CN118072602A - 地下工程智能掘支物理模拟试验***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程智能掘支物理模拟试验***与方法，属于地质力学模型试验技术领域。包括框架组件和控制组件，框架组件沿掘进方向依次设置有掘进组件、支护组件和清渣组件；控制组件用于控制掘进组件、支护组件和清渣组件的工作状态；支护组件包括定位框架、钻孔单元和送锚单元，定位框架套设于框架组件，钻孔单元和送锚单元沿掘进方向依次设置于定位框架内，钻孔单元的钻孔端可伸出定位框架的顶部，送锚单元连接有预制锚杆，预制锚杆的非连接端部伸出框架组件的顶部。能够还原实际工程中边掘边支的施工过程，提高地质力学模型试验的准确性，解决了地质力学模型试验可靠性低的问题。

Description

地下工程智能掘支物理模拟试验***与方法

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验技术领域，尤其涉及一种地下工程智能掘支物理模拟试验***与方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

我国地下空间利用前景广阔，但面对的问题复杂多变，科研人员常采用多种方法来进行相关问题的研究，其中，地质力学模型试验是常用的一种研究手段。它是基于一定的相似原理对所研究的某一工程地质构造进行缩尺研究的一种物理模拟方法，通过还原施工现场情况，监测模型体应力、位移、渗透压力等数据进行研究，为实际工程现场问题发现和解决提供可靠参考。

相关工程的开挖和支护模拟是模型试验还原过程中必不可少的一环，对于围岩稳定性研究具有重要意义，但是由于现有技术手段的限制，往往无法较好还原真实施工过程，仍存在以下问题：

1、目前开展模型试验时，开挖过程常采用人工开挖或者预埋构件移除的方式完成，这两种方式与实际现场采用大型机械进行逐段开挖过程完全不符，极大的影响了开挖过程对围岩扰动时的真实应力场变化，使得监测数据失去意义，降低了试验可靠性。

2、模型试验锚杆施作常采用人工手持电钻打孔后***锚杆或者在填料过程中在设计位置预埋的方法，无法还原实际开挖后锚杆施工的过程，且锚杆施作常受模型体尺寸限制，难以精确定位，准确度降低。

3、实际模型试验开挖和锚杆施作常常无法协作完成，互相之间有所干扰，与实际现场情况差别较大，降低了试验最终结果的可信度，限制了目前地质力学模型试验领域的发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种地下工程智能掘支物理模拟试验***与方法，以解决当前地质力学模型试验掘进支护过程中还原实际工程困难、结果可靠性较低等问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种地下工程智能掘支物理模拟试验***；

地下工程智能掘支物理模拟试验***，包括：

框架组件，所述框架组件沿掘进方向依次设置有掘进组件、支护组件和清渣组件；所述掘进组件用于多种形状断面工程的开挖与掘进，所述支护组件用于全断面支护，所述清渣组件用于清除随掘进组件掘进掉落的粉渣；

控制组件，所述控制组件用于控制所述掘进组件、所述支护组件和所述清渣组件的工作状态；

其中，所述支护组件包括定位框架、钻孔单元和送锚单元，所述定位框架套设于所述框架组件，所述钻孔单元和所述送锚单元沿掘进方向依次设置于所述定位框架内，所述钻孔单元的钻孔端可伸出所述定位框架的顶部，所述送锚单元连接有预制锚杆，所述预制锚杆的非连接端部伸出所述框架组件的顶部。

进一步的，所述掘进组件包括辅助支撑框，所述辅助支撑框设置于所述框架组件；所述辅助支撑框的环周侧设置有可升降的磨平圆盘，所述辅助支撑框沿掘进方向的端部设置有开挖单元。

优选的，所述开挖单元包括刀盘和刀片，所述刀片设置于所述刀盘，所述刀盘的纵截面为勒洛三角形。

进一步的，所述预制锚杆为预制反锚锚杆或预制锚固锚杆；

所述预制锚固锚杆的非连接端部设置有黏合物囊。

进一步的，所述清渣组件包括收集单元和存储单元，所述收集单元设置于所述掘进组件后方，所述收集单元与所述存储单元连通。

进一步的，所述框架组件包括可移动支座、升降支架、约束框架和多个支撑管，所述升降支架竖直设置于所述可移动支座，所述升降支架的顶部安装有安装盒，多个所述支撑管穿过所述掘进组件、所述支护组件水平设置于所述安装盒的一侧，所述约束框架套设于多个所述支撑管。

优选的，所述控制组件包括控制单元、第一转动电机、第二转动电机、驱动电机、转动盘和传力轴；

所述第一转动电机的输出端与所述传力轴的一端部连接，所述传力轴的另一端部与所述掘进组件连接；所述第二转动电机的输出端与所述转动盘连接；所述驱动电机用于驱动地下工程智能掘支物理模拟试验***前进；

所述控制单元分别与所述第一转动电机、所述第二转动电机、驱动电机、所述支护组件和所述清渣组件电连接。

进一步优选的，所述控制单元用于获取掘进期间的围岩应力和进尺速度，根据围岩应力，调节支护组件的支护密度；根据进尺速度，调节掘进组件的转速。

优选的，所述定位框架套设于所述支撑管，可沿所述支撑管滑动；所述送锚单元包括压力机、锚杆放置架和导轨，所述压力机设置于所述定位框架内侧底面，所述锚杆放置架水平设置于所述压力机顶端，所述导轨竖直穿过所述锚杆放置架与所述定位框架内侧顶面连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种地下工程智能掘支物理模拟试验方法，基于上述地下工程智能掘支物理模拟试验***，包括如下步骤：

将地下工程智能掘支物理模拟试验***固定于即将开挖的试验模型前，并调整掘进组件和支护组件的位置；

掘进组件工作，同时清渣组件在掘进过程中不断将产生的粉渣收集排出，

在掘进设定距离后，停止掘进组件工作，启动支护组件进行多个方向的锚杆支护作业；

重复上述过程，直至完成整条巷道施工，以实现多种形状巷道分段开挖和支护模拟过程。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本发明提供的技术方案，能够通过掘进组件对模型体进行分段开挖作业，模拟了开挖活动对围岩的扰动影响，很好的还原了围岩应力场变化，保障了监测数据的真实性，有利于开挖过程相关问题的研究。

2、本发明提供的技术方案，能够组合支护组件和支撑管等组件对已开挖的隧洞进行360°全方位支护作业，还原实际现场锚杆施工过程，保障锚杆能够发挥支护效果，避免了传统试验方式受模型体影响，存在***困难、定位精度低和支护效果差等问题。

3、本发明提供的技术方案，能够还原实际工程边掘边支的施工过程，装置整体可实现多种形状工程的开挖，结构简单，组装拆卸方便，施工快捷，节约了大量人力，提高了试验的效率。

4、本发明提供的技术方案，使得试验各步骤更加贴合实际，所得出的现象和监测的各种数据更加真实，更能反映现场的各项变化，总结相关规律，避免其他无关因素的干扰，保证试验的准确性和可靠性，发挥模拟试验的实际效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例提供的地下工程智能掘支物理模拟试验***的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的地下工程智能掘支物理模拟试验***的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的掘进组件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的支护组件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的掘进组件刀盘运动轨迹示意图；

图6是本发明实施例提供的预制锚杆的结构示意图；

图中：1-1、开挖单元；1-2、辅助支撑框；1-3、传动偏心轴；1-4、集渣孔；1-5、刀片；1-6、磨平圆盘； 2-1、定位框架；2-2、钻孔单元；2-3、送锚单元；2-4、预制反锚锚杆；2-5、第一压力机；2-6、滑动轮；2-7、反锚单元；2-8、预制锚固锚杆；2-9、黏合物囊； 3-1、收集单元；3-2、软管；3-3、存储单元；4-1、支撑管；4-2、约束框架；4-3、可移动支座； 5-1、安装盒；5-2、传力轴；5-3、控制单元；5-4、转动盘。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

施工过程常采用大型专业器械或者***法进行施工，需要较大空间，流程复杂，无法直接应用于模型试验；此外，大型器械精密繁复，无法简单等比例缩小制作还原，在模型试验的狭小空间内施作困难。因此，现有技术在进行模型试验时无法还原真实施工过程，使得试验获取的围岩相关监测数据可靠性低，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种地下工程智能掘支物理模拟试验***。

结合图1-图6，本实施例中记载了一种地下工程智能掘支物理模拟试验***，该地下工程智能掘支物理模拟试验***包括框架组件和控制组件，框架组件沿掘进方向依次安装有掘进组件、支护组件和清渣组件；掘进组件用于多种形状断面工程的开挖与掘进，支护组件用于全断面支护，清渣组件用于清除随掘进组件掘进掉落的粉渣；控制组件用于控制掘进组件、支护组件和清渣组件的工作状态。

进一步的，框架组件包括可移动支座4-3、升降支架、约束框架4-2和4个支撑管4-1，掘进组件包括辅助支撑框1-2，清渣组件包括收集单元3-1、存储单元3-3和软管3-2，控制组件包括控制单元5-3、第一转动电机、第二转动电机、驱动电机、转动盘5-4和传力轴5-2。

结合图1-图3，升降支架竖直安装于可移动支座4-3，升降支架的顶部安装有安装盒5-1，第一转动电机和第二转动电机安装于安装盒5-1的内部；转动盘5-4安装于安装盒5-1的一侧，第二转动电机的输出端伸出安装盒5-1侧面与转动盘5-4连接，4个支撑管4-1穿过掘进组件、支护组件水平安装于转动盘5-4，传力轴5-2的一端部水平穿过转动盘5-4和安装盒5-1，与第一转动电机的输出端连接。 4个支撑管4-1呈正方形分布，传力轴5-2位于转动盘5-4中心处；约束框架4-2套设于4个支撑管4-1和一个传力轴5-2。

可移动支座4-3的四个角处安装有移动轮，其中，位于掘进方向前端的两个移动轮为主动轮，驱动电机的输出轴与主动轮连接，输出动力带动主动轮转动，进而实现装置的整体移动。

辅助支撑框1-2套设于4个支撑管4-1和传力轴5-2，位于其非连接端部。辅助支撑框1-2的环周侧安装有可升降的磨平圆盘1-6，一侧面2个；辅助支撑框1-2沿掘进方向的端部安装有开挖单元1-1。开挖单元1-1包括刀盘和刀片1-5，刀片1-5安装于刀盘，刀盘的纵截面为勒洛三角形。辅助支撑框1-2的环周侧上开有集渣孔1-4，方便各方向粉渣集中。

具体的，可升降的磨平圆盘1-6包括伸缩杆和安装于伸缩杆伸缩端的磨平圆盘1-6。

将磨平圆盘1-6设置为可升降，在无需圆盘工作时将磨平圆盘1-6落下，防止阻挡钻头掘进。在停止掘进进行支护时，升起顶住洞壁保持稳定，或在掘进过程中磨平洞壁，规整表面。

其中，磨平圆盘1-6包括圆盘和旋转电机，旋转电机安装于伸缩杆伸缩端，圆盘的中心水平套设于旋转电机的输出端。

第二转动电机转动带动转动盘5-4转动，进而带动安装于转动盘5-4的支护组件和辅助支撑框1-2转动。

具体的，刀片1-5包括V形刀片、齿状刀片和切削刀片，V形刀片分别安装于刀盘的三个尖角处，切削刀片安装于刀盘的侧边中部，齿状刀片沿勒洛三角形中心与角点的连线布置，且刀片1-5的刀刃正对开挖面，齿状刀片高度略高于V形刀片与切削刀片，从而实现开挖面的掘进。

刀盘表面开设有多个孔洞，在破碎岩体同时使粉渣通过孔洞脱落，防止卡钻堵眼；并在刀盘中心开设连接孔，使传动偏心轴1-3前端穿入此孔与刀盘相连，传动偏心轴1-3的另一端与传力轴5-2的另一端部相连，使第一转动电机带动传力轴5-2和传动偏心轴1-3转动从而带动刀盘转动开挖工作面。

本实施例中，刀盘可根据实际需要进行预制，满足巷道掘进需要。可以理解的是，刀盘也可根据其余形状隧洞实际尺寸预先定制各种形状的组件，只要满足需要即可。

示例性的，结合图5所示的刀盘运动轨迹，当开挖断面为圆形时，设计刀头为合适大小的勒洛三角形状，笔直前进一次性开挖完成；当开挖断面为矩形时，可开挖完成方形后左右开拓多次掘进完成全断面开挖任务；当开挖断面为不规则断面时，进行上述断面开挖方法的组合，即可通过多次掘进完成任意形状断面的开挖。

刀盘形状为勒洛三角形，使边长为r的勒洛三角形刀盘绕偏心轴偏心旋转，并同时让偏心轴沿长为a -（2-）r、宽为b -（2-/>）r的矩形轨迹运动，能够实现长×宽为a×b的矩形巷道开挖；使边长为r的勒洛三角形刀盘以刀盘中心为轴旋转，能够实现直径为直径为/>r的圆形巷道开挖。

进行上述开挖时一般根据断面大小预制合适大小的钻头进行开挖，当具体大小情况确实不匹配时，可让钻头按照一定路径在同一断面来回切削，不断前进，实现大断面的全面开挖掘进。

收集单元3-1位于辅助支撑框1-2下方和刀盘预留孔洞后方，存储单元3-3安装于可移动支座4-3。软管3-2前端连接收集单元3-1，末端连接储存单元，利用负压吸走粉尘并沿管道收集至存储单元3-3，收集单元3-1与控制单元5-3电连接。

在本实施例中，收集单元3-1通过负压大功率吸渣实现岩体碎渣的排出，收集单元3-1采用功率为2000w的大功率吸渣装置，可以满足巷道粉渣排出收集需要。可以理解的是，也可采用其他型号和功率的负压吸渣装置，只要满足需要即可。

进一步的，结合图1、图3，定位框架2-1套设于4个支撑管4-1和传力轴5-2，定位框架2-1内侧的四个角处设置滑动轮2-6，定位框架2-1通过滑动轮2-6与支撑管4-1滑动连接，以沿掘进方向进行滑动。钻孔单元2-2和送锚单元2-3沿掘进方向依次安装于定位框架2-1内，钻孔单元2-2的钻孔端可伸出定位框架2-1的顶部，送锚单元2-3连接有预制锚杆，预制锚杆的非连接端部伸出框架组件的顶部。

此处，滑动轮2-6为电动滚轮。

支撑管4-1一方面能够架设各个部件，另一方面在掘进的过程中限定掘进的方向。

钻孔单元2-2包括 2个第一压力机2-5、钻杆支座和钻杆，2个第一压力机2-5安装于定位框架2-1内侧地面，钻杆支座水平安装于第一压力机2-5顶端，钻杆竖直安装于钻杆支座，第一压力机2-5通过上下移动控制钻杆推进和后撤，钻杆负责钻孔，第一压力机2-5与控制单元5-3电连接。送锚单元2-3位于钻孔单元2-2一侧，送锚单元2-3包括2个压力机、锚杆放置架和导轨，2个第二压力机安装于定位框架2-1内侧底面，锚杆放置架水平安装于压力机顶端，导轨竖直穿过锚杆放置架与定位框架2-1内侧顶面连接，预制锚杆沿导轨竖直安装于锚杆放置架，第二压力机与控制单元5-3电连接。

本实施例中，通过支撑组件的旋转实现支护组件绕传力轴5-2通过转动盘5-4进行360°旋转，可以满足巷道内壁全方向支护需要。

进一步的，结合图1、图6，预制锚杆为预制反锚锚杆2-4或预制锚固锚杆2-8；预制反锚锚杆2-4的顶端为十字尖顶，并带有反锚单元2-7，为反锚设计，方便锚杆端部固定，提高支护拟合效果。预制锚固锚杆2-8的一端呈尖刺状，套上装有黏合物囊2-9，在将此种锚杆推至底部时，尖刺扎破薄膜，黏合物流出，模拟锚固剂黏合效果。

在本实施例中，预制锚杆为预制锚固锚杆2-8，长度为10cm，黏合物使用符合相应强度的胶水。

控制单元5-3通过线路与第一压力机2-5、第二压力机、第一转动电机、第二转动电机、驱动电机和收集装置连接，线路可放置于中空的支撑管4-1内部，作业人员通过控制单元5-3的控制面板发送命令实现对装置各组件及其作业参数的及时调整。

具体的，控制单元5-3用于获取掘进期间的围岩应力和进尺速度，根据围岩应力，调节支护组件的支护密度；根据进尺速度，调节掘进组件的转速。其中，围岩应力通过安装于掘进组件的应力传感器采集，当局部应力过大时，提高锚杆的支护密度；根据进尺速度调整钻头转速，当进尺速度变低时，适当提高钻速，保证施工进度；进尺速度由安装于掘进组件的位移传感器采集。

实施例二

本实施例公开了一种地下工程智能掘支物理模拟试验方法，基于实施例一所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，包括如下步骤：

步骤1、将地下工程智能掘支物理模拟试验***固定于即将开挖的地质力学模型前，并调整掘进组件和支护组件的位置。

具体的，调整可移动支座4-3的位置和角度，调节升降支架的高度，使开挖单元1-1贴合在巷道预定开挖位置处。调整支护组件位置，使预制锚杆穿过定位框架2-1放置于辅助固定支架上。

进一步的，在步骤1之前，还包括：

（1）根据所要掘进的巷道形状尺寸对地下工程智能掘支物理模拟试验***进行设计，包括刀盘宽度、刀片1-5凸出高度、偏心轴偏心距等，之后完成整体装置的制作与组装。

（2）进行地质力学模型整体的填料并静置，根据设计要求确定巷道开挖位置。

步骤2、掘进组件工作，同时清渣组件在掘进过程中不断将产生的粉渣收集排出，在掘进设定距离后，停止钻头工作，启动支护组件进行多个方向的锚杆支护作业。

具体的，各部分准备完成后，按照设计进度进行巷道开挖与锚固模拟。在掘进过程中，电机带动传力轴5-2与传动偏心轴1-3转动从而带动勒洛三角形刀盘转动实现工作面开挖，整体装置在驱动电机的带动下向前推进，在掘进过程中，位于辅助支撑框1-2以及前置掘进组件处安装的微型传感器，时刻采集掘进期间的围岩应力和进尺速度，根据进尺速度变化合理调整钻头转速，当进尺速度变低时，适当提高钻速，保证施工进度，实现掘进期间作业的稳定性，清渣组件在掘进过程中不断将产生的废渣粉尘收集排出，保障掘进支护工作的顺利进行。

其中，微型传感器包括应力传感器和位移传感器，应力传感器用于采集掘进期间的围岩应力，位移传感器用于采集掘进期间的进尺速度。

支护组件根据掘进组件上安装的应力传感器所采集的围岩应力，设定支护密度，当局部应力过大时，提高锚杆的支护密度；按照设定完成一段距离的开挖后，停止掘进工作，启动支护组件的钻孔单元2-2在设计位置处进行钻孔，之后送锚单元2-3沿支撑管4-1滑动至钻孔下方，送锚单元2-3将预制锚杆送入围岩中固定，然后撤出定位框架2-1装好锚杆，旋转装置，重复进行完成多个方向的锚杆支护作业。

重复上述过程，直至完成整条巷道施工，以实现多种形状巷道分段开挖和支护模拟过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，包括：

框架组件，所述框架组件沿掘进方向依次设置有掘进组件、支护组件和清渣组件；所述掘进组件用于多种形状断面工程的开挖与掘进，所述支护组件用于全断面支护，所述清渣组件用于清除随掘进组件掘进掉落的粉渣；

控制组件，所述控制组件用于控制所述掘进组件、所述支护组件和所述清渣组件的工作状态；

其中，所述支护组件包括定位框架、钻孔单元和送锚单元，所述定位框架套设于所述框架组件，所述钻孔单元和所述送锚单元沿掘进方向依次设置于所述定位框架内，所述钻孔单元的钻孔端可伸出所述定位框架的顶部，所述送锚单元连接有预制锚杆，所述预制锚杆的非连接端部伸出所述框架组件的顶部。

2.如权利要求1所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述掘进组件包括辅助支撑框，所述辅助支撑框设置于所述框架组件；所述辅助支撑框的环周侧设置有可升降的磨平圆盘，所述辅助支撑框沿掘进方向的端部设置有开挖单元。

3.如权利要求2所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述开挖单元包括刀盘和刀片，所述刀片设置于所述刀盘，所述刀盘的纵截面为勒洛三角形。

4.如权利要求1所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述预制锚杆为预制反锚锚杆或预制锚固锚杆；

所述预制锚固锚杆的非连接端部设置有黏合物囊。

5.如权利要求1所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述清渣组件包括收集单元和存储单元，所述收集单元设置于所述掘进组件后方，所述收集单元与所述存储单元连通。

6.如权利要求1所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述框架组件包括可移动支座、升降支架、约束框架和多个支撑管，所述升降支架竖直设置于所述可移动支座，所述升降支架的顶部安装有安装盒，多个所述支撑管穿过所述掘进组件、所述支护组件水平设置于所述安装盒的一侧，所述约束框架套设于多个所述支撑管。

7.如权利要求6所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述控制组件包括控制单元、第一转动电机、第二转动电机、驱动电机、转动盘和传力轴；

所述第一转动电机的输出端与所述传力轴的一端部连接，所述传力轴的另一端部与所述掘进组件连接；所述第二转动电机的输出端与所述转动盘连接；所述驱动电机用于驱动地下工程智能掘支物理模拟试验***前进；所述控制单元分别与所述第一转动电机、所述第二转动电机、驱动电机、所述支护组件和所述清渣组件电连接。

8.如权利要求7所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述控制单元用于获取掘进期间的围岩应力和进尺速度，根据围岩应力，调节支护组件的支护密度；根据进尺速度，调节掘进组件的转速。

9.如权利要求6所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，其特征在于，所述定位框架套设于所述支撑管，可沿所述支撑管滑动；所述送锚单元包括压力机、锚杆放置架和导轨，所述压力机设置于所述定位框架内侧底面，所述锚杆放置架水平设置于所述压力机顶端，所述导轨竖直穿过所述锚杆放置架与所述定位框架内侧顶面连接。

10.地下工程智能掘支物理模拟试验方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的地下工程智能掘支物理模拟试验***，包括如下步骤：

将地下工程智能掘支物理模拟试验***固定于即将开挖的试验模型前，并调整掘进组件和支护组件的位置；

掘进组件工作，同时清渣组件在掘进过程中不断将产生的粉渣收集排出，在掘进设定距离后，停止掘进组件工作，启动支护组件进行多个方向的锚杆支护作业；

重复上述过程，直至完成整条巷道施工，以实现多种形状巷道分段开挖和支护模拟过程。