[发明专利]三维物理模型试验方法

说明书

技术领域

本发明属于岩体力学的三维物理模型试验装置技术领域，具体涉及一种三维物理模型试验方法。

背景技术

随着社会经济的发展及国民经济的需求，地下矿山及隧道建设向深部转移，岩石力学的研究重点日益转向地下，在采矿工程和水电工程领域，地下巷道的长度、跨度及埋深也越来越大，因此在复杂地质条件下巷道开挖造成的围岩应力调整过程及稳定性问题变得尤为重要，而现场围岩监测需要较多的人力、物力和财力，付出的工作量大、周期长，而围岩的变化和应力分布情况不能直接观测到，在监测时又经常受到现场条件的限制，难以取得较好的成果。

物理模型试验是研究深埋巷道及矿山压力的重要研究手段之一，以相似理论为基础的模型试验在配制与工程岩体性质相似的物理材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题。物理模型试验可以模拟巷道开挖、工作面回采等对围岩应力调整过程、位移分布特征及位移最大值发生部位等。

物理模型试验中圆形巷道使用钻机开挖较容易实现，对于矩形巷道、直墙拱型巷道一般是采用手动开挖的方法或者预埋与隧洞形状一样的柱体。手动开挖费时费力且成巷效果不好，预埋柱体的方法分为加载前取出柱体一次成巷和加载过程中顶出柱体分段成巷，前者与现场实际开挖过程差距太大，后者在高应力和多条巷道交错时较难实现。在采煤工作面回采三维模拟中，基本采用人工和简易机械开挖，与实际开挖过程不符，无法实现采煤机割煤回采及一定倾角的倾斜回采。

实际生产中，金属矿还会采用崩落采矿法，它是一种以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法；即随着崩落矿石，强制(或自然)崩落围岩充填采空区，以控制和管理地压。

此外，还有房柱法，它是空场采矿法的一种，将阶段〔缓倾斜、倾斜矿床)或盘区(水平、微倾斜矿床)划分成若干个矿房与矿柱(留有规则的不连续的矿柱)。回采工作在矿房中进行，矿柱在一般情祝下不进行回收。

这些实际生产的情况，现有的简单物理模型试验模型很难模拟实现。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种三维物理模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1：在立方体框架面上设置水平面夹角α的多个相互平行的矩形大钢板，并在两块矩形大钢板之间设置多块并排的矩形小钢板；

在反力架内设置岩体模型，并安装垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统；

设定垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统对岩体模型加载压力；

步骤2：在模拟的巷道掘进位置处拆除一块或多块矩形小钢板；形成和水平面夹角为α的巷道掘进面；

步骤3：在拆除矩形小钢板的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型至目标位置；

步骤4：重复步骤2和3，直到完成第一个巷道的模拟开挖。

上述试验方案中，所述的步骤4为：在已拆除的第一个矩形小钢板的相邻位置拆除下一块矩形小钢板；

步骤5：重复步骤2～4，完成工作面推进的模拟。

上述试验方案中，所述的步骤4完成后：

步骤5：控制垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统制造震动，模拟一个工作面的一次现场爆破；

步骤6：直接将崩落下来的震动形成的岩体模型碎块排出。

上述试验方案中，所述的步骤6之后：

步骤7：在已拆除的第一个矩形小钢板的相邻位置拆除下一块矩形小钢板；

步骤8：操控垂直加载系统、水平前后加载系统、水平左右加载系统，控制并制造震动，再次模拟一个工作面的一次现场爆破；

步骤9：重复步骤7、8，直至完成本区段开采模拟。

上述试验方案中，所述的步骤4之后；

步骤5：在已拆除的矩形小钢板同一排、间隔一个或多个矩形小钢板拆除下一块矩形小钢板；在拆除矩形小钢板的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型至目标位置。

步骤6：同一排矩形小钢板的上的挖掘完成后，再在另外两个矩形大钢板之间的一排矩形小钢板上重复步骤2～5，形成纵横交错的巷道。

本发明设计的上述三维物理模型试验方法，具有以下优点：

1、全方位三维模拟岩体内、外受力以及震动等情形，模拟还原实际岩体的预应力受力情况。

2、实际生产中，巷道及煤层开挖受到地形、岩体等多方限制，往往呈现各种倾斜和迂回，利用矩形大钢板设计模拟保留岩体，一个或多个矩形小钢板模拟巷道或开挖面，能够保证巷道和开挖面的倾斜角度合适，模拟效果真实。