[实用新型]尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及采场矿山压力研究领域，具体涉及一种尺寸与倾 角可调节式煤矿采场相似模型试验系统。

背景技术

煤炭是中国的主要能源，在国民经济发展中具有重要的战略地 位。目前中国煤矿开采深度以每年8m-12m的速度增加，东部矿井正 以每10年100m-250m的速度发展。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤矿 开采深度由最初浅部200m-300m逐步发展到深部700m-800m，部分煤 矿开采深度已达1000m以上，在未来20年中国很多煤矿将进入到 1000m-1500m的深度，深部开采面临的问题日益突出。与浅部、中深 部开采相比，煤矿深部开采的最大难度在于围岩所处的复杂的力学环 境难以估量。在大采深、高地应力、强烈的开采扰动作用下，深部围 岩表现出诸如复杂的围岩应力场特征、大变形和强流变性、煤岩脆性 —延性转化等力学特性。

而作为支撑深部开采研究的基础性研究领域，如：深部条件下工 程岩体的力学特性研究、工程岩体的连续性问题研究、工程岩体的本 构关系及参数确定方法研究、工程岩体的强度确定方法研究、工程岩 体的强度破坏准则研究、工程岩体的大变形研究等基础科学问题都有 待于深入研究，已有的基础性成果难以解答深部开采所面临的日益严 重的工程技术问题。

相似模型是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，它 能更真实地反映采场覆岩和工作面支护体的相互作用关系，更准确地 模拟工作面开采过程和影响，并可给出更为直观的试验结果。然而， 由于模型框架结构的强度刚度、模型铺设工作量、加载精度、模型量 测等多方面的因素制约，长期以来采场矿压模型试验多是几何比尺 1:100以下(最小为1:600)的中小比尺试验台，一方面模型尺寸较小， 另一方面模型边界的加载强度、加载精度、稳压时长等方面略显不足。 最为不利的是，相似材料的物理力学性质与真实煤岩体相去甚远，最 大相差两个数量级以上。以1:100的模型试验为例，根据相似理论关 于几何相似比与体积力、应力相似比的关系CγCL＝Cσ，可以看出，采 场模型的几何比尺在很大程度上决定了相似材料的力学强度指标，中 小比尺采场模型的相似材料其弹性模量、抗拉强度等力学指标最大仅 为原始煤岩强度的0.75％左右，其力学指标远远低于真实的煤岩强度， 相似材料配比以石膏、碳酸钙、河砂为主，其塑性、脆性与真实煤岩 体有显著差异。再者，由于几何比尺偏小，在测试结果处理过程中， 会导致测试误差被异常放大，降低了试验结果的相似性与可信度。此 外，现有的采场矿压模型试验台尺寸相对固定，模型框架不能旋转或 者可旋转角度不足，不能模拟大倾角煤层、工作面俯仰采等开采条件。

综上所述，常规的采场模型试验台对于不同倾角、不同厚度、不 同埋深等开采案例缺乏普适性，为了深入揭示以大采深、大倾角、厚 煤层为代表的复杂难采煤层的采场矿山压力特征，急需研发一种具有 普适性的，模型尺寸与倾角可调的大比例尺高精度采场模型试验系统 及试验方法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种尺寸与倾角可 调节式煤矿采场相似模型试验系统。

为此目的，本实用新型提出了一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场 相似模型试验系统，包括：模型承载框架、压力加载装置、模型框架 旋转装置、集中控制装置以及监测装置；

所述模型承载框架用于铺设采场相似模型；

所述集中控制装置用于根据试验设定的压力值向所述压力加载 装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向所述模型框架 旋转装置发送旋转控制指令；

所述压力加载装置用于根据所述施压控制指令向所述模型承载 框架施加压力；

所述模型框架旋转装置用于根据所述旋转控制指令使所述模型 承载框架旋转所述设定的倾角；

所述监测装置用于监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。

优选地，所述模型承载框架内的左右两侧分别设有传力垫块，所 述传力垫块沿所述模型承载框架的中心线左右对称分布。

优选地，所述压力加载装置包括侧向压力加载装置和顶部压力加 载装置；所述侧向压力加载装置用于向所述模型施加水平梯度压力； 所述顶部压力加载装置用于向所述模型顶部施加垂直梯度压力，以模 型所述采场的地貌。