[发明专利]一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台

说明书

本发明公开一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，涉及矿山压力研究领域，包括顶板、顶板加压装置和煤层模拟控制装置，煤层模拟控制装置控制煤层模型实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟，顶板加压装置包括下边界框、上边界框、施压组件和无顶透明罩，下边界框的上方为顶板放置区，无顶透明罩罩设在上边界框的上方，上边界框设置在顶板的上方，施压组件通过上边界框对顶板的上表面施压固定，上边界框上方的无顶透明罩空间用于注水。本发明能够根据地质条件情况铺设相似材料，最大程度还原现场实际地质条件，适用于多种地质条件下顶板破断三维观测，且实验过程透明可视，有利于对顶板破断规律进行全面的总结探究。

技术领域

本发明涉及矿山压力研究领域，尤其涉及一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台。

背景技术

煤炭作为我国主要能源，安全、绿色、高效是煤炭开采的重要指标，对矿山压力的研究是保证高产高效、安全生产的关键。顶板破断规律观测是利用相似材料尽可能还原某地质条件下的开采过程，观察顶板垮落变形情况，煤层被开挖后受自重应力与原岩应力影响下发生变形，通过改变基本顶厚度、开采工作面模型长度、观察顶板变形情况、监测岩层中应力应变以及裂隙发育情况，进而分析得出顶板的变形情况与基本顶厚度、工作面长度之间的关系。

现阶段，对矿山压力观测研究主要有现场实测、相似模拟、数值分析等方法。其中，现场实测环境恶劣，数据离散性较大，受某一区域地质条件影响严重，不便于得到一般规律；而数值分析方法对地质条件需要准确了解，受数据资料影响，计算精度很难确定；至于相似模拟实验虽然能够较为直观地观察顶板变形情况，但是这种实验方法受材料影响难以实现持续均匀加载，三维模型内部观测困难，而且模型尺寸单一固定，适用范围受限，不利于对顶板破断规律进行探究总结。

发明内容

本发明的目的是提供一种实验操作简单、测试效果准确可靠，实验过程透明可视的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，包括顶板、顶板加压装置和煤层模拟控制装置，所述煤层模拟控制装置的上表面设置有煤层模型，所述煤层模拟控制装置控制所述煤层模型实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟，所述顶板加压装置包括下边界框、上边界框、施压组件和无顶透明罩，所述下边界框活动安装在所述煤层模拟控制装置的上表面，所述下边界框的上方为顶板放置区，所述下边界框用于将所述顶板支撑在所述煤层模型的上方；所述无顶透明罩罩设在所述上边界框的上方，所述无顶透明罩的底端外沿与所述上边界框的顶端外沿密封连接，所述上边界框设置在所述顶板的上方，所述上边界框的上方连接有所述施压组件，所述施压组件通过所述上边界框对所述顶板的上表面施压固定，所述顶板的上表面包覆有透明防水薄膜，所述上边界框对所述顶板的上表面施加有压力时，位于所述上边界框上方的所述无顶透明罩空间内用于注水，所述上边界框的上方安装有水压检测仪，用于监控所述无顶透明罩内注水压力的大小；位于所述顶板放置区的所述无顶透明罩的内壁上设置有声发射仪，所述声发射仪用于监测顶板断裂内部裂隙产生情况；

所述煤层模型的上表面、所述顶板的上表面、所述上边界框的上表面以及所述下边界框的上表面均设置有压力传感器；所述声发射仪、所述水压检测仪以及所述压力传感器均与一控制系统信号连接。

可选的，所述施压组件包括承压架，所述承压架的底端与所述上边界框的上表面焊接，所述承压架的外顶端面设置有指针式液压千斤顶，所述指针式液压千斤顶用于给所述上边界框加压，所述承压架的内顶端面朝下设置有高速照相机，所述高速照相机用于记录实验过程中顶板的破断形态。

可选的，所述指针式液压千斤顶上设置有油压监测仪，所述高速照相机的帧频为60帧/秒。

可选的，所述无顶透明罩的顶端可拆卸安装有高度限制板，所述高度限制板用于在所述指针式液压千斤顶加压时限制所述指针式液压千斤顶向上偏移。