深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置製造方法
2023-10-05 22:08:39 1
深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，該裝置包括：實驗箱，用於放置井筒及馬頭門模型和填充圍巖相似材料；光纖測試系統，包括多根光纖和與多根光纖連接的光纖數據讀取模塊，多根光纖設於實驗箱中；電法測試系統，包括多根電法測線和與多根電法測線連接的測線數據讀取模塊；電阻式應變傳感器測試系統，包括多個電阻式應變傳感器和與多個電阻式應變傳感器連接的電阻數據讀取模塊；加載系統，包括液壓缸、反力架和液壓控制模塊，液壓缸與液壓控制模塊連接，液壓缸設於實驗箱的上蓋和反力架之間。本實用新型可系統全方位地分析馬頭門圍巖動態響應問題，實現不同開挖工況下圍巖動態力學響應的分析。
【專利說明】深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及礦山建設工程領域，特別涉及一種深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置與方法。
【背景技術】
[0002]馬頭門是指煤礦立井井筒與井底車場巷道相連接的部分，作為礦井的關鍵部位，它是設備、材料和人員的轉運點。馬頭門的主要特點是位置特殊、設計斷面大、服務年限長。
[0003]隨著新建礦井越來越深，馬頭門圍巖及襯砌在施工過程中的動態力學響應是影響支護安全的重要課題。深立井馬頭門施工過程中，馬頭門襯砌結構和圍巖的受力及變形特性較複雜，物理模型實驗是研究該問題的一種重要方法。
[0004]物理模型實驗是一種發展較早、應用廣泛、形象直觀的巖體介質物理力學特性研究方法。長期以來，模型實驗一直是解決複雜工程問題的重要手段，在地下工程及其它巖土工程研究中已經得到廣泛應用。
[0005]模型實驗的基礎是相似理論，即要求模型和原型相似，模型能夠反映原型的情況。根據相似理論，在模型實驗中用相似材料來製作模型。相似材料的選擇、配比以及實驗模型的製作方法對材料的物理力學性質具有很大的影響。此外，進行深井馬頭門物理模型實驗時，還要求加載裝置具有模擬穩定的高地壓作用。
[0006]研究馬頭門及圍巖施工動態力學響應，既要監測開挖面及襯砌結構的內力，又要獲得圍巖內部的損傷及變形情況，因此如何準確的監測上述項目是模型實驗的關鍵問題之
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[0007]目前，煤礦馬頭門這種特殊結構的施工力學模型試驗開展很少，在實驗裝置、模型的製作及測試系統等方面難以形成系統化。
實用新型內容
[0008]本實用新型的目的在於提供一種深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置與方法，以系統化地開展煤礦馬頭門的施工力學模型試驗，研究馬頭門及圍巖施工動態力學響應。
[0009]為了解決上述問題，本實用新型提供了如下一種技術方案:
[0010]一種深立井馬頭門三維物理模型實驗方法，其包括以下步驟:步驟一，根據原型和模型結構剛度相等原則，製作井筒及馬頭門模型以模擬該處的噴射混凝土結構，以及製作巖體材料模型以模擬井筒及馬頭門開挖處的巖體材料；步驟二，根據荷載相似常數配製圍巖相似材料；步驟三，在井筒和馬頭門模型中裝入巖體材料模型，將井筒及馬頭門模型放入高強度實驗箱中；步驟四，在井筒及馬頭門模型周圍布設多根光纖傳感器，以測量開挖過程中井筒及馬頭門圍巖的變形；在井筒及馬頭門模型的圍巖內布設多條電法測線，以測量開挖過程中井筒及馬頭門圍巖的鬆動圈範圍；在井筒及馬頭門模型的馬頭門周圍布設多個電阻式應變傳感器，以測量馬頭門開挖過程中的圍巖應力變化；步驟五，在高強實驗箱中填滿圍巖相似材料後，放置實驗箱上蓋，在上蓋上方安裝油缸和反力架；步驟六，拽出井筒及馬頭門模型中的巖體材料模型，以模擬井筒和馬頭門開挖過程，採用光纖傳感器、電法測線、應變傳感器和應變片，檢測煤礦深立井馬頭門及連接硐室群在開挖過程中的應力場、位移場和鬆動範圍變化規律；步驟七，保持油缸壓力一設定時間，每間隔一段時間採集一次數據。
[0011]在上述實驗方法的一種優選實施方式中，在步驟一中，採用白鐵皮製成井筒及馬頭門模型模擬該處的噴射混凝土結構，用木塊製成井筒及馬頭門開挖處的巖體材料模型。
[0012]在上述實驗方法的一種優選實施方式中，在步驟二中，所述圍巖相似材料包括砂子、石骨、石灰。
[0013]在上述實驗方法的一種優選實施方式中，在所述圍巖相似材料中，砂子、石膏、石灰的配合比為2?5:0.6:0.4。
[0014]在上述實驗方法的一種優選實施方式中，在步驟四中，共布設17根光纖傳感器，其中，豎向依次布設8根,橫向依次布設5根,水平向依次布設4根；電法測線為5根,其中4根自井筒及馬頭門模型的馬頭門位置向東南西北四個方向向上呈發射狀延伸，另一根為水平表面線；電阻式應變傳感器包括14個條帶式應變傳感器和28片應變片，條帶式應變傳感器位於馬頭門上下兩側，部分應變片對應井筒環向和馬頭門走向，部分應變片分別對應井筒豎向和馬頭門環向。
[0015]在上述實驗方法的一種優選實施方式中，在步驟六中，巖體材料模型為多段，並且先開挖井筒，再沿馬頭門南北方向分別開挖部分段高之後，再分別從兩邊開挖馬頭門剩餘段高，同時採集數據。
[0016]為了解決上述問題，本實用新型提供了如下另一種技術方案:
[0017]一種深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，其包括:實驗箱，包括箱體和上蓋，用於放置井筒及馬頭門模型和填充圍巖相似材料；光纖測試系統，包括多根光纖和與多根所述光纖連接的光纖數據讀取模塊，多根所述光纖設於所述實驗箱中，以測量開挖過程中井筒及馬頭門圍巖的變形；電法測試系統，包括多根電法測線和與多根所述電法測線連接的測線數據讀取模塊，以測量井筒及馬頭門模型圍巖的鬆動圈範圍；電阻式應變傳感器測試系統，包括多個電阻式應變傳感器和與多個所述電阻式應變傳感器連接的電阻數據讀取模塊，以測量馬頭門開挖過程中的圍巖應力變化；加載系統，包括液壓缸、反力架和液壓控制模塊，所述液壓缸與所述液壓控制模塊連接，所述液壓缸設於所述實驗箱的上蓋和所述反力架之間。
[0018]在上述實驗裝置的一種優選實施方式中，所述反力架包括壓板、螺柱，所述壓板位於所述實驗箱的上蓋上方，所述螺柱下端固定，所述螺柱的上端通過多個螺母和所述壓板固定連接。
[0019]在上述實驗裝置的一種優選實施方式中，所述壓板呈十字形，所述螺柱為四個，四個所述螺柱分別與所述壓板的四邊固定連接。
[0020]在上述實驗裝置的一種優選實施方式中，所述反力架還包括蓋板，所述蓋板呈矩形，所述蓋板位於所述壓板下方，所述液壓缸的活塞杆自由端直接抵頂在所述蓋板的下方。
[0021]分析可知，本實用新型可重複多次實驗，數據採集量大，可系統全方位地分析馬頭門圍巖動態響應問題，實現不同開挖工況下圍巖動態力學響應的分析。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型的實驗裝置實施例的主視結構示意圖；
[0023]圖2為本實用新型的實驗裝置實施例的實驗箱的俯視結構示意圖；
[0024]圖3為本實用新型的實驗裝置實施例的實驗箱的側視結構示意圖；
[0025]圖4a、圖4b、圖4c、圖4d分別為本實用新型的實驗裝置實施例中各傳感器布置於井筒及馬頭門模型周圍的立體結構、主視結構、俯視結構、側視結構示意圖；
[0026]圖5、圖6為本實用新型的實驗方法實施例所應用到的巖體模型材料。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步詳細說明。
[0028]需要提前說明的是，為了不產生贅述之感，下面將結合本實用新型的實驗裝置實施例的原理、結構及應用，對本實用新型的實驗方法實施例進行詳細描述。
[0029]準備一實驗箱，該實驗箱包括長方體狀的箱體I及覆蓋於箱體I上的上蓋11，上蓋11的中心區域設有一通孔，便於使井筒裸露於外。
[0030]根據原型和模型結構剛度相等原則，採用白鐵皮製成井筒及馬頭門模型2，以模擬該處的噴射混凝土結構。如圖1，井筒及馬頭門模型2包括井筒21、巷道23以及位於井筒21、巷道23結合處的馬頭門22。如圖5、圖6所示，用木塊61、木塊62模擬井筒及馬頭門開挖處的巖體材料，其中，木塊61整體呈圓柱狀，包括多塊不同形狀的小木塊611，用於模擬井筒21中的巖體材料。木塊62的上部呈半圓狀，下部呈矩形，也包括多塊不同形狀的小木塊621，用於模擬馬頭門22、巷道23中的巖體材料。
[0031]根據荷載相似常數配製圍巖相似材料，該圍巖相似材料主要包括砂子、石膏、石灰，優選地，三者的配合比為2?5:0.6:0.4，比如可以是2.5:0.6:0.4,2.9:0.6:0.4，
3.2:0.6:0.4，3.6:0.6:0.4，4.0:0.6:0.4,4.2:0.6:0.4，4.5:0.6:0.4，4.8:0.6:0.4 中的任一個或者任意兩者之間的中間值。
[0032]井筒及馬頭門模型2及其他實驗材料準備就緒後，按圖1-圖3所示，將井筒及馬頭門模型2至於箱體I中，在填埋圍巖相似材料的同時，在井筒和馬頭門開挖擾動影響範圍內，即井筒直徑和馬頭門寬度3-5倍範圍內，按照圖4所示布置各傳感器，並將木塊61、木塊62置入井筒及馬頭門模型2，實驗箱填滿圍巖相似材料後放置上蓋11。
[0033]為了更全面的研究馬頭門及圍巖施工動態力學響應，在監測開挖面及襯砌結構的內力同時，檢測圍巖內部的損傷及變形情況，如圖1、圖4所示，本實用新型的裝置實施例還包括光纖測試系統、電法測試系統、電阻式應變傳感器測試系統。其中，光纖測試系統包括多根光纖503、504、505和與多根光纖連接的光纖數據讀取模塊51，多根光纖503、504、505設於實驗箱中，以測量開挖過程中井筒及馬頭門圍巖的變形。電法測試系統包括多根電法測線501、5021-5024和與多根電法測線連接的測線數據讀取模塊52，以測量開挖過程中井筒和馬頭門圍巖鬆動圈範圍。電阻式應變傳感器測試系統包括多個電阻式應變傳感器506、507和與多個電阻式應變傳感器506、507連接的電阻數據讀取模塊53，以測量馬頭門開挖過程中的圍巖應力變化。其中電阻式應變傳感器506呈短條狀，電阻式應變傳感器507呈片狀。
[0034]優選地，在井筒及馬頭門模型2的周圍共布設17根光纖，豎向設置的光纖503共八根，依次設置在井筒21的兩側,分別距離井筒21外側兩邊50mm、150mm、350mm、650mm。橫向設置的光纖504共五根，巷道23上方三根，分別距離巷道23上邊50mm、250mm、450mm ;下方兩根，分別距離巷道23下邊50mm、150mm。水平方向設置的光纖505則有四根，依次設置在井筒21的兩側，分別距離井筒21中心100mm、200mm。
[0035]電法測線包括水平表面線501及四根分別從馬頭門22位置四側，呈放射狀沿圖中紙面右方、紙面前方、紙面左方、紙面後方方向傾斜延伸的電法測線5021、5022、5023、5024。其中，水平表面線501位於馬頭門22和巷道23上方900mm處。沿紙面前方、紙面後方方向延伸的電法測線5022、5024起點位於馬頭門22拱基線，與水平方向呈68° ;沿紙面右方、紙面左方方向延伸的電法測線5021、5023起點位於馬頭門22與井筒21相交處，與水平方向呈38°。
[0036]電阻式應變傳感器506、507共42個，其中，14個電阻式應變傳感器506位於巷道23上下兩側，並沿著巷道23長度方向延伸，用於測量馬頭門22開挖過程中的圍巖應力變化。28片的電阻式應變傳感器507中的一半沿著井筒21環向和馬頭門22走向設置，另一半則沿著井筒21豎向和馬頭門22環向設置，用於測量井筒21和馬頭門22開挖過程中的結構內力的變化，一般設置在井筒21和馬頭門22結構受力較大處。
[0037]傳感器設置完畢及圍巖相似材料填入箱體I之後，在箱體I上覆蓋上蓋11。接著，布置本實用新型實驗裝置實施例的加載系統。
[0038]如圖1，加載系統包括液壓缸4、反力架和液壓控制模塊54，反力架則包括壓板33、蓋板34、螺柱31、螺母32。
[0039]壓板33呈十字形，矩形的蓋板34緊貼壓板33的下表面。四根螺柱31下端固定於地面30，上端分別通過多個螺母32和壓板33固定連接。
[0040]豎直設置的液壓缸4共四個，分別位於上蓋11的四個角部區域，並均與液壓控制模塊54連接。液壓缸4下端面位於實驗箱I的上蓋11上，其活塞杆的上端則抵頂在蓋板34下表面。
[0041]各傳感器系統及加載系統安裝完畢之後，拽出井筒21、馬頭門22中的木塊61、62，模擬井筒21和馬頭門22開挖過程。優選地，先開挖井筒21，再沿馬頭門22南北方向分別開挖4個段高(一個木塊61的高度)。每開挖一個段高(井筒21共16個段高，馬頭門22共8個段高)，採用各傳感器獲得煤礦深井馬頭門及連接硐室群在開挖過程中的應力場、位移場和鬆動範圍變化規律。
[0042]保持液壓缸4的壓力3小時，每小時三種類型的傳感器數據測試系統均採集數據。
[0043]最後，分別從兩邊開挖馬頭門剩餘段高，三種類型的傳感器數據測試系統也採集數據。
[0044]通過對實驗結果的分析，找出深井硐室群圍巖應力演化規律，揭示煤礦深立井連接硐室群圍巖擾動機理，為深井硐室群設計方法和控制技術等研究提供了理論基礎。由上可知，本實用新型具有以下特點:
[0045]實施前，為了模擬深部高地應力作用，設計了大型實驗加載裝置，該裝置包括鋼板和型鋼製作的高強實驗箱、液壓缸和反力架，液壓缸加載通過反力架作用於實驗箱體，其中油缸控制採用電機伺服，可實現穩壓。
[0046]採用相似理論確定實驗模型的幾何尺寸，選擇河砂、石膏以及生石灰等材料進行不同比例的配合來模擬不同地層的特性。
[0047]在井筒和馬頭門模型中裝入木塊，拽出井筒和馬頭門木塊模擬井筒和馬頭門開挖過程。
[0048]用白鐵皮製成井筒及馬頭門模型模擬該處的噴射混凝土結構，最終確定荷載相似常數。
[0049]在井筒和馬頭門圍巖中預埋光纖傳感器、高密度電阻率測試電極和電阻式應變傳感器，在支護結構表面安置應變片，在開挖的各個階段，通過電阻式應變傳感器測試系統、光纖測試系統和電法測試系統，監測井筒和馬頭門不同開挖階段的圍巖應力和變形情況。
[0050]通過上述，本實用新型可獲得深立井馬頭門圍巖的應力、變形分布一般性規律以及受開挖影響的塑性區範圍。可見，本實用新型可以取得多項優點，例如:實驗系統穩定，可重複多次實驗。可實現不同開挖工況下圍巖動態力學響應的分析。數據採集量大，可系統全方位地分析馬頭門圍巖動態響應問題。
[0051]由技術常識可知，本實用新型可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有的。所有在本實用新型範圍內或在等同於本實用新型的範圍內的改變均被本實用新型包含。
【權利要求】
1.一種深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，其特徵在於，包括: 實驗箱，包括箱體和上蓋，用於放置井筒及馬頭門模型和填充圍巖相似材料； 光纖測試系統，包括多根光纖和與多根所述光纖連接的光纖數據讀取模塊，多根所述光纖設於所述實驗箱中，以測量開挖過程中井筒及馬頭門圍巖的變形； 電法測試系統，包括多根電法測線和與多根所述電法測線連接的測線數據讀取模塊，以測量井筒及馬頭門模型圍巖的鬆動； 電阻式應變傳感器測試系統，包括多個電阻式應變傳感器和與多個所述電阻式應變傳感器連接的電阻數據讀取模塊，以測量馬頭門開挖過程中的圍巖應力變化； 加載系統，包括液壓缸、反力架和液壓控制模塊，所述液壓缸與所述液壓控制模塊連接，所述液壓缸豎直地設於所述實驗箱的上蓋和所述反力架之間。
2.根據權利要求1所述的深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，其特徵在於，所述反力架包括壓板、螺柱，所述壓板位於所述實驗箱的上蓋上方，所述螺柱下端固定，所述螺柱的上端通過多個螺母和所述壓板固定連接。
3.根據權利要求2所述的深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，其特徵在於，所述壓板呈十字形，所述螺柱為四個，四個所述螺柱分別與所述壓板的四邊固定連接。
4.根據權利要求2所述的深立井馬頭門三維物理模型實驗裝置，其特徵在於，所述反力架還包括蓋板，所述蓋板呈矩形，所述蓋板位於所述壓板下方，所述液壓缸的活塞杆自由端直接抵頂在所述蓋板的下方。
【文檔編號】G01N3/00GK204165819SQ201420590307
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月13日 優先權日:2014年10月13日
【發明者】榮雋鋒, 程樺, 榮傳新, 姚直書, 王曉健, 蔡海兵, 黎明鏡, 宋海清, 鄭騰龍 申請人:安徽理工大學