物理相似模拟已成为解决地下工程岩层控制问题的有效研究手段之一。以往的研究多以平面应力、应变模型和小型立体模型为主,但这无法解决模型边界效应、加载及测试等问题,导致实验结果与工程实际存在较大差异。处于三维应力状态下的研究对象,采用三维可加载物理模拟实验较为理想,但建立此类模型存在一定困难。在三维可加载物理模拟实验中,实验装置的大型化及其加载系统的选择是关系到能否理想地实现物理模拟的基础,模型内部物理量的测量是能否达到实验目的的关键。因此,研究三维可加载物理模拟实验方法,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以宁煤集团清水营煤矿一号回风斜井为研究对象,完成了三维“动-静”耦合多级可加载物理模拟实验,模型尺寸为4.42m×1.95m×2.90m。利用液压加载系统施加不同的动载荷来模拟井筒不同埋深的应力场和受井筒开挖扰动形成的二次应力场。采用光学全站仪、钻孔窥视仪、声发射监测仪、压力传感器、埋入式压力传感器(液压枕)等多种测试手段对井筒表面位移、深层位围岩变形破坏及应力分布特征进行全方位观测,实现了实验过程的“声-光-电”物理、力学与损伤等综合信息指标参数的实时测试,并进行了不同测试手段之间的相互验证和现场实测结果对比分析。研究表明,三维可加载物理模拟实验较真实地再现了清水营煤矿一号回风斜井不同埋深条件下的应力场及井筒开挖扰动形成的二次应力场。井筒主要出现崩塌、剪裂、层错和孔壁膨胀4种破坏形式;围岩松动范围为500mm(实际5.0m);无支护的条件下,开挖影响较大的区域为0~30mm(实际0~3.0m),最大应力为1.6MPa(实际25.6MPa);井筒右侧顶板(肩部)出现冒落,并出现底臌,表面位移与现场实测值的误差为8.33%,表现出了较好的一致性。据此,可以认为三维可加载物理模拟实验系统能够满足大型地下工程实验测试要求,是研究和解决复杂条件大型地下工程问题的有效途径之一。