[发明专利]3D打印采空区相似模拟建筑物的方法

说明书

本发明公开3D打印采空区相似模拟建筑物的方法，通过相似准则计算模拟建筑物与原型的力学强度相似比；选择力学强度相似的3D模型材料；调整影响材料力学强度的参数，并根据模拟建筑物的力学强度要求进行选择；应用3D软件进行模型构建；3D打印机打印模拟建筑物模型。本申请中通过对3D打印材料、填充率、打印角度等实现控制建筑物的力学相似与几何相似匹配，解决了埋藏构筑物的变形观测问题，实现了多层建筑物的结构模拟。

技术领域

本发明涉及采空区相似模拟建筑物制备技术领域。具体地说是3D打印采空区相似模拟建筑物的方法。

背景技术

因矿山大规模开采而诱发的地面沉降，导致地表建(构)筑物损坏，甚至发生重大人员伤亡事故屡见不鲜。研究开采沉降致建(构)筑物采动损坏的机理、掌握建筑损坏与地表沉降的相关规律是矿区保证生产生活安全亟待解决的难题。

目前，相似材料模拟实验是研究该类问题重要的研究手段之一。该方法的制作原理是以模型与原型相似，在实验室里借助压力测试仪、应变检测仪等观测模型内的应力应变参数及其分布规律，从而大致还原原型模型发生的岩石力学现象和岩体压力、应变场分布规律。

在采用相似材料模拟实验方法研究建筑损坏与地表沉降的相关规律时，存在以下难点：

(1)建筑模拟材料与岩土模拟材料相似性难于匹配的问题，由于岩土模拟材料多采用河沙作为骨料，配一定比例胶料(石膏、石灰)来模拟相似强度的岩层，模拟的岩层多为沉积岩层，结构简单，均质稳定，比较容易实现。而建筑一般存在一定结构、各向异性，传统模拟材料无法构筑，现有技术中是使用混凝土成型模拟建筑物，虽然尺寸能够等比例缩小，但是力学强度无法进行模拟，建筑物力学强度无法与模拟条件相匹配。因此要保证建筑模拟材料与岩土模拟材料相似性及建筑的可模性需要选择新的相似模拟材料。

(2)制作模拟实验时，建筑模拟材料与岩土模拟材料这两种异质材料因分别制作，两者相互耦合时，如何保证其耦合作用关系与原型相似，目前还缺乏相关的研究。

近年来，3D打印技术因其快速、成本低、环保、制作精美、结构可设计、强度可控性而广泛应用于材料工程领域。矿山物理材料模拟最早始于20世纪30年代由苏联海军总司令Кузнецов提出的，在1960年左右由中国矿业大学引进入国内并将其发展，但是十几年来依旧是由黄沙、云母、水泥等传统相似材料铺设。随着3D打印技术的普及与发展，基于3D打印技术的模拟系统势必会展现出与其现有传统模拟系统不同的发展潜力。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供实现解决建筑物尺寸及力学强度与模拟环境相匹配的3D打印采空区相似模拟建筑物的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：3D打印采空区相似模拟建筑物的方法，包括如下步骤：

(1)根据相似模拟试验台尺寸及矿井地质资料，确定模型的几何相似比和容重相似比，并根据相似定理和相似准则计算模型与原型的其他参数的相似比；

(2)选择力学强度相似的3D打印模型材料，并选择填充率、打印层厚和打印速度三个因素进行正交实验；

(3)根据正交实验结果，调整影响材料力学强度的参数，并根据模拟建筑物的力学强度要求进行选择；

(4)应用3D软件进行模型构建；

(5)3D打印机打印模拟建筑物模型。

上述3D打印采空区相似模拟建筑物的方法，在步骤(1)中：其他参数的相似比包括时间相似比和弹性模量相似比。

上述3D打印采空区相似模拟建筑物的方法，