基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法技术

本申请涉及一种基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其包括以下步骤：S1，现场勘测；S2，三维坐标系与轮廓模型构建；S3,围岩测试范围构建；S4,CT扫描范围构建；S5,模拟发射源构建；S6,探孔开设；S7,CT扫描；S8,CT图像拼接；S9,三维空间标记；S10,试件成型；S11,试件实验。本申请具有提高巷道裂隙围岩的岩体力学实验的准确性的效果。岩体力学实验的准确性的效果。岩体力学实验的准确性的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法


[0001]本申请涉及岩体力学实验的领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法。

技术介绍

[0002]巷道是在地表与矿体之间钻凿出的各种通路，用来运矿、通风、排水、行人以及为冶金设备采出矿石新开凿的各种必要准备工程等。这些通路，统称为巷道。由于围岩中存在纵横交错的节理裂隙，形状不同的孔洞，这些缺陷将直接影响整个岩体的变形，强度，渗流特征，且直接影响岩体工程的稳定性。因此在巷道挖掘成型过程中，其重要一步就是需要对其围岩进行岩体力学实验，从而获得巷道的各项力学性能，对后续施工起着至关重要的作用。
[0003]目前岩体实验研究方法一般都是采用室内物理模型模拟实验，而该实验中最重要一步就是模型试件的制作；而试件制备难点在其节理裂隙难以复制的实际情况，试件在制作时主要模拟岩块的相似材料以及模拟岩体内部节理裂隙构造；传统的试件制作一般都采用简化处理，采用在柱形模具内插片，然后浇筑，浇筑后拔出插片，试件的插片部便形成裂隙，用于模拟实验，这样就造成实验结果偏差较大，而近几年随着3D打印技术的流行，也出现了将3D打印技术与试样制备结合的方式，其主要对岩体内实验的采样区域进行扫描，然后返回实验室后，通过3D打印技术，将试件生产成柱形后，再进行实验，其相较于插片浇筑试件传统实验方式，准确度也高了数倍。
[0004]针对上述中的相关技术，专利技术人认为采用3D打印柱形试件进行力学实验，虽然准确度相对于浇筑试件的准确度相对要高，但单独柱形试件的岩体力学性能相对于整体巷道的岩体力学性能来说，相差依然甚远，难以得到准确的实验结果。

技术实现思路

[0005]为了提高巷道裂隙围岩的岩体力学实验的准确性，本申请提供一种基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法。
[0006]本申请提供的一种基于3D打印技术的巷道裂隙围岩实验模型的成型实验方法。
[0007]采用如下的技术方案：一种基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，包括以下步骤：S1，现场勘测：现场观测待检测区域巷道，测量巷道内部实际尺寸数据，采用激光扫描，完成巷道内部以及巷道围岩端面的轮廓图；S2，三维坐标系与轮廓模型构建：利用计算机构建三维坐标系，将激光扫描成型的巷道内部轮廓以及巷道围岩端面轮廓图，结合实际测量所得的数据建立坐标导入三维坐标系，完成巷道基础轮廓的三维构建；S3,围岩测试范围构建：在三维坐标系中围岩端面建立围岩取样范围线；S4,CT扫描范围构建：选用扫描直线穿透距离范围大于取样范围内围岩厚度的CT
扫描设备，在围岩端面建立扫描范围线；S5,模拟发射源构建：在扫描范围线上设立多个扫描范围为扇形的x射线发射源模拟点，保证所有x射线发射源模拟点发射的扫描线能够覆盖围岩取样范围，并记录坐标；S6,探孔开设：根据三维坐标系中发射源模拟点的坐标，在巷道围岩端面开设探洞；S7,CT扫描：将各发射源插入探洞，将接收源置于巷道，沿发射源埋设探洞的深度不断移动扫描围岩，分别扫描记，形成围岩断面图像；S8,CT图像拼接，将各组围岩断面图像，在三维坐标系内导入；S9,三维空间标记：绘制各组围岩断面图像中节理裂隙轮廓，并将各组围岩中节理裂隙轮廓线连接，形成三维图；S10,试件成型：将三维图采用砂型3D打印技术打印形成试件；S11,试件实验：将打印成型的试件通过岩体力学实验设备进行实验，并记录实验结果。
[0008]通过采用上述技术方案，采用实际测量结合激光扫描利用计算机可以在三维坐标系内形成巷道围岩的实际轮廓复制，再通过在三维坐标系内直接根据实际的围岩测试范围可以确定实际应选用的CT扫描设备，确定出实际的x射线扫描源应设立在巷道围岩的范围，形成扫描范围线，再通过在扫描范围线上选用多个扫描范围为扇形的x射线发射源填充于扫描范围线上，通过将各x射线发射源的扫描面积在围岩取样范围进行覆盖，即可到的x射线发射源应在扫描范围线上的位置，进而可以确定出实际的X射线发射源坐标，再根据该坐标在实际的巷道围岩上开设较小的探孔，插入各X射线发射源，并在巷道内设置X射线接收源，即可扫描出巷道围岩的断面图，再沿探洞不断深入移动各X射线发射源和X射线接收源，即可得到多张围岩断面图，然后再将多张围岩断面图在三维坐标系内拼接，并将各节理裂隙轮廓绘制，即可成型取样范围内整体的巷道裂隙围岩三维图，再通过3D打印技术即可实现取样范围内巷道裂隙围岩的生成，从而可以用于岩体力学实验，保证了实验的精准度。
[0009]可选的，围岩测试范围构建包括以下步骤：1，根据巷道的实际尺寸，依据巷道扰动范围，计算巷道围岩的实际所需测试范围；2，根据巷道围岩的实际所需测试范围，在三维坐标系内在围岩端面围绕巷道构建测试范围线，用于表征实际围岩取样范围。
[0010]通过采用上述技术方案，通过计算开设巷道时产生的实际扰动范围求取所需检测的围岩范围，再直接在三维坐标系中绘制测试范围线，可以准确的表征围岩的取样范围，保证三维坐标系中数据与现实的准确性。
[0011]可选的，CT扫描范围构建包括以下步骤：1，根据围岩取样范围内围岩的最大厚度，选用CT扫描设备，保证CT扫描设备的直线穿透距离大于取样范围内围岩最大厚度至少1/3；2，以巷道内壁为起点加上CT扫描设备的直线穿透距离围绕巷道在围岩端面建立扫描范围线，扫描范围线距巷道内壁距离小于CT扫描设备的最大直线穿透距离。
[0012]通过采用上述技术方案，通过选用直线穿透距离大于取样范围内围岩最大厚度，能够保证围岩取样范围在CT扫描设备的扫描范围之内，且通过确定的CT扫描设备，在围岩端面绘制扫描范围线，能够直观的表征CT扫描设备在扫描范围线上的设立位置，便于后续
CT扫描设备的精准设立。
[0013]可选的，模拟发射源构建包括以下步骤：1，组合多个X射线发射器构成扇形x射线发射源，确定扇形X射线发射源的扫描面积；2，以扇形X射线发射源作为发射源模拟点，标记在三维坐标系的扫描范围线上。
[0014]通过采用上述技术方案，通过将多个x射线发射器构成扇形的x射线发射源，能够保证设立一个发射点，扫描整个扇形范围，提高扫描面积，减少x射线发射源的设立，大大减少了围岩端面探洞的开设。
[0015]可选的，发射源模拟点的标记采用以下步骤：1）以扫描范围线的一端为起点，设置第一个发射源模拟点，2）根据发射源模拟点的实际扫描面积，在三维坐标内绘制发射源模拟点朝向巷道方向的扫描面积边界线；3）沿扫描范围线移动设置下一发射源模拟点，并绘制该发射源模拟点朝向巷道方向的扫描面积边界线，保证相邻扫描面积的相邻侧边在测试范围线上相交于一点，从而确立该发射源模拟点在扫描范围线上的位置4）重复上述1）
‑
3）沿扫描范围线依次布设其他发射源模拟点至扫描范围线的另一端，保证所有发射源模拟点的扫描面积完全覆盖围岩取样范围，确定所有发射源模拟点在扫描范围线的准确位置。
[0016]通过采用上述技术方案，根据发射源模拟点的扇形扫描面积在围岩的取样范围内进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，现场勘测：现场观测待检测区域巷道，测量巷道内部实际尺寸数据，采用激光扫描，完成巷道内部以及巷道围岩端面的轮廓图；S2，三维坐标系与轮廓模型构建：利用计算机构建三维坐标系，将激光扫描成型的巷道内部轮廓以及巷道围岩端面轮廓图，结合实际测量所得的数据建立坐标导入三维坐标系，完成巷道基础轮廓的三维构建；S3,围岩测试范围构建：在三维坐标系中围岩端面建立围岩取样范围线；S4,CT扫描范围构建：选用扫描直线穿透距离范围大于取样范围内围岩厚度的CT扫描设备，在围岩端面建立扫描范围线；S5,模拟发射源构建：在扫描范围线上设立多个扫描范围为扇形的x射线发射源模拟点，保证所有x射线发射源模拟点发射的扫描线能够覆盖围岩取样范围，并记录坐标；S6,探孔开设：根据三维坐标系中发射源模拟点的坐标，在巷道围岩端面开设探洞；S7,CT扫描：将各发射源插入探洞，将接收源置于巷道，沿发射源埋设探洞的深度不断移动扫描围岩，分别扫描记，形成围岩断面图像；S8,CT图像拼接，将各组围岩断面图像，在三维坐标系内导入；S9,三维空间标记：绘制各组围岩断面图像中节理裂隙轮廓，并将各组围岩中节理裂隙轮廓线连接，形成三维图；S10,试件成型：将三维图采用砂型3D打印技术打印形成试件；S11,试件实验：将打印成型的试件通过岩体力学实验设备进行实验，并记录实验结果。2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其特征在于：围岩测试范围构建包括以下步骤：1，根据巷道的实际尺寸，依据巷道扰动范围，计算巷道围岩的实际所需测试范围，2，根据巷道围岩的实际所需测试范围，在三维坐标系内在围岩端面围绕巷道构建测试范围线，用于表征实际围岩取样范围。3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其特征在于：CT扫描范围构建包括以下步骤：1，根据围岩取样范围内围岩的最大厚度，选用CT扫描设备，保证CT扫描设备的直线穿透距离大于取样范围内围岩最大厚度至少1/3；2，以巷道内壁为起点加上CT扫描设备的直线穿透距离围绕巷道在围岩端面建立扫描范围线，扫描范围线距巷道内壁距离小于CT扫描设备的最大直线穿透距离。4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其特征在于：模拟发射源构建包括以下步骤：1，组合多个X射线发射器构成扇形x射线发射源，确定扇形X射线发射源的扫描面积；2，以扇形X射线发射源作为发射源模拟点，标记在三维坐标系的扫描范围线上。5.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的巷道围岩实验模型的成型实验方法，其特征在于：发射源模拟点的标记采用以下步骤：1）以扫描范围线的一端为起点，设置第一个发射源模拟点，2）根据发射源模拟点的实际扫描面积，在三维坐标内绘制发射源模拟点朝向巷道方向
的扫描面积边...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋力帅，王庆伟，王文海，黄万朋，贾后省，谈力，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：