[发明专利]一种双向多角度智能翻转模型试验装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，特别涉及一种用于进行不同应力条件、不同倾斜角度、不同模型尺寸岩层的物理模型试验装置及试验方法。

背景技术

随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，开采强度不断加大。而随着浅部资源的逐渐减少，矿山开采不断向深部发展。根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加。近年，已有一批煤矿进入深部开采，特别是急倾斜煤层开采一直是采矿技术中的难题，深部煤矿地质赋存条件也变得越来越复杂，为保障深部煤矿工程的施工开挖与运营安全，亟需对深部煤矿稳定性和支护进行深入研究，由于地下工程自身结构和地质赋存环境的复杂性，传统的理论分析方法难以处理这些复杂的非线性变形破坏问题。同时，鉴于数值分析方法在处理煤层破坏问题时自身具有的局限性，迄今为止，数值方法在模拟地下工程破坏方面仍难以取得突破性进展，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性已成不可替代的研究手段。

煤层的开采会导致不同程度的地表沉陷，由此带来一系列的安全和环境问题。国内外学者对煤层开采进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。但由于采矿地质条件的复杂性，使得问题仍未得到圆满解决，如何观测和掌握这类复杂条件下煤层开采变形的特点是解决当前煤矿生产不可回避的问题之一。

目前，针对地质力学模型试验，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)申请号为201410263097.5的中国专利公开了一种旋转扰动饱含瓦斯煤体的实验装置采用旋转方式扰动饱含瓦斯煤体，观察外力扰动下瓦斯压力的变化，为煤对瓦斯吸附平衡的科学研究提供了一种实验手段。

(2)申请号为201210588364.7的中国专利公开了一种岩爆模拟试验装置，由主机和液压控制系统组成，能够在室内实现大尺寸模型岩爆的模拟，进一步减小了因试样尺寸小而导致的明显尺寸效应，真实的模拟岩爆现象；

(3)申请号为201110412569.5的中国专利公开了一种海底隧道流固耦合模型试验系统，可直观观察施工过程中海底隧道围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程的、可模拟平面及准三维流固耦合模型试验。

(4)《岩石力学与工程学报》2004年11月份第23卷22期由陈安敏、顾金才等发表的“地质力学模型试验技术应用研究”(第3785～3789页)一文中第3.3小节中公开了YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置，该装置具有双向旋转功能，可围绕模型平面旋转360°，围绕模型立面旋转35°，为复杂地层的模型制作、模拟岩土体的自重应力以及研究边坡坡角的影响等提供了方便。

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.上述试验装置不论大小，均不能同时实现双向定量化组合翻转，且改变翻转方向要进行二次拆装，模型尺寸固定不能进行模拟不同尺寸的模型试验；

2.上述模型试验装置试验过程中操作复杂，大部分仅能定性的观察破坏现象难以实现试验过程的可视化实时监测，且试验后模型材料不方便取出。

为了更好地研究和模拟不同地质条件、不同岩层倾角、不同模型尺寸岩层的破坏形式，需要研制一种双向多角度智能翻转模型试验装置系统，以便解释煤岩层特别是倾斜煤岩层的破坏规律。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可实现模型架前后、左右组合翻转的物理模型试验装置系统及试验方法，实现模拟不同地质条件、不同岩层倾角、不同模型尺寸岩层的变形破坏特征和岩层运动规律。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双向多角度智能翻转模型试验装置，包括：模型加载反力装置、左右翻转装置、前后翻转装置以及开挖槽；

所述左右翻转装置设置在模型加载反力装置的底部，用于实现模型加载反力装置的左右翻转；所述前后翻转装置设置在模型加载反力装置的两侧，用于实现模型加载反力装置的前后翻转；

所述前后翻转装置以及模型加载反力装置均设置在所述左右翻转装置上，所述前后翻转装置能够沿左右翻转装置水平移动，所述模型加载反力装置底部设置开挖槽，用于在模型加载反力装置左右翻转时提供翻转空间。

所述模型加载反力装置包括：顶梁、底梁、侧梁、前后反力梁、推力器以及第一液压油缸；