[发明专利]深立井马头门三维物理模型实验装置与方法

权利要求书

1.一种深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据原型和模型结构刚度相等原则，制作井筒及马头门模型以模拟该处的喷射混凝土结构，以及制作岩体材料模型以模拟井筒及马头门开挖处的岩体材料；

步骤二，根据荷载相似常数配制围岩相似材料；

步骤三，在井筒和马头门模型中装入岩体材料模型，将井筒及马头门模型放入高强度实验箱中；

步骤四，在井筒及马头门模型周围布设多根光纤传感器，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；

在井筒及马头门模型的围岩内布设多条电法测线，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩松动圈范围；

在井筒及马头门模型的马头门周围布设多个电阻式应变传感器，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；

步骤五，在高强实验箱中填满围岩相似材料后，放置实验箱上盖，在上盖上方安装油缸和反力架；

步骤六，拽出井筒及马头门模型中的岩体材料模型，以模拟井筒和马头门开挖过程，采用光纤传感器、电法测线、应变传感器和应变片，检测煤矿深立井马头门及连接硐室群在开挖过程中的应力场、位移场和松动范围变化规律；

步骤七，保持油缸压力一设定时间，每间隔一段时间采集一次数据。

2.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤一中，采用白铁皮制成井筒及马头门模型模拟该处的喷射混凝土结构，用木块制成井筒及马头门开挖处的岩体材料模型。

3.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤二中，所述围岩相似材料包括砂子、石膏、石灰。

4.根据权利要求3所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在所述围岩相似材料中，砂子、石膏、石灰的配合比为2～5：0.6：0.4。

5.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤四中，共布设17根光纤传感器，其中，竖向依次布设8根，横向依次布设5根，水平向依次布设4根；

电法测线为5根，其中4根自井筒及马头门模型的马头门位置向东南西北四个方向向上呈发射状延伸，另一根为水平表面线；

电阻式应变传感器包括14个条带式应变传感器和28片应变片，条带式应变传感器位于马头门上下两侧，部分应变片对应井筒环向和马头门走向，部分应变片分别对应井筒竖向和马头门环向。

6.根据权利要求1所述的深立井马头门三维物理模型实验方法，其特征在于，在步骤六中，岩体材料模型为多段，并且先开挖井筒，再沿马头门南北方向分别开挖部分段高之后，再分别从两边开挖马头门剩余段高，同时采集数据。

7.一种深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，包括：

实验箱，包括箱体和上盖，用于放置井筒及马头门模型和填充围岩相似材料；

光纤测试系统，包括多根光纤和与多根所述光纤连接的光纤数据读取模块，多根所述光纤设于所述实验箱中，以测量开挖过程中井筒及马头门围岩的变形；

电法测试系统，包括多根电法测线和与多根所述电法测线连接的测线数据读取模块，以测量井筒及马头门模型围岩的松动；

电阻式应变传感器测试系统，包括多个电阻式应变传感器和与多个所述电阻式应变传感器连接的电阻数据读取模块，以测量马头门开挖过程中的围岩应力变化；

加载系统，包括液压缸、反力架和液压控制模块，所述液压缸与所述液压控制模块连接，所述液压缸竖直地设于所述实验箱的上盖和所述反力架之间。

8.根据权利要求7所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述反力架包括压板、螺柱，所述压板位于所述实验箱的上盖上方，所述螺柱下端固定，所述螺柱的上端通过多个螺母和所述压板固定连接。

9.根据权利要求8所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述压板呈十字形，所述螺柱为四个，四个所述螺柱分别与所述压板的四边固定连接。

10.根据权利要求8所述的深立井马头门三维物理模型实验装置，其特征在于，所述反力架还包括盖板，所述盖板呈矩形，所述盖板位于所述压板下方，所述液压缸的活塞杆自由端直接抵顶在所述盖板的下方。