[发明专利]深立井马头门三维物理模型实验装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及矿山建设工程领域，特别涉及一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法。

背景技术

马头门是指煤矿立井井筒与井底车场巷道相连接的部分，作为矿井的关键部位，它是设备、材料和人员的转运点。马头门的主要特点是位置特殊、设计断面大、服务年限长。

随着新建矿井越来越深，马头门围岩及衬砌在施工过程中的动态力学响应是影响支护安全的重要课题。深立井马头门施工过程中，马头门衬砌结构和围岩的受力及变形特性较复杂，物理模型实验是研究该问题的一种重要方法。

物理模型实验是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体介质物理力学特性研究方法。长期以来，模型实验一直是解决复杂工程问题的重要手段，在地下工程及其它岩土工程研究中已经得到广泛应用。

模型实验的基础是相似理论，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况。根据相似理论，在模型实验中用相似材料来制作模型。相似材料的选择、配比以及实验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响。此外，进行深井马头门物理模型实验时，还要求加载装置具有模拟稳定的高地压作用。

研究马头门及围岩施工动态力学响应，既要监测开挖面及衬砌结构的内力，又要获得围岩内部的损伤及变形情况，因此如何准确的监测上述项目是模型实验的关键问题之一。

目前，煤矿马头门这种特殊结构的施工力学模型试验开展很少，在实验装置、模型的制作及测试系统等方面难以形成系统化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法，以系统化地开展煤矿马头门的施工力学模型试验，研究马头门及围岩施工动态力学响应。

为了解决上述问题，本发明提供了如下一种技术方案：

一种深立井马头门三维物理模型实验方法，其包括以下步骤：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的松动圈范围；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。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，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。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，在步骤二中，所述围岩相似材料包括砂子、石膏、石灰。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，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。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，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。

在上述实验方法的一种优选实施方式中，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。

为了解决上述问题，本发明提供了如下另一种技术方案：