專利名稱：三向加載大型三維相似模擬試驗制樣方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于研究礦體巖體應力分布的相似模擬試驗的制樣方法。
背景技術(shù)：
相似材料模擬試驗是以相似理論、因次分析作為依據(jù)的實驗室研究方法，廣泛應用于水利、采礦、地質(zhì)、鐵路等部門。模擬試驗的最大特點是可以人為地控制和改變試驗條件，從而確定單因素或多因素對礦山壓力影響的規(guī)律，試驗效果清楚直觀，而且試驗周期短、見效快，在采礦科學的研究中發(fā)揮了巨大的作用。即使在巖石力學的數(shù)值模擬計算科學迅速發(fā)展的今天，相似材料模擬試驗仍是采礦科學研究中不可替代的研究手段，它和日益成熟的數(shù)值計算模擬相輔相成，為人類認識和客服采礦科學中的難題發(fā)揮著重要的作用。 在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態(tài)。當?shù)V體開采后，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應力場，引起巖體應力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。在礦山壓力的作用下會產(chǎn)生的一系列力學現(xiàn)象——礦壓顯現(xiàn)，如頂板下沉、底板鼓起、煤壁片幫、支架變形、巖層移動、煤的壓出等。開采后的上覆巖層可分為冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶?，F(xiàn)有技術(shù)中的三維相似模擬試驗系統(tǒng)，雖在一定程度上加深了地下開挖工程研究的進展，但存在以下不足1)模型尺寸較小，做模擬試驗時的幾何比將會很小，在實踐中發(fā)現(xiàn)做模型試驗幾何比過小將不能很好的反應開挖帶來的影響；2)模型尺寸都是固定的不能調(diào)整，這會導致有時幾何比太小，有時會導致空間太大浪費材料；3)加力方向單一，難以實現(xiàn)三向加載；4)巖體變形監(jiān)測大都采用應變片，巖體變形數(shù)據(jù)采集不夠精確；5)礦層開挖必須將試件箱打開后人工手動開挖，這將引起卸荷效應，與實際工況不符；6)裝置上架過程基本上靠手工搬運，不方便操作；7)所應用的應力加載系統(tǒng)多為手動，因此，應力加載過程不能保持勻速，且其精度不能保證，此外，諸如循環(huán)荷載等加載形式不能實現(xiàn)。因此本領域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種模型尺寸可變、操作簡單并且試驗準確可靠的三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)，以及一種試驗制樣方法，一種三維相似模擬試驗載荷模擬方法，以及一種三向加載大型三維相似模擬試驗開采層模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種模型尺寸可變、操作簡單并且試驗準確可靠的三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)，以及一種試驗制樣方法，一種三維相似模擬試驗載荷模擬方法，以及一種三向加載大型三維相似模擬試驗開采層模擬方法。為實現(xiàn)上述第一層面的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)，包括試件箱和反力系統(tǒng)，所述試件箱包括底座；所述底座的邊緣設置有構(gòu)成正方形的左螺孔帶、右螺孔帶、前螺孔帶和后螺孔帶；所述底座在所述左螺孔帶處通過螺栓固定連接有左側(cè)板，在所述前螺孔帶處通過螺栓固定連接有前側(cè)板；所述右螺孔帶與所述左螺孔帶之間設置有至少一個第一中間螺孔帶；所述后螺孔帶與所述前螺孔帶之間設置有與所述第一中間螺孔帶數(shù)量對應、垂直相接的第二中間螺孔帶；相接的第一中間螺孔帶和第二中間螺孔帶與所述左螺孔帶和右螺孔帶構(gòu)成正方形；所述右螺孔帶或任一所述第一中間螺孔帶上通過螺栓固定連接有右側(cè)板；與所述右側(cè)板相接的所述后螺孔帶或任一所述第二中間螺孔帶上通過螺栓固定連接有后側(cè)板；所述后側(cè)板上設置有傳感器接線孔；所述后側(cè)板的外側(cè)間隔固定有第一墊板；
所述左側(cè)板的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接有左壓座；所述左側(cè)板上按均分區(qū)域設置有左壓套；所述左壓座上固定有數(shù)量和位置與所述左壓套相對應的左壓桿；所述左壓桿穿出所述左壓套；所述前側(cè)板的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接有前壓座；所述前側(cè)板上按均分區(qū)域設置有前壓套；所述前壓座上固定有數(shù)量和位置與所述前壓套相對應的前壓桿；所述前壓桿穿出所述前壓套；所述左壓座與所述前壓座間隔設置；所述反力系統(tǒng)包括位于地面下的混凝土反力池；所述反力池的底部設置有與所述反力池固定連接的第一反力座；所述第一反力座的右側(cè)設置有第二反力座；所述第二反力座與所述反力池的池底固定，并同時與所述第一反力座通過螺栓固定連接；所述反力池在所述試件箱的左側(cè)設置有與所述第一反力座固定連接，并且緊靠混凝土墻面的側(cè)承力架；所述側(cè)承力架上固定有數(shù)量和位置與所述左壓桿相對應的左液壓缸；所述反力池在所述試件箱的右側(cè)設置有與所述第二反力座螺栓連接的反力架；所述反力架可與所述試件箱通過螺栓固定連接；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緊靠所述反力池的混凝土墻面，另一端面固定有數(shù)量和位置與所述前壓桿相對應的前液壓缸；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緊靠所述反力池的混凝土墻面，另一端面固定有數(shù)量和位置與所述第一墊板相對應、并可緊貼所述第一墊板的第二墊板；所述前立柱和后立柱通過上方固定的橫梁連接為一體結(jié)構(gòu)；所述橫梁上均布設置有與所述試件箱相對的上液壓缸；所述模擬試驗系統(tǒng)還包括壓座；進行相似模擬試驗時，所述壓座將所述上液壓缸的加載力傳遞至所述試件箱內(nèi)的相似材料上。為防止加載過程中三向力發(fā)生干涉，在高度方向上，所述前壓座與所述左壓座的轉(zhuǎn)角處放置有與所述前壓座和左壓座接觸的第一防干涉座；所述左壓座的內(nèi)側(cè)放置有第二防干涉座；所述第一防干涉座和第二防干涉座間隔設置。較佳的，所述第一防干涉座遠離所述左壓座一端為楔形結(jié)構(gòu)；所述第一防干涉座的頂端為楔形結(jié)構(gòu)；所述第二防干涉板靠近所述前壓座一端為楔形結(jié)構(gòu)。為便于移動試件箱，所述第一反力座上設置有滾動導軌；所述試件箱可放置在所述滾動導軌上；所述底座的左右兩側(cè)均設置有拉座；在所述試件箱的左右兩側(cè)設置有與所述拉座相對應的牽引機構(gòu)。較佳的，所述底座的左右兩側(cè)均間隔設置有兩個拉座；所述牽引機構(gòu)包括減速機；所述減速機通過第一聯(lián)軸器與第一卷筒的第一端連接；所述第一卷筒的第二端通過第二聯(lián)軸器、傳動軸和第三聯(lián)軸器與第二卷筒聯(lián)接；所述第一卷筒和第二卷筒上纏繞有可與所述拉座連接的鋼絲繩。為簡化操作，所述第二反力座的前側(cè)設置有可固定所述第一卷筒的鋼絲繩的第一鋼絲繩固定座；所述第二反力座的后側(cè)設置有可固定所述第二卷筒的鋼絲繩的第二鋼絲繩固定座。較佳的，所述壓座包括上板和底板，所述上板和底板通過立板連接為一體結(jié)構(gòu)；所述立板上設置有筋板。為便于制作具有傾角礦層的試件，所述第二反力座的右側(cè)設置有第三反力座；所述第三反力座與所述反力池的池底固定，并同時與所述第二反力座通過螺栓固定連接；所述第三反力座的右端間隔設置有第一鉸接座和第二鉸接座；所述底座的右端設 置可分別與所述第一鉸接座和第二鉸接座鉸接的第三鉸接座和第四鉸接座；所述反力池在所述第三反力座靠近所述第二反力座一側(cè)的前后兩端分別設置有油缸支座；所述油缸支座上鉸接有油缸；所述油缸的活塞桿端部鉸接有推力支座；所述推力支座可與所述試件箱的底座連接。為便于模擬開挖煤層，所述前側(cè)板和后側(cè)板上對應設置有至少一列油囊安裝孔。為實現(xiàn)本發(fā)明第二層面的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種三向加載大型三維相似模擬試驗制樣方法，包括以下步驟( I)使試件箱傾斜，試件箱的傾角等于礦層傾角；(2)對巖層壓力分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，得出預制試件應力測點布置壓力傳感器的位置；(3)按照幾何相似比、容重相似比、應力相似比以及強度相似比計算出模型巖石的容重、抗壓強度、開挖速度等力學性質(zhì)參數(shù)，通過河砂、石膏、碳酸鈣以不同的比例與適量的水攪拌均勻，制作成多個標準試件并在自然狀態(tài)下風干，對標準試件的單軸抗壓強度進行測定，根據(jù)強度相似比計算出的抗壓強度與不同配比的一系列單軸抗壓強度對比，得出各層相似材料的最佳配比；(4)根據(jù)各分層的最佳配比和容重，計算出各分層材料所需質(zhì)量，稱出相應配料的質(zhì)量，將各種配料攪拌均勻，再加入適量水，立即進行攪拌，防止凝結(jié)；攪拌均勻后，將配料送入試件箱內(nèi)，并夯實；在模擬礦層分層之間的表面上均勻地鋪一層云母粉作為分層弱面，用壁刀將表面抹平，同時在各分層的指定位置插上測標；依照次序?qū)⒏鞣謱友b好，直到所有巖層都裝到試件箱內(nèi)；(5)步驟(4)中，根據(jù)步驟(2)的結(jié)果在試件內(nèi)布置傳感器，并在試件內(nèi)設置油囊模擬煤層，通過充油量控制模擬煤層的厚度，通過泄油模擬煤層開挖；(6)待相似材料干燥后,使試件箱回復到水平位置。較佳的，為更好的觀測巖層的變形，由于Udec軟件特別適合于模擬節(jié)理巖石系統(tǒng)或者不連續(xù)塊體集合體系在靜力或動力荷載條件下的響應，因此可利用Udec軟件對巖層的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬，對數(shù)值模擬形成的裂隙場進行裂隙提取，得到裂隙分布，并根據(jù)提取的裂隙場在試件上布置鉆孔位置進行鉆孔。為實現(xiàn)本發(fā)明第三層面的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種三維相似模擬試驗載荷模擬方法，包括以下步驟(I)以上下方向為Z向，左右方向為X向，前后方向為Y向，采用力控制方式對X向水平加載壓力、Y向水平加載壓力、Z向垂直加載壓力進行加載，加載順序為a)同時加載X向和Y向N (N為自然數(shù))秒，然后加載Z向N秒；b)重復步驟a);c)同時加載X向和Y向2N秒，然后加載Z向2N秒；d)重復步驟c)至三向加載壓力達到預定值，該預定值為工況現(xiàn)場實測的地應力；步驟a) d)中,加載速率恒定；
( 2 )保持載荷；(3)當Z向垂直加載壓力彡5kN，Z向垂直加載壓力瞬時下降力彡O. 3kN時，三向加載切換為位移控制方式。較佳的，步驟(I)中，力控制方式的力加載速度范圍為O.OlkN/s-lOOkN/s，一般優(yōu)選為 O. 05kN/s。步驟(3)中，位移控制方式的加載速度范圍為O. lmm/min 100mm/min, —般優(yōu)選為 0. lmm/min。為實現(xiàn)本發(fā)明第四層面的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種三向加載大型三維相似模擬試驗開采層模擬方法，包括以下步驟(I)制作巖層試件，并在試件中設置若干油囊；(2)通過微型真空泵抽取油囊中的油，從而形成開采層。油的抽取速度根據(jù)前述開挖速度確定。開采層的開挖通過抽取油囊中的油來實現(xiàn)，開挖速度通過油囊抽油速度來模擬。如某礦一煤層實際開挖速度為3. 6m/d，根據(jù)幾何相似比Ci1 = 100、時間相似比a,=卩=10計算出模型開挖速度為0. 25mm/min,由于油囊大小不一樣，抽油速度范圍為0. 01L/min-0. 5L/min。抽油速度一般為 0. 025L/min-0. 03L/min。本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明可真實模擬地應力三向應力狀態(tài)，當采用模型尺寸3000mm X 3000mm X 3000mm時，垂直方向布置9個千斤頂(每個千斤頂加載面積IOOOmmX 1000mm),兩個水平方向均布置18個千斤頂?shù)某杀?每個千斤頂加載面積IOOOmmX 500mm),這樣可以通過多組液壓千斤頂實現(xiàn)了對垂直應力和兩個水平方向上應力的非均布加載，可模擬井下采掘過程中不同頂板活動階段時的煤層應力的復雜分布現(xiàn)象。(2)本發(fā)明試件尺寸可變，可采用一套硬件系統(tǒng)而模擬不同的煤層情況，如IOOOmmX IOOOmmX IOOOmrn試件可模擬巷道開挖情況；2000mmX 2000mmX 2000mm試件可模擬西南地區(qū)薄煤層情況；3000mmX 3000mmX 3000mm試件可模擬北方厚煤層情況。(3)本發(fā)明可調(diào)整試件箱的角度，因此在制作試件時，可使試件箱調(diào)整到礦層的傾角水平堆料，材料晾干后再將試驗臺放回水平狀態(tài)，較以往相似模擬試驗臺在水平條件下堆大傾角礦層更方便、效果更好。(4)本發(fā)明可采用油囊模擬開采層，抽出油囊中空氣模擬開采礦層開采。這樣可以保證在整個開采過程中，巖體都存于三向應力條件下。(5)本發(fā)明載荷控制方式為力、位移全閉環(huán)控制，力、位移自編程控制模式，這相較以往的相似模擬試驗裝置加載方式更靈活，更智能，更多樣，可以研究更多工況下的地下空間開挖。(6)本試驗系統(tǒng)有一半是在地下，從而降低了整個系統(tǒng)地表上的高度，并利用地下的反力墻，降低造價，也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。(7)本發(fā)明試件輸送采用皮帶送料機傳動，省時省力。


圖I是本發(fā)明一具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中IV處的局部放大圖。圖3是圖I的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3的E-E剖視放大圖。圖5是圖4的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖I的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是圖6中III處的局部放大圖。圖8是本發(fā)明一具體實施方式
中試件箱的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是圖8的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是圖8的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是圖10中I處的局部放大圖。圖12是圖10中II處的局部放大圖。圖13是本發(fā)明一具體實施方式
中壓座的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是圖13的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖15是圖13的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖16是本發(fā)明一具體實施方式
中牽引機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明如圖I至圖16所示，一種三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)，包括試件箱和反力系統(tǒng)。試件箱包括底座1，底座I的邊緣設置有構(gòu)成正方形的左螺孔帶13、右螺孔帶14、前螺孔帶15和后螺孔帶16。底座I在左螺孔帶13處通過螺栓固定連接有左側(cè)板3，在前螺孔帶15處通過螺栓固定連接有前側(cè)板5。右螺孔帶14與左螺孔帶13之間設置有兩個第一中間螺孔帶17，后螺孔帶16與前螺孔帶15之間設置有兩個分別與第一中間螺孔帶17垂直相接的第二中間螺孔帶18，相接的第一中間螺孔帶17和第二中間螺孔帶18與左螺孔帶13和右螺孔帶14構(gòu)成正方形。右螺孔帶14和兩個第一中間螺孔帶17上均可通過螺栓固定連接右側(cè)板4，與右側(cè)板14相接的后螺孔帶16和兩個第二中間螺孔帶18上均可通過螺栓固定連接后側(cè)板6。本實施例中，當右側(cè)板4設置于右螺孔帶14、后側(cè)板6設置于后螺孔帶16，則各側(cè)板與底座I可合圍成一 3000mm X 3000mm X 3000mm的立體空間；當右側(cè)板4設置于靠右的第一中間螺孔帶17、后側(cè)板6設置于靠后的第二中間螺孔帶18，則各側(cè)板與底座I可合圍成一 2000mm X 2000mm X 2000mm的立體空間；當右側(cè)板4設置于靠左的第一中間螺孔帶17、后側(cè)板6設置于靠前的第二中間螺孔帶18，則各側(cè)板與底座I可合圍成一IOOOmmX 1000mmX 1000mm 的立體空間。本實施例中，各側(cè)板為可通過螺栓連接的分體式結(jié)構(gòu)，以便于試件箱拼接成不同的尺寸。在其他具體實施方式
中，可根據(jù)需要靈活設置第一中間螺孔帶17和第二中間螺孔帶18的位置，以使試件箱拼接為其他尺寸或其他形狀。后側(cè)板6上設置有傳感器接線孔19，后側(cè)板6的外側(cè)間隔固定有第一墊板31。左側(cè)板3的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接有左壓 座7，左側(cè)板3上按均分區(qū)域設置有左壓套9,左壓座7上固定有數(shù)量和位置與左壓套9相對應的左壓桿8,左壓桿8穿出左壓套9。如圖9所示，左側(cè)板3為3000mmX3000mm，其可均分為9個IOOOmmX IOOOmm的區(qū)域，每個區(qū)域設置有兩個左壓套9。前側(cè)板5的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接有前壓座10，前側(cè)板5上按均分區(qū)域設置有前壓套11 ;前壓座10上固定有數(shù)量和位置與前壓套11相對應的前壓桿12 ;前壓桿12穿出前壓套11。如圖8所示，前側(cè)板5為3000mmX 3000mm，其可均分為9個IOOOmmX IOOOmm的區(qū)域，每個區(qū)域設置有兩個前壓套11。左壓座7與前壓座10間隔設置。反力系統(tǒng)包括位于地面下的混凝土反力池23，反力池23的底部設置有與反力池23固定連接的第一反力座24a，第一反力座24a的右側(cè)設置有第二反力座24b，第二反力座24b與反力池23的池底固定，并同時與第一反力座24a通過螺栓固定連接。反力池23的兩側(cè)設置有與地面相連的樓梯56，可通過樓梯56安裝維修反力池23內(nèi)的各部件。反力池23在試件箱的左側(cè)設置有與第一反力座24a固定連接，并且緊靠混凝土墻面的側(cè)承力架26，側(cè)承力架26上固定有數(shù)量和位置與左壓桿8相對應的左液壓缸27。反力池23在試件箱的右側(cè)設置有與第二反力座24b螺栓連接的反力架28，反力架28可與試件箱通過螺栓固定連接。第一反力座24a的前部固定有前立柱29，前立柱29的一端面緊靠反力池23的混凝土墻面，另一端面固定有數(shù)量和位置與前壓桿12相對應的前液壓缸30。第一反力座24a的后部固定有后立柱33，后立柱33的一端面緊靠反力池23的混凝土墻面，另一端面固定有數(shù)量和位置與第一墊板31相對應、并可緊貼第一墊板31的第二墊板32。前立柱29和后立柱33通過上方固定的橫梁55連接為一體結(jié)構(gòu)，橫梁55上均布設置有與試件箱相對的上液壓缸34。模擬試驗系統(tǒng)還包括壓座35，進行相似模擬試驗時，壓座35將上液壓缸34的加載力傳遞至試件箱內(nèi)的相似材料上。壓座35包括上板35a和底板35b，上板35a和底板35b通過立板35c連接為一體結(jié)構(gòu)，立板35c上設置有筋板35d。在高度方向上，前壓座10與左壓座7的轉(zhuǎn)角處放置有與前壓座10和左壓座7接觸的第一防干涉座20，左壓座7的內(nèi)側(cè)放置有第二防干涉座21，第一防干涉座20和第二防干涉座21間隔設置。第一防干涉座20遠離左壓座7 —端為楔形結(jié)構(gòu)；第一防干涉座20的頂端為楔形結(jié)構(gòu)；第二防干涉板21靠近前壓座10 —端為楔形結(jié)構(gòu)。第一反力座24a上設置有滾動導軌25,試件箱可放置在滾動導軌25上。
底座I的左右兩側(cè)均間隔設置有兩個拉座22 ;在試件箱的左右兩側(cè)設置有與拉座22相對應的牽引機構(gòu)。牽引機構(gòu)包括減速機36，減速機36通過第一聯(lián)軸器37與第一卷筒38的第一端連接，第一卷筒38的第二端通過第二聯(lián)軸器39、傳動軸40和第三聯(lián)軸器41與第二卷筒42聯(lián)接。第一卷筒38和第二卷筒42上纏繞有可與拉座22連接的鋼絲繩43。第二反力座24b的前側(cè)設置有可固定第一卷筒38的鋼絲繩的第一鋼絲繩固定座44 ;第二反力座24b的后側(cè)設置有可固定第二卷筒42的鋼絲繩的第二鋼絲繩固定座45。第二反力座24b的右側(cè)設置有第三反力座24c，第三反力座24c與反力池23的池底固定，并同時與第二反力座24b通過螺栓固定連接。第三反力座24c的右端間隔設置有第一鉸接座46和第二鉸接座47，底座I的右端設置可分別與第一鉸接座46和第二鉸接座47鉸接的第三鉸接座48和第四鉸接座49。
反力池23在第三反力座24c靠近第二反力座24b —側(cè)的前后兩端分別設置有油缸支座51，油缸支座51上鉸接有油缸52。油缸52的活塞桿53端部鉸接有推力支座54，推力支座54可與試件箱的底座I連接。前側(cè)板5和后側(cè)板6上對應設置有一列油囊安裝孔50。本試驗系統(tǒng)按照以下步驟進行模擬試驗(I)試件箱準備在右螺孔帶14上安裝右側(cè)板4，在后螺孔帶16上安裝后側(cè)板6，從而獲得3000mm X 3000mm X 3000mm尺寸的試件箱；將試件箱的底座I與推力支座54連接，同時使第一鉸接座46與第三鉸接座48鉸接，第二鉸接座47與第四鉸接座49鉸接；將試件箱通過油缸52的活塞桿53頂升到試驗所需的礦層傾角Θ，如圖I所示。試件箱具體的尺寸大小根據(jù)需要進行試驗的試件的尺寸而定。(2)試件制備C0ms0l是以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程(單場)或偏微分方程組(多場)來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真，目前已經(jīng)在流體動力學、地球科學、多孔介質(zhì)、結(jié)構(gòu)力學、傳動現(xiàn)象、波的傳播等領域得到了廣泛的應用，因此對巖層壓力場分布規(guī)律進行comsol模擬是可行的。利用comsol數(shù)值模擬軟件對巖層壓力分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，以便于各壓力傳感器能更準確的測量到巖層的應力分布，根據(jù)comsol數(shù)值模擬軟件的模擬結(jié)果，得出試件應力測點布置壓力傳感器的具體位置；按照幾何相似比、容重相似比、應力相似比以及強度相似比計算出模型巖石的容重、抗壓強度、開挖速度等力學性質(zhì)參數(shù)，通過河砂、石膏、碳酸鈣以不同的比例與適量的水攪拌均勻，制作成多個標準試件并在自然狀態(tài)下風干，對標準試件的單軸抗壓強度進行測定，根據(jù)強度相似比計算出的抗壓強度與不同配比的一系列單軸抗壓強度對比，得出各層相似材料的最佳配比，根據(jù)各分層的最佳配比和容重，計算出各分層材料所需質(zhì)量，稱出相應配料的質(zhì)量，將各種配料攪拌均勻，再加入適量水，立即進行攪拌，防止凝結(jié)；攪拌均勻后，將配料送入試件箱內(nèi)，并夯實；在模擬礦層分層之間的表面上均勻地鋪一層云母粉作為分層弱面，用壁刀將表面抹平，同時在各分層的指定位置插上測標；依照次序?qū)⒏鞣謱影匆陨喜襟E裝好，直到所有巖層都裝到試件箱內(nèi)；同時，根據(jù)comsol數(shù)值模擬軟件的模擬結(jié)果布置傳感器，并根據(jù)各油囊安裝孔50的位置在試件內(nèi)設置油囊模擬煤層，通過充油量控制模擬煤層的厚度，通過泄油模擬煤層開挖；待相似材料干燥后回復油缸52的活塞桿53，使試件箱回復到水平位置。另一方面，Udec是一款利用顯式解題方案為巖土工程提供精確有效分析的工具，顯式解題方案為不穩(wěn)定物理過程提供穩(wěn)定解，并可以模擬對象的破壞過程，該軟件特別適合于模擬節(jié)理巖石系統(tǒng)或者不連續(xù)塊體集合體系在靜力或動力荷載條件下的響應。利用Udec數(shù)值模擬軟件對巖層的巖層變形規(guī)律進行數(shù)值模擬，對Udec數(shù)值模擬軟件形成的裂隙場進行裂隙提取，得到裂隙分布，并根據(jù)提取的裂隙場在試件上布置鉆孔位置進行鉆孔。(3)加載在鉆孔內(nèi)放置電視成像儀；拆開試件箱的底座I與推力支座54，同時拆開第一鉸接座46與第三鉸接座48，第二鉸接座47與第四鉸接座49 ;將試件箱通過牽引機構(gòu)送入第一反力座24a上，并固定試件箱；安裝反力架28 ;以上下方向為Z向，左右方向為X向，前后方向為Y向，采用力控制方式對X向水平加載壓力、Y向水平加載壓力、Z向垂直加載壓力進行加載，加載順序為a)同時加載X向和Y向10秒，然后加載Z向10秒；加載速率恒定為O. 05kN/s ；b)重復步驟a);
c)同時加載X向和Y向20秒，然后加載Z向20秒；加載速率恒定為O. 05kN/s ；d)重復步驟c)至三向加載壓力達到預定值，該預定值為工況現(xiàn)場實測的地應力，本實施例中為20KN ；e)保持載荷；f)當Z向垂直加載壓力彡5kN，Z向垂直加載壓力瞬時下降力彡0.3kN時，三向加載切換為位移控制方式，加載速度為O. lmm/min。(4)開挖并觀測煤層的開挖通過微型真空泵抽取油囊中的油。由于開采形成采空區(qū)，巖層在地應力的作用下會發(fā)生變形，甚至破壞。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集巖層在開采過程中由于地應力(外力和自身重力)作用下巖層不同層面的巖層應力、各測點的下沉量、覆巖的垮落高度、破斷及離層；通過鉆孔電視成像儀觀測裂隙的分布范圍、單位厚度巖層內(nèi)離層裂隙的高度、單位厚度的裂隙條數(shù)等。通過微型真空泵抽取油囊中的油，從而形成開采層。油的抽取速度根據(jù)前述開挖速度確定。開采層的開挖通過抽取油囊中的油來實現(xiàn)，開挖速度通過油囊抽油速度來模擬。如某礦一煤層實際開挖速度為3. 6m/d，根據(jù)幾何相似比α 1 = 100、時間相似比at =^/^"=10計算出模型開挖速度為O. 25mm/min,由于油囊大小不一樣,抽油速度范圍為0. 01L/min-0. 5L/min，通常優(yōu)選為O. 025L/min-0. 03L/min。本實施例中，抽煙速度為O.028L/min。步驟(3)中，根據(jù)研究需要，可對不同加載方式和保載時間進行設置，若是研究巖體的松弛，一開始就用位移控制加載，將位移達到預定值。步驟(3)中，待開挖礦層引起巖體在預定荷載下破壞失穩(wěn)的時間根據(jù)預定荷載值達到巖體開挖后所能承受的應力峰值的百分比不同而不同，在此期間載荷保持穩(wěn)定，直至巖體失穩(wěn)。步驟(3)中，因為巖體失穩(wěn)后無法承受之前預定的載荷，但巖體依然還有一定的承載能力，切換成位置加載后，可以研究巖體失穩(wěn)的應力一應變特征，這對指導工程實踐有一定的指導意義。本實施例中，根據(jù)右側(cè)板4和后側(cè)板6安裝的其他兩個具體位置，可獲得IOOOmmX IOOOmmX IOOOmm或2000mmX2000mmX 2000mm尺寸的試件箱，但這不影響后續(xù)的
試驗操作。但由于試件箱尺寸較小，可能會影響尺寸變小方向上液壓缸的加載，因此可在相應方向上設置墊板傳力，以達到基本相同的技術(shù)效果。
以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體 實施例。應當理解，本領域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三向加載大型三維相似模擬試驗制樣方法，其特征是包括以下步驟 (1)使試件箱傾斜，試件箱的傾角等于礦層傾角； (2)對巖層壓力分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，得出預制試件應力測點布置壓力傳感器的位置； (3)按照幾何相似比、容重相似比、應力相似比以及強度相似比計算出模型巖石的容重、抗壓強度、開挖速度等力學性質(zhì)參數(shù)，通過河砂、石膏、碳酸鈣以不同的比例與適量的水攪拌均勻，制作成多個標準試件并在自然狀態(tài)下風干，對標準試件的單軸抗壓強度進行測定，根據(jù)強度相似比計算出的抗壓強度與不同配比的一系列單軸抗壓強度對比，得出各層相似材料的最佳配比； (4)根據(jù)各分層的最佳配比和容重，計算出各分層材料所需質(zhì)量，稱出相應配料的質(zhì)量，將各種配料攪拌均勻，再加入適量水，立即進行攪拌，防止凝結(jié)；攪拌均勻后，將配料送入試件箱內(nèi)，并夯實；在模擬礦層分層之間的表面上均勻地鋪一層云母粉作為分層弱面，用··壁刀將表面抹平，同時在各分層的指定位置插上測標；依照次序?qū)⒏鞣謱友b好，直到所有巖·層都裝到試件箱內(nèi)； (5)步驟(4)中，根據(jù)步驟(2)的結(jié)果在試件內(nèi)布置傳感器，并在試件內(nèi)設置油囊模擬煤層，通過充油量控制模擬煤層的厚度，通過泄油模擬煤層開挖； (6)待相似材料干燥后，使試件箱回復到水平位置。
2.如權(quán)利要求I所述的三向加載大型三維相似模擬試驗制樣方法，其特征是步驟(6)后，對巖層的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬，對數(shù)值模擬形成的裂隙場進行裂隙提取，得到裂隙分布，并根據(jù)提取的裂隙場在試件上布置鉆孔位置進行鉆孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三向加載大型三維相似模擬試驗制樣方法，包括以下步驟(1)使試件箱傾斜；(2)得出預制試件應力測點布置壓力傳感器的位置；(3)得出各層相似材料的最佳配比；(4)依照次序?qū)⒏鞣謱友b好，直到所有巖層都裝到試件箱內(nèi)；同時，試件內(nèi)布置傳感器，并在試件內(nèi)設置油囊；(6)待相似材料干燥后，使試件箱回復到水平位置。本發(fā)明可模擬井下采掘過程中不同頂板活動階段時的煤層應力的復雜分布現(xiàn)象，制作大傾角礦層試件更方便、效果更好，可以保證在整個開采過程中，巖體都存于三向應力條件下，可以研究更多工況下的地下空間開挖，降低了整個系統(tǒng)地表上的高度，并且造價更低，系統(tǒng)更穩(wěn)定。
文檔編號G01N1/28GK102879548SQ20121037651
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者蔣長寶, 許江, 尹光志, 王維忠, 張東明, 彭守建, 李文璞, 劉 東, 李銘輝, 姚俊偉, 李生舟 申請人:重慶大學