一种超大型深部工程灾害物理模拟设施

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种超大型深部工程灾害物理模拟设施，用于室内模拟深部岩体工程开挖、开采等诱导的多类型深部工程灾害孕育全过程。

背景技术

以深部资源开采、深埋交通隧道（洞）开挖、深部能源开发等为代表的深地工程，正由千米埋深向万米埋深发展，其赋存环境具有超高构造应力、超高流体压力、超高温等极端特征，地质结构表现为大规模褶皱、断层、硬性结构面、层状结构和圈闭构造等复杂性。在上述极端赋存环境与复杂地质结构耦合作用下，对深部硬岩进行开采、开挖、抽采等活动极易诱发岩爆、片帮、大变形、地震、CO

三维相似材料物理模型试验以相似理论为基础，制配与工程岩体相似的物理模型试样，通过三维加载系统对物理模型试样施加边界应力，监测在开挖过程中物理模型试样的应力、变形、破裂等多元信息，实现深部工程灾害孕育过程的模拟与监测。该类型试验可相对真实地还原地质构造、可控三维边界应力、可模拟工程开挖行为、可有选择地控制诱发条件、可物理再现重要部位的破裂和致灾过程，是应对上述重大地质灾害机制分析和预警研究的基础手段。

例如，申请号为201310336255.0的中国专利申请，公开了一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，主要用于研究爆破震动对岩爆的诱发机制；申请号为201610326802.0的中国专利申请，公开了一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统及煤岩模型试验方法，主要用于模拟地应力和瓦斯应力作用下煤与瓦斯突出问题；申请号为201780002869.1的中国专利申请，公开了一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，该系统的加载能力为4500t，主要用于模拟深部洞室开挖非连续变形破坏过程；申请号为202111164829.1的中国专利申请，公开了一种多功能三维相似模拟试验平台与试验方法，主要模拟微波热力破岩和致裂增透。

然而，上述现有的三维相似材料物理模型试验仍存在以下问题：1）模拟的地质条件、赋存环境及工程活动单一，未能模拟油气水多相多组分、复杂洞室群开挖、水平井压裂、深部地热开采、深部金属矿采场群开采、通风、充填等深地工程活动；2）模型尺寸集中在1～2m，物理模型相似比过大，导致地质构造信息失真，无法有效再现深部工程的复杂性，同时工程行为的模拟与在线监测能力受限制；3）无法实现面向深部百米～千米尺度工程范围的物理模拟；4）无法模拟深部工程中的构造应力环境，限制了构造应力与工程活动耦合下地质灾害机理的研究；5）加载能力在10000t以下，无法对超大型相似材料模型施加较高的地应力边界条件。

因此，面向万米埋深的深地工程时，研发一种超大型深部工程灾害物理模拟设施十分必要，其与现有尺寸级别的三维相似材料物理模型试验加载装置相比，需要解决的问题有：极端条件下超大型地质模型加载框架的机械设计分析和极限加工工艺保证、超高荷载条件下框架结构局部应力集中导致结构变形不协调、超大断面同一轴向应力加载同步性与稳定性控制精度低。针对深地地应力环境、地质结构、工程活动等的复杂性，超大型深部工程灾害物理模拟设施还需要解决以下难题：1）深地超高构造应力、超高流体压力、超高温等极端赋存环境耦合模拟难题；2）深地大规模褶皱、断层、硬性结构面、层状结构和圈闭构造等复杂地质结构模拟难题；3）深地复杂工程活动诱发的多类型灾害孕育过程模拟与透明化监测难题；4）深地高地应力、构造应力、非对称应力、开挖扰动应力等复杂应力环境模拟难题；5）超大型物理模型试样高应力加载、均布应力加载、长时稳定加载难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超大型深部工程灾害物理模拟设施，针对超大型物理模型试样可实现多相多组分及复杂地质结构精细化3D打印，同时满足深部复杂地质条件下多相多组分3D打印地质体模型真三轴高应力、构造应力、扰动应力加载要求，可智能透明化监测开挖、开采、抽采、通风等复杂工程活动下的变形、超声、声发射和地质灾害孕育全过程的多元信息，可实现多任务智能协同总控与大数据云共享，可满足1:40～1:100的应力相似比范围内100～10000 m深部岩石应力环境、50000～12550000m

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超大型深部工程灾害物理模拟设施，包括地质模型长时间大载荷加载系统、深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统、高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统、深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统、深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统、深部金属矿超大型采场智能充填系统、深井增强型地热安全智能开采系统、大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统、超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统；所述地质模型长时间大载荷加载系统包括大型混凝土基坑安装槽、超大型深部工程灾害物理模拟试验装置、分布式主控制中心、集群式大流量高压液压泵站、循环冷却水冷塔及电控柜；所述超大型深部工程灾害物理模拟试验装置布设于大型混凝土基坑安装槽内；所述分布式主控制中心、循环冷却水冷塔及电控柜位于地面之上且与大型混凝土基坑安装槽相邻；所述集群式大流量高压液压泵站位于地面之下，集群式大流量高压液压泵站与大型混凝土基坑安装槽相邻；所述深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统位于地面之上且与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置相邻，在深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置之间配置有模型试样转运装置；所述高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置配合使用，高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统包含用于液相、气相、临界、超临界气体的注入与实施监测的注气增压与监测装置、注水增压与监测装置，包含用于实现酸性化学溶液流体注入的化学反应增压与监测装置，还包含定压定流装置和恒温恒压装置；所述深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置配合使用，深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统包含用于主通道开挖的三坐标进给系统，包含用于二级通道精细化开挖、三级及远结构精细化开挖的多关节蠕动机器人，多关节蠕动机器人配置有旋转铰刀、辅助工装及多自由度柔性机械手；所述深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置配合使用，深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统用于模拟通风工程活动；所述深部金属矿超大型采场智能充填系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置配合使用，深部金属矿超大型采场智能充填系统用于模拟采场充填；所述深井增强型地热安全智能开采系统与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置配合使用，所述深井增强型地热安全智能开采系统用于模拟注入井与采出井的钻进；所述大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统包含多类型传感器，多类型传感器在物理模型试样3D打印过程中采用预埋安装方式，大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统用于多类型传感数据监测；所述超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统位于地面之上且与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置相邻，超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统包含用于设施内各系统之间数据互联互通、协同控制与调度、数据采集与展示的协同总控子系统，包含用于统一计算引擎批流融合处理的批流融合试验大数据计算子系统，包含用于深部工程物理模拟试验全透明交互展示的物理模拟试验数字孪生子系统。

所述超大型深部工程灾害物理模拟试验装置包括水平向超大型反力框架、竖直向超大型反力框架、第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组、第五阵列分布式液压作动器组、线列分布式液压作动器组及超长行程举升锁紧液压缸；所述竖直向超大型反力框架包括反力顶板、支撑立柱及反力底座；所述水平向超大型反力框架采用外圆内方的环形结构，水平向超大型反力框架固定安装在大型混凝土基坑安装槽内，在水平向超大型反力框架的侧部留有开挖孔道；所述水平向超大型反力框架采用八段拱形梁经碳纤维缠绕拼接而成；所述竖直向超大型反力框架位于水平向超大型反力框架的内侧；所述反力底座位于反力顶板正下方，反力底座与反力顶板之间通过均布的四根支撑立柱固定连接，竖直向超大型反力框架形成双梁四柱式预紧力框架结构；在所述反力顶板上开设有钻井孔道；所述超长行程举升锁紧液压缸数量为四根，四根超长行程举升锁紧液压缸均布设置在水平向超大型反力框架与反力顶板之间；所述超长行程举升锁紧液压缸的缸筒内嵌固定在水平向超大型反力框架内部，超长行程举升锁紧液压缸的活塞杆朝上与反力顶板固定连接；所述第一阵列分布式液压作动器组布设在反力顶板下表面；所述第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组分别布设在水平向超大型反力框架的内方表面，第二阵列分布式液压作动器组与第四阵列分布式液压作动器组正对分布，第三阵列分布式液压作动器组与第五阵列分布式液压作动器组正对分布；所述线列分布式液压作动器组内嵌在反力底座上表面中部，线列分布式液压作动器组的加载面与反力底座上表面相平齐。

所述线列分布式液压作动器组内包含的所有单体液压作动器均采用动态液压作动器，且动态液压作动器的最大扰动频率为5Hz，动态液压作动器的外部支架包含有四根抗侧向力的导向杆，动态液压作动器采用双出杆对称结构，在动态液压作动器的缸筒外部设有大流量集成阀块，大流量集成阀块上设有双伺服阀。

所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组内包含的单体液压作动器结构相同，单体液压作动器缸筒内部的活塞与缸筒底板之间设置有磁致伸缩位移传感器，在单体液压作动器的缸筒外部设置有伺服阀和蓄能器，在单体液压作动器的活塞端部设置有负荷传感器。

所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器，且穿心式液压作动器的活塞杆采用双出杆空心结构。

在所述集群式大流量高压液压泵站内布设有液压油源系统，液压油源系统采用分布式液压站设计方案，总计包括八台液压站；其中的前五台液压站分别与第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组连接，第六台液压站与线列分布式液压作动器组相连，第七台液压站与超长行程举升锁紧液压缸相连，第八台液压站作为备用液压站。

所述地质模型长时间大载荷加载系统采用以单作动器控制器为节点的分布式网络控制系统，用于系统的冗余控制和控制器的热更换；分布式网络控制系统包括三层结构，第一层为主控制器，第二层为加载面阵列控制器，第三层为各个独立加载作动器的控制器，主控制器用于人机交互、试验管理、试验模式设置、试验数据本地存储和上传，主控制器通过Modbus TCP/UDP协议与超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统进行数据交换，主控制器根据Modbus协议通过网线与分布于各个加载面上的加载面阵列控制器进行数据交换，加载面阵列控制器根据Modbus协议通过网线与各个独立加载作动器的控制器进行数据交换。

本发明的有益效果：

1、本发明可以模拟深部复杂地质结构与极端赋存环境

通过深部多相多组分复杂地质体模型3D打印技术，可在超大型物理模型试样内部实现褶皱、断层、硬性结构面、层状结构和圈闭构造等地质结构的智能打印，通过对岩土类密封材料进行局部打印，辅以高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制技术，以及深井增强型地热安全智能开采技术，可实现流体压力、高温环境、化学材料等的注入，模拟深部复杂地质结构与极端赋存环境。

2、本发明可以模拟复杂工程活动

通过复杂隧道洞室群的微型机器人开挖钻进技术、深部油气开发与储层模拟技术、深部金属矿复杂钻采运网络智能通风技术、深部金属矿超大型采场智能充填技术、深井增强型地热安全智能开采技术，辅以地质模型长时间大载荷加载系统预留的接口，可实现开采、开挖、通风、充填、抽采等复杂工程活动模拟。

3、本发明可以实现超大型物理模型试样真三轴边界应力均布加载与构造应力模拟

通过平面正交型高刚度加载结构，辅以碳纤维缠绕工艺，基于阵列式液压作动器加载技术与以单作动器控制器为节点的分布式网络冗余控制技术，可实现液压作动器的独立加载、局部加载与同步加载，尤其是可以针对某一地质构造施加局部高应力，实现了深部构造应力环境模拟。

4、本发明可以实现物理模型试样地质灾害孕育全过程的三维可视化

通过超大型深部工程灾害物理模拟数字孪生技术，可实现复杂地质结构与极端赋存环境地质模型的精准重构，基于全透明实时渲染技术，可实现开挖、开采、抽采、通风、充填等复杂工程活动的实时展示，辅以大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测技术，可以实时监测裂纹位置、方向及规模，实现地质灾害孕育全过程的实时渲染。

附图说明

图1为本发明的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的结构原理框图；

图2为本发明的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的结构示意图；

图3为本发明的超大型深部工程灾害物理模拟试验装置（状态一）的结构示意图；

图4为本发明的超大型深部工程灾害物理模拟试验装置（状态二）的结构示意图；

图中，1—地质模型长时间大载荷加载系统，2—深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，3—高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统，4—深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统，5—深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统，6—深部金属矿超大型采场智能充填系统，7—深井增强型地热安全智能开采系统，8—大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统，9—超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统，10—大型混凝土基坑安装槽，11—超大型深部工程灾害物理模拟试验装置，12—分布式主控制中心，13—集群式大流量高压液压泵站，14—循环冷却水冷塔，15—电控柜，16—模型试样转运装置，17—水平向超大型反力框架，18—第一阵列分布式液压作动器组，19—第二阵列分布式液压作动器组，20—第三阵列分布式液压作动器组，21—第四阵列分布式液压作动器组，22—第五阵列分布式液压作动器组，23—线列分布式液压作动器组，24—超长行程举升锁紧液压缸，25—反力顶板，26—支撑立柱，27—反力底座，28—开挖孔道，29—钻井孔道，30—液压站，31—穿心式液压作动器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种超大型深部工程灾害物理模拟设施，包括地质模型长时间大载荷加载系统1、深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统2、高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统3、深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统4、深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统5、深部金属矿超大型采场智能充填系统6、深井增强型地热安全智能开采系统7、大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8、超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9；所述地质模型长时间大载荷加载系统1包括大型混凝土基坑安装槽10、超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11、分布式主控制中心12、集群式大流量高压液压泵站13、循环冷却水冷塔14及电控柜15；所述超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11布设于大型混凝土基坑安装槽10内；所述分布式主控制中心12、循环冷却水冷塔14及电控柜15位于地面之上且与大型混凝土基坑安装槽1相邻；所述集群式大流量高压液压泵站13位于地面之下，集群式大流量高压液压泵站13与大型混凝土基坑安装槽10相邻；所述深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统2位于地面之上且与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11相邻，在深部油气水多相多组分复杂地质体模型3D打印系统2与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11之间配置有模型试样转运装置16；所述高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统3与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11配合使用，高温-化学-多相流体协同注入、监测与控制系统3包含用于液相、气相、临界、超临界气体的注入与实施监测的注气增压与监测装置、注水增压与监测装置，包含用于实现酸性化学溶液流体注入的化学反应增压与监测装置，还包含定压定流装置和恒温恒压装置；所述深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统4与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11配合使用，深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统4包含用于主通道开挖的三坐标进给系统，包含用于二级通道精细化开挖、三级及远结构精细化开挖的多关节蠕动机器人，多关节蠕动机器人配置有旋转铰刀、辅助工装及多自由度柔性机械手；所述深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统5与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11配合使用，深部金属矿复杂钻采运网络智能通风系统5用于模拟通风工程活动；所述深部金属矿超大型采场智能充填系统6与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11配合使用，深部金属矿超大型采场智能充填系统6用于模拟采场充填；所述深井增强型地热安全智能开采系统7与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11配合使用，所述深井增强型地热安全智能开采系统7用于模拟注入井与采出井的钻进；所述大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8包含多类型传感器，多类型传感器在物理模型试样3D打印过程中采用预埋安装方式，大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8用于多类型传感数据监测；所述超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9位于地面之上且与超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11相邻，超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9包含用于设施内各系统之间数据互联互通、协同控制与调度、数据采集与展示的协同总控子系统，包含用于统一计算引擎批流融合处理的批流融合试验大数据计算子系统，包含用于深部工程物理模拟试验全透明交互展示的物理模拟试验数字孪生子系统。

所述超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11包括水平向超大型反力框架17、竖直向超大型反力框架、第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21、第五阵列分布式液压作动器组22、线列分布式液压作动器组23及超长行程举升锁紧液压缸24；所述竖直向超大型反力框架包括反力顶板25、支撑立柱26及反力底座27；所述水平向超大型反力框架17采用外圆内方的环形结构，水平向超大型反力框架17固定安装在大型混凝土基坑安装槽10内，在水平向超大型反力框架17的侧部留有开挖孔道28；本实施例中，水平向超大型反力框架17的外圆直径为20m，内方边长为10m，竖直高度为5.5m，开挖孔道28的孔径为0.5m；需要强调的是，现阶段由于水平向超大型反力框架17受限于铸造、热处理、加工等许多工艺极限能力以及装配、运输等条件，目前水平向超大型反力框架17无法实现一体化制造，只能采用拼接方式，同时由于传统高强螺栓预应力框架结构存在预紧刚度过高、应力集中较大、组合界面加工精度要求较高等问题，所述水平向超大型反力框架7采用八段拱形梁经碳纤维缠绕拼接而成；所述竖直向超大型反力框架位于水平向超大型反力框架17的内侧；所述反力底座27位于反力顶板25正下方，反力底座27与反力顶板25之间通过均布的四根支撑立柱26固定连接，竖直向超大型反力框架形成双梁四柱式预紧力框架结构；在所述反力顶板25上开设有钻井孔道29；本实施例中，反力底座27与反力顶板25之间的间距为8.5m，钻井孔道29数量为两个，钻井孔道29的孔径为200mm，支撑立柱26为空心结构，支撑立柱26内部穿装有预应力拉杆，反力顶板25、支撑立柱26及反力底座27之间通过预应力拉杆并由高强螺母提供预紧力实现三者的紧固连接，在支撑立柱26外部安装有导向环，导向环主体为铜套摩擦环，用于与水平向超大型反力框架17滑动接触配合，反力底座27采用分体式铸件组合结构，可承载300t试样并保证提供竖直向15000t静反力支撑，此外为了满足作动器极限加载并出力15000t时整个竖直向超大型反力框架的可靠性，减小框架拉伸变形对实验的影响，提高整体框架稳定性，支撑立柱26内部的预应力拉杆需要始终处于拉伸应力状态，进而使支撑立柱26需始终保持屈服应力状态；所述超长行程举升锁紧液压缸24数量为四根，四根超长行程举升锁紧液压缸24均布设置在水平向超大型反力框架17与反力顶板25之间；所述超长行程举升锁紧液压缸24的缸筒内嵌固定在水平向超大型反力框架17内部，超长行程举升锁紧液压缸24的活塞杆朝上与反力顶板25固定连接；所述第一阵列分布式液压作动器组18布设在反力顶板25下表面；所述第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22分别布设在水平向超大型反力框架17的内方表面，第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组20正对分布，第三阵列分布式液压作动器组20与第五阵列分布式液压作动器组22正对分布；所述线列分布式液压作动器组23内嵌在反力底座27上表面中部，线列分布式液压作动器组23的加载面与反力底座27上表面相平齐；本实施例中，第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22内均包含25个单体液压作动器，且25个单体液压作动器以5×5阵列方式分布，线列分布式液压作动器组13内包含5个单体液压作动器，且5个单体液压作动器分布在一条直线上。

所述线列分布式液压作动器组23内包含的所有单体液压作动器均采用动态液压作动器，且动态液压作动器的最大扰动频率为5Hz，动态液压作动器的外部支架包含有四根抗侧向力的导向杆，动态液压作动器采用双出杆对称结构，在动态液压作动器的缸筒外部设有大流量集成阀块，大流量集成阀块上设有双伺服阀。

所述第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22内包含的单体液压作动器结构相同，单体液压作动器缸筒内部的活塞与缸筒底板之间设置有磁致伸缩位移传感器，在单体液压作动器的缸筒外部设置有伺服阀和蓄能器，在单体液压作动器的活塞端部设置有负荷传感器。

所述第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器31，且穿心式液压作动器31的活塞杆采用双出杆空心结构。本实施例中，第一阵列分布式液压作动器组18中心处的穿心式液压作动器31数量为两个且活塞杆空心直径均为300mm，第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22中心处的穿心式液压作动器31数量为一个且活塞杆空心直径均为500mm。

在所述集群式大流量高压液压泵站13内布设有液压油源系统，液压油源系统采用分布式液压站设计方案，总计包括八台液压站30；其中的前五台液压站分别与第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22连接，第六台液压站与线列分布式液压作动器组23相连，第七台液压站与超长行程举升锁紧液压缸24相连，第八台液压站作为备用液压站；本实施例中，液压站的最大流量为4000L/min，液压站的额定工作压力为21MPa。

所述地质模型长时间大载荷加载系统1采用以单作动器控制器为节点的分布式网络控制系统，用于系统的冗余控制和控制器的热更换；为了实现控制逻辑的清晰和系统维护的方便，更重要的是为了保证长时电液伺服保载试验的顺利进行，分布式网络控制系统包括三层结构，第一层为主控制器，第二层为加载面阵列控制器，第三层为各个独立加载作动器的控制器，主控制器用于人机交互、试验管理、试验模式设置、试验数据本地存储和上传，主控制器通过Modbus TCP/UDP协议与超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9进行数据交换，主控制器根据Modbus协议通过网线与分布于各个加载面上的加载面阵列控制器进行数据交换，加载面阵列控制器根据Modbus协议通过网线与各个独立加载作动器的控制器进行数据交换。

需要说明是，由于本实施例中的地质模型长时间大载荷加载系统1的控制通道包括125个静态控制通道和5个动态控制通道，使得系统的构成极为复杂，如果采用传统的集中式控制系统，受每个控制器一般不超过8个闭环控制通道的限制，加上用于冗余控制和保护切换判断的控制器系统中将会出现多达30个集中式控制器，导致控制逻辑非常复杂，互联接线数量多，抗干扰能力和可靠性将大大下降，一旦某一个控制器出现问题，将会出现8个作动器同时失控的现象，这对试验的可靠性将是灾难性的。因此，当地质模型长时间大载荷加载系统1采用以单作动器控制器为节点的分布式网络控制系统时，控制逻辑简单清晰，连线简单可靠，双输出位移传感器和保护与切换控制器以及加载面阵列控制器的共同作用，实现了加载系统的冗余控制和控制器的热更换，可保证加载控制系统长达5000小时的长时电液伺服稳定保载。

以断裂型岩爆模拟为例，通过超大型深部工程灾害物理模拟设施开展试验，包括如下步骤：

步骤一：制备超大型物理模型试样

利用深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统2在模型试样转运装置16上打印制作超大型物理模型试样，超大型物理模型试样的尺寸为5m×5m×5m，内含倾角45度、长度为3.5 m、宽度为1 m的结构面；在超大型物理模型试样打印过程中，在超大型物理模型试样的内部预埋入应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器；

步骤二：转运超大型物理模型试样

当超大型物理模型试样完成打印制作并完成养护后，利用模型试样转运装置16将超大型物理模型试样转移至超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11内，使超大型物理模型试样准确置于反力底座27上表面，之后将超大型物理模型试样内部预埋的应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器的引线与大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8电连接在一起，并在试验前对各个传感器进行检测，确保所有传感器均能够正常工作；

步骤三：协同总控连接

将大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8、地质模型长时间大载荷加载系统1、深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统4的所有接口与超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9电连接在一起；

步骤四：安装超大型物理模型试样

控制超长行程举升锁紧液压缸24执行回缩动作，在超长行程举升锁紧液压缸24的带动下，使竖直向超大型反力框架整体下移，直到竖直向超大型反力框架内的超大型物理模型试样准确进入水平向超大型反力框架17内部；

步骤五：预夹紧超大型物理模型试样

采用位移控制方式，先由第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组21对超大型物理模型试样进行预夹紧，再由第三阵列分布式液压作动器组20与第五阵列分布式液压作动器组22对超大型物理模型试样进行预夹紧；

步骤六：预应力加载

采用负荷控制方式，先由第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组21对超大型物理模型试样进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；再由第三阵列分布式液压作动器组20与第五阵列分布式液压作动器组22对超大型物理模型试样进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；之后，采用位移控制方式，由第一阵列分布式液压作动器组19对超大型物理模型试样进行预压紧，再变换为负荷控制方式，由第一阵列分布式液压作动器组19对超大型物理模型试样进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；其中，预应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；

步骤七：主应力加载

采用负荷控制方式，先由第三阵列分布式液压作动器组20与第五阵列分布式液压作动器组22对超大型物理模型试样进行主应力加载，且主应力加载至1MPa；再由第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组21对超大型物理模型试样进行主应力加载，且主应力加载至2MPa；之后，由第一阵列分布式液压作动器组19对超大型物理模型试样进行主应力加载，且主应力加载至5MPa；其中，主应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；同时，在主应力加载过程中，通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器及声发射传感器进行数据的同步监测；

步骤八：机器人开挖

利用深部地质环境下模型内部复杂工程结构机器人开挖与监测系统4在第二阵列分布式液压作动器组19中心处的穿心式液压作动器中心孔道进行开挖，开挖孔洞的直径为0.5m，开挖孔洞的深度为4m；同时，开挖活动同步于超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9；

步骤九：应力保载

对开挖后的超大型物理模型试样进行应力保载，保载时间为5000h，此阶段可能出现强度较小的断裂型岩爆；

步骤十：构造应力模拟

当超大型物理模型试样完成5000h的应力保载后，采用负荷控制方式，增大第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组21的上层两排单体作动器加载的主应力，且加载的主应力增至4MPa，用以在物理模型试样结构面位置形成局部高应力，诱导较大强度的断裂型岩爆，同时在超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9中同步渲染再现；其中，应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；同时，在加载过程中，观察开挖孔洞的破裂情况，并通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器进行数据的同步监测；

步骤十一：动态扰动应力加载

由线列分布式液压作动器组23在静应力的基础上对超大型物理模型试样进行局部动力扰动，施加频率为5Hz，振幅为1MPa，扰动载荷时间为30分钟，诱导较大强度的断裂型岩爆，同时在超大型物理模拟试验多任务智能协同总控与数字孪生系统9中同步渲染再现；同时，在局部动力扰动过程中，观察开挖孔洞的破裂情况，并通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器进行数据的同步监测；

步骤十二：卸载

采用位移控制方式，先将线列分布式液压作动器组23卸载至0MPa，再将第一阵列分布式液压作动器组18卸载至4MPa，然后将第一阵列分布式液压作动器组18和第二阵列分布式液压作动器组19与第四阵列分布式液压作动器组21的上层两排单体作动器同步卸载至2MPa，之后将第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19及与第四阵列分布式液压作动器组21同步卸载至1MPa，最后将第一阵列分布式液压作动器组18、第二阵列分布式液压作动器组19、第三阵列分布式液压作动器组20、第四阵列分布式液压作动器组21及第五阵列分布式液压作动器组22同步卸载至0MPa；其中，位移控制速率为10mm/min；

步骤十三：拆样

将应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器的引线与大型地质模型开挖破裂过程全时空智能高精度监测系统8断开连接，然后控制超长行程举升锁紧液压缸24执行伸长动作，在超长行程举升锁紧液压缸24的带动下，使竖直向超大型反力框架整体上移，直到竖直向超大型反力框架内的超大型物理模型试样从水平向超大型反力框架17内部完全移除，最后利用模型试样转运装置16将超大型物理模型试样从超大型深部工程灾害物理模拟试验装置11中移出，拆样结束。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。