三维物理模型试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩体力学的三维物理模型试验装置技术领域，具体涉及一种三维物理模型试验方法。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展及国民经济的需求，地下矿山及隧道建设向深部转移，岩石力学的研究重点日益转向地下，在采矿工程和水电工程领域，地下巷道的长度、跨度及埋深也越来越大，因此在复杂地质条件下巷道开挖造成的围岩应力调整过程及稳定性问题变得尤为重要，而现场围岩监测需要较多的人力、物力和财力，付出的工作量大、周期长，而围岩的变化和应力分布情况不能直接观测到，在监测时又经常受到现场条件的限制，难以取得较好的成果。
[0003]物理模型试验是研究深埋巷道及矿山压力的重要研究手段之一，以相似理论为基础的模型试验在配制与工程岩体性质相似的物理材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题。物理模型试验可以模拟巷道开挖、工作面回采等对围岩应力调整过程、位移分布特征及位移最大值发生部位等。
[0004]物理模型试验中圆形巷道使用钻机开挖较容易实现，对于矩形巷道、直墙拱型巷道一般是采用手动开挖的方法或者预埋与隧洞形状一样的柱体。手动开挖费时费力且成巷效果不好，预埋柱体的方法分为加载前取出柱体一次成巷和加载过程中顶出柱体分段成巷，前者与现场实际开挖过程差距太大，后者在高应力和多条巷道交错时较难实现。在采煤工作面回采三维模拟中，基本采用人工和简易机械开挖，与实际开挖过程不符，无法实现采煤机割煤回采及一定倾角的倾斜回采。
[0005]实际生产中，金属矿还会采用崩落采矿法，它是一种以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法;即随着崩落矿石，强制(或自然)崩落围岩充填采空区，以控制和管理地压。
[0006]此外，还有房柱法，它是空场采矿法的一种，将阶段〔缓倾斜、倾斜矿床)或盘区(水平、微倾斜矿床)划分成若干个矿房与矿柱(留有规则的不连续的矿柱)。回采工作在矿房中进行，矿柱在一般情祝下不进行回收。
[0007]这些实际生产的情况，现有的简单物理模型试验模型很难模拟实现。
【发明内容】
[0008]针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种三维物理模型试验方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1:在立方体框架面上设置水平面夹角α的多个相互平行的矩形大钢板，并在两块矩形大钢板之间设置多块并排的矩形小钢板；
[0010]在反力架内设置岩体模型，并安装垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统；
[0011]设定垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统对岩体模型加载压力；
[0012]步骤2:在模拟的巷道掘进位置处拆除一块或多块矩形小钢板;形成和水平面夹角为α的巷道掘进面；
[0013]步骤3:在拆除矩形小钢板的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型至目标位置；
[0014]步骤4:重复步骤2和3，直到完成第一个巷道的模拟开挖。
[0015]上述试验方案中，所述的步骤4为:在已拆除的第一个矩形小钢板的相邻位置拆除下一块矩形小钢板；
[0016]步骤5:重复步骤2?4，完成工作面推进的模拟。
[0017]上述试验方案中，所述的步骤4完成后:
[0018]步骤5:控制垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统制造震动，模拟一个工作面的一次现场爆破；
[0019]步骤6:直接将崩落下来的震动形成的岩体模型碎块排出。
[0020]上述试验方案中，所述的步骤6之后:
[0021]步骤7:在已拆除的第一个矩形小钢板的相邻位置拆除下一块矩形小钢板；
[0022]步骤8:操控垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统，控制并制造震动，再次模拟一个工作面的一次现场爆破；
[0023]步骤9:重复步骤7、8，直至完成本区段开采模拟。
[0024]上述试验方案中，所述的步骤4之后；
[0025]步骤5:在已拆除的矩形小钢板同一排、间隔一个或多个矩形小钢板拆除下一块矩形小钢板;在拆除矩形小钢板的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型至目标位置。
[0026]步骤6:同一排矩形小钢板的上的挖掘完成后，再在另外两个矩形大钢板之间的一排矩形小钢板上重复步骤2?5，形成纵横交错的巷道。
[0027]本发明设计的上述三维物理模型试验方法，具有以下优点:
[0028]1、全方位三维模拟岩体内、外受力以及震动等情形，模拟还原实际岩体的预应力受力情况。
[0029]2、实际生产中，巷道及煤层开挖受到地形、岩体等多方限制，往往呈现各种倾斜和迂回，利用矩形大钢板设计模拟保留岩体，一个或多个矩形小钢板模拟巷道或开挖面，能够保证巷道和开挖面的倾斜角度合适，模拟效果真实。
[0030]3、巷道和开挖面由机器人或人工开挖处理，能够真实的模拟盾构等设备的掘进过程，以及采矿时的各种开挖操作，相比现有的预埋法的模拟效果更接近实际情况。
[0031]4、在上述掘进模拟过程中，还可以利用各个加载系统及各个千斤顶给岩体模型施加外力，同步模拟实际岩体受到的内部、外部的应力;可以适应更多、更复杂的模拟情况。
[0032]5、将两块矩形大钢板之间的一排矩形小钢板拆除，露出的岩体模型即模拟岩体。通过拆除不同位置的矩形小钢板，留下一部分岩体模型不开挖，是模拟开挖中保留的岩体部分。通过不同尺寸的矩形大、小钢板之间相互配合，可以实现不同尺寸的巷道、工作面以及保留岩体之间的模拟。
[0033]本发明设计的三维物理模型试验方法，还可以配合机器人使用，能够自动化开采模拟模拟各种岩体内开挖巷道、工作面、掘进面等情形，外部可调控岩体模型的受力情况，同时还可以利用机器人或人工在指定位置设置锚杆、进行围岩喷浆等操作。该试验的装置整体结构坚固，试验方法操作简单，保证岩体挖掘的模拟试验结果准确可靠，可广泛应用于各种隧洞、围岩、巷道、掘进面等岩体开挖的模拟生产情形，配合相应的岩体的试验和研究。
【附图说明】
[0034]图1为一种三维物理模型试验装置的结构示意图。
[0035]图2是图1中外力架的结构示意图。
[0036]图3是图2中外力架的俯视结构示意图。
[0037]图4是图1中连接螺栓将矩形大钢板安装在立柱上的局部结构示意图。
[0038]图5是图1中立方体框架面的布置结构示意图。
[0039]图6是图5中矩形大钢板和矩形小钢板连接结构示意图。
[0040]图7是矩形大钢板的结构示意图。
[0041]图8为矩形小钢板的结构左视图。
[0042]图9为矩形小钢板的结构正视图。
[0043]图10是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0044]图11是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0045]图中:反力架AO、水平梁Al、立柱A2(其中:立柱A2.1、立柱A2.2)、螺栓安装凹槽A3、卡口 A4、凸条A5、矩形大钢板A6 (其中:矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2、矩形大钢板连接螺栓孔A6.3)、矩形小钢板A7 (其中:手柄A7.1、矩形小钢板连接螺栓孔A7.2)、连接螺栓AS、长螺栓A9、反力架面板A10、立方体框架面All、岩体模型A12、水平左右加载系统A13、水平前后加载系统A14、垂直加载系统A15、左侧震动千斤顶A16、后侧震动千斤顶A17、上侧震动千斤顶Al 8、左承压板Al 9、后承压板A21、上承压板A22。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便于人们对本发明的理解。
[0047]如图1?11所示，本发明设计了一种三维物理模型试验方法，其采用的试验模型的外部为反力架A0，所述反力架AO的立方体形框架由八个横向设置的水平梁Al和四个纵向设置的立柱A2组成，所述反力架AO的至少一个立方体框架面All上有如下设置: