深立井马头门三维物理模型实验装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种深立井马头门三维物理模型实验装置与方法，该装置包括：实验箱，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光纤连接的光纤数据读取模块，多根光纤设于实验箱中；电法测试系统，包括多根电法测线和与多根电法测线连接的测线数据读取模块；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电阻式应变传感器连接的电阻数据读取模块；加载系统，包括液压缸、反力架和液压控制模块，液压缸与液压控制模块连接，液压缸设于实验箱的上盖和反力架之间。本发明专利技术可系统全方位地分析马头门围岩动态响应问题，实现不同开挖工况下围岩动态力学响应的分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿山建设工程领域，特别涉及一种。
技术介绍
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 O 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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，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，本专利技术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、石骨、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，本专利技术提供了如下另一种技术方案: 一种深立井马头门三维物理模型实验装置，其包括: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圈范围；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，所述液压缸设于所述实验箱的上盖和所述反力架之间。 在上述实验装置的一种优选实施方式中，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。 在上述实验装置的一种优选实施方式中，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。 在上述实验装置的一种优选实施方式中，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。 分析可知，本专利技术可重复多次实验，数据采集量大，可系统全方位地分析马头门围岩动态响应问题，实现不同开挖工况下围岩动态力学响应的分析。 【附图说明】 图1为本专利技术的实验装置实施例的主视结构示意图； 图2为本专利技术的实验装置实施例的实验箱的俯视结构示意图； 图3为本专利技术的实验装置实施例的实验箱的侧视结构示意图； 图4a、图4b、图4c、图4d分别为本专利技术的实验装置实施例中各传感器布置于井筒及马头门模型周围的立体结构、主视结构、俯视结构、侧视结构示意图； 图5、图6为本专利技术的实验方法实施例所应用到的岩体模型材料。 【具体实施方式】 下面结合附图和【具体实施方式】对本专利技术做进一步详细说明。 需要提前说明的是，为了不产生赘述之感，下面将结合本专利技术的实验装置实施例的原理、结构及应用，对本专利技术的实验方法实施例进行详细描述。 准备一实验箱，该实验箱包括长方体状的箱体I及覆盖于箱体I上的上盖11，上盖11的中心区域设有一通孔，便于使井筒裸露于外。 根据原型和模型结构刚度相等原则，采用白铁皮制成井筒及马头门模型2，以模拟该处的喷射混凝土结构。如图1，井筒及马头门模型2包括井筒21、巷道23以及位于井筒21、巷道23结合处的马头门22。如图5、图6所示，用木块61、木块62模拟井筒及马头门开挖处的岩体材料，其中，木块61整体呈圆柱状，包括多块不同形状的小木块611，用于模拟井筒21中的岩体材料。木块62的上部呈半圆状，下部呈矩形，也包括多块不同形状的小木块621，用于模拟马头门22、巷道23中的岩体材料。 根据荷载相似常数配制围岩相似材料，该围岩相似材料主要包括砂子、石膏、石灰，优选地，三者的配合比为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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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、石骨、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣传新，程桦，荣隽锋，姚直书，王晓健，蔡海兵，黎明镜，宋海清，郑腾龙，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34