相似材料模拟实验装置及其实验方法

技术领域

本申请属于采矿及岩土工程技术领域，涉及一种相似材料模拟实验装置及其实验方法，尤其涉及一种露天矿端帮煤开采二维三维一体化相似材料模拟实验装置及其实验方法。

背景技术

相似材料模拟实验是采矿及岩土工程技术领域研究地下开挖诱发上覆岩层移动的重要方法，能够较为准确的再现整个地质体的变形破坏过程，反映岩体非连续变形的发生、发展状态，具有过程简单易行、形象直观、效果清楚直接、周期短、见效快，可根据不同研究工况重复进行实验等特点，在研究岩层断裂破坏、岩体变形和应力分布演化规律方面具有显著优势。

端帮采煤机开采技术是将传统的露天开采技术和井工开采技术相结合，发展起来的一种快速灵活、安全高效、经济环保的露天矿端帮压煤开采工艺，为露天矿端帮压煤开采提供了新途径，近年来发展迅速。端帮采煤机开采的实质是在边坡下部煤层出露位置沿煤层施工一系列垂直于边坡走向的巷硐，开采全程无支护，通过巷硐之间保留的支撑煤柱来支承上覆岩土体重量。

相关技术中，相似材料模拟实验装置分为二维相似材料模拟实验装置和三维相似材料模拟实验装置。由于端帮采煤机开采诱发边坡变形失稳问题是典型的三维问题，虽然三维模型实验可以实现全范围边坡地表变形参数的获取，但具有支撑煤柱变形失稳关键部位及边坡岩土体内部破坏过程不可视等明显缺陷。相反，二维模型实验可以揭示端帮采场支撑煤柱及边坡岩土体的变形破坏特征，最大限度弥补了前者的不足，但是无法完全揭示采矿及岩土工程领域三维地质体变形破坏的问题。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种相似材料模拟实验装置。该实验装置结构简单、操作简便、可实现二维三维模型同时实验，不但解决了二维模型实验无法完全揭示采矿及岩土工程领域三维地质体变形破坏的问题，而且弥补了三维模型实验边坡岩土体内部破坏过程不可视的缺陷，在同等条件下同时进行，实现了两者的相互补充和验证。

本申请的第二个目的在于提出一种相似材料模拟实验装置的实验方法。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出的相似材料模拟实验装置，所述相似材料模拟实验装置应用于露天矿端帮煤开采领域，所述实验装置包括：

二维三维一体模拟实验台架，所述二维三维一体模拟实验台架包括多根支撑立柱、三级横梁、中部横梁和试验台底板，其中，所述多根支撑立柱和所述三级横梁用于形成台架，所述中部横梁用于固定所述试验台底板，在所述试验台底板的上部一侧通过横梁和立柱划分出三维模拟实验区和二维模拟实验区；

三维模拟实验区四周约束装置，所述三维模拟实验区四周约束装置包括第一前部透明玻璃板、第一侧部透明玻璃板和第一后部透明玻璃板，其中，所述第一前部透明玻璃板、所述第一侧部透明玻璃板、所述第一后部透明玻璃板与所述试验台底板形成所述三维模拟实验区；

二维模拟实验区四周约束装置，所述二维模拟实验区四周约束装置包括第二前部透明玻璃板、第二侧部透明玻璃板和第二后部透明玻璃板，其中，所述第二前部透明玻璃板、所述第二侧部透明玻璃板、所述第二后部透明玻璃板与所述试验台底板形成所述二维模拟实验区；

巷硐施工装置，用于在所述二维模拟实验区和所述三维模拟实验区施工巷硐。

为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出的相似材料模拟实验装置的实验方法，包括：

根据实验要求，检查所述相似材料模拟实验装置的完好程度，准备好实验所需材料、工具和数据采集设备；

将用于侧向约束的所有透明玻璃板按照要求安装在所述二维三维一体模拟实验台架的对应位置，转动摇杆，将所述二维模拟实验区的左、右两侧透明玻璃板调整至初始位置并固定；

根据配比关系，逐层铺设所述三维模拟实验区和二维模拟实验区的模拟实验材料，同时埋设并安装实验所需监测仪器；

待所述模拟实验材料达到初期强度后，拆除所述三维模拟实验区的前部约束，转动摇杆，将所述二维模拟实验区的左、右两侧透明玻璃板后退至预定位置并固定，解除所述二维模拟实验区的侧向约束；

开挖形成露天矿边坡，并采用所述巷硐施工装置施工巷道群，模拟端帮煤开采全过程，根据有效区域理论，在所述三维模拟实验区边坡下部煤层位置垂直于边坡走向依次施工巷硐，按照与作用于所述三维模拟实验区内的相同施工方式在所述二维模拟实验区的左右两侧各施工一个巷硐，在两个所述巷硐的中部留设一个支撑煤柱；

完成开挖全过程的实验数据采集。

根据本申请实施例的技术方案，通过将二维和三维相似材料模拟实验台进行组合，进一步拓宽了相似材料模拟实验装置的功能，实现了“一物多用”，不但节省了设备占用空间和实验成本，而且提高了工作效率。另外，由于将二维和三维相似材料模拟实验台集成为一体式，所以可以实现二维和三维模型实验同时进行，这样不但可以解决二维模型实验无法完全揭示采矿及岩土工程领域三维地质体变形破坏的问题，而且还可以弥补三维模型实验边坡岩土体内部破坏过程不可视的缺陷，在同等条件下同时进行，实现了两者的相互补充和验证。此外，实验台所有侧向约束均为透明玻璃板，实验全过程岩土体的移动变形及裂隙发育情况直观可视，二维模拟实验区左、右两侧约束可随时解除，操作简单方便。

另外，本申请实施例的相似材料模拟实验装置的实验方法，实验步骤简单，操作简便、准确高效，可重复性强。由此可见，本申请具有实验装置结构简单、操作过程方便，省时省力、节省设备占用空间和实验成本等优点，同时，二维模型和三维模型同时实验有利于模拟结果的相互补充和验证，提高了实验成果的准确性和可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请实施例的二维三维一体模拟实验台架的结构示意图。

图2是根据本申请实施例的二维三维一体模拟实验台架侧向和底部约束相对位置示意图。

图3是根据本申请实施例的摇杆结构示意图。

图4是根据本申请实施例的巷硐施工装置结构示意图。

图5是根据本申请实施例的冲击铲结构示意图。

图6是根据本申请实施例的巷硐施工装置顶部支座的放大结构示意图。

图7是根据本申请实施例的相似材料模拟实验装置的实验方法的流程图。

附图标记：

100：相似材料模拟实验装置；10：二维三维一体模拟实验台架；20：三维模拟实验区四周约束装置；30：二维模拟实验区四周约束装置；40：巷硐施工装置；50：第一约束解除装置；60：第二约束解除装置；70：竖向标尺；80：水平标尺；11：支撑立柱；12：三级横梁；13：中部横梁；14：试验台底板；21：第一前部透明玻璃板；22：第一侧部透明玻璃板；23：第一后部透明玻璃板；31：第二前部透明玻璃板；32：第二侧部透明玻璃板；33：第二后部透明玻璃板；41：冲击铲；42：支架；41a：铲头；41b：铲柄；43：高度调节装置；44：支座；45：轴承；6：第二类螺丝；8：第二类螺纹孔；5：第一类螺丝；7：第一类螺纹孔；10：第三类螺纹孔；13：三维模拟实验区的前部透明玻璃板；14：三维模拟实验区的侧部和后部透明玻璃板；16：二维模拟实验区的左侧透明玻璃板；17：二维模拟实验区的右侧透明玻璃板；18：二维模拟实验区的前部和后部透明玻璃板；19：长摇杆；20：短摇杆；21：橡胶垫片；22：摇杆螺母。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图1至图7描述本申请实施例的相似材料模拟实验装置及其实验方法。

需要说明的是，本申请实施例的相似材料模拟实验装置应用于露天矿端帮煤开采领域。参考图1至图6所示，本申请实施例的相似材料模拟实验装置100可以包括：二维三维一体模拟实验台架10、三维模拟实验区四周约束装置20、二维模拟实验区四周约束装置30和巷硐施工装置40。

其中，二维三维一体模拟实验台架10可包括多根支撑立柱11、三级横梁12、中部横梁13和试验台底板14，其中，多根支撑立柱11和三级横梁12用于形成台架，中部横梁13用于固定试验台底板14，在试验台底板14的上部一侧通过横梁和立柱划分出三维模拟实验区和二维模拟实验区。

在本申请一些实施例中，二维三维一体模拟实验台架10的结构可为长方形框架式结构，包括四根支撑立柱11、三级横梁12和中部横梁13，其中，采用焊接方式将四根支撑立柱11和三级横梁12组成长方形框架式结构，以形成二维三维一体模拟实验台架10。中部横梁13用于固定试验台底板14，该试验台底板14可作为二维三维一体模拟实验台架10的底面，在底面上部一侧通过横梁和立柱划分出三维模拟实验区和二维模拟实验区，在框架结构上部施工若干空洞，用于固定三维模拟实验区四周约束装置20和二维模拟实验区四周约束装置30。

三维模拟实验区四周约束装置20包括第一前部透明玻璃板21、第一侧部透明玻璃板22和第一后部透明玻璃板23，其中，第一前部透明玻璃板21、第一侧部透明玻璃板22、第一后部透明玻璃板23与试验台底板14形成三维模拟实验区。举例而言，三维模拟实验区四周约束装置20可包括四块透明玻璃板，其中左、右两侧和后部玻璃板对应于框架结构等间距施工若干孔洞，采用螺栓固定于框架结构内侧，前部玻璃板采用螺栓固定于框架结构外侧，实验过程中随时可拆卸。

二维模拟实验区四周约束装置30包括第二前部透明玻璃板31、第二侧部透明玻璃板32和第二后部透明玻璃板33，其中，第二前部透明玻璃板31、第二侧部透明玻璃板32、第二后部透明玻璃板33与试验台底板14形成二维模拟实验区。举例而言，二维模拟实验区四周约束装置30可包括四块透明玻璃板，其中前、后部玻璃板可直接安装于框架结构内侧卡槽内，左、右两侧玻璃板对应于框架横梁各施工四个孔洞，安装于框架结构内侧。

巷硐施工装置40用于在二维模拟实验区和三维模拟实验区施工巷硐。在本申请一些实施例中，巷硐施工装置40可包括：冲击铲41和支架42。其中，冲击铲41设置在支架42上且可在支架42上滑动。冲击铲41包括铲头41a和铲柄41b，铲头41a和铲柄41b的断面可均为方形，铲头41a的铲口斜切并开刃，铲头41a的后部与铲柄41b的一端在对称中心位置焊接在一起，铲柄41b的断面对角线与铲头41a的断面对角线的夹角为预设角度。作为一种示例，该预设角度可为45°。

在本申请一些实施例中，支架42可由型钢焊接而成。此外，在本申请一些实施例中，支架42的支撑腿分别安装高度调节装置43，在支架42的顶部沿中线设置有若干相同的支座44，在每个支座44上部分叉处分别安装两个可自由转动的轴承45，两个轴承45的间距和角度以能够保证铲柄41b的相邻两个面与之分别接触且在铲柄41b来回滑动过程中不发生脱落为准。

举例而言，支架42具有四条支撑腿，支架42的四条腿分别安装高度调节装置43，在支架42顶部沿中线焊接若干相同的支座44，在每个支座44上部分叉处分别安装两个可自由转动的轴承45，两个轴承45的间距和角度以能够保证方形铲柄相邻两个面与之分别接触且在铲柄来回滑动过程中不发生脱落为准。

为了方便对三维模拟实验区和二维模拟实验区的约束装置进行解除，可在三维模拟实验区和二维模拟实验区分别设置约束解除装置。可选地，在本申请的一些实施例中，该相似材料模拟实验装置100还可包括：第一约束解除装置50。其中，第一约束解除装置作用于二维模拟实验区的左侧，第一约束解除装置包括第一至第四摇杆，第一至第四摇杆分别穿过横梁的对应孔洞，第一至第四摇杆分别穿过二维模拟实验区四周约束装置中的左侧透明玻璃板对应孔洞，第一至第四摇杆的末端与左侧透明玻璃板柔性固定，在第一至第四摇杆的上部和横梁孔洞内侧加工配套螺纹，通过竖向摇动第一至第四摇杆的手柄实现轴向移动，以使左侧透明玻璃板可随着第一至第四摇杆转动而发生前后移动。

在本申请的一些实施例中，该相似材料模拟实验装置100还可包括：第二约束解除装置60。其中，第二约束解除装置作用于二维模拟实验区的右侧，第二约束解除装置包括第五至第八摇杆，第五至第八摇杆分别穿过横梁的对应孔洞，第五至第八摇杆分别穿过二维模拟实验区四周约束装置中的右侧透明玻璃板对应孔洞，第五至第八摇杆的末端与右侧透明玻璃板柔性固定，在第五至第八摇杆的上部和横梁孔洞内侧加工配套螺纹，通过竖向摇动第五至第八摇杆的手柄实现轴向移动，以使右侧透明玻璃板可随着第五至第八摇杆转动而发生前后移动；其中，第五至第八摇杆的长度小于第一至第四摇杆的长度。

也就是说，作用于二维模拟实验区的左、右两侧的第一约束解除装置50和第二约束解除装置60中共包括八个摇杆，其中，四个较长摇杆和四个较短的摇杆首先分别穿过框架横梁的对应孔洞，然后四个较长摇杆分别穿过左侧透明玻璃板对应孔洞，四个较短的摇杆分别穿过右侧透明玻璃板对应孔洞，摇杆末端与玻璃板柔性固定，摇杆可在玻璃板孔洞内自由转动但不脱落，在摇杆上部和横梁孔洞内侧加工配套螺纹，通过竖向摇动摇杆手柄可以实现轴向移动，玻璃板可随着摇杆转动而发生前后移动。

在本申请的实施例中，二维三维一体模拟实验台架上的支撑立柱和横梁上设置有第一类螺纹孔、第二类螺纹孔和第三类螺纹孔。作为一种示例，第一前部透明玻璃板通过第一类螺丝由外经第一类螺纹孔固定于二维三维一体模拟实验台架的外侧；第一侧部透明玻璃板和第一后部透明玻璃板通过第二类螺丝由内经第二类螺纹孔分别固定于三维模拟实验区对应台架的内侧；第二前部透明玻璃板和第二后部透明玻璃板由内分别放置于二维模拟实验区对应台架的卡槽内；第二侧部透明玻璃板分别通过对应摇杆由内经第三类螺纹孔固定于二维模拟实验区对应台架的内侧。

举例而言，试验台底板14焊接于台架10中部横梁13之上，采用第二类螺丝6将玻璃板14由内经第二类螺纹孔8分别固定于三维模拟实验区台架内侧，然后将玻璃板18由内分别放置于台架对应的卡槽内，然后采用四个较长的摇杆19和四个较短的摇杆20分别将玻璃板16和玻璃板17由内经第三类螺纹孔10固定于二维模拟实验区台架内侧，最后采用第一类螺丝5将玻璃板13由外经第一类螺纹孔7分别固定于台架外侧。

在本申请一些实施例中，该相似材料模拟实验装置100还可包括：竖向标尺70和水平标尺80。其中，竖向标尺70设置于三维模拟实验区和二维模拟实验区的外侧立柱之上，水平标尺80设置于三维模拟实验区和二维模拟实验区的外侧横梁之上。由此，通过竖向标尺和水平标尺实现数据的测量，可以获得相应的测量数据。

本申请实施例的相似材料模拟实验装置，通过将二维和三维相似材料模拟实验台进行组合，进一步拓宽了相似材料模拟实验装置的功能，实现了“一物多用”，不但节省了设备占用空间和实验成本，而且提高了工作效率。另外，由于将二维和三维相似材料模拟实验台集成为一体式，所以可以实现二维和三维模型实验同时进行，这样不但可以解决二维模型实验无法完全揭示采矿及岩土工程领域三维地质体变形破坏的问题，而且还可以弥补三维模型实验边坡岩土体内部破坏过程不可视的缺陷，在同等条件下同时进行，实现了两者的相互补充和验证。此外，实验台所有侧向约束均为透明玻璃板，实验全过程岩土体的移动变形及裂隙发育情况直观可视，二维模拟实验区左、右两侧约束可随时解除，操作简单方便。

图7是根据本申请实施例的相似材料模拟实验装置的实验方法的流程图。需要说明的是，本申请实施例的相似材料模拟实验装置可为图1至图6所示的相似材料模拟实验装置，本申请实施例的相似材料模拟实验装置的结构及其功能可参见图1至图6所示的相似材料模拟实验装置的结构及其功能的描述，在此不再赘述。

如图7所示，该相似材料模拟实验装置的实验方法可包括以下步骤：

步骤701，根据实验要求，检查相似材料模拟实验装置的完好程度，准备好实验所需材料、工具和数据采集设备。

步骤702，将用于侧向约束的所有透明玻璃板按照要求安装在二维三维一体模拟实验台架的对应位置，转动摇杆，将二维模拟实验区的左、右两侧透明玻璃板调整至初始位置并固定。

步骤703，根据配比关系，逐层铺设三维模拟实验区和二维模拟实验区的模拟实验材料，同时埋设并安装实验所需监测仪器。

步骤704，待模拟实验材料达到初期强度后，拆除三维模拟实验区的前部约束，转动摇杆，将二维模拟实验区的左、右两侧透明玻璃板后退至预定位置并固定，解除二维模拟实验区的侧向约束。

步骤705，开挖形成露天矿边坡，并采用巷硐施工装置施工巷道群，模拟端帮煤开采全过程，根据有效区域理论，在三维模拟实验区边坡下部煤层位置垂直于边坡走向依次施工巷硐，按照与作用于三维模拟实验区内的相同施工方式在二维模拟实验区的左右两侧各施工一个巷硐，在两个巷硐的中部留设一个支撑煤柱。

步骤706，完成开挖全过程的实验数据采集。

举例而言，本申请实施例的相似材料模拟实验装置的实验方法可包括以下步骤：

实验前首先将试验台底板14焊接于台架10中部横梁13之上，采用第二类螺丝6将玻璃板14由内经第二类螺纹孔8分别固定于三维模拟实验区台架内侧，然后将玻璃板18由内分别放置于台架对应的卡槽内，然后采用四个较长的摇杆19和四个较短的摇杆20分别将玻璃板16和玻璃板17由内经第三类螺纹孔10固定于二维模拟实验区台架内侧，最后采用第一类螺丝5将玻璃板13由外经第一类螺纹孔7分别固定于台架外侧。

进一步地，摇杆19和20的丝杠直径小于玻璃板孔洞，丝杠穿过孔洞后，两侧摇杆螺母22与玻璃板之间用橡胶垫片21隔开，并留有一定空隙，同时保证螺母与丝杠两者不发生相对运动。

进一步地，将竖向标尺70和水平标尺80分别固定于二维模拟实验区和三维模拟实验区外侧立柱和横梁之上。

进一步地，通过逆时针和顺时针方向摇动摇杆19和摇杆20把手，分别将二维模拟实验区玻璃板16和玻璃板17调整到初始位置，此时两玻璃板之间距离最小。

进一步地，三维模拟实验区和二维模拟实验区同时逐层铺设模拟实验材料。

进一步地，待实验材料达到初期强度后，拆除三维模拟实验区前部透明玻璃板13，通过顺时针和逆时针方向摇动摇杆19和摇杆20把手，将二维模拟试验区玻璃板16和玻璃板17分别后退至两者距离最大的位置，解除侧向约束。

进一步地，待模型材料达到实验强度后开挖形成边坡，二维模拟实验区和三维模拟实验区边坡坡面均朝向试验台正面一侧。

进一步地，按照设计参数采用巷硐施工装置40在三维模拟实验区边坡下部煤层位置垂直于边坡走向依次施工巷硐，采出煤层，按照同样的施工方式在二维模拟实验区左右两侧各施工一个巷硐，巷硐宽度为正常值的一半，仅保留中间一个煤柱。

进一步地，巷硐施工装置40的使用方法是首先在模型前部架设好支架42，通过支架42腿部高度调节装置43调平支架42并使冲击铲41的铲头41a保持在煤层所在高度。

进一步地，通过来回推拉铲柄41b，使其在支座44的轴承45上滑动，靠惯性冲击煤层，在煤层指定位置形成巷硐，当巷硐达到预定深度后，将支架42移设至下一个位置，重复上述工作，可以完成煤层的开采。

本申请实施例的相似材料模拟实验装置的实验方法，由于将二维和三维相似材料模拟实验台集成为一体式，所以可以实现二维和三维模型实验同时进行，这样不但可以解决二维模型实验无法完全揭示采矿及岩土工程领域三维地质体变形破坏的问题，而且还可以弥补三维模型实验边坡岩土体内部破坏过程不可视的缺陷，在同等条件下同时进行，实现了两者的相互补充和验证。此外，实验台所有侧向约束均为透明玻璃板，实验全过程岩土体的移动变形及裂隙发育情况直观可视，二维模拟实验区左、右两侧约束可随时解除，操作简单方便。由此可见，本申请的验方法具有实验步骤简单，操作简便、准确高效，可重复性强等优点。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。