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技术

本发明专利技术公开了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；采用相似材料模型试验台开展相似材料模型试验，完成对相似材料模型的约束与加载；通过激光传感器定位系统及360°灵活移动的钻进系统，进行对相似材料模型巷道开挖位置的精确定位和精准开挖；通过可调式限位器与激光传感器定位系统及安装伞杆，保证支护结构的安装位置准确和实现对支护结构的有效输运。本发明专利技术具有简便可行、灵活适用、定位可靠、施工便捷的优点，为相似材料模型试验开挖与支护结构安装提供了一种新方法。

An Installation Method of Excavation and Supporting Structures for Similar Material Model Test Based on Laser Location

The invention discloses an installation method of similar material model test excavation and support structure based on laser positioning, which includes three parts: similar material model test bench, similar material model test roadway excavation device and similar material model test support structure installation device; similar material model test bench is used to carry out similar material model test and complete similar material model test. Constraints and loading; precise positioning and precise excavation of similar material model roadway excavation position through laser sensor positioning system and 360 degree flexible drilling system; through adjustable limiter and laser sensor positioning system and installation of umbrella rod, ensure the accurate installation position of support structure and realize effective transportation of support structure. The invention has the advantages of simplicity, feasibility, flexibility and applicability, reliable positioning and convenient construction, and provides a new method for similar material model test excavation and support structure installation.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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、伞杆分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：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；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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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；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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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)。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆彬，张强，钱唯，陈勇，郝志华，蔚立元，李兵，
申请(专利权)人：中国矿业大学，中核第四研究设计工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32