三向加载大型三维相似模拟试验方法技术

本发明专利技术公开了一种三维相似模拟试验方法，包括以下步骤：A、制备试件：B、加载：C、开挖并观测。本发明专利技术可模拟井下采掘过程中不同顶板活动阶段时的煤层应力的复杂分布现象，制作大倾角矿层试件更方便、效果更好，可以保证在整个开采过程中，岩体都存于三向应力条件下，可以研究更多工况下的地下空间开挖，降低了整个系统地表上的高度，并且造价更低，系统更稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于研究矿体岩体应カ分布的相似模拟试验方法。
技术介绍
相似材料模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于水利、采矿、地质、鉄路等部门。模拟试验的最大特点是可以人为地控制和改变试验条件，从而确定单因素或多因素对矿山压カ影响的规律，试验效果清楚直观，而且试验周期短、见效快，在采矿科学的研究中发挥了巨大的作用。即使在岩石力学的数值模拟计算科学迅速发展的今天，相似材料模拟试验仍是采矿科学研究中不可替代的研究手段，它和日益成熟的数值计算模拟相辅相成，为人类认识和客服采矿科学中的难题发挥着重要的作用。 在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应カ场，引起岩体应カ重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。在应カ重新分布过程中，使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。在矿山压力的作用下会产生的一系列力学现象——矿压显现，如顶板下沉、底板鼓起、煤壁片帮、支架变形、岩层移动、煤的压出等。开采后的上覆岩层可分为冒落带、断裂带和弯曲下沉带。现有技术中的三维相似模拟试验系统，虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展，但存在以下不足1)模型尺寸较小，做模拟试验时的几何比将会很小，在实践中发现做模型试验几何比过小将不能很好的反应开挖带来的影响；2)模型尺寸都是固定的不能调整，这会导致有时几何比太小，有时会导致空间太大浪费材料；3)加力方向単一，难以实现三向加载；4)岩体变形监测大都采用应变片，岩体变形数据采集不够精确；5)矿层开挖必须将试件箱打开后人工手动开挖，这将引起卸荷效应，与实际エ况不符；6)装置上架过程基本上靠手工搬运，不方便操作；7)所应用的应カ加载系统多为手动，因此，应カ加载过程不能保持匀速，且其精度不能保证，此外，诸如循环荷载等加载形式不能实现。因此本领域技术人员致カ于开发ー种模型尺寸可变、操作简单并且试验准确可靠的三向加载大型三维相似模拟试验系统，以及ー种试验制样方法，一种三维相似模拟试验载荷模拟方法，以及ー种三向加载大型三维相似模拟试验开采层模拟方法。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供ー种模型尺寸可变、操作简单并且试验准确可靠的三向加载大型三维相似模拟试验系统，以及一种试验制样方法，一种三维相似模拟试验载荷模拟方法，以及ー种三向加载大型三维相似模拟试验开采层模拟方法。为实现上述第一层面的专利技术目的，本专利技术提供了ー种三向加载大型三维相似模拟试验系统，包括试件箱和反カ系统，所述试件箱包括底座；所述底座的边缘设置有构成正方形的左螺孔带、右螺孔带、前螺孔带和后螺孔带；所述底座在所述左螺孔带处通过螺栓固定连接有左侧板，在所述前螺孔带处通过螺栓固定连接有前侧板；所述右螺孔带与所述左螺孔带之间设置有至少ー个第一中间螺孔带；所述后螺孔带与所述前螺孔带之间设置有与所述第一中间螺孔带数量对应、垂直相接的第二中间螺孔带；相接的第一中间螺孔带和第二中间螺孔带与所述左螺孔带和右螺孔带构成正方形；所述右螺孔带或任一所述第一中间螺孔带上通过螺栓固定连接有右侧板；与所述右侧板相接的所述后螺孔带或任一所述第二中间螺孔带上通过螺栓固定连接有后侧板；所述后侧板上设置有传感器接线孔；所述后侧板的外侧间隔固定有第一垫板；所述左侧板的内侧通过螺栓固定连接有左压座；所述左侧板上按均分区域设置有左压套；所述左压座上固定有数量和位置与所述左压套相对应的左压杆；所述左压杆穿出所述左压套；所述前侧板的内侧通过螺栓固定连接有前压座；所述前侧板上按均分区域设置有前压套；所述前压座上固定有数量和位置与所述前压套相对应的前压杆；所述前压杆穿出所述前压套； 所述左压座与所述前压座间隔设置；所述反カ系统包括位于地面下的混凝土反力池；所述反カ池的底部设置有与所述反力池固定连接的第一反力座；所述第一反力座的右侧设置有第二反力座；所述第二反力座与所述反カ池的池底固定，并同时与所述第一反力座通过螺栓固定连接；所述反カ池在所述试件箱的左侧设置有与所述第一反力座固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承カ架；所述侧承力架上固定有数量和位置与所述左压杆相对应的左液压缸；所述反カ池在所述试件箱的右侧设置有与所述第二反力座螺栓连接的反力架；所述反力架可与所述试件箱通过螺栓固定连接；所述第一反力座的前部固定有前立柱；所述前立柱的一端面紧靠所述反カ池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述前压杆相对应的前液压缸；所述第一反力座的后部固定有后立柱；所述后立柱的一端面紧靠所述反カ池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述第一垫板相对应、并可紧贴所述第一垫板的第二垫板；所述前立柱和后立柱通过上方固定的横梁连接为一体结构；所述横梁上均布设置有与所述试件箱相対的上液压缸；所述模拟试验系统还包括压座；进行相似模拟试验时，所述压座将所述上液压缸的加载カ传递至所述试件箱内的相似材料上。为防止加载过程中三向カ发生干渉，在高度方向上，所述前压座与所述左压座的转角处放置有与所述前压座和左压座接触的第一防干渉座；所述左压座的内侧放置有第二防干渉座；所述第一防干渉座和第二防干渉座间隔设置。较佳的，所述第一防干渉座远离所述左压座一端为楔形结构；所述第一防干渉座的顶端为楔形结构；所述第二防干涉板靠近所述前压座一端为楔形结构。为便于移动试件箱，所述第一反力座上设置有滚动导轨；所述试件箱可放置在所述滚动导轨上；所述底座的左右两侧均设置有拉座；在所述试件箱的左右两侧设置有与所述拉座相对应的牵引机构。较佳的，所述底座的左右两侧均间隔设置有两个拉座；所述牵引机构包括減速机；所述减速机通过第一联轴器与第一卷筒的第一端连接；所述第一卷筒的第二端通过第二联轴器、传动轴和第三联轴器与第二卷筒联接；所述第一卷筒和第二卷筒上缠绕有可与所述拉座连接的钢丝绳。为简化操作，所述第二反力座的前侧设置有可固定所述第一卷筒的钢丝绳的第一钢丝绳固定座；所述第二反力座的后侧设置有可固定所述第二卷筒的钢丝绳的第二钢丝绳固定座。较佳的，所述压座包括上板和底板，所述上板和底板通过立板连接为一体结构；所述立板上设置有筋板。为便于制作具有倾角矿层的试件，所述第二反力座的右侧设置有第三反力座；所述第三反力座与所述反カ池的池底固定，并同时与所述第二反力座通过螺栓固定连接；所述第三反力座的右端间隔设置有第一铰接座和第二铰接座；所述底座的右端 设置可分别与所述第一铰接座和第二铰接座铰接的第三铰接座和第四铰接座；所述反カ池在所述第三反カ座靠近所述第二反力座一侧的前后两端分别设置有油缸支座；所述油缸支座上铰接有油缸；所述油缸的活塞杆端部铰接有推力支座；所述推力支座可与所述试件箱的底座连接。为便于模拟开挖煤层，所述前侧板和后侧板上对应设置有至少一列油囊安装孔。为实现本专利技术第二层面的专利技术目的，本专利技术提供了ー种三向加载大型三维相似模拟试验制样方法，包括以下步骤( I)使试件箱傾斜，试件箱的倾角等于矿层倾角；(2)对岩层压カ分布规律进行数值模拟，根据模拟结果，得出预制试件应カ测点布置压カ传感器的位置；(3)按照几何相似比、容重相似比、应カ相似比以及强度相似比计算出模型岩石的容重、抗压强度、开挖速度等力学性质參数，通过河砂、石膏、碳酸钙以不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维相似模拟试验方法，其特征是：包括以下步骤：A、制备试件：（A1）使试件箱倾斜，试件箱的倾角等于矿层倾角；（A2）对岩层压力分布规律进行数值模拟，根据模拟结果，得出预制试件应力测点布置压力传感器的位置；（A3）按照几何相似比、容重相似比、应力相似比以及强度相似比计算出模型岩石的容重、抗压强度、开挖速度等力学性质参数，通过河砂、石膏、碳酸钙以不同的比例与适量的水搅拌均匀，制作成多个标准试件并在自然状态下风干，对标准试件的单轴抗压强度进行测定，根据强度相似比计算出的抗压强度与不同配比的一系列单轴抗压强度对比，得出各层相似材料的最佳配比；（A4）根据各分层的最佳配比和容重，计算出各分层材料所需质量，称出相应配料的质量，将各种配料搅拌均匀，再加入适量水，立即进行搅拌，防止凝结；搅拌均匀后，将配料送入试件箱内，并夯实；在模拟矿层分层之间的表面上均匀地铺一层云母粉作为分层弱面，用壁刀将表面抹平，同时在各分层的指定位置插上测标；依照次序将各分层装好，直到所有岩层都装到试件箱内；（A5）步骤（A4）中，根据步骤（A2）的结果在试件内布置传感器，并在试件内设置油囊模拟煤层，通过充油量控制模拟煤层的厚度，通过泄油模拟煤层开挖；（A6）待相似材料干燥后，使试件箱回复到水平位置；B、加载：？（B1）以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向,采用力控制方式对X向水平加载压力、Y向水平加载压力、Z向垂直加载压力进行加载，加载顺序为：a）同时加载X向和Y向N（N为自然数）秒，然后加载Z向N秒；b）重复步骤a）；c）同时加载X向和Y向2N秒，然后加载Z向2N秒；d)重复步骤c）至三向加载压力达到预定值，该预定值为工况现场实测的地应力；步骤a）～d）中，加载速率恒定；（B2）保持载荷；（B3）当Z向垂直加载压力≥5kN，Z向垂直加载压力瞬时下降力≥0.3kN时，三向加载切换为位移控制方式；C、开挖并观测：煤层的开挖通过微型真空泵抽取油囊中的油；通过数据采集系统采集岩层在开采过程中由于地应力作用下岩层不同层面的岩层应力、各测点的下沉量、覆岩的垮落高度、破断及离层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹光志，许江，蒋长宝，王维忠，黄滚，彭守建，姚俊伟，李生舟，刘东，李文璞，李铭辉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：