1.一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:包括移动平台、箱体、支撑框架、巷道掘进装置、数据监测单元、动载加载控制单元和主控制单元;
所述移动平台上设置有支撑台,所述支撑台可相对于移动平台移动,所述支撑台上放置箱体;
所述箱体呈长方体结构,箱体内放置有相似材料模型,箱体上可拆卸设置有观察窗,箱体内部左端及右端均设置有侧向承压板,箱体内部顶端设置有轴向承压板;
所述支撑框架架设在移动平台及箱体的左端、右端及顶端;
支撑框架的左端设置有若干个摆锤冲击单元,所述摆锤冲击单元包括第一冲击杆、摆动杆、摆锤、第一定滑轮和第一拉绳;第一冲击杆穿过箱体,第一冲击杆可沿着水平方向移动,第一冲击杆的一端接触箱体内部左端的侧向承压板,摆动杆的上端铰接支撑框架,摆动杆的下端设置摆锤,第一定滑轮设置于支撑框架上,第一拉绳的一端连接摆锤,第一拉绳的另一端经第一定滑轮引出;拉动第一拉绳并松开第一拉绳后,摆动杆相对于支撑框架摆动,摆锤撞击第一冲击杆的另一端;
支撑框架的左端设置有若干个侧向作动器,侧向作动器连接第二冲击杆的一端,第二冲击杆穿过箱体,第二冲击杆可沿着水平方向移动,第二冲击杆的另一端接触箱体内部左端的侧向承压板;
支撑框架的右端设置有若干个侧向加载油缸,侧向加载油缸的加载端穿过箱体,侧向加载油缸的加载端沿着水平方向加载,侧向加载油缸的加载端接触箱体内部右端的侧向承压板;
支撑框架的顶端设置有若干个落锤冲击单元,所述落锤冲击单元包括第三冲击杆、落锤、第二定滑轮和第二拉绳;第三冲击杆穿过箱体,第三冲击杆可沿着竖直方向移动,第三冲击杆的一端接触箱体内部顶端的轴向承压板,第二定滑轮设置于支撑框架上,第二拉绳的一端连接落锤,第二拉绳的另一端经第二定滑轮引出;拉动第二拉绳并松开第二拉绳后,落锤撞击第三冲击杆的另一端;
支撑框架的顶端设置有若干个轴向作动器,轴向作动器连接第四冲击杆的一端,第四冲击杆穿过箱体,第四冲击杆可沿着竖直方向移动,第四冲击杆的另一端接触箱体内部顶端的轴向承压板;
侧向作动器和轴向作动器均设置为电液伺服作动器,侧向作动器、轴向作动器、侧向加载油缸和轴向加载油缸共用高压泵箱;
动载加载控制单元分别信号连接侧向作动器和轴向作动器,动载加载控制单元信号连接主控制单元;
由主控制单元控制动载加载控制单元使侧向作动器和轴向作动器施加设定冲击形式的动载,改变冲击作用力和冲击频率;侧向作动器、轴向作动器对相似材料模型施加轴向动载,用于模拟周边巷道掘进、周边工作面回采工程持续性扰动;
支撑框架的顶端设置有若干个轴向加载油缸,轴向加载油缸的加载端穿过箱体,轴向加载油缸的加载端沿着竖直方向加载,轴向加载油缸的加载端接触箱体内部顶端的轴向承压板;
所述巷道掘进装置用于在相似材料模型挖掘模拟巷道;
所述数据监测单元用于在相似材料模型被挖掘模拟巷道的过程中,监测相似材料模型的参数。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:所述数据监测单元包括声发射监测单元、应力监测单元、应变监测单元、位移监测单元和变形监测单元;
所述声发射监测单元包括声发射监测控制主机和声发射探头,声发射探头布置于相似材料模型中的不同位置,声发射探头经信号线缆连接声发射监测控制主机;
所述应力监测单元包括应力监测控制主机、应变砖和土压力盒,应变砖及土压力盒布置于相似材料模型中的不同位置,应变砖及土压力盒均经信号线缆连接应力监测控制主机;
所述应变监测单元包括应变监测控制主机和光纤传感器,光纤传感器布置于相似材料模型中的不同位置,光纤传感器经信号线缆连接应变监测控制主机;
所述位移监测单元包括位移监测控制主机和光栅位移传感器,光栅位移传感器布置于相似材料模型中的不同位置,光栅位移传感器经信号线缆连接位移监测控制主机;
所述变形监测单元包括变形监测控制主机、散斑相机和三维扫描仪,散斑相机和三维扫描仪经信号线缆连接变形监测控制主机。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:所述移动平台包括支撑底座、长台和导轨,支撑底座的中间位置设置长台,所述长台沿着支撑底座的前、后方向延伸,支撑底座的左、右两侧位置均设置导轨,所述导轨沿着支撑底座的前、后方向延伸;
支撑台的前、后侧的边沿位置均设置有第一支撑座,第一支撑座上设置有升降油缸,升降油缸的伸缩端朝向下方,升降油缸的伸缩端的末端设置有轮座,所述轮座上转动连接有滚轮,所述滚轮位于所述长台的上方,所述升降油缸的伸缩端伸长后,所述滚轮接触所述长台;
支撑台的左、右侧的边沿位置均设置有第二支撑座,第二支撑座上设置有升降油缸,升降油缸的伸缩端朝向下方,升降油缸的伸缩端的末端设置有滑块,所述滑块滑动连接于所述导轨上;
支撑底座与支撑台之间连接有伸缩油缸。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:支撑框架与箱体之间设置有空心传力筒,第一冲击杆、第二冲击杆、第三冲击杆和第四冲击杆均位于所述空心传力筒内。
5.根据权利要求4所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:支撑框架上设置有螺纹孔,空心传力筒的外表面设置有外螺纹,所述空心传力筒螺纹连接于螺纹孔内。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:所述箱体由多个块状体可拆卸拼接形成。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:还包括静载加载控制单元,静载加载控制单元分别信号连接侧向加载油缸和轴向加载油缸,侧向加载油缸和轴向加载油缸内均设置有液压传感器,静载加载控制单元和液压传感器均信号连接主控制单元。
8.根据权利要求7所述的一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,其特征在于:所述巷道掘进装置包括移动底盘、行驶驱动机构、转盘、转动驱动机构、悬臂架、多级油缸、支撑油缸、旋转钻头、旋转驱动机构、应力传感器和挖掘控制单元;所述移动底盘可经行驶驱动机构带动行驶,所述转盘转动连接于移动底盘上,所述转盘可经转动驱动机构带动转动,所述悬臂架设置于转盘上,转盘上设置悬臂架,多级油缸的缸体端铰接悬臂架,支撑油缸的一端铰接悬臂架,支撑油缸的另一端铰接多级油缸的缸体端,多级油缸的伸缩端的末端设置旋转钻头,所述旋转钻头由旋转驱动机构带动转动,所述旋转钻头上设置应力传感器;挖掘控制单元分别信号连接行驶驱动机构、转动驱动机构、多级油缸、支撑油缸、旋转驱动机构和应力传感器,挖掘控制单元信号连接主控制单元。
9.一种用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验方法,其特征在于:应用权利要求1至
8任一项所述的用于模拟深部巷道开挖的三维动静载试验系统,所述方法如下:
步骤1、模型铺设及传感器布置
将箱体随支撑台相对于移动平台向前方移出,将相似材料模型放置于箱体的内部,根据不同岩层的力学参数及相似比调整材料配比,铺设材料形成相似材料模型;在材料铺设过程中,在相似材料模型内相应位置埋设声发射探头、应变砖、土压力盒、光纤传感器和光栅位移传感器;在材料铺设完成后,将相似材料模型放置设定时间;待相似材料模型风干成型后,取下观察窗,在相似材料模型于模拟巷道待开挖位置喷涂散斑点,并将观察窗重新安装至箱体上,将箱体随支撑台相对于移动平台向后方移入;
步骤2、初始地应力模拟
根据试验方案,对相似材料模型进行加载以模拟巷道开挖初始地应力状态;加载方式为应力控制下分级加载,利用侧向加载油缸和轴向加载油缸对模型分级同步加载,每完成一级加载后保载设定时间;
步骤3、巷道开挖模拟
利用巷道掘进装置在相似材料模型中挖掘模拟巷道,模拟巷道的开挖参数根据相似比设定,巷道掘进装置挖掘出的模拟巷道利用钢签模拟锚杆或锚索支护;
步骤4、动载模拟
待模拟巷道开挖完毕后,设置轴向作动器的冲击形式,利用轴向作动器对模型施加轴向动载;设置侧向作动器的冲击形式,利用侧向作动器对模型施加侧向动载;利用落锤冲击单元对模型施加轴向冲击;利用摆锤冲击单元对模型施加侧向冲击;
在步骤2至步骤4的过程中,利用数据监测单元监测相似材料模型的参数。