[发明专利]相似材料底臌模拟试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了一种相似材料底臌模拟试验系统及试验方法，属于相似材料模拟技术领域。其包括试验箱、气囊组件、气压加载装置、数据采集装置、位移监测装置及计算机，气囊组件铺设在底板上，气囊组件包括气囊和进出气口，气囊长度与试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配；气囊包括若干个气囊体，每个气囊体上均设置有各自的进出气口，每个气囊体上的进出气口通过各自对应的第一管路连接至气压加载装置。模拟开挖后，气压加载装置可同步向采空区下部的气囊内冲入适量的气体，以等效代替上覆岩层自重，随时观察并记录下煤层底板处的移动变形现象，并通过计算机收集的应力传感器和气囊数据，进一步分析采动过程中底板岩层的变形破坏特征。

技术领域

本发明涉及相似材料模拟技术领域，具体涉及一种相似材料底臌模拟试验系统及试验方法。

背景技术

采矿活动过程中，地下岩体受采动影响，原有的应力平衡状态被打破，岩体内应力重新分布直到达到新的平衡状态。在达到二次应力平衡的过程中，由于围岩的移动和变形矿山压力显现从而对煤层底板造成破坏，巷道底板发生向上隆起的现象称之为底臌。底臌现象会导致巷道及采煤空间缩小，引发阻碍通风和人员物资的运输，在底板岩层含水情况下容易导致底板突水事故的发生，严重制约着矿井的安全生产。近些年随着浅部资源的枯竭，开采深度逐年增加向深部发展，地质条件变得复杂，开采环境变得恶劣，矿井所受水平地应力和竖直地应力明显增大，巷道底臌现象愈加明显，所以为了确保矿井安全高效生产，开展有关底臌现象的研究势在必行。

相似材料模拟试验按照相似原理用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，制作与矿山原型相似的模型，进行模拟开挖来观察煤层顶底板岩层移动变形规律，目前有关顶板的相似材料模拟技术相对已经成熟，但有关底板破坏的相似材料模拟技术需要进一步改进。

目前，有关底臌相似材料的模拟中，无法实现对采动底板底臌的有效模拟，现有技术中在这方面的研究主要有：

CN102360087A提出了一种用于模拟采动底板突水的试验系统及方法，通过试验台底部水箱向相似模型加载高压水来实现对底板破坏的模拟，但该装置由于底部存在位移约束，无法向模型底板处提供一定的应力来源，无法还原真实的底臌现象。

CN204731039U提出了一种适用于矿井巷道底臌模拟的试验台架，该装置通过底部弹簧反力形式模拟底部荷载，为底部鼓出提供主要应力来源，弹簧带动底部承载板移动从而实现对底臌现象的模拟，但该装置底部的承载板并不能实现对底板处的柔性加载，存在内部应力分配不均的缺陷，而其弹簧的变形不易控制，试验过程中会发生不同程度的偏移，影响试验效果，且其无法实现对底臌变形数据的实时准确监测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种相似材料底臌模拟试验系统，其可实现对煤层采动过程中煤层底板分区破坏的模拟，且在试验中可直观地观察底板岩层移动变形规律，可为矿山的安全高效开采提供一定科学依据。

为实现上述目的，本发明所需解决的主要技术难题为：

如何在保持对底板柔性加载过程的同时，实现对底臌变形数据的实时准确监测。

为了解决上述技术问题，所采用的技术方案为：

一种相似材料底臌模拟试验系统，其包括试验箱、气囊组件、气压加载装置、数据采集装置、位移监测装置及计算机，所述的试验箱是由底板、安装在底板左右两侧的立柱以及安装在底板前后面的可视化挡板组成，所述的气囊组件铺设在所述的底板上，所述的气囊组件包括气囊和进出气口，所述的气囊长度与所述的试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配；

所述的气囊包括若干个气囊体，每个气囊体上均设置有各自的进出气口，每个气囊体上的进出气口通过各自对应的第一管路连接至所述气压加载装置，所述气压加载装置与所述计算机连接；