(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210820592.6 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 冯夏庭　张希巍　石磊　姚志宾　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 梁焱 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/303(2006.01) G01N 3/30(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物 理模拟试验系统 (57)摘要 一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物 理模拟试验系统， 相似材料物理模 型试样内部预 埋有CO2爆破致裂装置、 动态光纤光栅和超声波 探头， 试样边界预装声发射探头； 试样内开挖隧 道配置有三向加速度传感器和工业内窥镜； 试样 位于三维静应力加载装置内部； 分离式霍普金森 压杆装置、 三维静应力加载装置及微型旋挖式柔 性机械臂装置沿直线顺序布设且固装于地面； 三 维静应力加载装置外部设有试样3D打印机和落 锤冲击装置， 试样3D打印机和落锤冲击装置均采 用轨道式安装结构置于地面上， 试样3D打印机和 落锤冲击装置移动路径均途经三维静应力加载 装置正上方； 三维静应力加载装置外部还设有液 压油源及控制器， 液压油源及控制器固装在地面 上， 控制器与计算机相连。 权利要求书6页 说明书17页 附图3页 CN 115372152 A 2022.11.22 CN 115372152 A 1.一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 包括三维 静应力加载装置、 相似材料物理模型试样3D打印机、 CO2爆破致裂装置、 分离式霍普金森压 杆装置、 微型旋挖式柔性机械臂装置、 落锤冲 击装置、 液压油源及控制器； 所述CO2爆破致裂 装置设置在相似材料物理模型试样内部， 相似材料物理模型试样位于三 维静应力加载装置 内部； 所述分离式霍普金森压杆装置和微型旋挖式柔性机械臂装置布设在三 维静应力加载 装置外部， 分离式霍普金森压杆装置、 三维静应力加载装置及微型旋挖式柔性机械臂装置 沿直线顺序布设， 三者均固定安装在地面上； 所述相似材料物理模型试样3D打印机位于三 维静应力加载装置外部， 相似材料物理模型试样3D打印机采用轨道移动式结构安装在地面 上， 相似材料物理模型试样3D打印机的移动路径途经三维静应力加载装置正上方； 所述落 锤冲击装置位于三维静应力加载装置外部， 落锤冲击装置采用轨道移动式结构安装在地面 上， 落锤冲击装置的移动路径途经三维静应力加载装置正上方； 所述液压油源及控制 器布 设在三维静应力加载装置 外部， 二者均固定安装在地 面上， 所述控制器与计算机相连。 2.根据权利要求1所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 所述三维静应力加载装置包括高刚度三 维反力框架、 第一动态液压作动器、 第 二动态液压作动器、 第一柔性囊式液压枕、 第二柔性囊式液压枕、 第三柔性囊式液压枕、 第 四柔性囊式液压枕及第 五柔性囊式液压枕； 所述高刚度三维反力框架采用一体式结构， 在 高刚度三维反力框架的顶部、 左侧部及右侧部均开设有加载孔； 在所述高刚度三维反力框 架顶部固定安装有框架顶盖， 所述第一动态液压作动器竖直固装在框架顶盖中心处； 所述 第二动态液压作动器水平固定安装在高刚度三维反力框架左侧部； 在所述高刚度三 维反力 框架右侧部固定安装有框架侧盖， 在框架侧盖中心处开设有模拟开挖孔； 所述第一柔性囊 式液压枕设置在框架顶盖下表面， 第一柔性囊式液压枕采用环形结构； 所述第二柔性囊式 液压枕设置在高刚度三维反力框架底部； 所述第三柔性囊式液压枕设置在高刚度三 维反力 框架前侧部； 所述第四柔性囊式液压枕设置在高刚度三维反力框架后侧部； 所述第 五柔性 囊式液压枕设置在框架侧盖内表面， 第五柔 性囊式液压枕采用环形 结构。 3.根据权利要求2所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 所述第一柔性囊式液压枕通过液压油路与液压油源相连， 在第一柔性囊式液 压枕与液压油源之 间的液压油路上设置有第一压力 传感器； 所述第二柔性囊式液压枕通过 液压油路与液压油源相连， 在第二柔性囊式液压枕与液压油源之 间的液压油路上设置有第 二压力传感器； 所述第三柔性囊式液压枕通过液压油路与液压油源相连， 在第三柔性囊式 液压枕与液压油源之间的液压油路上设置有第三压力 传感器； 所述第四柔性囊式液压枕通 过液压油路与液压油源相连， 在第四柔性囊式液压枕与液压油源之 间的液压油路上设置有 第四压力传感器； 所述第 五柔性囊式液压枕通过液压油路与液压油源相连， 在第 五柔性囊 式液压枕与液压油源之间的液压油路上设置有第 五压力传感器； 所述第一压力传感器、 第 二压力传感器、 第三压力传感器、 第四压力传感器及第 五压力传感器的数据输出端均与控 制器电连接 。 4.根据权利要求3所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 所述第一动态液压作动器的活塞杆采用空心结构， 第一动态液压作动器的活 塞杆与相似材料物理模型试样之间依次设置有第一环形负荷传感器和 第一承压垫块； 所述 第一动态液压作动器的活塞杆与其缸盖之 间设置有第一磁致伸缩式位移传感器； 所述第二权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 115372152 A 2动态液压作动器的活塞杆采用空心结构， 第二动态液压作动器的活塞杆与相似材料物理模 型试样之 间依次设置有第二环形负荷传感器和 第二承压垫块； 所述第二动态液压作动器的 活塞杆与其缸盖之间设置有第二磁致伸缩式位移传感器； 所述第一环形负荷传感器、 第一 磁致伸缩式位移传感器、 第二环形负荷传感器及第二磁致伸缩式位移传感器均与控制器电 连接。 5.根据权利要求4所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 所述第一动态液压作动器的液压油路通过第一伺服阀组与液压油源相连， 在 第一伺服阀组上安装有第一蓄能器组； 所述第一伺服阀组的电控端与控制器电连接； 所述 第二动态液压作动器的液压油路通过第二伺服阀组与液压油源相连， 在第二伺服阀组上安 装有第二蓄能器组； 所述第二伺服阀组的电控端与控制器电连接 。 6.根据权利要求5所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 所述分离式霍普金森压杆装置的发射杆依次通过第二动态液压作动器的活塞 杆中心孔和第二环形负荷传感器的中心 孔与第二承压垫块正对； 所述微型旋挖式柔性机械 臂装置的机械臂依次通过模拟开挖孔和第 五柔性囊式液压枕 的中心孔与相似材料物理模 型试样正对； 所述落锤冲击装置的落锤杆依次通过第一动态液压作动器的活塞杆中心孔和 第一环形负荷 传感器的中心孔与第一承压 垫块正对。 7.根据权利要求6所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 在所述相似材料物理模型试样 内部分别预埋有动态光纤光栅和超声波探头， 在相似材料物理模型试样边界预安装有声发射探头， 所述动态光纤光栅、 超声波探头和声 发射探头的信号输出端均与控制器电连接； 当所述相似材料物理模型试样内部完成隧道开 挖后， 在隧道中配置有三向加速度传感器和工业内窥镜 。 8.根据权利要求7所述的一种深部工程岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统， 其特征在于： 当开展即时应 变型岩爆模拟试验时， 包括如下步骤： 步骤一： 制备相似材料， 相似材料的原料包括水、 重晶粉、 硼砂、 石膏、 水泥及松香酒精 溶液， 且水:重晶粉:硼砂:石 膏:水泥:松香酒精溶 液＝25％:20％:20％:20％:10％:5％； 步骤二： 将框架顶盖与高刚度三维反力框架之间的连接断开， 然后将落锤冲击装置移 动到高刚度三维反力框架正上方， 利用落锤冲击装置将框架顶盖吊起， 之后将悬吊有框架 顶盖的落锤冲击装置从高 刚度三维反力框架正上 方移开； 步骤三： 将相似材料物理模型试样3D打印机移动到高刚度三维反力框架正上方， 将制 备好的相似材料作为相似材料物理模型试样3D打印机的打印原料， 通过相似材料物理模型 试样3D打印机在高刚度三 维反力框架内完成相似 材料物理模 型试样的原位打印， 且在打印 过程中将动态光纤光栅和超声波探头预埋在相似材料物理模型试样的内部 设定位置处， 将 声发射探 头预安装在相似材 料物理模型 试样的边界设定位置处； 步骤四： 对打印好的相似材料物 理模型试样进行原位常温养护， 待养护期结束后， 检测 相似材料物理模型试样的平整度、 垂 直度和密实度是否合格， 若合格， 再检测预埋在相似材 料物理模型试样内部的动态光纤光栅、 超声波探头和 边界的声发射探头是否正常工作， 若 正常工作， 则将悬吊有框架顶盖的落锤冲击装置移动到高刚度三维反力框架正上方， 然后 通过落锤冲击装置将框架顶盖落回到高刚度三维反力框架顶部， 并重新将框架顶盖与高刚 度三维反力框架连接在一 起， 之后将落锤冲击装置从高 刚度三维反力框架正上 方移开；权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 115372152 A 3