專利名稱：深部礦井建設工程三維模型試驗系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種 深部礦井建設工程三維模型的試驗系統，可用于礦山建設方面的理論、試驗研究和實踐教學。
背景技術：
大型巖土工程領域科學研究的主要方法包括理論推導、實驗室模型試驗、現場試驗和計算機仿真模擬。這其中，實驗室模型試驗有著其他幾種研究方法不可替代的優越性。自上世紀初開始，西方一些國家開始用模型試驗的方法來研究結構問題，并由此建立了相似理論。隨著相似模型理論的發展，西方多個國家開始將相似模型理論應用到地下工程領域，設計了多個地下工程模型實驗裝置。國內從70年代開始，中科院武漢分院、中國礦業大學、西南交通大學、清華大學、總參三所等多個科研院校也設計了自己的模型試驗系統，開始這方面的研究。要進行實驗室模型試驗研究，就需要有模型試驗系統，目前有關地下工程領域模型試驗系統的研究現狀如下解放軍工程兵三所地質力學模型試驗裝置的最大模型尺寸為 160CmX140CmX40Cm，最大加載能力垂直和水平方向均為2. 5MPa。可進行洞室、洞群、邊坡和基坑等4類典型工程的地質力學模型試驗，可按平面應力與準平面應變兩種條件進行模型試驗；模型邊界可加均布荷載，也可加階梯形荷載；但該裝置是平面模型試驗系統，不能進行三維試驗。中國礦業大學(北京)的城市地下工程相似模擬試驗系統，可以模擬地鐵隧道、基礎工程、邊坡穩定和非開挖等各種城市地下工程，并可實現地下水對地下工程影響的模擬； 但該試驗系統主要應用于淺層地下工程，不能進行深部地質力學模型試驗。中國礦業大學(徐州)的真三軸巷道平面模型試驗臺，模型尺寸為ImX ImXO. 2m, 加載方式為液壓枕加載，屬于準平面模型，主要用于巷道模型加載，但其模型尺寸較小且試驗臺允許變形較小，不能進行高地應力模型試驗。山東大學的高地應力準三維可視化模型試驗臺架裝置及組合式三維地質力學模型試驗臺，試驗系統裝置尺寸均比較大，可進行多種地質條件下的模型試驗，但試驗裝置不夠靈活，可擴展功能較少。另外一些三維模型試驗系統也存在不同的問題，諸如不能進行水固耦合試驗、不能模擬爆破工程、不能同時進行采場模型試驗和巷道模型試驗等。
發明內容
鑒于上述現有模型試驗系統存在的不足，本發明旨在于提供一種深部礦井建設工程三維模型試驗系統，除能進行一般模型試驗外，還可對高地應力、地下爆破工程、富水工程、熱巖工程、沖擊地壓、放射性物質儲備工程等進行模型試驗。本發明是通過以下技術方案來實現的
深部礦井建設工程三維模型試驗系統，包括液壓加載系統、操控系統、數據監測系統和反力框架裝置，液壓加載系統包括對應連通的伺服油源組和伺服做動器組，以及用于支撐伺服做動器組的做動器支撐架；反力框架裝置中主架體為‘回’字形結構，‘回’字形主架體的前端設有門式反力架，后端設有后加載架；門式反力架軸連接在‘回’字形主架體的側面，門式反力架的內側面為平板狀；后加載架的工作端活動插接在‘回’字形主架體的后端開口上，后加載架的工作端面與門式反力架相對應；伺服做動器組通過做動器支撐架分別固定在‘回’字形主架體和后加載架工作端的內側端面上，伺服做動器均勻排列；數據監測系統安裝在反力框架裝置內的試驗樣品上；操控系統分別與液壓加載系統和數據監測系統信號連接。所述反力框架裝置還包括驅動裝置和輪式支架，后加載架與‘回’字形主架體相對獨立，輪式支架分別連接在主架體和后加載架底部，驅動裝置設置在后加載架上，并與后加載架底部輪式支架的支撐輪相連接所述后加載架包括支撐架和拉桿組件，驅動裝置和連接在后加載架底部的輪式支架分別連接在支撐架上，支撐架的工作端插接在‘回’字形主架體的后端開口上；拉桿組件由帶有螺紋的拉桿和套在拉桿內側起調節、限位作用的套筒組組成，支撐架頂部通過拉桿和套筒組與‘回’字形主架體連接固定。所述門式反力架上還設有制模擋板，制模擋板位于門式反力架內側面與試驗樣品之間。所述門式反力架上還設有模擬巷道開挖口，開挖口上設有可拆裝的堵板。本發明所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其有益效果為(1)系統為可變動結構。既可以實現平面模型試驗，又可以進行三維模型試驗，達到一機多用的目的。(2)反力架采用門式結構。用整體門式結構代替通常采用的加載架槽鋼梁作為開挖面板，門式結構通過門軸轉動來實現開合，安裝和拆卸試驗樣品方便、靈活、快捷。克服了目前大部分加載架前擋板由型鋼組裝而成，安裝時需要行車和人工操作，存在安全隱患和勞動強度大的缺點。(3)本發明可模擬地下爆破試驗。目前爆破試驗均是采用相似材料在無約束的條件下進行的，這種無圍壓條件與地下工程爆破施工條件不符，在該加載系統中完成爆破試驗更能反映地層爆破的特點。(4)本發明可實現富水條件下水_巖耦合的巷道(隧道)工程試驗研究。(5)可實現真實應力環境下模擬開挖與支護研究。與傳統的模型試驗為先鋪模后開挖加載方式不同，本發明模擬真實應力環境實現先加載后開挖，真實施工情況的模擬更能揭示巷道工程圍巖的變形破壞特征，并可實現復雜工程的人工開挖、爆破開挖、機械自動連續模擬開挖等多種開挖方式。(6)模擬巷道圍巖性能的范圍更廣。本發明的高應力設計可以實現從完整圍巖到節理發育圍巖的模擬，三維高應力條件的圍巖和工程特征模擬。(7)可研究中間應力對工程的影響。常規的平面加載模型無法實現中間應力的模擬，本發明無論用于理論研究或工程研究都更加合理和真實。(8)可實現圍巖碎漲力的測試。在相同的地壓和不同支護反力作用下巷道圍巖的松動圈不同，現有的試驗裝置不易控制支護阻力的大小，測試圍巖的碎漲力也不甚方便。本發明系統在巷道內增加了一套加載裝置，其支護反力可以人為控制，從而可以更方便的研究圍巖松動圈和碎漲力等關鍵問題。
為本發明的側向結構示意圖；圖2為本發明的正向結構示意圖。
具體實施例方式本發明的中心思想是利用‘回’字形主架體和前、后端對應設置的門式反力架及后加載架，在模擬試驗系統中形成一個相對封閉的三維模擬空間，通過分析三維模擬空間中試驗樣品在各種模擬環境和負載狀態下的受力、變形情況，得出模擬環境狀態下試驗樣品的試驗數據，為實際深部礦井建設施工過程提供理論和數據依據，保證施工過程能夠安全、順利、有序進行。下面結合附圖1、圖2對本發明做進一步的描述本發明所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，包括液壓加載系統、操控系統9、數據監測系統10和反力框架裝置。操控系統9通過控制液壓加載系統在反力框架裝置中形成所需三維模型空間的壓力環境，對試驗樣品11進行環境模擬再現，同時，接收來自試驗樣品11中分布的數據監測系統10采集的試驗數據信息，經匯總、處理后形成所需試驗數據，為真實環境下地質受力變化情況提供理論依據。其中，反力框架裝置包括主架體2、門式反力架1、后加載架、驅動裝置5和輪式支架6。主架體2為‘回’字形結構，由優質鋼板、槽鋼、工字鋼等材料通過焊接、螺栓連接等方式組合而成，主架體2主要由上下橫梁、左右立柱和反力支撐梁等部件組成。為形成封閉的試驗空間，在‘回’字形主架體2的前端設有門式反力架1，門式反力架1通過立軸12連接在‘回’字形主架體2的側面，通過把手19可以方便地將門式反力架1開啟或關閉，以便于試驗樣品11在反力框架裝置內的拆卸和安裝。門式反力架1的內側面為平板狀，為增加強度，門式反力架1的外側表面還設有加強筋和反力支撐。后加載架則與‘回’字形主架體2 保持相對獨立，與‘回’字形主架體2 —起構成兩個相對獨立的力系。后加載架主要包括支撐架3和拉桿組件，輪式支架6分別連接在支撐架3和‘回’字形主架體2的底部。支撐架 3的工作端活動插接在‘回’字形主架體2的后端開口上，工作端面與門式反力架1相對，從而與‘回’字形主架體2—起在反力框架裝置內部形成了一個相對封閉的密封空間。為使反力框架裝置內部試驗空間實現可調，驅動裝置5連接在后加載架的支撐架3上，驅動裝置 5與支撐架3底部輪式支架6的支撐輪連接傳動，推動和調節支撐架工作端插入‘回’字形主架體2中的深度，從而實現試驗空間的厚度調節。為保證工作中支撐架3位置相對固定， 支撐架3頂部通過拉桿組件還與‘回’字形主架體2連接。其中，拉桿組件由帶有螺紋的拉桿4和套在拉桿4內側起調節、限位作用的多個套筒8組成，拉桿4 一端固定在‘回’字形主架體2的端面上，另一端穿過支撐架3頂部后由螺母固定，拉桿4的內側則由套筒8進行組合支撐，當支撐架3移動時，相應增減套筒8個數和旋動螺母即可實現位置調整。為進一步提高通用性，在門式反力架1上還設有制模擋板16。制模擋板16位于門式反力架1的內側面上，用于支撐散狀試驗樣品11，以簡化安裝過程，保證試驗過程能夠可靠、順利進行。而為進一步擴展適用性，在門式反力架1上還設有模擬巷道開挖口，開挖口上設有可拆裝的堵板17。開挖口用于試驗樣品11在負載狀態下的巷道模擬挖掘過程使用，對深部礦井巷道挖掘進行模擬研究。平時不用時，開挖口被堵板17密封，不會對門式反力架 1的使用造成影響。液壓加載系統包括對應連通的伺服油源組7和伺服做動器組15，以及用于支撐伺服做動器組15的做動器支撐架18，伺服油源組7負責產生所需的液壓壓力，保證伺服做動器組15工作；伺服做動器用于對試驗樣品11進行加壓動作，模擬試驗樣品11在真實環境下的受力情況。為使試驗樣品11實現三維負載，伺服做動器組15通過做動器支撐架18被分別設置在‘回’字形主 架體2和支撐架3工作端的內側端面上，各個伺服做動器組15中的伺服做動器都為均勻分布，并通過伺服油源組7實現相應地壓力控制。通常情況下，一個伺服油源可為一個伺服做動器組15中的多個伺服做動器同時提供動力，從而在某一方向上形成所需的均衡壓力。多個伺服油源組7的組合使用，即可實現試驗樣品11的三維模擬負載，保證了模擬環境的真實性和可靠性以及有效性，模擬過程靈活、方便。當然，也可根據需要，由一個伺服油源為一個伺服做動器提供動力，使壓力控制更精細，調節更靈活、準確， 以適應特殊條件下的模擬需要。數據監測系統10主要包括各種壓力、應力探測器或傳感器，探測器或傳感器被安裝在反力框架裝置內試驗樣品11中的不同位置上，在試驗過程中，探測器或傳感器不斷采集各個位置上試驗樣品11的受力變化情況，并將數據信息傳送到操控系統9中，最終在操控系統9中匯總形成所需的試驗數據和圖表，為實際地下深部挖掘過程提供理論依據。為保證移動方便性和支撐穩定性，整個反力框架裝置通過前、后輪式支架6放置在地面軌道14上。實際試驗過程中，首先，將門式反力架1繞立軸12轉開，根據試驗樣品 11所需厚度，將支撐架3上拉桿螺母松開，對拉桿4上套筒8的個數進行增減，使套筒8的組合長度滿足支撐使用的需要；接著，通過操控系統9控制驅動裝置5運轉，位于支撐架3 底部的輪式支架6帶動支撐架3在軌道14上移動，支撐架3的工作端在‘回’字形主架體 2后端開口內進行伸縮調整。當移動位置符合模擬空間的厚度要求時，停止支撐架3移動， 擰緊拉桿4上的螺母，同時，套筒8也正好支撐在支撐架3與‘回’字形主架體2端面之間， 后加載架位置固定。接著，將試驗樣品11從‘回’字形主架體2前端開口處放入，將各種探測器或傳感器放置在試驗樣品11中所需測量的位置上，導線與操控系統9連通，根據需要， 在門式反力架1內側放置制模擋板16，并隨門式反力架1的關閉支撐在試驗樣品11的前端側面上。再接著，通過操控系統9控制各個伺服油源組7工作，相應地帶動上下、左右和后側方向上各個伺服做動器組15進行伸縮運動，完成對試驗樣品11的三維負載施加過程。 由于上下方向做動器相互垂直，并承受相反的作用力，在上下方向上構成了一個相對獨立的力系，施壓過程不會對左右方向和前后方向的受力情況產生影響，保證了試驗樣品11受力的可靠性和準確性。同樣，左右方向及前后方向受力情況與上下方向一致，都不會對其它獨立力系產生影響，只是在前后方向上，‘回’字形主架體2前端采用門式反力架1進行空間密封，試驗樣品11前后方向受力的大小只與后端支撐架3上的伺服做動器組15的工作有關。再接著，根據試驗項目的需要，隨著試驗進程的推進，探測器或傳感器將探測到的信息不斷傳送到操控系統9中，在操控系統9中匯總后形成所需的圖表、數據，直至模擬加載過程完成。當然，由于門式反力架1上還設有開挖口，當需要進行巷道挖掘試驗時，還可將堵板17拆除，利用開挖口就可進行模擬巷道挖掘過程，大大提高了三維模型試驗系統的適用性，真實再現了三維負載狀態下礦井巷道的挖掘過程。最后，利用操控系統9控制伺服 油源組7卸載伺服做動器組15的壓力后，開啟門式反力架1，卸下試驗樣品11后，整個三維模擬試驗過程完成。
權利要求
1.深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其特征在于，包括液壓加載系統、操控系統、 數據監測系統和反力框架裝置，所述液壓加載系統包括對應連通的伺服油源組和伺服做動器組，以及用于支撐伺服做動器組的做動器支撐架；所述反力框架裝置中主架體為‘回’字形結構，‘回’字形主架體的前端設有門式反力架，后端設有后加載架；所述門式反力架軸連接在‘回’字形主架體的側面，門式反力架的內側面為平板狀；所述后加載架的工作端活動插接在‘回’字形主架體的后端開口上，后加載架的工作端面與門式反力架相對應；所述伺服做動器組通過做動器支撐架分別固定在‘回’字形主架體和后加載架工作端的內側端面上，伺服做動器均勻排列；所述數據監測系統安裝在反力框架裝置內的試驗樣品上；所述操控系統分別與液壓加載系統和數據監測系統信號連接。
2.根據權利要求1所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其特征在于，所述反力框架裝置還包括驅動裝置和輪式支架，所述后加載架與‘回’字形主架體相對獨立，輪式支架分別連接在主架體和后加載架底部，所述驅動裝置設置在后加載架上，并與后加載架底部輪式支架的支撐輪相連接。
3.根據權利要求2所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其特征在于，所述后加載架包括支撐架和拉桿組件，驅動裝置和連接在后加載架底部的輪式支架分別連接在支撐架上，支撐架的工作端插接在‘回’字形主架體的后端開口上；所述拉桿組件由帶有螺紋的拉桿和套在拉桿內側起調節、限位作用的套筒組組成，支撐架頂部通過拉桿和套筒組與 ‘回’字形主架體連接固定。
4.根據權利要求1或2所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其特征在于，所述門式反力架上還設有制模擋板，所述制模擋板位于門式反力架內側面與試驗樣品之間。
5.根據權利要求1或2所述的深部礦井建設工程三維模型試驗系統，其特征在于，所述門式反力架上還設有模擬巷道開挖口，開挖口上設有可拆裝的堵板。
全文摘要
本發明公開了一種深部礦井建設工程三維模型試驗系統，包括液壓加載系統、操控系統、數據監測系統和反力框架裝置，液壓加載系統包括對應連通的伺服油源組和伺服做動器組，以及用于支撐伺服做動器組的做動器支撐架，反力框架裝置包括‘回’字形主架體、門式反力架、后加載架、驅動裝置和輪式支架，門式反力架軸連接在‘回’字形主架體的側面，后加載架對應于門式反力架，伺服做動器組通過做動器支撐架分別固定在“回”字形主架體和后加載架工作端的內側端面上。其整體結構設計合理，操作簡單，使用方便、靈活，三維模型空間模擬真實、可靠，適用范圍廣、適應性強。
文檔編號G09B25/00GK102446447SQ20111025233
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者孫強, 岳中文, 李清, 楊仁樹, 楊立云, 牛學超, 郭東明, 韓朋飛, 高全臣 申請人:中國礦業大學(北京)