一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法与流程

本发明属于实验，尤其涉及一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法。

背景技术：

1、目前对于三维相似材料模拟试验中开挖问题，多采用预埋泡沫或气囊等结构实现对工作面的模拟，材料整体性较强，不易实现对工作面逐步开挖的模拟。

2、目前对于某一特定三维相似模拟实验中，模拟工作面的泡沫或气囊等材料多为定制尺寸，试验后难以回收再利用。对于三维相似材料模拟试验中应力的监测，受开挖模拟工艺的限制，难以获得复杂工况条件，煤岩体内部应力演化过程。

技术实现思路

1、为解决上述问题本发明公开一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法，充分考虑了三维模型内部不易开挖问题，通过延长液压承载装置的联通管道，实现了在三维模型外部控制模型内部开挖的模拟。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,包括以下步骤：

4、s1.根据工作面地层综合柱状图，确定各岩层厚度及力学参数，包括弹性模量ed、抗拉强度σt、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力c、内摩擦角φ；

5、s2.结合地质和开采相关资料，掌握研究对象位置、尺寸、埋深及地质条件等参数，根据试验台搭建模型与模拟的真实地层尺寸，计算相似材料模拟试验几何相似比cl、应力相似比cσ、容重相似比cγ等，并据此确定搭建模型采用的相似材料的组分及各地层配比号；

6、s3.根据试验对象，确定液压承载装置的布置方式；

7、s4.以模拟三维相似材料模型中单一采煤工作面分步回采为例，基于液压承载装置的布置方式模拟工作面的一次回采或回采推进的过程；

8、s5.根据确定的模型尺寸与各地层配比号混合物料，逐层搭建相似材料模型，每个岩层间通过均匀地撒云母粉实现各岩层间的分层；

9、s6.在铺工作面对应岩层的相似材料时，首先在底板岩层中对应重点观测位置底板埋设应变砖，并将应变砖与dh3816n静态应变测试系统连接，用以在试验过程中监测记录底板中应力变化；

10、s7.铺设煤层时，在工作面预定位置布设液压承载装置，承载装置沿工作面割煤方向串联布置，沿工作面回采方向并联布置，连接完成的装置共用一个注液口，每条串联布置的承载装置单独布置一个排液口；

11、s8.将布置完成的液压承载装置通过管道将注液口和排液口延伸至三维模型外部，使用截止阀对布置的液压承载装置进行封口；

12、s9.依照煤层高度搭建除工作面外其他煤层部分，掩埋液压承载装置两侧的连接管道部分直至模型边界，并对煤层部分进行夯实；

13、s10.通过预留注液口，为布置的液压承载装置注入乳化液，将液压装置上部压板提升至与煤厚齐平，关闭注液口位置截止阀，对承载装置进行整体封闭；

14、s11.继续搭建相似材料三维模型到指定高度，完成模型搭建，静置模型30天，使其自然阴干，期间以间隔原则拆卸试验台前后左右槽钢，保证模型在阴干过程中的完整性；

15、s12.试验开始前，调整模型上方压头实现对模型垂直应力的补偿，将dh3816n静态应变测试系统连接计算机，用以记录模型开挖过程中底板应力变化情况；

16、s13.试验开始，依次打开模型预留出液口的截止阀，排出液压承载装置内的乳化液，降低液压承载装置高度模拟煤层开采中工作面推进过程，每个出液口乳化液排出后静置模型10min-15min，等待底板应力逐渐平稳。

17、进一步，步骤s3中液压承载装置的布置方式包括串联方式和并联方式。

18、进一步，所述串联方式是借助连接管道将液压承载装置首尾相连，多个串联的承载装置共用一个注液口和一个出液口，在注液和出液过程中多个串联承载装置的高度一起变化。

19、进一步，所述并联方式是利用单向阀与联通管道将液压承载装置的一端连接到一起，并联的承载装置共用一个注液口且每个并联的液压承载装置都有单独的出液口，由于单向阀控制液体只能单向流动，因此并联的承载装置可以在注液过程中共同升高，但排液过程中靠近注液口侧的液压承载装置出液不会影响后续液压承载装置高度，可以实现依次排液。

20、进一步，所述承载装置包括上部压板、下部压板和中部类风琴结构，所述上部压板为硬质材料，所述下部压板包括下半部分和上半部分，所述下半部分为实心压板，所述上半部分为空心结构，并连通两根管道，所述中部类风琴结构的内部具有注液空腔，所述注液空腔与所述上半部分的空心结构连通。

21、与现有技术相比本发明的有益效果在于：

22、本发明充分考虑了三维模型内部不易开挖问题，通过延长液压承载装置的联通管道，实现了在三维模型外部控制模型内部开挖的模拟；

23、该方法简单易行，通过调整液压承载装置的数量与联通方式，即可实现对三维相似材料模拟实验中不同尺寸不同工况的模拟；

24、液压承载装置通过刚性板材和柔性连接构成的风琴结构实现了装置在液压作用下的高度调整，同时避免了类注射器结构下上下承载面应力分布不均匀的特点，可以较好地作为承载结构实现应力由上至下的传导，使底板中测得的应力变化过程更趋近于实际。

技术特征：

1.一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,其特征在于,包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,其特征在于,步骤s3中液压承载装置的布置方式包括串联方式和并联方式。

3.根据权利要求2所述的一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,其特征在于,所述串联方式是借助连接管道将液压承载装置首尾相连，多个串联的承载装置共用一个注液口和一个出液口，在注液和出液过程中多个串联承载装置的高度一起变化。

4.根据权利要求2所述的一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,其特征在于,所述并联方式是利用单向阀与联通管道将液压承载装置的一端连接到一起，并联的承载装置共用一个注液口且每个并联的液压承载装置都有单独的出液口，由于单向阀控制液体只能单向流动，因此并联的承载装置可以在注液过程中共同升高，但排液过程中靠近注液口侧的液压承载装置出液不会影响后续液压承载装置高度，可以实现依次排液。

5.根据权利要求1所述的一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法,其特征在于,所述承载装置包括上部压板、下部压板和中部类风琴结构，所述上部压板为硬质材料，所述下部压板包括下半部分和上半部分，所述下半部分为实心压板，所述上半部分为空心结构，并连通两根管道，所述中部类风琴结构的内部具有注液空腔，所述注液空腔与所述上半部分的空心结构连通。

技术总结
本发明属于实验技术领域，尤其涉及一种适用于三维相似材料模拟试验的复杂开挖模拟方法，包括根据工作面地层综合柱状图，确定各岩层厚度及力学参数，包括弹性模量E<subgt;d</subgt;、抗拉强度σ<subgt;t</subgt;、抗压强度σ<subgt;c</subgt;、抗剪强度τ、内聚力C、内摩擦角Φ；结合地质和开采相关资料，掌握研究对象位置、尺寸、埋深及地质条件等参数，根据试验台搭建模型与模拟的真实地层尺寸，计算相似材料模拟试验几何相似比C<subgt;L</subgt;、应力相似比C<subgt;σ</subgt;、容重相似比C<subgt;γ</subgt;等，并据此确定搭建模型采用的相似材料的组分及各地层配比号等步骤。本发明充分考虑了三维模型内部不易开挖问题，通过延长液压承载装置的联通管道，实现了在三维模型外部控制模型内部开挖的模拟。

技术研发人员：董飞,高岩亮,闫晋峰,左飞,马小利,程坦,孙雨,郭宇杰,刘超
受保护的技术使用者：山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11