装置、限位装置和支撑装置；

所述支护装置包括型钢支架；

所述伞杆运输装置包括安装伞杆、伞杆分支和伞杆抓头，伞杆分支设置在安装伞杆的一端，伞杆抓头在运输过程中型钢支架抓紧，在放置型钢支架时松开；

所述限位装置包括钻机套筒、可调限位器和激光传感器，可调限位器沿长度方向设置在钻机套筒内，相邻钻机套筒之间采用钢丝绳拉紧连接；激光传感器安装在钻机套筒朝向试验台开挖窗口的一端，数据采集与信号控制系统与激光传感器进行信号连接；

所述支撑装置包括操作工具台和三角支架，数据采集与信号控制系统置于操作工具台上，三角支架用于支撑钻机套筒。

该基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法，包括如下步骤：

步骤一：根据实际工程煤岩体的物理与力学特性参数配制似材料，首先将相似材料按预先设计的分层位置，逐层浇筑压实形成相似材料模型，再采用吊装设备将相似材料模型放置在含模型托板的操作平台上，最后将操作平台通过吊装放置在试验台底座上；

步骤二：首先沿着操作平台滑道移动模型托板，将相似材料模型送入到试验台后挡板中的试验台操作空间内，再采用吊装设备移除含模型托板的操作平台；

步骤三：首先沿着试验台底座滑道将试验台前挡板移向试验台后挡板，再采用螺栓固定试验台后挡板和试验台前挡板，最后根据工程现场实测的地应力大小和方向，以及相似材料模型试验几何相似比，启动加载液压装置对相似材料模型施加位移约束和应力；

步骤四：首先采用吊装设备将操作工具台放置在地面上，钻机套筒通过三角支架进行固定；再在相似材料模型试验巷道开挖前，将钻机套筒移动到试验台前挡板上的试验台开挖窗口中；激光传感器安装在钻机套筒朝向试验台开挖窗口的一端，连接激光传感器和数据采集与信号控制系统的连接线通过钻机套筒上的出线小孔引出；

步骤五：首先启动数据采集与信号控制系统对激光传感器发出指令，对巷道发射激光束，进而对巷道的开挖轮廓进行定位，并反馈巷道开挖轮廓的坐标信息；然后通过数据采集与信号控制系统向电机控制系统发布巷道开挖坐标指令，低速电机带动旋转杆转动，旋转杆转动后使弹簧卡瓦带动在钻机套筒内的中空钻杆在钻机滑动与连接装置内沿着钻机移动轨道上进行圆周和四周方向的移动，实现对相似材料模型试验巷道的精准低扰动带压开挖；弹簧卡瓦既可将中空钻杆夹紧，实现旋转杆力矩的传输和沿钻机移动轨道的移动；又可使中空钻杆进行多角度自由旋转，便于调整中空钻杆转动方向的调整，防止卡钻；

步骤六：完成对相似材料模型巷道的低扰动精准开挖后，移除相似材料模型试验巷道开挖装置；

步骤七：首先采用吊装设备将操作工具台放置在地面上，钻机套筒通过三角支架进行固定，将钻机套筒移动到试验台前挡板上的试验台开挖窗口中；

步骤八：首先启动数据采集与信号控制系统对激光传感器发出指令，对巷道发射激光束，进而对巷道的开挖轮廓进行定位，并反馈巷道开挖轮廓的坐标信息；然后调整可调式限位器的限位位置，相邻可调式限位器采用钢丝绳连接起来，以保证支护结构输运通道位置的准确度，防止支护结构的安装位置发生偏离；最后将伞杆分支端部的伞杆抓头连接到型钢支架上，采用安装伞杆在钻机套筒内将型钢支架输运到相似材料模型试验巷道相应位置上，防止支护结构在输运过程中发生倾倒、扭偏等；在型钢支架输运完成后，拉一下开关拉绳将伞杆开合按钮打开，将伞杆分支的伞杆抓头与型钢支架脱离开来。

有益效果：本发明提供的基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构安装方法，适用于煤矿、铁矿、有色金属矿山、隧道、地铁、水利水电等地下工程相似材料模型试验，该方法简便可行、灵活适用、定位可靠、施工便捷，可为相似材料模型试验开挖与支护结构安装提供了一种新工艺。

附图说明

图1为相似材料模型试验台示意图；

图2为相似材料模型试验开挖装置示意图；

图3为相似材料模型试验支护结构安装装置意图；

图4为1-1剖面示意图；

图5为2-2剖面示意图；

图6为3-3剖面示意图；

图7为4-4剖面示意图。

图中包括：1-试验台后挡板，2-试验台前挡板，3-试验台底座，4-试验台底座滑道，5-试验台操作空间，6-加载液压装置，7-试验台开挖窗口，8-相似材料模型，9-模型托板，10-操作平台，11-操作平台滑道，12-操作工具台，13-三角支架，14-钻机套筒，15-中空钻杆，16-钻机滑动与连接装置，17-旋转杆，18-低速电机，19-电缆，20-电机控制系统，21-连接线，22-出线小孔，23-数据采集与信号控制系统，24-激光传感器，25-螺栓孔，26-可调式限位器，27-钢丝绳，28-安装伞杆，29-型钢支架，30-伞杆抓头，31-伞杆分支，32-伞杆开合按钮，33-开关拉绳，34-弹簧卡瓦，35-钻机移动轨道，36-卡瓦；37-卡瓦座，38-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～7所示为一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构的安装方法，包括相似材料模型试验台、相似材料模型试验巷道开挖装置和相似材料模型试验支护结构安装装置三个部分。

所述相似材料模型试验台，用于开展各类工程地质与水文地质及采矿条件下的相似材料模型试验，完成对相似材料模型的约束与加载。

所述相似材料模型试验台包括试验台底座3、试验台后挡板1、试验台前挡板2、操作平台滑道11和操作平台10，试验台底座3上设置有试验台底座滑道4，试验台后挡板1固定在试验台底座3上，试验台前挡板2安装在试验台底座滑道4上，试验台后挡板1和试验台前挡板2位置正对。

所述试验台后挡板1中部设置有试验台操作空间5，在试验台后挡板1上、试验台操作空间5的周侧设置有加载液压装置6。

所述操作平台10放置在试验台底座3上，位于试验台后挡板1和试验台前挡板2之间，在操作平台10上设置有操作平台滑道11，在操作平台滑道11上安装有模型托板9，模型托板9用于放置相似材料模型8；通过操作平台10的位置调整和模型托板9的移动，将相似材料模型8推送到试验台操作空间5内。

所述试验台前挡板2中部设置有试验台开挖窗口7；通过移动试验台前挡板2，使得试验台后挡板1和试验台前挡板2向贴合，试验台开挖窗口7正对相似材料模型8的待开挖位置。

所述相似材料模型试验巷道开挖装置，通过激光传感器定位系统实现对相似材料模型巷道开挖位置的精确定位，并通过可360°圆周和四周灵活移动的钻进系统完成对相似材料模型巷道的低扰动精准开挖；既能够保证开挖过程中巷道围岩的基本稳定，以防止巷道塌落破坏而造成试验失败；又能够保持巷道成型规则和围岩表面光滑，有利于支护结构与巷道围岩的充分接触，避免巷道因局部受力集中而失稳破坏。

所述相似材料模型试验巷道开挖装置包括钻孔装置、控制装置和支撑装置，所述钻孔装置包括低速电机18、旋转杆17、中空钻杆15、钻机滑动与连接装置16和钻机套筒14，钻机滑动与连接装置16与钻机套筒14固定；低速电机18的输出轴与旋转杆17的一端连接，旋转杆17的另一端通过弹簧卡瓦34与中空钻杆15的一端连接，弹簧卡瓦34安装在钻机滑动与连接装置16上，中空钻杆15从钻机滑动与连接装置16内伸出，置于钻机套筒14内。

所述控制装置包括数据采集与信号控制系统23、电机控制系统20和激光传感器24，电机控制系统20对低速电机18进行控制，激光传感器24安装在钻机套筒14朝向试验台开挖窗口7的一端，数据采集与信号控制系统23与电机控制系统20和激光传感器24进行信号连接。

所述支撑装置包括操作工具台12和三角支架13，数据采集与信号控制系统23和电机控制系统20置于操作工具台12上，三角支架13用于支撑钻机滑动与连接装置16和钻机套筒14。

所述相似材料模型试验支护结构安装方法，通过可调式限位器与激光传感器定位系统，保证支护结构的安装位置准确；并通过伞杆运输装置，实现对支护结构的有效输运，防止支护结构在输运过程中发生倾倒、扭偏等，保证支护结构的安装质量，有利于支护结构及时发挥承载作用。

所述相似材料模型试验支护结构安装装置包括支护装置、伞杆运输装置、限位装置和支撑装置，所述支护装置包括型钢支架29；所述伞杆运输装置包括安装伞杆28、伞杆分支31和伞杆抓头30，伞杆分支31设置在安装伞杆28的一端，伞杆抓头30在运输过程中型钢支架29抓紧，在放置型钢支架29时松开；所述限位装置包括钻机套筒14、可调限位器26和激光传感器24，可调限位器26沿长度方向设置在钻机套筒14内，相邻钻机套筒14之间采用钢丝绳27拉紧连接，激光传感器24安装在钻机套筒14朝向试验台开挖窗口7的一端，数据采集与信号控制系统23与激光传感器24进行信号连接；所述支撑装置包括操作工具台12和三角支架13，数据采集与信号控制系统23置于操作工具台12上，三角支架13用于支撑钻机套筒14。

一种基于激光定位的相似材料模型试验开挖与支护结构安装方法，包括如下步骤：

步骤一：根据实际工程煤岩体的物理与力学特性参数配制似材料，首先将相似材料按预先设计的分层位置，逐层浇筑压实形成相似材料模型8，再采用吊装设备将相似材料模型8放置在含模型托板9的操作平台10上，最后将操作平台10通过吊装放置在试验台底座3上；

步骤二：首先沿着操作平台滑道11移动模型托板9，将相似材料模型8送入到试验台后挡板1中的试验台操作空间5内，再采用吊装设备移除含模型托板9的操作平台10；

步骤三：首先沿着试验台底座滑道4将试验台前挡板2移向试验台后挡板1，再采用螺栓25固定试验台后挡板1和试验台前挡板2，最后根据工程现场实测的地应力大小和方向，以及相似材料模型8试验几何相似比，启动加载液压装置6对相似材料模型8施加位移约束和应力；

步骤四：首先采用吊装设备将操作工具台12放置在地面上，钻机套筒14通过三角支架13进行固定；再在相似材料模型试验巷道开挖前，将钻机套筒14移动到试验台前挡板2上的试验台开挖窗口7中；激光传感器24安装在钻机套筒14朝向试验台开挖窗口7的一端，连接激光传感器24和数据采集与信号控制系统23的连接线21通过钻机套筒14上的出线小孔22引出；

步骤五：首先启动数据采集与信号控制系统23对激光传感器24发出指令，对巷道发射激光束，进而对巷道的开挖轮廓进行定位，并反馈巷道开挖轮廓的坐标信息；然后通过数据采集与信号控制系统23向电机控制系统20发布巷道开挖坐标指令，低速电机18带动旋转杆17转动，旋转杆17转动后使弹簧卡瓦34带动在钻机套筒14内的中空钻杆15在钻机滑动与连接装置16内沿着钻机移动轨道35上进行圆周和四周方向的移动，实现对相似材料模型试验巷道的精准低扰动带压开挖；弹簧卡瓦34既可将中空钻杆15夹紧，实现旋转杆17力矩的传输和沿钻机移动轨道35的移动；又可使中空钻杆15进行多角度自由旋转，便于调整中空钻杆15转动方向的调整，防止卡钻；

步骤六：完成对相似材料模型巷道的低扰动精准开挖后，移除相似材料模型试验巷道开挖装置；

步骤七：首先采用吊装设备将操作工具台12放置在地面上，钻机套筒14通过三角支架13进行固定，将钻机套筒14移动到试验台前挡板2上的试验台开挖窗口7中；

步骤八：首先启动数据采集与信号控制系统23对激光传感器24发出指令，对巷道发射激光束，进而对巷道的开挖轮廓进行定位，并反馈巷道开挖轮廓的坐标信息；然后调整可调式限位器26的限位位置，相邻可调式限位器26采用钢丝绳27连接起来，以保证支护结构输运通道位置的准确度，防止支护结构的安装位置发生偏离；最后将伞杆分支31端部的伞杆抓头30连接到型钢支架29上，采用安装伞杆28在钻机套筒14内将型钢支架29输运到相似材料模型试验巷道相应位置上，防止支护结构在输运过程中发生倾倒、扭偏等；在型钢支架29输运完成后，拉一下开关拉绳33将伞杆开合按钮32打开，将伞杆分支31的伞杆抓头30与型钢支架29脱离开来。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。