三维物理模型试验装置的制造方法
【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装置。
【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。
【发明内容】
[0005]针对上述存在问题，本发明设计了一种三维物理模型试验装置，它的外部为反力架，所述反力架的立方体形框架由八个横向设置的水平梁和四个纵向设置的立柱组成；
[0006]所述反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置:相对设置的立柱和立柱之间设置至少两个相互平行的水平面夹角为α矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排矩形小钢板；
[0007]所述反力架其他的框架侧面均设置反力架面板;在反力架的内部设置岩体模型；在岩体模型的三个表面上分别安装有上承压板、左承压板和后承压板；
[0008]在岩体模型的上承压板和相应的顶端反力架面板之间设置若干个上侧震动千斤顶构成垂直加载系统；
[0009]在岩体模型的左承压板和相应的侧面反力架面板之间设置若干个左侧震动千斤顶构成水平左右加载系统；
[0010]在岩体模型的后承压板和相应的后面反力架面板之间设置若干个后侧震动千斤顶构成水平前后加载系统。
[0011]上述技术方案中，所述的每个矩形大钢板的两端至少设置有一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔;沿矩形大钢板的两长边均设置有多个矩形小钢板连接螺栓孔；
[0012]矩形大钢板同一端的一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔为上下设置，其中矩形螺栓孔呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板平行，弧形螺栓孔呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔重合，且该弧形螺栓孔的圆心靠近矩形螺栓孔一侧。
[0013]上述技术方案中，所述的每个矩形小钢板的一侧面设有手柄，每个矩形小钢板的四角上均设置有矩形小钢板连接螺栓孔;矩形大钢板的矩形大钢板连接螺栓孔和矩形小钢板上的矩形小钢板连接螺栓孔的尺寸相同，且排列位置相应。
[0014]上述技术方案中，所述的的立方体框架面上有如下设置:相对设置的立柱和立柱的内侧均设置有螺栓安装凹槽;在立方体框架面的立柱和立柱之间利用长螺栓设置若干矩形大钢板;将长螺杆的螺栓头安装在螺栓安装凹槽内；该长螺栓的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽之外;矩形大钢板两端的矩形螺栓孔、弧形螺栓孔套装在这些长螺栓的螺杆上;安装螺帽后即可将矩形大钢板设置在立柱和立柱之间的预定位置上；
[0015]至少在相邻的两块矩形大钢板之间设置至少一排相邻紧密排列的矩形小钢板;将每个矩形小钢板连接螺栓孔和矩形大钢板连接螺栓孔对齐后，利用连接螺栓从外侧将每块矩形小钢板紧密相邻排列的安装在矩形大钢板之间;每块矩形小钢板的手柄均位于外侧；
[0016]具体的，将每一块矩形大钢板以和水平夹角α倾斜设置在立柱和立柱之间，其两端的一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔分别插入安装在螺栓安装凹槽内的长螺栓的螺杆部分，然后安装螺帽固定。
[0017]上述技术方案中，矩形大钢板的长宽比大于5;矩形小钢板的长宽比在0.8?1.2之间，且矩形小钢板的短边和矩形大钢板的短边的比例在0.5?2之间。
[0018]上述技术方案中，所述的反力架的立柱和水平梁之间以突出的凸条和凹陷的卡口榫卯式连接而成。
[0019]由上述提供的技术方案可以看出，本发明设计的上述三维物理模型试验装置，具有以下优点:
[0020]1、全方位三维模拟岩体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。
[0021]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。
[0022]3、巷道和开挖面由机器人开挖处理，能够真实的模拟盾构设备的掘进过程，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。
[0023]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应力;可以适应更多更复杂的模拟情况。
[0024]5、将矩形大钢板之间的矩形小钢板拆除，露出的岩体模型就是模拟岩体。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，就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。
[0025]本发明设计的三维物理模型试验装置，配合机器人后的自动化开采模拟能够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，同时还配合指定位置锚杆及围岩喷浆等操作;整体结构坚固，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】
[0026]图1为一种三维物理模型试验装置的结构示意图。
[0027]图2是图1中外力架的结构示意图。
[0028]图3是图2中外力架的俯视结构示意图。
[0029]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。
[0030]图5是图1中立方体框架面的布置结构示意图。
[0031 ]图6是图5中矩形大钢板和矩形小钢板连接结构示意图。
[0032]图7是矩形大钢板的结构示意图。
[0033]图8为矩形小钢板的结构左视图。
[0034]图9为矩形小钢板的结构正视图。
[0035]图10是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0036]图11是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0037]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】
[0038]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。
[0039]如图1?11所示，本发明设计了一种三维物理模型试验装置，它的外部为反力架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:
[0040]相对设置的立柱A2.1和立柱A2.2之间设置至少两个相互平行的水平面夹角为α的矩形大钢板Α6，相邻的两个矩形大钢板Α6之间设置有至少一排矩形小钢板Α7。
[0041 ]所述反力架AO其他的框架侧面均设置反力架面板Α10。在反力架AO的内部设置岩体模型Α12。在岩体模型Α12